Electrospun nonwoven mats from polymeric association with natural rubber and functionalization with propolis for biomedical applications

Abstract

Embora exista uma grande diversidade de curativos cutâneos no mercado, a utilização de biopolímeros naturais no desenvolvimento desses dispositivos biomédicos tem recebido atenção devido à sua biocompatibilidade, biodegradabilidade e não toxicidade. A borracha natural (NR) tem se destacado entre os biopolímeros e demonstrado ser um excelente material para esta finalidade. Contudo, a NR exibe características hidrofóbicas que podem dificultar o seu uso como curativo de lesões de pele, onde propriedades hidrofílicas são desejáveis. Nesse sentido, a combinação de NR com outro polímero surge como alternativa eficiente para alcançar melhores desempenhos desse material. Ainda, a combinação desses materiais com a técnica de eletrofiação permite produzir membranas com propriedades que facilitam a adesão e proliferação celular, que são promissoras para tal aplicação. Nesta pesquisa, fibras obtidas pela técnica de eletrofiação foram desenvolvidas mediante associação polimérica a partir de NR. Foram testadas as associações poliméricas de NR:Policaprolactona (NR:PCL) e NR:Polivinilpirrolidona (NR:PVP). Após otimização dos parâmetros de eletrofiação e identificação da combinação polimérica mais apropriada para produção de fibras visando a aplicação biomédica em questão, foi realizada a funcionalização das fibras com própolis. Os resultados obtidos mediante associação NR:PCL mostraram que o material obtido exige adequações, devido a sua hidrofobicidade. A associação de NR:PVP proporcionou o desenvolvimento de estruturas fibrosas com molhabilidade ajustável de acordo com a proporção de cada polímero, sendo isto comprovado experimentalmente e teoricamente. Análises de FTIR e DSC provaram a mistura física dos polímeros na associação NR:PVP. A análise morfológica demonstrou a formação de fibras na escala micrométrica, livres de defeitos e com a presença de pontos de cruzamento. A adição de PVP em NR causou uma diminuição do diâmetro médio das fibras e, em concentrações = 50%, permitiu a obtenção de um material hidrofílico, compatível com as aplicações em lesões cutâneas. A amostra com maior potencial de aplicação em lesões de pele foi designada como sendo NR:PVP 50:50 (50NRe-spun). Esta amostra foi submetida ao teste de dissolução de fibras e demonstrou ser um candidato promissor como matriz para liberação de medicamentos devido a sua dissolução parcial. Visto isso, esta amostra foi funcionalizada com própolis e a presença desse bioativo ocasionou a diminuição do diâmetro médio das fibras e dos valores de ângulo de contato, enaltecendo as características hidrofílicas do material. Além disso, não foi observada citotoxicidade significativa para o material desenvolvido. Conclui-se então que a incorporação de PVP em NR afetou positivamente as propriedades de superfície do biomaterial, exibindo características que podem ser de interesse em aplicações biomédicas quando o controle da molhabilidade é necessário, como em lesões cutâneas. Vale destacar ainda a possibilidade de manter e melhorar as propriedades biológicas do biomaterial através da funcionalização com própolis.

Abstract: Although there is a great diversity of skin dressings on the market, using natural biopolymers in developing these biomedical devices has received attention due to their biocompatibility, biodegradability, and non-toxicity. Natural rubber (NR) has stood out among biopolymers and has proven to be an excellent material for this purpose. However, NR exhibits hydrophobic characteristics that may hinder its use as a dressing for skin lesions, where hydrophilic properties are desirable. In this sense, the combination of NR with another polymer emerges as an efficient alternative to achieve better performance of this material. Furthermore, combining these materials with the electrowinning technique allows membranes with properties that facilitate cell adhesion and proliferation, which are promising for such applications. In this research, fibers obtained by the electrospinning technique were developed by polymer association from NR. The polymeric associations of NR:Polycaprolactone (NR:PCL) and NR:Polyvinylpyrrolidone (NR:PVP) were tested. After optimizing the electrospinning parameters and identifying the most appropriate polymeric combination for fiber production aimed at biomedical applications, the fibers were functionalized with propolis. The association NR:PCL results showed that the material obtained requires adjustments due to its hydrophobicity. The association of NR:PVP provided the development of fibrous structures with adjustable wettability according to each polymer's proportion, which was proven experimentally and theoretically. FTIR and DSC analyses confirmed the physical mixing of the polymers in the NR:PVP association. The morphological study demonstrated the formation of fibers on the micrometric scale, free of defects and with the presence of crossing points. The addition of PVP in NR caused a decrease in the average diameter of the fibers and, at concentrations = 50%, allowed obtaining a hydrophilic material compatible with applications in skin lesions. The sample with the highest potential application in skin lesions was designated as NR:PVP 50:50 (50NRe-spun). This sample was subjected to the fiber dissolution test and proved to be a promising candidate as a matrix for drug release due to its partial dissolution. Therefore, this sample was functionalized with propolis, and the presence of this bioactive caused a decrease in the average fiber diameter and contact angle values, enhancing the hydrophilic characteristics of the material. Moreover, no significant cytotoxicity was observed for the developed material. It is then concluded that the incorporation of PVP in NR positively affected the surface properties of the biomaterial, exhibiting characteristics that may be of interest in biomedical applications when wettability control is required, such as in skin lesions. It is also worth highlighting the possibility of maintaining and improving the biomaterial's biological properties through propolis's functionalization.