Produção de filamentos à base de quitosana com nanopartículas de óxido de zinco para aplicações biomédicas

Abstract

Fios de sutura são têxteis técnicos amplamente utilizados na área médica para fechar e auxiliar na cicatrização de feridas. No entanto, a busca por fios absorvíveis que tenham propriedades adequadas associadas com elevada biocompatibilidade persiste. A quitosana é um polímero de origem natural que apresenta potencial para utilização como fio de sutura absorvível devido a sua biocompatibilidade e biodegradabilidade. Sua principal limitação é a baixa resistência mecânica, a qual pode ser melhorada pela formação de nanocompósitos com nanopartículas de ZnO. Além da resistência mecânica, este nanomaterial apresenta elevada atividade antimicrobiana podendo resultar em fios de sutura ativos. Com isso, este trabalho teve como objetivo o desenvolvimento de filamentos de quitosana fiados a partir do processo de fiação úmida utilizando diferentes concentrações de quitosana (2 %, 2,5 % e 3 % m/v) e nanopartículas de ZnO (0,1 %, 0,3 % e 0,5 % m/v). Foram realizadas caracterizações em termos de diâmetro, título, capacidade de absorção e estabilidade em meios líquidos, propriedades mecânicas de tração, térmicas (TGA) e morfológicas (MEV). Os filamentos com e sem nanopartículas também foram avaliados em relação à biodegradação e atividade antimicrobiana in vitro. Foi verificado que o processo de fiação utilizando bomba de infusão permite a obtenção de filamentos mais uniformes, longos e com menor intumescimento do que filamentos de produção manual. O aumento da concentração de quitosana de 2 % para 2,5 % e 3,0 % resultou no aumento do diâmetro e do título dos filamentos, na redução do grau de intumescimento e da perda de massa. A tensão de ruptura aumentou em 63 % e o módulo de elasticidade em 25 % com o aumento da concentração de quitosana. A análise microscópica revelou coagulação uniforme do interior do filamento, com microestruturas densas. A incorporação das nanopartículas de ZnO contribuiu para o aumento de irregularidades na morfologia do filamento e deformação da seção circular. A capacidade de absorção de fluídos (intumescimento) aumentou com adição de nanopartículas de ZnO, resultado atribuído à maior irregularidade do filamento e a higroscopicidade do óxido de zinco. A formação do nanocompósito melhorou as propriedades mecânicas dos filamentos, sendo a influência maior para a menor concentração de quitosana. Nesse caso, a tensão de ruptura aumentou até 75 % e o módulo de elasticidade aumentou 95 %. A análise antimicrobiana in vitro contra E. coli indicou atividade para todos os filamentos, com redução entre 20 e 25% da população. O ensaio de biodegradação por 30 dias demonstrou que ocorre a redução da tensão de ruptura de 24 a 39 %. De forma geral, os filamentos de quitosana com nanopartículas de ZnO demonstram potencial para aplicações biomédicas, mas ajustes de parâmetros de fiação, bem como de concentrações de polímero e nanopartículas ainda são necessários para atingir a resistência mecânica adequada para fios de sutura.

Abstract: Surgical sutures are technical textiles used in the medical field to close and help the healing of wounds. However, the search for absorbable sutures with suitable properties associated with high biocompatibility persists. Chitosan is a polymer of natural origin that has potential for use as an absorbable surgical suture due to its biocompatibility and biodegradability. The main limitation of this polymer is related to low tensile strength, which can be improved by forming composites with ZnO nanoparticles. In addition to tensile strength, this nanomaterial presents high antimicrobial activity resulting in active suture threads. Thus, this study aims to obtain filaments from the wet-spinning method using different concentrations of chitosan (2.0, 2.5 and 3.0 wt %) and nano ZnO (0.1, 0.3, and 0.5 wt %). Filaments were characterized regarding diameter, direct yarn count, absorption capacity and stability in liquid media, mechanical properties, thermal properties (TGA), and morphological properties (SEM). Filaments both and without nanoparticles were also evaluated in relation to in vitro biodegradation and antimicrobial activity. It was verified that wet-spinning using an infusion pump allows for the production of more uniform, longer, and with lower water holding capacity than manually produced filaments. Increasing chitosan concentration from 2.0 wt% to 2.5 wt% and 3.0 wt% increased diameter and direct yarn count of the filaments and decreased swelling degree and mass loss. Tensile strength increased by 63 % and elasticity modulus increased by 25 % with higher chitosan concentration. Microscopic analysis showed uniform coagulation on the filaments bulk, with dense microstructures. The incorporation of ZnO nanoparticles lead to more irregularities in the filament morphology and deformation of the circular section. A higher swelling degree in filaments with nano ZnO was attributed to those irregularities. The formation of the nanocomposite improved the filaments? mechanical properties, with a stronger influence on the filament with a 2.0 wt% chitosan concentration. In that case, tensile strength increased to 75 % and Young Modulus increased to 95 %. The in vitro antimicrobial analysis against E. coli indicated activity for all filaments, reducing 20-25 % of the bacterial population. The biodegradation test was made for 30 days, demonstrating a reduction of 24-39 % of tensile strength. In general, chitosan filaments with ZnO nanoparticles show potential for biomedical applications. However, spinning parameters and polymer and nanoparticle concentration adjustments are still needed to achieve suitable mechanical properties for sutures.