Desenvolvimento de membranas nanofibrosas para a libertação controlada e localizada de antibióticos

Abstract

Este trabalho teve como principal objetivo desenvolver membranas nanofibrosas de base polimérica, com dois fármacos incorporados, sulfato de gentamicina e dexametasona, utilizando a técnica de electrofiação (electrospinning). Pretende-se que estas membranas sejam utilizadas no tratamento de eventuais infeções bacterianas do tecido ósseo, que podem surgir no seguimento de uma intervenção cirúrgica ortopédica. Para tal foi necessário configurar um dispositivo polimérico que liberte os fármacos no local intervencionado por um período de cerca de quatro semanas, ou seja, um sistema de libertação controlada (SLC) implantável. Os fármacos incorporados têm como funções combater a possível infeção bacteriana (o sulfato de gentamicina) e moderar a resposta inflamatória ao implante e simultaneamente promover e regeneração do tecido ósseo danificado (dexametasona). Com o objetivo de atingir um longo período de libertação durante o tratamento, e tendo em conta que o dispositivo tem de ser biocompatível e biodegradável, para que não haja necessidade de remoção do mesmo após tratamento, optou-se pela utilização do polímero poli (ácido láctico) (PLA). Tendo em conta que o sulfato de gentamicina (GS) é um fármaco hidrófilico, ou seja, ter uma grande afinidade com a água, o que leva a que se difunda rapidamente na matriz polimérica optou-se por introduzir o fármaco em nanotubos de haloisite que, em princípio, retardam a libertação do fármaco para o exterior da matriz. Estes nanotubos após carregamento com o GS foram introduzidos na solução polimérica a electrofiar. O trabalho realizado foi dividido em duas fases: a primeira envolveu o tratamento e o carregamento do GS nos nanotubos e a caracterização dos mesmos, e a segunda direcionou-se para o estudo das fibras resultantes da electrofiação. Antes de serem carregados com a GS, os nanotubos de haloisite foram sujeitos a um tratamento ácido, com o intuito de aumentar o tamanho do lúmen e com isso aumentar a sua capacidade de carregamento. A eficácia do tratamento foi revelada pela técnica de adsorção de azoto, que demostrou um aumento da superfície específica e do volume de poro dos nanotubos tratados relativamente aos não tratados. A quantificação da GS carregada nos nanotubos feita por termogravimetria confirmou estes resultados, tendo-se verificado um aumento no carregamento de 17% (p/p) (nos tubos não tratados) para 25% (p/p) (nos tubos tratados). A segunda fase do trabalho envolveu a produção e a caracterização das membranas fibrosas carregadas com os fármacos. Inicialmente, e com intuito exploratório, prepararam-se e electrofiaram-se algumas formulações, designadas de formulações preliminares. A caracterização destas membranas, nomeadamente a caracterização morfológica, revelou a presença de uma quantidade significativa de beads e de alguns aglomerados de haloisite não totalmente incorporados nas nanofibras. Assim, e com base nestes resultados, procederam-se a alguns ajustes no modo de preparação e composição nas formulações seguintes, tendo-se procedido igualmente ao ajuste dos parâmetros de processo da electrofiação (nomeadamente caudal de alimentação e voltagem aplicada). Estas novas formulações são designadas de formulações finais. Com as formulações finais, testaram-se várias combinações possíveis de incorporação dos dois fármacos. Assim, e para comparação, prepararam-se membranas só com um dos fármacos incorporados: membrana com dexametasona (PLA+DEX); membrana com gentamicina na forma livre (PLA+GS). Posteriormente prepararam-se membranas com a GS imobilizada nos tubos de haloisite (PLA+HGS) e membranas com metade da GS na forma “livre” e metade da GS imobilizada nos tubos de haloisite (PLA+HGS+GS). Adicionalmente prepararam-se duas membranas com os dois fármacos incorporados em simultâneo: uma onde a gentamicina incorporada se encontra imobilizada nos nanotubos (PLA+HGS+DEX), e outra onde metade do GS se encontra na forma livre e a outra metade imobilizada nos nanotubos (PLA+HGS+GS+DEX). As membranas produzidas foram caracterizadas por SEM, determinação do ângulo de contacto com a água, ensaios de libertação in vitro e testes microbiológicos. De uma forma geral, todas as membranas resultantes das formulações finais apresentavam uma quantidade reduzida de beads e menos agregados de nanotubos (naquelas onde estavam presentes), o que revela que as alterações efetuadas nas formulações e nos parâmetros operacionais tiveram os efeitos desejados. A análise morfológica das fibras permitiu também estimar o diâmetro médio destas, tendo-se obtido, para todas as formulações, fibras com diâmetros médios entre os 1,9 e 3,7 μm, o que podem ser considerados diâmetros elevados, tendo em conta os diâmetros típicos das fibras produzidas pela técnica de electrofiação. Os testes de libertação in vitro foram realizados durante um período de 28dias (4semanas), em meio semelhante ao fluído fisiológico, com o intuito de obter os perfis de libertação dos fármacos existentes em cada uma das membranas. Para todas as membranas, a cinética de libertação da gentamicina demonstrou ser bastante mais rápida que a cinética de libertação da dexametasona. Este resultado era esperado, tendo em conta a natureza altamente hidrófilica da GS e o carácter marcadamente hidrofóbico da DEX. Nas membranas com os dois fármacos incorporados simultaneamente, verificou-se que os perfis de libertação dos dois fármacos eram alterados devido à presença do outro fármaco. Este efeito é mais evidente para os perfis da dexametasona, onde a presença do GS resulta num considerável aumento da percentagem de fármaco libertado e em cinéticas de libertação mais rápidas, comparativamente com o perfil da dexametasona a partir da membrana em que esta se encontra imobilizada sozinha (PLA+ DEX). Contrariamente ao que se pretendia, os perfis de libertação da GS a partir das membranas PLA+GS e PLA+HGS não demonstraram ser significativamente diferentes, sendo que este resultado poderá ser parcialmente justificado pela considerável diferença de diâmetros médios entre as fibras que constituem as duas membranas. Finalmente, os testes microbiológicos realizados com as membranas na presença da estirpe de bactérias Staphylococcus aureus, revelaram que todas as membranas que incorporavam GS apresentaram a capacidade de inibir a proliferação das bactérias, o que permite concluir que o processo de incorporação da GS e o processo de electrofiação não afetou as propriedades antibacterianas do antibiótico.