Material selection for a biodegradable intravenous implant

Abstract

The leading causes for incidence rates and mortality worldwide are rooted in cardiovascular diseases and their complications. The cardiovascular system is highly sensitive to any disruptions, and even a minor anomaly in the vascular tissue can lead to serious consequences. This has been a particularly important subject in medicine for a long time, and it continues to attract interest in research, which is no surprise. Implants can be used to achieve certain desired outcomes, by providing structural support for injured tissue. Usually, the human body tends to heal and attempts to restore the functionality of the injured tissue after some time. Considering that, biodegradable materials are currently of great interest, as they can support the tissue while degrading at the rate of the natural healing process of the body. As a result, the risk of long-term postoperative complications and infections can be reduced, as an implant material is removed through body’s natural metabolic pathways once it is no longer needed.

Biodegradable polymers, specifically synthetic polyesters, have been studied and employed in many biodegradable implants for cardiovascular diseases. These polyesters include polylactide, PLA, polyglycolide, PGA, poly(lactide-co-glycolide), PLGA, and poly-ε-caprolactone, PCL. These polymers have an advantage of degrading and absorbing in the human body by producing nontoxic end products, carbon dioxide and water. Additionally, the degradation time and mechanical properties of these polymers can be tailored and tuned in a wide variety of ways.

In this work, biodegradable materials for an intravenous implant were investigated. Most importantly, the degradation time of the material is desired to be relatively rapid, during which the physical structure of the material is required to hold predetermined period of time. PLGA (50DL/50G) was examined in a laboratory experiment for its in vitro degradation. The effect of sterilization was included in the studies, as an implant must be sterile to ensure safe use. The sterilization methods used were hydrogen peroxide plasma and gamma irradiation. Sterilization was found to decrease the degradation time by approximately 20 %. This work demonstrated that the requirements for implants in terms of degradation time depend significantly on the intended use, and illustrated that it is more critical in this case to focus on the physical disintegration of the material during the degradation process than on the total degradation time. In that case, the intended use of the implant as structural support for tissue can be ensured for a sufficient period of time.

Sydän- ja verisuonitaudit sekä niistä aiheutuvat komplikaatiot johtavat sairastuvuus- ja kuolleisuustilastoja maailmanlaajuisesti. Verenkiertoelimistö on erityisen herkkä kaikenlaisille häiriöille, ja pienikin poikkeama verisuonikudoksessa voi johtaa vakaviin seurauksiin. Juuri siksi sydän- ja verisuonitaudit ovatkin olleet jo pitkään tärkeä tutkimuksen kohde lääketieteessä, eikä ole yllättävää että ne herättävät edelleen suurta kiinnostusta tutkimukselle. Implantin avulla vahingoittuneelle kudokselle voidaan tarjota rakenteellista tukea, minkä jälkeen kudos pyrkii yleensä parantumaan korjaten ja palauttaen toimintansa ennalleen. Biohajoavat implanttimateriaalit ovat tällä hetkellä suuressa suosiossa, sillä niiden avulla voidaan tarjota rakenteellista tukea parantuvalle kudokselle, ja samaan aikaan implanttimateriaali hajoaa kehossa sitä mukaan kun kudoksen luonnollinen paranemisprosessi etenee. Biohajoava materiaali poistuu kehosta luonnollisen aineenvaihdunnan mukana sen jälkeen, kun implantille ei ole enää tarvetta, minkä ansiosta operaatioiden jälkeisten pitkäaikaiskomplikaatioiden ja -infektioiden riskiä voidaan pienentää.

Biohajoavia polymeerejä, etenkin synteettisiä polyestereitä, on tutkittu ja hyödynnetty monissa biohajoavissa implanteissa, joilla hoidetaan sydän- ja verisuonisairauksia. Tällaisia polyestereitä ovat muun muassa polylaktidi (PLA), polyglykolidi (PGA), poly(laktidi-ko-glykolidi) (PLGA) sekä poly-ε-kaprolaktoni (PCL). Näiden polymeerien etuna on, että ne hajoavat ihmiskehossa täysin luonnollisiksi hajoamistuotteiksi, hiilidioksidiksi ja vedeksi. Lisäksi näiden polymeerien hajoamisaika ja mekaaniset ominaisuudet ovat laajalti muokattavissa.

Tässä työssä tutkittiin biohajoavia materiaaleja laskimonsisäistä implanttia varten. Tärkein vaatimus materiaalille oli suhteellisen lyhyt hajoamisaika, jonka aikana materiaalin rakenteellinen muoto oli pysyttävä riittävän pitkään. PLGA (50DL/50G) valittiin tutkittavaksi laboratoriotesteillä sen in vitro hajoamisen osalta. Steriloinnin vaikutukset otettiin huomioon tutkimuksissa, mikä on erityisen tärkeää, sillä implantti on steriloitava, jotta sen turvallinen käyttö voidaan varmistaa. Työssä tutkitut sterilointimenetelmät olivat vetyperoksidiplasmasterilointi ja gammasädetys. Steriloinnin havaittiin lyhentävän hajoamisaikaa noin 20 %. Tämä työ osoitti, että implanttien vaatimukset hajoamisajan osalta riippuvat merkittävästi käyttötarkoituksesta, ja havainnollisti, että kokonaishajoamisajan sijasta on tässä tapauksessa kriittisempää keskittyä hajoamisprosessin aikana tapahtuviin materiaalin rakenteellisiin muutoksiin. Tällöin kyseiselle implantille määritetty käyttötarkoitus kudoksen rakenteellisena tukena voidaan varmistaa riittäväksi aikaa.