In vitro assessment of the biological long-term effects of commercial polymers used in wearable devices

Abstract

Poly (methyl methacrylate) (PMMA) and poly (dimethyl siloxane) (PDMS) are considered safe materials for the fabrication of medical devices. Despite their widespread use, these polymers have been attributed to causing inflammatory effects. For this reason, this work aimed to study the biological effects of PMMA and PMDS at non-cytotoxic concentrations using NIH-3T3 cells and Reconstructed human Epidermis (RhE) models. The study included cytotoxicity, The study included cytotoxicity, cell metabolism, cytokine quantification, histopathology, and gene expression analysis. NIH-3T3-based cytotoxicity tests resulted in PMMA MW~5,000 g/mol half maximal inhibitory concentration (IC50) of 5.7 mg/cm2, indicating greater detrimental effects than its counterpart (PMMA MW~15,000 g/mol, IC50=14.0 mg/cm2). PMMA at non-cytotoxic concentrations induced a significant decrease in NIH-3T3 mitochondrial respiration. Cell viability was also reduced by more than 90% upon exposure to PMMA degradation by-products. PMMA at non-cytotoxic concentrations induced the secretion/expression of inflammatory cytokines and genes involved in inflammatory processes in the RhE model. In contrast, PDMS cured at 100°C for one hour, 65°C for 4 hours, and 25°C for 24 hours did not alter cell viability or metabolism of NIH-3T3 fibroblast. Results highlight the need to study polymers at non-cytotoxic concentrations to improve the selection/design of skin-safe materials.

El poli (metacrilato de metilo) (PMMA) y el poli (dimetilsiloxano) (PDMS) se consideran materiales seguros para la fabricación de dispositivos médicos. A pesar de su uso generalizado, estos polímeros se han atribuido a causar efectos inflamatorios. Por esta razón, este trabajo tuvo como objetivo estudiar los efectos biológicos de PMMA y PMDS a concentraciones no citotóxicas utilizando células NIH-3T3 y modelos de epidermis humana reconstruida (RhE). El estudio incluyó citotoxicidad, metabolismo celular, cuantificación de citoquinas, histopatología y análisis de expresión génica. Las pruebas de citotoxicidad basadas en NIH-3T3 dieron como resultado una concentración inhibitoria máxima media de PMMA MW~ 5,000 g/mol (IC50) de 5.7 mg/cm2, lo que indica mayores efectos perjudiciales que su contraparte (PMMA MW~15,000 g/mol, IC50=14.0 mg/cm2). El PMMA a concentraciones no citotóxicas indujo una disminución significativa de la respiración mitocondrial de las NIH-3T3. La viabilidad celular también se redujo en más del 90% tras la exposición a subproductos de degradación de PMMA. El PMMA a concentraciones no citotóxicas indujo la secreción/expresión de citoquinas inflamatorias y genes implicados en procesos inflamatorios en el modelo RhE. Por el contrario, el PDMS curado a 100 °C durante una hora, a 65 °C durante 4 horas, y a 25 °C durante 24 horas no alteró la viabilidad ni el metabolismo celular de los fibroblastos NIH-3T3. Los resultados resaltan la necesidad de estudiar polímeros a concentraciones no citotóxicas para mejorar la selección/diseño de materiales seguros para la piel.