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Projeto de investigação
Engineering of Dual-stimuli REsponsive nanofibrous Magnetic Membranes
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Thermoresponsive membranes as controlled drug delivery systems for cancer treatment
Publication . Cabrita, Raquel Santos; Soares, Paula; Borges, João
Atualmente, o cancro é uma das doenças com maior taxa de mortalidade no mundo. As terapias convencionais, tais como a quimioterapia e radioterapia, caracterizam-se por uma falta de direcionamento para as células cancerígenas, originando efeitos secundários prejudiciais nos tecidos saudáveis circundantes ao tumor. O maior desafio atualmente tem sido o desenvolvimento de tratamentos localizados, que minimizem os danos causados nos tecidos saudáveis. As nanofibras poliméricas têm recebido muita atenção como veículos de entrega de fármaco para aplicações de tratamento de cancro, por permitirem uma terapia localizada com menor dose de fármaco. A incorporação de microgéis termossensíveis em nanofibras poliméricas permite o desenvolvimento de dispositivos multifuncionais para aplicações de libertação controlada de fármaco. O presente trabalho focou-se na produção de membranas termossensíveis para o tratamento do cancro através de entrega controlada de fármaco. Os microgéis constituídos por poli(N-isopropilacrilamida) foram produzidos por polimerização por emulsão sem tensioativo e co-polimerizados com ácido acrílico (AAc). Foram estudados os efeitos da quantidade de co-monómero (AAc), iniciador (APS), agente reticulante (MBA) e catalisador (SBS) no diâmetro hidrodinâmico e capacidade de inchamento dos microgéis. Os microgéis com 10% de AAc, 20% de APS, 15% de MBA, e 5% de SBS foram os que revelaram maior uniformidade, com um diâmetro médio de 676 ± 46 nm. As membranas poliméricas de álcool polivinílico (PVA) foram produzidas pela técnica de eletrofiação. De forma a aumentar a estabilidade das fibras em água, foram estudados dois métodos de reticulação: reticulação química com glutaraldeído e reticulação física através de tratamento por calor. Foi estudado o efeito da concentração de agente reticulante e do tempo de reticulação nas propriedades mecânicas e térmicas da membrana. Ambas as reticulações aumentaram a resistência à água das fibras de PVA e melhoraram a estabilidade térmica e propriedades mecânicas. Foram produzidas membranas de PVA com 3% em peso de doxorrubicina (DOX), um fármaco modelo. A libertação de fármaco foi estudada em meios com diferente pH (4.5, 6.5 e 7.4), a 37ºC. Os ensaios de libertação de fármaco mostraram uma maior libertação de DOX a pH= 7.4. As membranas de PVA-DOX causaram uma diminuição significativa da viabilidade das células SaOs e, por esta razão, mostram aplicabilidade para serem utilizadas em aplicações de tratamento de cancro.
Production and characterization of thermoresponsive magnetic membranes
Publication . Lavadinho, João Pedro Sequeira; Soares, Paula; Borges, João
In the last years, the electrospinning technique has proven to be very advantageous to produce polymeric membranes since it originates nanometric fibres with a high surface area/volume ratio. As a result, electrospun nanofibers have been used for different biomedical applications, particularly in the development of multifunctional devices. To increase membrane functionality additional materials such as magnetic nanoparticles (MNPs) that respond to external stimuli can be combined with electrospun fibres. The incorporation of these nanoparticles into electrospun fibres produces a multifunctional system that can be used for cancer theranostic applications.
The main objective of this work was to process a thermoresponsive polymer, polyacrylamide (PAAm), using electrospinning and to incorporate MNPs by their addition to the precursor solution. These membranes will have the ability to respond to two different external stimuli, magnetic field and temperature, being suitable for magnetic hyperthermia application.
In the first phase, an optimization study of the electrospinning parameters was made to obtain monodisperse fibres of PAAm. MNPs were synthesized by chemical precipitation technique and then stabilized with oleic acid or dimercaptosuccinic acid to avoid their aggregation. Later the MNPs were added to the precursor polymeric solution and composite membranes were produced, which were characterized in terms of its mechanical properties, and swelling ability. They were also analysed in terms of morphology, chemical properties and structurally by SEM, FTIR and XRD, respectively.
PAAm fibres with an average diameter of around 200 nm containing iron oxide nanoparticles were produced. This was confirmed by TEM and EDS analysis showing the presence of NPs and iron in the fibres, respectively. The incorporation of MNPs provided fibre reinforcement by increasing the Young’s modulus. Through magnetic hyperthermia measurements, it was possible to obtain a temperature variation of 1.1ºC, demonstrating the potential of this dual-stimuli responsive membranes for magnetic hyperthermia applications.
Sistemas magnéticos fibrosos baseados em biovidro para o tratamento de cancro do osso
Publication . Magalhães, João Gonçalo Soeiro das Neves Barreiros de; Soares, Paula; Borges, João
O cancro do osso compõe próximo de 1% da totalidade dos casos de cancro. Atual-mente, a remoção cirúrgica é o método mais comum de tratamento deste tipo de tumor maligno, com possível recorrência à quimioterapia e radioterapia. Uma nova forma de tratamento para este tipo de doença é a hipertermia magnética recorrendo à aplicação de biomateriais baseados em nanopartículas superparamagnéticas, como a magnetite, utilizada neste trabalho. A remoção do tecido canceroso resulta em defeitos ósseos que podem ser restaurados graças à capacidade regenerativa de vidros bioativos.
O objetivo deste projeto foi o desenvolvimento de uma membrana magnética baseada em nanofibras porosas e em nanofibras não-porosas de ácido poliláctico (PLA) através da técnica de eletrofiação, com nanopartículas magnéticas (MNP’s) e biovidro mesoporoso (MBG) incorporados na solução precursora de eletrofiação. Assim, esta estrutura desenvolvida terá não só a capacidade de eliminar tecidos cancerosos ósseos de forma controlada, graças à técnica de hipertermia magnética das MNP’s, como recuperar as porções do osso previamente afetadas, por ação da regeneração óssea proveniente da bioatividade do MBG.
Primeiramente, foi otimizada a técnica de eletrofiação de nanofibras usando PLA, estudando combinações dos solventes orgânicos diclorometano (DCM) com N-N-dimetilforma-mida (DMF) ou ácido trifluoroacetético (TFA). As MNP’s foram sintetizadas por co-precipitação química e revestidas por ácido oleico (OA) de forma a torná-las hidrofóbicas, possibilitando a sua dispersão nos solventes orgânicos utilizados, e estabilizando-as impedindo a sua agregação. Foram produzidas membranas de nanofibras porosas de PLA usando proporções de DCM/DMF 9:1 e membranas de nanofibras não-porosas de PLA usando proporções de DCM/TFA 1:1. Estas membranas produzidas foram analisadas por SEM, TEM, EDS e FTIR, e submetidas a ensaios de tração mecânica, hipertermia magnética, bioatividade e citotoxicidade. Deste modo, estudou-se a sua morfologia e composição química, e avaliada a sua capa-cidade mecânica, de aquecimento, regeneração óssea e biocompatibilidade.
Estes novos tipos de membrana irão compor uma nova solução de tratamento para o cancro com recurso a biomateriais, possibilitando uma alternativa aos métodos de tratamento mais convencionais do cancro ósseo e reduzindo os seus efeitos secundários.
Engineering of hybrid composite systems based on nanocellulose and magnetic nanoparticles for biomedical applications
Publication . Glória, Margarida Seabra Leiria de Matos; Soares, Paula; Fernandes, Susete
Nowadays an increasing number of people survive cancer, still the incidence and related deaths continue to increase over the years. Current cancer therapies like radiation and chemotherapy cause several negative side effects that significantly affect the patient’s wellbeing. In alternative, magnetic hyperthermia induces a temperature increase in tumor cells due to the application of an alternating magnetic field. This rise in temperature is enough to trigger a set of mechanisms that induce the death of the cancerous cells, which are more sensitive to temperature, without harming healthy cells.
The goal of this thesis was to produce a new biomaterial for magnetic hyperthermia application based on two materials: the well-reported heat-inducer Fe3O4 superparamagnetic nanoparticles; and cellulose nanocrystals (CNCs), an effective green mechanical reinforcement. Thus, a new composite material using polyvinyl alcohol (PVA) as a matrix was produced combining the two above-mentioned materials. Two types of structures were produced depending on the crosslinker used: films with citric acid, and hydrogels with glutaraldehyde. The physicochemical properties, as well as structural properties, were evaluated by XRD and FTIR. Additionally, swelling ability and mechanical properties were assessed with water uptake and compression tests. Finally, in vitro tests were made to evaluate the performance of these composite materials.
Both films and hydrogels were able to respond to a permanent magnet, absorbed their weight in water, and presented promising mechanical properties. PVA, PVA/CNC, and PVA/CNC/NP hydrogels displayed a compressive modulus of 0.76 ± 0.22, 1.45 ± 0.55 and 1.05 ± 0.17 MPa, respectively.
The films managed to produce a 1.8 °C increase in temperature, while the hydrogels reached 2.1 °C under the application of an external alternating magnetic field. The composite materials are biocompat-ible within the tested composition, demonstrating the promising application of these materials in physi-ological conditions.
Recent advances in magnetic electrospun nanofibers for cancer theranostics application
Publication . Soares, Paula I. P.; Borges, João Paulo; CENIMAT-i3N - Centro de Investigação de Materiais (Lab. Associado I3N); DCM - Departamento de Ciência dos Materiais; Elsevier
Cancer theranostics is a recent concept that aims to combine in the same device diagnostic and therapeutic features. Magnetic nanoparticles (mNPs) are commonly used as a critical part of these systems due to their ability to respond to an external magnetic field. Consequently, mNPs can generate heat when an alternating magnetic field is applied and enhance image contrast in magnetic resonance. However, direct administration of mNPs intravenously or directly in the tumor can lead to undesired side effects because of mNP elimination by macrophages or leakage to healthy tissues. Therefore, mNPs can be retained in a polymeric nanofibrous mesh, thus preventing misplacing or loss of mNPs. Furthermore, these magnetic nanofibers can be directly implanted in the tumor site, thus ensuring high mNPs loading and higher magnetic response. In addition, polymeric nanofibers produced by electrospinning are frequently used to maintain a sustained drug release in the tumor site. Therefore, a magnetic polymeric nanofiber produced by electrospinning is an ideal nanosystem for cancer theranostics application. This review summarizes the most recent developments of magnetic nanofibers produced by electrospinning for cancer theranostics applications.
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Palavras-chave
Contribuidores
Financiadores
Entidade financiadora
Fundação para a Ciência e a Tecnologia
Programa de financiamento
9471 - RIDTI
Número da atribuição
PTDC/CTM-CTM/30623/2017