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Publicação
Development of sustainable antibacterial wound dressings based on bacterial cellulose and surface-active compounds
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Resumo(s)
Wound infections remain a major clinical challenge, aggravated by biofilm formation and the growing threat of antimicrobial resistance. Bacterial cellulose (BC) is an attractive dressing material due to its high water-holding capacity, mechanical robustness, and biocompatibility. However, BC lacks intrinsic antimicrobial properties, and its large-scale production remains costly. This thesis addresses these limitations by (1) developing sustainable production routes for BC from low-cost feedstocks, (2) exploring the production of surface-active products by non-pathogenic strains and characterization (notably rhamnolipids (RL) and a glycolipopeptide bioemulsifier), and (3) incorporating the RL into BC-based membranes through three versatile strategies including soaking, alginate composite formation, and cova-lent grafting. The overarching goal was to create biodegradable antibacterial dressings with both controlled release and contact-killing behavior.
Komagataeibacter xylinus DSM 2004 demonstrated strong metabolic versatility, with fructose and banana peel hydrolysate (BAN) supporting superior BC yields, and membrane properties comparable to, or surpassing, those obtained in standard glucose-containing Hestrin-Schramm (HS) medium. Furthermore, non-pathogenic producers (Burkholderia thailandensis DSM 13276 and B. plantarii DSM 9509T) yielded a thermostable bioemulsifier and RL extracts, respectively, characterized by promising surface-active characteristics. Among these, the RL extract synthesized from glucose (RL_Glu) exhibited the strongest antibacterial activity against Staphylococcus aureus and was therefore selected as the lead bioactive compound for further membrane functionalization
Integration of RL_Glu into BC resulted in materials that combined mechanical robust-ness with biocompatibility (non-cytotoxic effect on skin cell lines). All RL-loaded membranes markedly reduced planktonic S. aureus growth (~89 – 100% inhibition) and reduced biofilm biomass and viable surface-attached cells (≥ 60% and 99% reduction, respectively). The BC/RL_cro formulation (developed by chemical grafting) achieved the highest RL_Glu loading, displayed strong antibacterial and antibiofilm efficacy, and showed versatile release behavior
In conclusion, this work outlines a circular-bioeconomy pathway for developing high-performance, biodegradable antibacterial wound dressings by valorizing waste feedstocks for both BC and RL production and by employing tailored incorporation strategies. Among the tested approaches, BC/RL_cro membrane emerged as the most promising candidate for fur-ther development and potential clinical translation.
As infeções em feridas permanecem um grande desafio clínico, agravado pela formação de biofilmes e pela crescente ameaça da resistência antimicrobiana. A celulose bacteriana (CB) é um material atrativo para curativos devido à sua elevada capacidade de retenção de água, robustez mecânica e biocompatibilidade. No entanto, a CB carece de propriedades antimicro-bianas intrínseca, e a sua produção em larga escala continua dispendiosa. Esta tese aborda essas limitações através de (1) desenvolvimento de rotas de produção sustentáveis de CB a partir de matérias-primas de baixo custo, (2) exploração da produção de compostos tensioati-vos por estirpes não patogénicas e sua caracterização (nomeadamente ramnolípidos (RL) e um bioemulsificante glicolipopeptídico), e (3) incorporação de RL em membranas de CB por meio de três estratégias versáteis, incluindo imersão, formação de compósitos com alginato e ligação covalente. O objetivo principal consistiu em criar pensos antibacterianos biodegradáveis com comportamento de libertação controlada e de contacto. Komagataeibacter xylinus DSM 2004 demonstrou elevada versatilidade metabólica, com a frutose e o hidrolisado de casca de banana (BAN) a suportarem rendimentos superiores de CB e propriedades de membrana comparáveis ou mesmo superiores às obtidas em meio Hestrin-Schramm com glucose. Além disso, estirpes não patogénicas (Burkholderia thailandensis DSM 13276 e B. plantarii DSM 9509T) produziram, respetivamente, um bioemulsificante termoestá-vel e extratos de RL caracterizados por propriedades de superfície promissoras. Entre eles, o extrato de RL sintetizado a partir de glucose (RL_Glu) apresentou atividade antibacteriana mais forte contra Staphylococcus aureus, sendo por isso selecionado como o principal composto bioativo para posterior funcionalização das membranas. A integração de RL_Glu em CB resultou em materiais que combinam robustez mecânica com biocompatibilidade (efeito não citotóxico em linhas celulares da pele). Todas as membranas com RL reduziram significativamente o crescimento planctónico de S. aureus (~89 –100% de inibição) e diminuíram a biomassa do biofilme e as células viáveis aderidas à superfície (≥ 60% e 99% de redução, respetivamente). A formulação BC/RL_cro (desenvolvida por ligação química) alcançou a maior incorporação de RL_Glu, demonstrou elevada eficácia antibacteri-ana e antibiofilme e demonstrou comportamento de libertação versátil. Em conclusão, este trabalho delineia uma via de bioeconomia circular para o desenvol-vimento de pensos antibacterianos biodegradáveis de elevado desempenho, valorizando resí-duos como matérias-primas tanto para a produção de CB como de RL, e aplicando estratégias de incorporação ajustadas. Entre as abordagens testadas, a membrana BC/RL_cro destacou-se como a candidata mais promissora para desenvolvimento futuro e eventual tradução clínica.
As infeções em feridas permanecem um grande desafio clínico, agravado pela formação de biofilmes e pela crescente ameaça da resistência antimicrobiana. A celulose bacteriana (CB) é um material atrativo para curativos devido à sua elevada capacidade de retenção de água, robustez mecânica e biocompatibilidade. No entanto, a CB carece de propriedades antimicro-bianas intrínseca, e a sua produção em larga escala continua dispendiosa. Esta tese aborda essas limitações através de (1) desenvolvimento de rotas de produção sustentáveis de CB a partir de matérias-primas de baixo custo, (2) exploração da produção de compostos tensioati-vos por estirpes não patogénicas e sua caracterização (nomeadamente ramnolípidos (RL) e um bioemulsificante glicolipopeptídico), e (3) incorporação de RL em membranas de CB por meio de três estratégias versáteis, incluindo imersão, formação de compósitos com alginato e ligação covalente. O objetivo principal consistiu em criar pensos antibacterianos biodegradáveis com comportamento de libertação controlada e de contacto. Komagataeibacter xylinus DSM 2004 demonstrou elevada versatilidade metabólica, com a frutose e o hidrolisado de casca de banana (BAN) a suportarem rendimentos superiores de CB e propriedades de membrana comparáveis ou mesmo superiores às obtidas em meio Hestrin-Schramm com glucose. Além disso, estirpes não patogénicas (Burkholderia thailandensis DSM 13276 e B. plantarii DSM 9509T) produziram, respetivamente, um bioemulsificante termoestá-vel e extratos de RL caracterizados por propriedades de superfície promissoras. Entre eles, o extrato de RL sintetizado a partir de glucose (RL_Glu) apresentou atividade antibacteriana mais forte contra Staphylococcus aureus, sendo por isso selecionado como o principal composto bioativo para posterior funcionalização das membranas. A integração de RL_Glu em CB resultou em materiais que combinam robustez mecânica com biocompatibilidade (efeito não citotóxico em linhas celulares da pele). Todas as membranas com RL reduziram significativamente o crescimento planctónico de S. aureus (~89 –100% de inibição) e diminuíram a biomassa do biofilme e as células viáveis aderidas à superfície (≥ 60% e 99% de redução, respetivamente). A formulação BC/RL_cro (desenvolvida por ligação química) alcançou a maior incorporação de RL_Glu, demonstrou elevada eficácia antibacteri-ana e antibiofilme e demonstrou comportamento de libertação versátil. Em conclusão, este trabalho delineia uma via de bioeconomia circular para o desenvol-vimento de pensos antibacterianos biodegradáveis de elevado desempenho, valorizando resí-duos como matérias-primas tanto para a produção de CB como de RL, e aplicando estratégias de incorporação ajustadas. Entre as abordagens testadas, a membrana BC/RL_cro destacou-se como a candidata mais promissora para desenvolvimento futuro e eventual tradução clínica.
Descrição
Palavras-chave
bacterial cellulose rhamnolipids antibacterial properties antibiofilm properties wound dressing