Design and characterization of polysaccharide hydrogel membranes as drug delivery systems

Abstract

n this thesis, the preparation and characterization of polysaccharide-based hydrogel membranes (HMs) was conducted using two bacterial polysaccharides, FucoPol and EPS1. FucoPol is an extracellular polysaccharide (EPS) produced by the bacterium Enterobacter A47 being composed of fucose, galactose, glucose and glucuronic acid, and possessing various interesting properties. EPS1 is produced by the marine bacterium Alteromonas macleodii Mo169 being composed of glucuronic acid, mannose, glucose, galacturonic acid, galactose, and glucosamine. The gel-forming capacity of these biopolymers was previously assessed, therefore, the aim of this thesis was to process them into HMs, as well as evaluating the mechanical, rheological and morphological properties of the prepared membranes to assess their suitability for use as drug delivery systems (DDSs). Additionally, for the FucoPol HMs, a biological characterization was conducted, and their drug loading and release properties were also evaluated. Both HMs were prepared by cation mediated gelation with iron. FucoPol HMs were produced using an iron concentration of 1.5 g/L and varying biopolymer contents (1 wt%, 1.75 wt% and 2.5 wt%), while for the EPS1 membranes, different concentrations of biopolymer (0.5 wt%, 1 wt% and 1.5 wt%) and iron (1.5 g/L, 5 g/L and 8.5 g/L) were used. In both cases, three HMs were prepared and characterized. All structures presented high water contents (above 97 wt%), characteristic of hydrogels, and low iron content (below 0.29 wt%). All HMs presented a solid-like behavior, however, the HMs with higher iron and polymer contents presented higher hardness. FucoPol HMs had lower porosity, while the EPS1 HMs had higher swelling degree. FucoPol HMs were demonstrated to be non-cytotoxic for both fibroblasts and THP1 cells, presenting also anti-inflammatory properties. The ability of the FucoPol HMs to load and release drugs was conducted using the HMs with the lower polymer content (HM1) and using two loading methods and two model drugs (caffeine and diclofenac sodium (DS)). It was determined for the soaking method the release was faster and for the mixing method, higher amounts of DS were released from the structure (101± 5.48% of cumulative release) than caffeine (52±4.7% of cumulative release). Both developed hydrogels were demonstrated to possess valuable properties that support their future utilization as biomaterials for the development of biomedical applications, including tissue engineering, drug delivery, amongst others. FucoPol HMs, given their demonstrated biological properties, is of particular interest for such applications.

Nesta tese, a preparação e a caracterização de membranas de hidrogel (MH) à base de polissacáridos foi realizada utilizando dois polissacáridos bacterianos, FucoPol e EPS1. O FucoPol é um polissacárido extracelular (EPS) produzido pela bactéria Enterobacter A47 composto por fucose, galactose, glicose e ácido glucurónico, e possui várias propriedades interessantes. O EPS1 é produzido através do isolamento da bactéria marinha Alteromonas macleodii Mo 169 e é composto por ácido glucurónico, manose, glucose, ácido galacturónico, galactose e glucosamina. A capacidade de formação de géis destes biopolímeros já tinha sido previamente avaliada, portanto, o objetivo desta tese foi processá-los em MH, assim como avaliar as propriedades mecânicas, reológicas e morfológicas das membranas produzidas e avaliar a possibilidade de usar como sistemas de libertação controlada de fármacos (SLCF). Adicionalmente, para as MH de FucoPol, caracterização biológica foi realizada e as propriedades de retenção e libertação de fármacos também foram avaliadas. Ambas as MH foram preparadas através de gelificação mediada por catiões. Para o FucoPol, as MH foram produzidas usando a mesma concentração de ferro (1.5 g/L) e variando o conteúdo de biopolímero (1 wt%, 1.75 wt% e 2.5 wt%), enquanto para o EPS1, tanto a concentração de biopolímero (0.5 wt%, 1 wt% e 1.5 wt%) como a de ferro (1.5 g/L, 5 g/L e 8.5 g/L) variaram. Para ambos os biopolímeros, três tipos de MH foram produzidas e caracterizadas. Todas as estruturas apresentaram alto conteúdo em água (acima de 97wt%) e baixo conteúdo em ferro (abaixo de 0.29 wt%). Todas as MH apresentaram um comportamento maioritariamente sólido, no entanto, as MHs com maior teor de ferro e polímero apresentaram maior dureza. As MH de FucoPol apresentaram menor porosidade e enquanto as MHs de EPS1 apresentaram maior capacidade de inchar. Para as MH de FucoPol, estas são não-tóxicas tanto para fibroblastos como para células THP1, possuindo também propriedades anti- inflamatórias. A capacidade das MH de FucoPol em carregar e libertar fármacos, foi realizada utilizando a MHs com menor conteúdo de polímero (HM1) e recorrendo a dois métodos de carregamento e a dois fármacos modelo (cafeína e diclofenac sódio (DS)). Foi determinado que para o método de imersão, a libertação foi mais rápida e para o método de mistura, maiores quantidades de DS foram libertadas da estrutura (101 ± 5.48% de libertação) quando comparado com a cafeína (52 ± 4.7% de libertação). Ambas as MHs obtidas demonstraram possuir propriedades bastante promissoras que suportam a possibilidade de serem utilizadas futuramente para desenvolvimento de biomateriais para aplicações biomédicas, como engenharia de tecidos, libertação de fármacos, entre outras. As MH de FucoPol, devido às propriedades biológicas que possuem, são bastante apelativas para estas aplicações.