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Publicação
Active Dressings Based On Natural Polymers For Wound Treatment
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Resumo(s)
The skin is one of the human organs responsible for sensory detection, temperature regulation, and water balance. Skin damage can lead to wounds that if not treated properly may cause serious health complications. The conventional wound healing products, made from non-biodegradable synthetic materials, usually have low biocompatibility and only offer mechanical protection or exudate removal, without actively helping the wound healing process. To address these limitations, developing new natural, biocompatible, biodegradable, and bioactive materials is crucial to create an optimal environment for proper wound regeneration, minimizing any adverse secondary effects. In this context, this dissertation proposes the use of natural polymers (polyhydroxyalkanoate (PHA) and exopolysaccharide (EPS)) to develop porous structures for wound treatment. To achieve this, four biopolymers were produced: the EPS FucoPol and three different types of PHA: (poly(3-hydroxybutyrate) (P(3HB)), poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate-co-3-hydroxyhexanoate) (P(3HB-co-3HV-co-3HHx) and a medium chain length PHA (mcl-PHA)), characterized by their distinct physical, chemical and functional properties. The PHAs had distinct molecular weights (ranging from 0.4 to 9.2 x105 Da), different crystallinities (from 18.2 to 85.5%), diverse melting points (between 44.9 and 174.2 °C), various glass transition temperatures (from -46 to 4.1 °C), but similar degradation temperatures (around 275 °C). FucoPol was an amorphous exopolysaccharide had a molecular weight of 1.4 x106 Da, was rich in fucose (34.3 mol%) and had a high degradation temperature (240 °C). All the produced biopolymers were non-cytotoxic towards fibroblasts and keratinocytes. The inherent structural properties of PHA polymers, as well as their lack of cytotoxicity, makes them suitable materials to develop porous structures for wound treatment applications. Given this, different PHA porous structures were developed, based on two different strategies: the emulsion templating technique followed by solvent evaporation and the hot-pressing salt leaching method. Generally, the porous structures achieved by these procedures were macroscopically white and opaque, with thicknesses ranging from 160 to 700 μm, and porosity values from 49.8 to 87.1%. The morphological appearance of these structures resembled those of porous scaffolds attained with synthetic polymers, such as, poly(lactic acid) (PLA), poly(caprolactone) (PCL) and poly(ethylene terephthalate) (PET), which are examples of polymers commonly used in wound dressing applications. The PHA scaffolds were shown to be capable of sustaining fibroblast adhesion and proliferation. The adhesion values achieved for all PHA structures ranged from 25% to 46%, where P(3HB) emulsion templated scaffold achieved the highest fibroblast population after 7 days of cell cultivation (311%). PHAs are biocompatible and biodegradable polymers with good structural properties, however, they usually lack biological activity. To confer this bioactivity to the developed scaffolds, FucoPol (a natural bioemulsifier) was added to these structures, due to its proven ability to promote in vitro migration of keratinocytes, which supports its use in wound treatment. The resulting FucoPol:PHA structures were porous materials with improved bioactive properties. FucoPol revealed to improve biological features, increasing fibroblast population values after 7 days from 311% to 325% and from 145% to 340% for P(3HB) and P(3HB-co-3HV-co-3HHx) emulsion templated scaffolds, respectively. This behaviour was also observed in the hot-pressing salt leaching scaffolds with an increase from 178% to 333% for P(3HB) and from 80% to 121% for P(3HB-co-3HV-co-3HHx) porous structures. Some of these proliferation profiles revealed to be superior to the ones described in the literature for scaffolds produced with PCL, poly(urethane) (PU) and chitosan. These results also suggested that the most promising PHA polymer to produce 3D scaffolds was the homopolymer P(3HB), while the emulsion templating technique showed to be the most favourable strategy to produce porous structures.
This dissertation revealed that it is possible to achieve porous scaffolds based on two natural polymers (PHA and FucoPol), through two different methods, with biological properties suitable for soft tissue engineering purposes or in skin regeneration for wound treatment applications.
A pele é um dos órgãos humanos responsável pela deteção sensorial, regulação da temperatura e equilíbrio de água. Danos causados à pele podem levar a feridas que, se não forem tratadas adequadamente, podem causar graves complicações de saúde. Os produtos convencionalmente usados no tratamento de feridas, feitos de materiais sintéticos são geralmente não biodegradáveis, apresentam baixa biocompatibilidade e oferecem apenas proteção mecânica ou remoção de exsudato, sem ajudar ativamente no processo de cicatrização de feridas. Para ultrapassar estas limitações, a produção de novos materiais naturais, biocompatíveis, biodegradáveis e bioativos é crucial para criar um ambiente ideal para a regeneração adequada da ferida, minimizando quaisquer efeitos secundários adversos. Posto isto, esta dissertação propõe a utilização de polímeros naturais (polihidroxialcanoato (PHA) e exopolissacárido (EPS)) no desenvolvimento de estruturas porosas para tratamento de feridas. Para isso, foram produzidos quatro biopolímeros: o EPS FucoPol e três tipos diferentes de PHA: poli(3-hidroxibutirato) (P(3HB), poli(3-hidroxibutirato-co-3-hidroxivalerato-co-3-hidroxihexanoato) (P(3HB-co-3HV-co-3HHx) e um PHA de cadeia média (mcl-PHA), característicos pelas suas propriedades físicas, químicas e funcionais distintas. Os PHAs tinham pesos moleculares distintos (variando de 0,4 a 9,2 x105 Da), diferentes cristalinidades (de 18,2 a 85,5%), diversos pontos de fusão (entre 44,9 e 174,2 °C) e temperaturas de transição vítrea (de -46 a 4,1 °C), mas temperaturas de degradação semelhantes (em torno de 275 °C). Por outro lado, FucoPol é um exopolissacárido amorfo com peso molecular de 1,4 x106 Da, rico em fucose (34,3 mol%) e com uma alta temperatura de degradação (240 °C). Todos os biopolímeros produzidos não eram citotóxicos para fibroblastos nem para queratinócitos. As propriedades estruturais inerentes dos PHA, bem como a sua falta de citotoxicidade, torna-os materiais adequados para desenvolver estruturas porosas para aplicações na área do tratamento de feridas. Posto isto, diferentes estruturas porosas de PHA foram desenvolvidas, com base em duas estratégias distintas: a técnica da emulsão seguida de evaporação do solvente e o método de prensagem a quente seguido da lixiviação de sal. Na generalidade, as estruturas porosas obtidas por estes procedimentos eram macroscopicamente brancas e opacas, com espessuras entre os 160 a 700 μm e com valores de porosidade entre os 49,8 a 87,1%. As aparências morfológicas destas estruturas eram semelhantes às estruturas porosas obtidas com polímeros sintéticos, como ácido polilático (PLA), policaprolactona (PCL) e polietileno tereftalato (PET), que são exemplos de polímeros normalmente utilizados no tratamento de feridas. As estruturas de PHA mostraram ser capazes de sustentar a adesão e proliferação de fibroblastos. Os valores de adesão alcançados para todas as estruturas de PHA variaram entre os 25% e os 46%, onde a estrutura obtida pelo método da emulsão usando o P(3HB) alcançou a maior população de fibroblastos após 7 dias de cultivo (311%). Os PHAs são polímeros biocompatíveis e biodegradáveis com boas propriedades estruturais, porém geralmente não possuem atividade biológica. Para conferir esta bioatividade às estruturas desenvolvidas, foi adicionado FucoPol (um bioemulsionante natural) a estes materiais, devido à sua comprovada capacidade de promover a migração in vitro de queratinócitos, demonstrando a sua utilização no tratamento de feridas. As estruturas FucoPol:PHA resultantes eram materiais porosos com melhores propriedades bioativas. O FucoPol revelou melhorar as características biológicas, aumentando os valores da população de fibroblastos após 7 dias de 311% para 325% e de 145% para 340% para estruturas obtidas pelo método da emulsão usando P(3HB) e P(3HB-co-3HV-co-3HHx), respetivamente. Este comportamento também foi observado nas estruturas obtidas pelo método de prensagem a quente com lixiviação de sal verificando-se um aumento de 178% para 333% para o P(3HB) e de 80% para 121% para o P(3HB-co-3HV-co-3HHx). Alguns destes perfis de proliferação revelaram ser superiores aos descritos na literatura para estruturas produzidas com PCL, poliuretano (PU) e quitosano. Estes resultados também sugeriram que o polímero PHA mais promissor para produzir estruturas 3D foi o homopolímero P (3HB) e que a técnica da emulsão demonstrou ser a estratégia mais favorável para produzir estas estruturas porosas. Esta dissertação revelou que usando dois tipos de polímeros naturais (PHA e FucoPol), e dois métodos de produção diferentes, é possível obter estruturas porosas com propriedades biológicas adequadas para utilização em engenharia de tecidos, ou na regeneração da pele para aplicações no tratamento de feridas.
A pele é um dos órgãos humanos responsável pela deteção sensorial, regulação da temperatura e equilíbrio de água. Danos causados à pele podem levar a feridas que, se não forem tratadas adequadamente, podem causar graves complicações de saúde. Os produtos convencionalmente usados no tratamento de feridas, feitos de materiais sintéticos são geralmente não biodegradáveis, apresentam baixa biocompatibilidade e oferecem apenas proteção mecânica ou remoção de exsudato, sem ajudar ativamente no processo de cicatrização de feridas. Para ultrapassar estas limitações, a produção de novos materiais naturais, biocompatíveis, biodegradáveis e bioativos é crucial para criar um ambiente ideal para a regeneração adequada da ferida, minimizando quaisquer efeitos secundários adversos. Posto isto, esta dissertação propõe a utilização de polímeros naturais (polihidroxialcanoato (PHA) e exopolissacárido (EPS)) no desenvolvimento de estruturas porosas para tratamento de feridas. Para isso, foram produzidos quatro biopolímeros: o EPS FucoPol e três tipos diferentes de PHA: poli(3-hidroxibutirato) (P(3HB), poli(3-hidroxibutirato-co-3-hidroxivalerato-co-3-hidroxihexanoato) (P(3HB-co-3HV-co-3HHx) e um PHA de cadeia média (mcl-PHA), característicos pelas suas propriedades físicas, químicas e funcionais distintas. Os PHAs tinham pesos moleculares distintos (variando de 0,4 a 9,2 x105 Da), diferentes cristalinidades (de 18,2 a 85,5%), diversos pontos de fusão (entre 44,9 e 174,2 °C) e temperaturas de transição vítrea (de -46 a 4,1 °C), mas temperaturas de degradação semelhantes (em torno de 275 °C). Por outro lado, FucoPol é um exopolissacárido amorfo com peso molecular de 1,4 x106 Da, rico em fucose (34,3 mol%) e com uma alta temperatura de degradação (240 °C). Todos os biopolímeros produzidos não eram citotóxicos para fibroblastos nem para queratinócitos. As propriedades estruturais inerentes dos PHA, bem como a sua falta de citotoxicidade, torna-os materiais adequados para desenvolver estruturas porosas para aplicações na área do tratamento de feridas. Posto isto, diferentes estruturas porosas de PHA foram desenvolvidas, com base em duas estratégias distintas: a técnica da emulsão seguida de evaporação do solvente e o método de prensagem a quente seguido da lixiviação de sal. Na generalidade, as estruturas porosas obtidas por estes procedimentos eram macroscopicamente brancas e opacas, com espessuras entre os 160 a 700 μm e com valores de porosidade entre os 49,8 a 87,1%. As aparências morfológicas destas estruturas eram semelhantes às estruturas porosas obtidas com polímeros sintéticos, como ácido polilático (PLA), policaprolactona (PCL) e polietileno tereftalato (PET), que são exemplos de polímeros normalmente utilizados no tratamento de feridas. As estruturas de PHA mostraram ser capazes de sustentar a adesão e proliferação de fibroblastos. Os valores de adesão alcançados para todas as estruturas de PHA variaram entre os 25% e os 46%, onde a estrutura obtida pelo método da emulsão usando o P(3HB) alcançou a maior população de fibroblastos após 7 dias de cultivo (311%). Os PHAs são polímeros biocompatíveis e biodegradáveis com boas propriedades estruturais, porém geralmente não possuem atividade biológica. Para conferir esta bioatividade às estruturas desenvolvidas, foi adicionado FucoPol (um bioemulsionante natural) a estes materiais, devido à sua comprovada capacidade de promover a migração in vitro de queratinócitos, demonstrando a sua utilização no tratamento de feridas. As estruturas FucoPol:PHA resultantes eram materiais porosos com melhores propriedades bioativas. O FucoPol revelou melhorar as características biológicas, aumentando os valores da população de fibroblastos após 7 dias de 311% para 325% e de 145% para 340% para estruturas obtidas pelo método da emulsão usando P(3HB) e P(3HB-co-3HV-co-3HHx), respetivamente. Este comportamento também foi observado nas estruturas obtidas pelo método de prensagem a quente com lixiviação de sal verificando-se um aumento de 178% para 333% para o P(3HB) e de 80% para 121% para o P(3HB-co-3HV-co-3HHx). Alguns destes perfis de proliferação revelaram ser superiores aos descritos na literatura para estruturas produzidas com PCL, poliuretano (PU) e quitosano. Estes resultados também sugeriram que o polímero PHA mais promissor para produzir estruturas 3D foi o homopolímero P (3HB) e que a técnica da emulsão demonstrou ser a estratégia mais favorável para produzir estas estruturas porosas. Esta dissertação revelou que usando dois tipos de polímeros naturais (PHA e FucoPol), e dois métodos de produção diferentes, é possível obter estruturas porosas com propriedades biológicas adequadas para utilização em engenharia de tecidos, ou na regeneração da pele para aplicações no tratamento de feridas.
Descrição
Palavras-chave
Poly(hydroxyalkanoate) (PHA) FucoPol Porous scaffold Emulsion templating Hot-pressing salt leaching Tissue engineering