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Publicação
Development of antibacterial biomaterials based on chitin-glucan complex and ionic liquids
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Orientador(es)
Resumo(s)
The high demand for the change from petroleum-based materials, which are contributing for the world climate change, towards more sustainable alternatives has been the driver of intensive research. In this context, the chitin-glucan complex (CGC), a biopolymer with antibacterial, anti-inflammatory and antioxidant properties, is a promising candidate for the development of biomaterials for high value applications, especially in the biomedical field. However, CGC utilization and processing have been hindered by its insolubility in water and common organic solvents. In the past years, due to their tunable nature, ionic liquids (ILs) have emerged as alternative solvents for intractable biopolymers such as CGC. In this way, this thesis focused on the use of IL innovative chemistry for the dissolution and processing of CGC into bioactive biomaterials with potential to be used for transdermal drug delivery or wound healing.
CGC from two different sources, namely the yeast Komagataella pastoris (CGCP) and the fungus Aspergillus niger (CGCKZ), were dissolved at concentrations up to 5 wt.% at 80 and 110 °C, respectively, by three biocompatible cholinium-based ILs (choline acetate, choline propionate and choline hexanoate). Biomaterials in the form of films (from CGCP) and gels (from CGCKZ) were obtained, using the phase inversion method with deionized water as non-solvent. All the biomaterials were characterized, being observed that some IL remained in the biomaterials’ structure. Based on this evidence, two different approaches were followed (1) use of one choline carboxylate-based IL (choline acetate) as extraction media of CGC from biomass (2) use of ILs with dual functionality, being capable of dissolving CGC and possessing biological activity, which when remaining in the structure could enhance the final properties of the biomaterial.
In approach (1), choline acetate was used as extraction media for CGC from K. pastoris biomass. A design of experiments (DoE) was employed to determine the best extraction conditions (temperature, biomass concentration and reaction time). Using the defined optimal conditions, a CGC-protein biocomposite (64 wt.% CGC and 36 wt.% protein) was obtained, with low inorganic salts content (0.8 wt.%). Although it was possible to process the CGC-protein biocomposite in the form of a stand-alone film, its physical properties were not adequate for its use as topical dressing.
In approach (2), aiming the synthesis of dual functional ILs, two cations with antibacterial activity were chosen namely, benzethonium and didecyldimethylammonium, and combined with carboxylic acids (acetic, propionic and hexanoic acids), being all the synthesized ILs characterized. The prepared ILs were capable of dissolving CGCP up to a concentration of 15 wt.%. CGCP-based biomaterials were prepared from 5 wt.% CGC/IL solutions using the phase inversion method with deionized water as non-solvent. Four different phase inversion times were tested, resulting in gels or films, with different ILs contents. The presence of IL shown to have some influence on the biomaterial’s properties, including in the gels’ rheological behaviour and in the films’ swelling ability and mechanical properties. The antibacterial activity of both the ILs and the CGCP/IL biomaterials was evaluated through minimal inhibitory concentration (MIC) and disk diffusion assays. All ILs demonstrated antibacterial activity, with MIC values dependent on the IL’s cation. The CGCP/IL biomaterials also had antibacterial activity, with the CGC alone showing to also contribute for the biomaterial’s antibacterial activity. Overall, this thesis demonstrated that CGC can be processed into biomaterials with ILs, in particularly the potential of using dual functional ILs (acting as solvents and having biological properties) for the preparation of bioactive biomaterials, which can be a promising approach for the development of materials for biomedical applications such as wound healing and drug delivery systems.
A elevada procura de alternativas aos materiais derivados do petróleo, que contribuem para as alterações climáticas, tem levado a uma intensa investigação por fontes mais sustentáveis. O complexo quitina-glucanos (CQG) é um biopolímero com propriedades antibacterianas, anti-inflamatórias e anti-oxidantes, que tem sido considerado promissor para o desenvolvimento de biomateriais para diferentes aplicações, especialmente na área biomédica. No entanto, o seu uso e processamento têm sido limitados devido à sua insolubilidade em água e solventes orgânicos comuns. Nos últimos anos, os líquidos iónicos (LIs) surgiram como solventes alternativos para a dissolução de biopolímeros semelhantes ao CQG. Deste modo, nesta tese é abordado o uso de LIs para a dissolução e processamento do CQG em materiais bioativos, com potencial para serem utilizados para libertação controlada de fármacos através da pele ou tratamento de feridas. CQG de duas origens diferentes, a levedura Komagataella pastoris (CQGP) e o fungo Aspergillus niger (CQGKZ), foram dissolvidos em concentrações de 5% p/p a 80 e 110 °C, respetivamente, utilizando três LIs biocompatíveis baseados no catião colina (acetato de colina, propionato de colina e hexanoato de colina), sendo obtidos biomateriais sob a forma de filmes (usando CQGP) e géis (usando CQGKZ), após o método de inversão de fase, usando água como não-solvente. Todos os biomateriais foram caracterizados, sendo observado que algum LI permaneceu na estrutura dos mesmos. Com base nestes resultados, duas abordagens diferentes foram seguidas nesta tese: (1) utilização de um LI baseado no catião colina (acetato de colina) como meio de extração de CQG da biomassa (2) utilização de LIs com atividade biológica que ao permanecerem na estrutura dos biomateriais poderiam potencializar as suas propriedades finais. Na abordagem (1), o acetato de colina foi utilizado como meio de extração do CQG da biomassa da levedura K. pastoris. Foi implementado um desenho de experiências (DoE) para determinar as condições ótimas de extração (temperatura, concentração de biomassa e tempo de reação). Utilizando as condições ótimas, obteve-se a extração de um biocompósito CQG-proteína (64% (p/p) de biopolímero e 36% (p/p) proteína), com baixa quantidade de sais inorgânicos (0.8% (p/p)). Foi também possível desenvolver um biomaterial à base de CQG, sob a forma de filme, no entanto este não apresentava propriedades físicas adequadas para uso em aplicações tópicas. Na abordagem (2), tendo como objetivo a síntese de LIs com dupla funcionalidade, foram escolhidos dois catiões com atividade antibacteriana, nomeadamente, o benzetónio e o didecildimetilamónio, e combinados com ácidos carboxílicos (ácidos acético, propiónico e hexanóico), sendo os LIs caracterizados. Os LIs sintetizados demostraram capacidade em dissolver o CQGP até concentrações de 15% (p/p). Através do método de inversão de fase, utilizando água como não-solvente, foi possível desenvolver biomateriais a partir das soluções de 5% (p/p) CQG/LI. Foram testados quatro tempos diferentes de inversão de fase, resultando em géis e filmes com diferentes quantidades de LI. A presença de LI demonstrou ter alguma influência nas propriedades finais do biomaterial, inclusive no comportamento reológico dos géis e na capacidade de absorção de água, assim como das propriedades mecânicas dos filmes. A atividade antibacteriana dos LIs e dos biomateriais CQGP/LI foi avaliada através de ensaios de determinação de concentração mínima inibitória (CMI) e de disco-difusão. Todos os LIs demonstraram atividade antibacteriana, com os valores de CMI mostrando-se dependentes do catião do LI. Os biomateriais CQGP/LI também demonstraram ter atividade antibacteriana, com o CQG mostrando também contribuir para a atividade antibacteriana do biomaterial. De modo geral, o trabalho desenvolvido nesta tese demonstra a possibilidade de processamento de CQG em biomateriais com LIs, em particular o potencial de utilização de LIs com dupla funcionalidade (atuando como solventes e possuindo propriedade biológica) para a preparação de biomateriais bioativos, o que pode ser uma abordagem promissora para o desenvolvimento de materiais para aplicações biomédicas, como tratamento de feridas e sistemas de libertação de fármacos através da pele.
A elevada procura de alternativas aos materiais derivados do petróleo, que contribuem para as alterações climáticas, tem levado a uma intensa investigação por fontes mais sustentáveis. O complexo quitina-glucanos (CQG) é um biopolímero com propriedades antibacterianas, anti-inflamatórias e anti-oxidantes, que tem sido considerado promissor para o desenvolvimento de biomateriais para diferentes aplicações, especialmente na área biomédica. No entanto, o seu uso e processamento têm sido limitados devido à sua insolubilidade em água e solventes orgânicos comuns. Nos últimos anos, os líquidos iónicos (LIs) surgiram como solventes alternativos para a dissolução de biopolímeros semelhantes ao CQG. Deste modo, nesta tese é abordado o uso de LIs para a dissolução e processamento do CQG em materiais bioativos, com potencial para serem utilizados para libertação controlada de fármacos através da pele ou tratamento de feridas. CQG de duas origens diferentes, a levedura Komagataella pastoris (CQGP) e o fungo Aspergillus niger (CQGKZ), foram dissolvidos em concentrações de 5% p/p a 80 e 110 °C, respetivamente, utilizando três LIs biocompatíveis baseados no catião colina (acetato de colina, propionato de colina e hexanoato de colina), sendo obtidos biomateriais sob a forma de filmes (usando CQGP) e géis (usando CQGKZ), após o método de inversão de fase, usando água como não-solvente. Todos os biomateriais foram caracterizados, sendo observado que algum LI permaneceu na estrutura dos mesmos. Com base nestes resultados, duas abordagens diferentes foram seguidas nesta tese: (1) utilização de um LI baseado no catião colina (acetato de colina) como meio de extração de CQG da biomassa (2) utilização de LIs com atividade biológica que ao permanecerem na estrutura dos biomateriais poderiam potencializar as suas propriedades finais. Na abordagem (1), o acetato de colina foi utilizado como meio de extração do CQG da biomassa da levedura K. pastoris. Foi implementado um desenho de experiências (DoE) para determinar as condições ótimas de extração (temperatura, concentração de biomassa e tempo de reação). Utilizando as condições ótimas, obteve-se a extração de um biocompósito CQG-proteína (64% (p/p) de biopolímero e 36% (p/p) proteína), com baixa quantidade de sais inorgânicos (0.8% (p/p)). Foi também possível desenvolver um biomaterial à base de CQG, sob a forma de filme, no entanto este não apresentava propriedades físicas adequadas para uso em aplicações tópicas. Na abordagem (2), tendo como objetivo a síntese de LIs com dupla funcionalidade, foram escolhidos dois catiões com atividade antibacteriana, nomeadamente, o benzetónio e o didecildimetilamónio, e combinados com ácidos carboxílicos (ácidos acético, propiónico e hexanóico), sendo os LIs caracterizados. Os LIs sintetizados demostraram capacidade em dissolver o CQGP até concentrações de 15% (p/p). Através do método de inversão de fase, utilizando água como não-solvente, foi possível desenvolver biomateriais a partir das soluções de 5% (p/p) CQG/LI. Foram testados quatro tempos diferentes de inversão de fase, resultando em géis e filmes com diferentes quantidades de LI. A presença de LI demonstrou ter alguma influência nas propriedades finais do biomaterial, inclusive no comportamento reológico dos géis e na capacidade de absorção de água, assim como das propriedades mecânicas dos filmes. A atividade antibacteriana dos LIs e dos biomateriais CQGP/LI foi avaliada através de ensaios de determinação de concentração mínima inibitória (CMI) e de disco-difusão. Todos os LIs demonstraram atividade antibacteriana, com os valores de CMI mostrando-se dependentes do catião do LI. Os biomateriais CQGP/LI também demonstraram ter atividade antibacteriana, com o CQG mostrando também contribuir para a atividade antibacteriana do biomaterial. De modo geral, o trabalho desenvolvido nesta tese demonstra a possibilidade de processamento de CQG em biomateriais com LIs, em particular o potencial de utilização de LIs com dupla funcionalidade (atuando como solventes e possuindo propriedade biológica) para a preparação de biomateriais bioativos, o que pode ser uma abordagem promissora para o desenvolvimento de materiais para aplicações biomédicas, como tratamento de feridas e sistemas de libertação de fármacos através da pele.
Descrição
Palavras-chave
Chitin-glucan complex (CGC) Ionic Liquids (ILs) Films Gels Antibacterial activity Biomedical applications