Development and characterization of dextrin based hydrogels use of non-catalityc domains for the modification of polysaccharides

Bibliographic Details
Main Author: Carvalho, Joana
Publication Date: 2008
Language: eng
Source: Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP)
Download full: http://hdl.handle.net/1822/8507
Summary: Tese de Doutoramento em Engenharia Química e Biológica
id RCAP_acf81420bd81867ee4c794955c720aa7
oai_identifier_str oai:repositorium.sdum.uminho.pt:1822/8507
network_acronym_str RCAP
network_name_str Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP)
repository_id_str https://opendoar.ac.uk/repository/7160
spelling Development and characterization of dextrin based hydrogels use of non-catalityc domains for the modification of polysaccharides61:620.1620.1:61678.8Tese de Doutoramento em Engenharia Química e BiológicaTissue engineering (TE) has emerged as a promising approach to circumvent the limitations of the existing therapies for the treatment of tissue loss or organ failure. In a parallel route, continuous advances in biotechnology led to the availability of complex natural molecules for the treatment of the 20th Century diseases, such as AIDS, Alzheimer and cancer. These molecules, far more challenging to deliver than the classical therapeutic agents, were the driven force for the development of a new frontier research – the controlled drug delivery (CDD). TE and CDD have soon become interdisciplinary branches of science, gathering concepts from engineering, material and life sciences to develop new generations of biomedical tools which allowed overcoming clinical limitations such as donor scarcity, immunological rejection or drawbacks associated with surgery, thereby increasing patient compliance. The development of biomedical devices has focused on the design of three-dimensional structures made from natural or synthetic materials, termed scaffolds. Hydrogels are a class of hydrophilic polymeric scaffolds, with appealing features from the perspective of biological mimicking. They have a good biocompatibility, degradability and appropriate mechanical properties, allowing for a favorable controlled interaction with living systems. Hydrogels can be used in TE, as scaffolds to support and promote tissue regeneration, and as attractive systems for the controlled release of pharmaceutically active molecules. The goal of this thesis was to functionalize the biomaterial – Dextrin – to produce a hydrogel, as a potential alternative to the commonly used polymers for biomedical applications, namely as controlled release devices. Dextrin is a polymer composed of -(1 4) D-glucose units, produced by partial hydrolysis of starch. The transesterification of dextrin with vinyl acrylate (VA) was carried out in anhydrous dimethylsulfoxide (DMSO), being C2 and C3 the preferred acylation positions, as revealed by solid state-NMR (nuclear magnetic resonance) analysis. Different degrees of substitution (DS) ranging from ca. 10 to 70% were obtained by controlling the molar ratio of VA to dextrin and gels were obtained by free radical polymerization of aqueous solutions of dextrin-VA. A preliminary analysis on the potential of these hydrogels for the controlled release of bioactive molecules was carried out. The protein (bovine serum albumin-BSA) diffusion coefficients on the hydrogels were calculated using the lag-time analysis. Values in range 10-7 cm2/s were obtained for DS 20 and DS 40 and a smaller value of 10-8 cm2/s arised upon DS increasing to 70%, revealing the dependence of the diffusivity on the crosslinking density. Further investigation has shown that the degradation is very slow under physiological conditions. However, the hydrogels could be rendered degradable through the incorporation of the enzyme amyloglucosidase, which prove to be an effective route to modulate the release profiles. Nevertheless, an alternative approach, which included the functionalization of the polymer with a methacrylate ester (HEMA), was also performed. It was possible to obtain hydrogels with distinct mechanical properties, resulting in more desirable degradation kinetics, as revealed through a rheologic analysis of the viscoelastic behavior. Finally, the biocompatibility of the hydrogels has been evaluated in vitro, using mouse embryo fibroblasts. The adhesion, proliferation and morphology of the cells on the hydrogel were studied. The extracts obtained from the hydrogels, only slightly reduced the proliferation of fibroblasts (~15%). It was possible to observe that the direct seeding of the cells onto the hydrogels surfaces resulted in a reduction in the proliferation rate, as compared to tissue culture polystyrene plate. However, the results show that, although with a delay, cells are effectively able to grow, indicating that no deleterious effects are produced by dextrin hydrogels. Cellulose is the most abundant polysaccharide on Earth. Its hydrolysis is handled by a variety of different enzymes, known as cellulases. Cellulases, hemicellulases and other polysaccharide-degrading enzymes are widely used in a variety of applications, namelly in pulp and paper industries. Despite its wide utilization, several drawbacks result from enzyme utilization. Taking the paper treatment as an example, the drawbacks include the extensive hydrolysis of polysaccharides that leads to a reduction of both fiber strength and mass. In this context, the application of carbohydrate-binding modules (CBMs) allows overcoming the limitations associated with the enzyme technology. CBMs are non-catalytic modules present in several cellulases and hemicellulases. Several studies indicated that treatment of cellulose fibers with CBMs alters the interfacial properties of the fibers. In this work, the effect of recombinant cellulose-binding domains (CBD) on the properties of secondary paper fiber was evaluated. Two recombinant family 3 CBDs, from Clostridium thermocellum scaffoldin protein CipA (CBDCipA) and Cellobiohydrolase A (CbhA) were used. The CbhA CBD was used either alone (CBDCbhA) or fused with the internal fibronectin (FN31,2) module (FN31-FN32-CBDCbhA). Additionally, the CBDs were chemically conjugated with an activated polyethylene glycol (PEG). The data showed that the CBDCipA-PEG conjugate leads to a change on the properties of secondary fibers, as revealed by the improvement in both pulp drainage (Shopper-Riegler degree (ºSR) decreased up to 15%) and paper tensile strength. This effect is attributed to the presence of the PEG molecule, since CBDs lacking PEG were unable to modify pulp and paper properties. It is suggested that PEG mimetizes the glycosidic fraction of fungal CBDs, which is absent in the highly purified bacterial modules used here. It is concluded that the improved drainability of the pulp is attributed to the hydration and stabilization of the fibers.A engenharia de tecidos (TE) surgiu como uma forma promissora de contornar as limitações das terapias existentes, utilizadas no tratamento do mau funcionamento ou perda total de funções de um órgão ou tecido. Numa linha de investigação paralela, os contínuos avanços biotecnológicos, conduziram ao aparecimento de uma vasta gama de moléculas complexas para o tratamento de emergentes doenças do Século XX, tais como SIDA, Alzheimer e cancro. A forma de libertação destas novas moléculas no organismo constituiu um desafio, que acabaria por ser a força impulsionadora de uma nova fronteira de investigação – a libertação controlada de fármacos (CDD). TE e CDD cedo se tornaram ramos científicos interdisciplinares. Aplicando conceitos de engenharia e ciências da vida, uniram esforços no sentido de desenvolver novas gerações de produtos biomédicos que permitissem ultrapassar alguns dos urgentes problemas associados à prática clínica, como a escassez de dadores, a rejeição imunológica ou as desvantagens da cirurgia, melhorando os cuidados de saúde. O desenvolvimento dos novos produtos biomédicos foi direccionado no sentido da produção de estruturas tridimensionais a partir de materiais naturais ou sintéticos, denominados scaffolds. Neste contexto surgem os hidrogéis, como uma classe de scaffolds poliméricos e hidrofilicos, com características apelativas da perspectiva do mimetismo de condições biológicas naturais, das quais se destacam a biocompatibilidade, a degradabilidade e as propriedades mecânicas, permitindo uma interacção favorável e controlada com os sistemas vivos. Os hidrogéis são utilizados em TE como suportes para promover a regeneração de tecidos, podendo também ser usados como atractivos sistemas de libertação controlada de fármacos. Um dos principais objectivos deste trabalho consistia na funcionalização de um biomaterial – Dextrino – para a produção de um hidrogel, como alternativa aos polímeros actualmente utilizados em aplicações biomédicas, nomeadamente como sistema de libertação controlada. O dextrino é um polímero de unidades de -(1 4) D-glucose, produzido pela hidrólise parcial do amido. A sua transesterificação com vinil acrilato (VA) foi efectuada em dimetilsulfoxido anidro (DMSO), sendo as posições C2 e C3, os locais preferenciais de acilação, revelados por ressonância magnética nuclear (NMR) de sólidos. Diferentes graus de substituição (DS) (entre 10 e 70%) foram obtidos através da alteração da razão molar VA/dextrino e os hidrogéis foram obtidos por polimerização radicalar de soluções aquosas de dextrino- VA. A avaliação preliminar do potencial destes hidrogéis como sistemas de libertação controlada, foi efectuada utilizando a proteína albumina sérica de bovino (BSA), tendo os coeficientes de difusão sido calculado por análise do lag-time. Valores na ordem de 10-7 cm2/s foram obtidos para géis DS 20 e DS 40. Verificou-se, no entanto, uma diminuição para 10-8 cm2/s, aquando do aumento do DS para 70%, assinalando a dependência da difusão na densidade de reticulação do hidrogel. Apesar de investigação subsequente ter revelado que a degradação dos hidrogéis ocorre de forma lenta em condições fisiológicas, foi possível torná-los degradáveis através da incorporação da enzima amiloglucosidase, sendo uma forma efectiva de modular os perfis de libertação. Não obstante, foi realizada uma abordagem alternativa, passando pela utilização do ester metacrilato (HEMA) na funcionalização do polímero. A avaliação reológica do comportamento visco-elástico revelou ser possível a obtenção de hidrogéis com propriedades mecânicas distintas, resultando em cinéticas de degradação mais apropriadas. Finalmente, a biocompatibilidade dos hidrogéis foi avaliada in vitro, em fibroblastos embrionários de rato, através da análise da adesão, proliferação e morfologia celulares. Os resultados demonstraram que os extractos obtidos a partir dos hidrogéis induziram apenas uma ligeira redução da proliferação celular (~15%). Foi ainda possível observar que o cultivo directo das células na superfície dos hidrogéis, resulta numa redução na taxa de proliferação quando comparada com a cultura controlo. No entanto, foi demonstrado que as células são efectivamente capazes de crescer, indicando que a presença do hidrogel não produz efeitos deletérios. A celulose é o polissacarídeo mais abundante na Terra. A sua hidrólise é levada a cabo por diferentes enzimas, conhecidas como celulases. As celulases, hemicelulases e outras enzimas responsáveis pela degradação de polissacarídeos, têm uma vasta aplicação, nomeadamente na indústria de polpa e papel. Apesar de amplamente utilizadas, vários inconvenientes resultam da acção das enzimas. No caso do tratamento de papel destaca-se a hidrólise extensiva dos polissacarídeos, que resulta numa redução de massa e resistência das fibras. Neste contexto, a aplicação de módulos de ligação a carbohidratos (CBMs), surge como uma alternativa viável, evitando as desvantagens da tecnologia enzimática. Os CBMs consistem em módulos não-catalíticos, presentes em várias celulases e hemicelulases. Vários estudos indicam que o tratamento de fibras de celulose com CBMs provoca alterações nas propriedades interfaciais das mesmas. Neste trabalho foi avaliado o efeito de domínios de ligação a celulose (CBDs) recombinantes nas propriedades de fibras de papel secundárias. Foram utilizados dois CBDs (família 3) recombinantes de Clostridium thermocellum, pertencentes a dois complexos enzimáticos: scaffoldin protein A (CipA/CBDCipA) e Cellobiohydrolase A (CbhA/CBDCbhA). O CBDCipA foi utilizado isolado ou em fusão com o módulo interno de fibronectina (FN31-FN32-CBDCbhA). Procedeu-se ainda à conjugação química dos CBDs com uma molécula activada de polietileno glicol (PEG). Os resultados obtidos demonstraram que o conjugado CBDCipA-PEG provoca alterações nas fibras secundárias, que resultam no melhoramento da drenabilidadedas polpas (diminuição do grau de Shopper-Riegler (ºSR) até 15%), bem como da resistência à tensão do papel. Este efeito é atribuído à presença da molécula de PEG, uma vez que na ausência deste, os CBDs isolados não são capazes de provocar alterações nas propriedades da polpa e do papel, sugerindo que a molécula de PEG mimetiza o efeito da fracção glicosídica dos CBDs fungícos, que está ausente nos módulos bacterianos puros. Conclui-se que o melhoramento na drenabilidade da polpa está relacionado com a hidratação e estabilização das fibras.Fundação para a Ciência e Tecnologia (FCT), bolsa de investigação SFRH/BD/17482/2004.Gama, F. M.Domingues, LucíliaUniversidade do MinhoCarvalho, Joana2008-12-152008-12-15T00:00:00Zdoctoral thesisinfo:eu-repo/semantics/publishedVersionapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/1822/8507enginfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP)instname:FCCN, serviços digitais da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologiainstacron:RCAAP2024-05-11T06:44:36Zoai:repositorium.sdum.uminho.pt:1822/8507Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireinfo@rcaap.ptopendoar:https://opendoar.ac.uk/repository/71602025-05-28T16:03:11.745100Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP) - FCCN, serviços digitais da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologiafalse
dc.title.none.fl_str_mv Development and characterization of dextrin based hydrogels use of non-catalityc domains for the modification of polysaccharides
title Development and characterization of dextrin based hydrogels use of non-catalityc domains for the modification of polysaccharides
spellingShingle Development and characterization of dextrin based hydrogels use of non-catalityc domains for the modification of polysaccharides
Carvalho, Joana
61:620.1
620.1:61
678.8
title_short Development and characterization of dextrin based hydrogels use of non-catalityc domains for the modification of polysaccharides
title_full Development and characterization of dextrin based hydrogels use of non-catalityc domains for the modification of polysaccharides
title_fullStr Development and characterization of dextrin based hydrogels use of non-catalityc domains for the modification of polysaccharides
title_full_unstemmed Development and characterization of dextrin based hydrogels use of non-catalityc domains for the modification of polysaccharides
title_sort Development and characterization of dextrin based hydrogels use of non-catalityc domains for the modification of polysaccharides
author Carvalho, Joana
author_facet Carvalho, Joana
author_role author
dc.contributor.none.fl_str_mv Gama, F. M.
Domingues, Lucília
Universidade do Minho
dc.contributor.author.fl_str_mv Carvalho, Joana
dc.subject.por.fl_str_mv 61:620.1
620.1:61
678.8
topic 61:620.1
620.1:61
678.8
description Tese de Doutoramento em Engenharia Química e Biológica
publishDate 2008
dc.date.none.fl_str_mv 2008-12-15
2008-12-15T00:00:00Z
dc.type.driver.fl_str_mv doctoral thesis
dc.type.status.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/publishedVersion
status_str publishedVersion
dc.identifier.uri.fl_str_mv http://hdl.handle.net/1822/8507
url http://hdl.handle.net/1822/8507
dc.language.iso.fl_str_mv eng
language eng
dc.rights.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/openAccess
eu_rights_str_mv openAccess
dc.format.none.fl_str_mv application/pdf
dc.source.none.fl_str_mv reponame:Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP)
instname:FCCN, serviços digitais da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologia
instacron:RCAAP
instname_str FCCN, serviços digitais da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologia
instacron_str RCAAP
institution RCAAP
reponame_str Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP)
collection Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP)
repository.name.fl_str_mv Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP) - FCCN, serviços digitais da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologia
repository.mail.fl_str_mv info@rcaap.pt
_version_ 1833595703849385984

Similar Items