Bacterial cellulose modifications for biomedical applications

Abstract

The main goal of this doctoral project is to explore the huge potential of bacterial cellulose (BC) in distinct areas, with particular focus on biomedical field. Specifically, i) the impact of different strains, fermentation time and fermentation medium on the BC properties was assessed; ii) the potential of oxidized BC as a wound dressing was analyzed; iii) exploratory studies on the use of laser technology for the surface patterning of BC were developed. With regards to the study on the influence of different culture conditions on BC’s properties, two strains (ATCC 53582 and ATCC700718), two distinct culture media (HS and MOL medium) and different bioreactors (static and agitated) were used. The time of culture was different in the static (6,15 and 30 days) and agitated (8 days) fermenters. The obtained results allowed to conclude that only slight differences (with no statistical relevance) between static and agitated conditions were observed in what concerns to BC properties. Then, and intending to explore the applicability of BC on biomedical field, BC membranes with hemostatic activity were produced through electrochemical oxidation. After oxidation using tetramethylpiperidine-1-oxyl (TEMPO) radical, the samples were characterized through several techniques. The oxidation degree was evaluated by titration and the obtained values revealed that increased from 4% to 7% and up to 15%, corresponding to an applied charge of 400, 700 and 1200 Coulombs, respectively. In vitro and in vivo biodegradability of oxidized BC membranes were evaluated and compared with that of Surgicel®, a commercially used hemostatic dressing. The oxidized BC preserved the crystallinity and the 3D nano-fibrillar network, and demonstrated hemostatic activity, although not as effective as that of Surgicel®. In vivo assays demonstrated that the oxidized membranes did not induce an inflammatory response, revealing a good biocompatibility. Finally, the surface pattern of BC was achieved through direct design of the laser patterns on wet BC surface. The interaction of the texturized surfaces with fibroblasts (L929) was assessed. The obtained results using XPS and FTIR techniques showed that the use of laser did not chemically modify the BC surface. The biocompatibility of both pristine and modified BC membranes was evaluated using mouse skin fibroblasts cells. SEM results showed that fibroblasts were present in both BC membranes surfaces exhibiting its usual phenotype, and significant differences between both groups in terms of metabolic activity were not detected. These results showed the good biocompatibility of both pristine and modified BC membranes, further work being necessary to exploit the potential of this methodology.

Este projeto de doutoramento pretende explorar o enorme potencial da celulose bacteriana (CB) em variadas áreas, dando particular enfoque à área biomédica. Especificamente, i) foi analisado o impacto de diferentes estirpes, tempo de fermentação e meio de fermentação nas propriedades da CB; ii) foi analisado o potencial da CB oxidada no tratamento de feridas; iii) foram realizados estudos exploratórios com tecnologia laser para a padronização de superfícies de CB. Relativamente ao estudo da influência de diferentes condições de fermentação nas propriedades da CB, foram testadas duas estirpes (ATCC 53582 e ATCC700718), dois meios de cultura distintos (HS e MOL) e bioreatores (cultura estática e agitada). O tempo de cultura também foi distinto, na cultura estática (6,15 e 30 dias) e agitada (8 dias). Os resultados obtidos permitiram concluir que houve apenas pequenas diferenças (sem relevância estatística) entre a cultura estática e agitadas em termos de propriedades de CB. Seguidamente, e com o objetivo de explorar a aplicabilidade da CB na área biomédica, foram produzidas membranas de CB com atividade hemostática por oxidação eletroquímica. A oxidação foi realizada usando o radical tetrametilpiperidina-1-oxil (TEMPO). O grau de oxidação foi avaliado por titulação, tendo-se obtido valores de 4% para 7% e 15%, correspondendo a uma carga aplicada de 400, 700 e 1200 Coulombs, respetivamente. A biodegradabilidade in vitro e in vivo das membranas de CB oxidadas foi avaliada e comparada com o Surgicel®, uma compressa comercial usada no tratamento de feridas. A CB oxidada preservou sua a cristalinidade e estrutura nanofibrilar, demonstrando atividade hemostática, embora não tão eficaz quanto o Surgicel®. Os ensaios in vivo demonstraram que as membranas oxidadas não induzem resposta inflamatória, revelando boa biocompatibilidade.Finalmente, a modificação da superfície da membrana de CB foi efetuada através da padronização com laser. Os resultados obtidos pelas técnicas de XPS e FTIR mostraram que a utilização do laser não modificou quimicamente a superfície da CB. A biocompatibilidade das membranas de CB foi avaliada usando fibroblastos (L929). Os resultados da microscopia eletrónica de varrimento mostraram que os fibroblastos aderiram em ambas as superfícies exibindo o fenótipo característico, não sendo detetadas diferenças significativas entre os dois grupos em termos de atividade metabólica. Estes resultados mostraram a boa biocompatibilidade das membranas de CB com e sem padronização, sendo necessários estudos adicionais para explorar o potencial desta tecnologia.