Enzymatic degradation of natural polysaccharide-based layer-by-layer devices

Abstract

In the last two decades, the layer-by-layer (LbL) assembly technique has been used in different areas, such as materials science, and biology. One of the major trending usages is in the area of biomedical sciences, in particular by the design of nanostructured polyelectrolyte multilayer films (PEM) with various morphologies and dimensions that closely resemble a specific assembly substrate, such as thin coatings, membranes and capsules. To this purpose, natural polymeric-based materials have been utilized as biomaterials for specialized LbL devices. These materials present several advantages, such as biocompatibility, bioactivity and in some cases biodegradability, which are hard to find in synthetic materials. Natural polysaccharides are good candidates for the construction of devices with different biomedical applications, such as implantable porous scaffolds, prostheses and other tridimensional structures applicable in tissue engineering and regenerative medicine. Drug delivery vehicles are one of the main utilizations of such materials. In fact, these materials have to present physical, chemical, mechanical and biological properties to promote efficient action. Among these materials, marine origin polysaccharides have important biological properties such as biocompatibility, biodegradability, bioactivity, as well as adhesive and antimicrobial actions. Because of such properties, they are suitable candidates as a biomaterials for different biomedical applications, and can be processed into various drug delivery carriers including particles, capsules, hydrogels or polyelectrolyte films. Among the most common polysaccharides used in the pharmaceutical field are alginate, carrageenan, fucoidan, chitosan and hyaluronic acid, which can be obtained from different marine organisms. Polysaccharides have been used as building materials for LbL assembly. Chitosan/hyaluronic acid LbL-based PEMs were produced with different dimensional scales to study their enzymatic degradation. Ultrathin films showed a high sensibility to hyaluronidase degradation, which induces topography modifications. Freestanding membranes can also be degraded by hyaluronidase. The films were degraded in the presence of hyaluronidase, leading also to a loss of mechanical properties. LbL microcapsules were prepared in order to study the enzyme triggering release. Results, suggest that these enzyme loaded microcapsules could be suitable as delivery carriers for different applications. Knowing the enzymatic degradation of LbL structures represents a step forward towards the translation of such technology to preclinical assays concerning a new generation of implantable biomedical devices. Furthermore, enzymes were shown to be suitable triggers to promote the release of bioactive agents from LbL-based carriers and could be useful to tune the release rate within desired administration requirements.

Layer-by-Layer (LbL) define-se como técnica que permite a montagem de estruturas por deposição de diferentes camadas pelas interações entre vários materiais, entre elas as interações electroestáticas. A utilização de diferentes materiais permite a construção de estruturas de diferentes tamanhos, morfologia e em alguns casos podem apresentar atividade biológica. Geralmente, essas características é lhe conferida pelos tipos de materiais utilizados. A utilização de materiais inteligentes podem levar à construção de estruturas com a capacidade de apresentarem uma resposta a diferentes estímulos externos, como por exemplo, a degradação enzimática. Nesse aspeto, os polissacarídeos de origem marinha apresentam inúmeras vantagens, como por exemplo, biocompatibilidade, biodegradabilidade, bioatividade, biodisponibilidade, baixa toxicidade, assim como propriedades anti adesivas e antimicrobianas. Propriedades difíceis de encontrar em materiais de origem sintética. Devido a estas características, estes materiais são utilizados na construção de estruturas com aplicabilidade biomédica, como por exemplo, membranas implantáveis para a regeneração de tecidos ou a construção de capsulas para a libertação controlada de agentes bioativos. Estes materiais apresentam propriedades físico-químicas, mecânicas e biológicas para promover uma ação e libertação eficiente. Estes materiais podem ser utilizados na construção de diferentes dispositivos, como por exemplo, partículas, capsulas ou hidrogéis. Os polissacarídeos de origem marinho mais utilizados são: o alginato, o quitosano, o sulfato de condroitina e o ácido hialurónico. Estes polissacarídeos têm sido utilizados como principal constituinte de estruturas produzidas por LbL. Diferentes estruturas utilizando o quitosano e o ácido hialurónico foram obtidas para estudar a sua degradação enzimática. Filmes ultrafinos demonstraram uma grande sensibilidade à degradação enzimática, apresentando alterações na sua estrutura após contacto com a enzima mesmo a baixas concentrações. Aumentando o número de camadas foi possível obter membranas manejáveis. A ação enzimática nestas membranas demonstrou a perda de massa causada pela degradação que pode levar ao rompimento da mesma. Forma produzidas por LbL capsulas contendo enzima para demonstrar se esta consegui induzir a libertação de biomoléculas através da degradação interna da cápsula. Resultados sugerem que a degradação da enzima promove uma maior libertação do agente. Fazendo deste sistema, adequável à libertação controlada de agentes bioativos.