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Abstract(s)
Polyelectrolyte multilayer coatings have become a new and general way to functionalize a
variety of materials. Particularly, the Layer-by-Layer (LbL) method is a technique developed
for the coating of solid surfaces. The LbL technique presents a unique mean to construct surface
coatings that can conform to a variety of biomaterial surfaces and serve as matrices enabling
controlled delivery of bioactive molecules from surface. As the deposition process is achieved
in aqueous medium, incorporation of active agents is possible since the coatings obtained by
LbL are less densely packed and this is advantageous for diffusion through the coating.
The coating is constructed by the alternate adsorption of oppositely charged polyelectrolytes
at the surface of the material, easily obtained when it is dipped in polyelectrolyte solutions. A
deposition cycle creates a layer, and these cycles can be repeated as often as needed.
This study aims to obtain novel bioactive textiles with potential application as wound-dressings.
The biopolymers chosen for the functionalization of cotton (substrate), were chitosan (CH) and
alginate (ALG). The multilayer coating of cotton with CH and ALG is constructed by the
adsorption of CH and ALG with opposite charge on the surface of cotton substrates. The
successive deposition of multilayers of CH and ALG was analyzed by three different techniques.
Contact angle between a water droplet and the surface of the sample, cationic dye staining
method and analysis by ATR-FTIR (Fourier Transform Infrared spectroscopy with Attenuated
Total Reflection). These techniques showed that there was alternating deposition between CH
and ALG and the presence of electrostatic bonds between the layers. In order to evaluate the
antibacterial activity of the functionalized cotton, the Japanese standard JIS L 1902:2002 for
the halo method (qualitative assay), and the absorption method (quantitative test) were
assessed. These tests revealed an antibacterial effect on the functionalized cotton for both
Gram-positive bacteria (Staphylococcus aureus) and Gram-negative bacteria (Klebsiella
pneumoniae).
In addition a method was optimized for incorporating L-cysteine (L-cys) between the layers of
CH and ALG deposited on cotton samples by the LbL, in order to obtain a better antimicrobial
effect. Several strategies were used and the best results were obtained by the method where
the ALG turns into a gel in the presence of calcium, since L-cys can be incorporated directly
between the layers of CH and ALG without any covalent bond. Thus, the bioactive L-cys agent
was immobilized without losing its bioactive characteristics. These new samples were analyzed
for the antibacterial activity against Staphylococcus aureus and Klebsiella pneumoniae
according with the previously used standard, and the results showed an increase in the
antibacterial effect due to the presence of L-cys.
This new coating method has the great advantage to able to select other types of bioactive
agents without needing further optimization. In this way, L-Cys was replaced by antimicrobial
peptides (AMPs). The reason for the use of AMPs is related with the continuous use of antibiotics which resulted in multiresistant bacterial strains all over the world. Consequently, there is an
urgent need to search for alternatives for antibiotics. The AMPs are the new generation of
antimicrobials. Four AMPs of different features were used. The depth in which each AMPs is
incorporated between the layers was determined by energy dispersive analysis of X-rays (Energy
Dispersive X-ray EDS). Results showed, that all AMPs used have a higher antimicrobial effect
when compared with previous samples (with and without L-Cys) for both microorganisms and
are non-cytotoxic to normal human dermal fibroblasts at the tested Concentrations. This
confirms that this new functionalization approach of cotton coated with layers of CH and ALG
by the LbL technique with incorporated AMPs leads to good antibacterial and cytotoxicity
results, which make them suitable to be used as wound dressings.
Nos últimos anos, o uso de têxteis com capacidade antimicrobiana tem vindo a aumentar significativamente. Compostos sintéticos antimicrobianos utilizados em artigos têxteis são muito eficazes face a uma grande gama de microrganismos. Mas o uso de têxteis antimicrobianos de forma contínua pode levar à resistência bacteriana e sensibilização dos utilizadores, bem como causar problemas ao meio ambiente. Para minimizar estes riscos existe atualmente uma grande procura de têxteis antimicrobianos produzidos com compostos naturais não tóxicos e amigos do ambiente. A baixa incidência de efeitos adversos com origem em compostos naturais relativamente aos compostos sintéticos pode ser explorada como uma alternativa atraente e promissora para aplicações têxteis. O método de funcionalização por camada sobre camada (Layer-by-Layer, LbL) pode fornecer novos tipos de revestimentos em materiais têxteis. Esta técnica LbL tem ganho uma grande aceitação na investigação académica e a nível industrial. Foi proposta por Decher e seus colaboradores no início dos anos 90 e desde então o seu impacto positivo pode ser comprovado através do crescente número de trabalhos publicados. Revestimentos por multicamadas de polieletrólitos naturais bioativos tornam-se num processo novo de funcionalização de superfícies. Esta técnica é desenvolvida em meio aquoso e envolve tipicamente a adsorção alternada de polieletrólitos de cargas opostas. A possibilidade de fabricar tais camadas, graças às interações eletrostáticas, permite a funcionalização de superfícies de praticamente qualquer tamanho e forma. Este conceito não é novo para algumas aplicações como seja a libertação de fármacos, mas é relativamente novo para aplicações têxteis. Na revisão da literatura foram encontrados alguns, mas poucos, trabalhos de investigação relativamente à aplicação do LbL em substratos têxteis naturais, como seja o caso do algodão. O uso de polímeros naturais para obter estas camadas pode auxiliar na resolução de problemas que ocorrem com os polímeros sintéticos. Relativamente aos polímeros naturais mais utilizados encontram-se o quitosano (CH) e o alginato (ALG) que são polissacarídeos bastante conhecidos por serem biocompatíveis, biodegradáveis, antimicrobianos e não tóxicos. Neste trabalho apresentam-se os resultados sobre a viabilidade e sucesso da deposição de camadas de polieletrólitos de CH e de ALG pela técnica do LbL em fibras de algodão. O revestimento do algodão por multicamadas de CH e ALG é construído através da adsorção de CH de carga positiva e oposta à carga da superfície do algodão, seguida pela adsorção de ALG de carga negativa, ou seja oposta á carga do CH. O substrato de algodão utilizado para a deposição das várias camadas foi pré-tratado antes da deposição dos polieletrólitos, de forma a ativar a sua superfície deixando-a com cargas negativas. A deposição sucessiva das multicamadas de polieletrolitos foi analisada por 3 técnicas diferentes. Cálculo do ângulo de contacto entre uma gota de água e a superfície da amostra, coloração com um corante catiónico e análise por ATR-FTIR (Fourier Transform Infrared Spectroscopy with Attenuated Total Reflection). Estas técnicas indicaram que houve uma deposição alternada entre o CH e o ALG e também a presença de ligações eletrostáticas entre as camadas. Ficou assim demonstrado o sucesso na deposição de CH e ALG pela técnica do LbL em substrato têxtil de origem natural, neste caso o algodão. Com o fim de avaliar a atividade antibacteriana das amostras de algodão funcionalizadas, seguiu-se a norma Japonesa JIS L 1902:2002 para o método do halo (teste qualitativo) e método de absorção (teste quantitativo). Estes testes revelaram um efeito antibacteriano das amostras funcionalizadas, tanto para bactérias Gram-positivas (Staphylococcus aureus) como Gramnegativas (Klebsiella pneumoniae). Com estes resultados verificou-se que era possível preparar estruturas com propriedades específicas. Este método permite assim a possibilidade de desenvolver novos produtos têxteis funcionais para aplicações biomédicas, podendo também com este método do LbL obter amostras que tenham um papel no desenvolvimento de um sistema de libertação de fármacos no local pretendido. As amostras anteriores foram ainda analisadas por microscopia eletrónica de varrimento (Scanning Electron Microscopy, SEM). Esta análise teve como objetivo visualizar o grau do dano sofrido na estrutura das bactérias testadas por ação do CH e ALG. A fase seguinte consistiu em otimizar um método para incorporação de L-cisteína (L-cys), que é um agente antimicrobiano, entre as camadas de CH e ALG depositadas em amostras de algodão pelo método do LbL. Entre os diversos métodos utilizados para incorporar a L-cys, o que melhores resultados produziu foi aquele onde se fez uso da propriedade do ALG em formar gel na presença de cálcio. Verificamos que a L-cys pode ser incorporada diretamente entre as camadas de CH e ALG sem que ocorra qualquer ligação covalente entre a L-cys e os polieletrólitos de CH e ALG. Desta forma o agente bioativo (L-cys) ficou imobilizado sem perder as suas características bioativas e tem como grande vantagem a possibilidade de podermos selecionar outros tipos de agentes bioativos sem a necessidade de nova otimização do método de incorporação. Nestas novas amostras foram analisadas as propriedades antibacterianas para o Staphylococcus aureus e para Klebsiella pneumoniae segundo a norma já referida anteriormente, e os resultados mostraram um aumento no efeito antibacteriano devido à presença da L-cys. Por último, a L-cys foi substituída por péptidos antimicrobianos (antimicrobial peptides, AMPs), já que são a nova geração de antimicrobianos. Foram utilizados 4 AMPs de características diferentes. A profundidade em que cada AMPs se encontra incorporado entre as camadas foi determinada por análise de energia dispersiva de raios X (Energy Dispersive X ray, EDS). Para estas últimas amostras foram feitos os testes antibacterianos e analisada a citotoxicidade para o valor das concentrações usadas. Foram também analisadas as curvas de libertação para o exterior dos AMPs incorporados no algodão funcionalizado. Com os resultados obtidos confirma-se que esta nova funcionalização de algodão revestido com camadas de CH e ALG pela técnica do LbL e com incorporação de AMPs, conduz a bons resultados antimicrobianos e de citotoxicidade, podendo assim estas amostras ser utilizadas na área da saúde, especificamente como compressas.
Nos últimos anos, o uso de têxteis com capacidade antimicrobiana tem vindo a aumentar significativamente. Compostos sintéticos antimicrobianos utilizados em artigos têxteis são muito eficazes face a uma grande gama de microrganismos. Mas o uso de têxteis antimicrobianos de forma contínua pode levar à resistência bacteriana e sensibilização dos utilizadores, bem como causar problemas ao meio ambiente. Para minimizar estes riscos existe atualmente uma grande procura de têxteis antimicrobianos produzidos com compostos naturais não tóxicos e amigos do ambiente. A baixa incidência de efeitos adversos com origem em compostos naturais relativamente aos compostos sintéticos pode ser explorada como uma alternativa atraente e promissora para aplicações têxteis. O método de funcionalização por camada sobre camada (Layer-by-Layer, LbL) pode fornecer novos tipos de revestimentos em materiais têxteis. Esta técnica LbL tem ganho uma grande aceitação na investigação académica e a nível industrial. Foi proposta por Decher e seus colaboradores no início dos anos 90 e desde então o seu impacto positivo pode ser comprovado através do crescente número de trabalhos publicados. Revestimentos por multicamadas de polieletrólitos naturais bioativos tornam-se num processo novo de funcionalização de superfícies. Esta técnica é desenvolvida em meio aquoso e envolve tipicamente a adsorção alternada de polieletrólitos de cargas opostas. A possibilidade de fabricar tais camadas, graças às interações eletrostáticas, permite a funcionalização de superfícies de praticamente qualquer tamanho e forma. Este conceito não é novo para algumas aplicações como seja a libertação de fármacos, mas é relativamente novo para aplicações têxteis. Na revisão da literatura foram encontrados alguns, mas poucos, trabalhos de investigação relativamente à aplicação do LbL em substratos têxteis naturais, como seja o caso do algodão. O uso de polímeros naturais para obter estas camadas pode auxiliar na resolução de problemas que ocorrem com os polímeros sintéticos. Relativamente aos polímeros naturais mais utilizados encontram-se o quitosano (CH) e o alginato (ALG) que são polissacarídeos bastante conhecidos por serem biocompatíveis, biodegradáveis, antimicrobianos e não tóxicos. Neste trabalho apresentam-se os resultados sobre a viabilidade e sucesso da deposição de camadas de polieletrólitos de CH e de ALG pela técnica do LbL em fibras de algodão. O revestimento do algodão por multicamadas de CH e ALG é construído através da adsorção de CH de carga positiva e oposta à carga da superfície do algodão, seguida pela adsorção de ALG de carga negativa, ou seja oposta á carga do CH. O substrato de algodão utilizado para a deposição das várias camadas foi pré-tratado antes da deposição dos polieletrólitos, de forma a ativar a sua superfície deixando-a com cargas negativas. A deposição sucessiva das multicamadas de polieletrolitos foi analisada por 3 técnicas diferentes. Cálculo do ângulo de contacto entre uma gota de água e a superfície da amostra, coloração com um corante catiónico e análise por ATR-FTIR (Fourier Transform Infrared Spectroscopy with Attenuated Total Reflection). Estas técnicas indicaram que houve uma deposição alternada entre o CH e o ALG e também a presença de ligações eletrostáticas entre as camadas. Ficou assim demonstrado o sucesso na deposição de CH e ALG pela técnica do LbL em substrato têxtil de origem natural, neste caso o algodão. Com o fim de avaliar a atividade antibacteriana das amostras de algodão funcionalizadas, seguiu-se a norma Japonesa JIS L 1902:2002 para o método do halo (teste qualitativo) e método de absorção (teste quantitativo). Estes testes revelaram um efeito antibacteriano das amostras funcionalizadas, tanto para bactérias Gram-positivas (Staphylococcus aureus) como Gramnegativas (Klebsiella pneumoniae). Com estes resultados verificou-se que era possível preparar estruturas com propriedades específicas. Este método permite assim a possibilidade de desenvolver novos produtos têxteis funcionais para aplicações biomédicas, podendo também com este método do LbL obter amostras que tenham um papel no desenvolvimento de um sistema de libertação de fármacos no local pretendido. As amostras anteriores foram ainda analisadas por microscopia eletrónica de varrimento (Scanning Electron Microscopy, SEM). Esta análise teve como objetivo visualizar o grau do dano sofrido na estrutura das bactérias testadas por ação do CH e ALG. A fase seguinte consistiu em otimizar um método para incorporação de L-cisteína (L-cys), que é um agente antimicrobiano, entre as camadas de CH e ALG depositadas em amostras de algodão pelo método do LbL. Entre os diversos métodos utilizados para incorporar a L-cys, o que melhores resultados produziu foi aquele onde se fez uso da propriedade do ALG em formar gel na presença de cálcio. Verificamos que a L-cys pode ser incorporada diretamente entre as camadas de CH e ALG sem que ocorra qualquer ligação covalente entre a L-cys e os polieletrólitos de CH e ALG. Desta forma o agente bioativo (L-cys) ficou imobilizado sem perder as suas características bioativas e tem como grande vantagem a possibilidade de podermos selecionar outros tipos de agentes bioativos sem a necessidade de nova otimização do método de incorporação. Nestas novas amostras foram analisadas as propriedades antibacterianas para o Staphylococcus aureus e para Klebsiella pneumoniae segundo a norma já referida anteriormente, e os resultados mostraram um aumento no efeito antibacteriano devido à presença da L-cys. Por último, a L-cys foi substituída por péptidos antimicrobianos (antimicrobial peptides, AMPs), já que são a nova geração de antimicrobianos. Foram utilizados 4 AMPs de características diferentes. A profundidade em que cada AMPs se encontra incorporado entre as camadas foi determinada por análise de energia dispersiva de raios X (Energy Dispersive X ray, EDS). Para estas últimas amostras foram feitos os testes antibacterianos e analisada a citotoxicidade para o valor das concentrações usadas. Foram também analisadas as curvas de libertação para o exterior dos AMPs incorporados no algodão funcionalizado. Com os resultados obtidos confirma-se que esta nova funcionalização de algodão revestido com camadas de CH e ALG pela técnica do LbL e com incorporação de AMPs, conduz a bons resultados antimicrobianos e de citotoxicidade, podendo assim estas amostras ser utilizadas na área da saúde, especificamente como compressas.
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Keywords
Layer-by-Layer Agentes antimicrobianos Têxteis bioactivos Aplicações biomédicas Compressas