Publication
Covalent and non-covalent strategies for surface modification of different textile materials with antimicrobial properties
| datacite.subject.fos | Ciências Médicas::Outras Ciências Médicas | pt_PT |
| dc.contributor.advisor | Gouveia, Isabel Cristina Aguiar de Sousa e Silva a | |
| dc.contributor.advisor | Teixeira, Erhan Piskin e Doutora Pilar | |
| dc.contributor.author | Nogueira, Frederico Álvaro Sequeira | |
| dc.date.accessioned | 2018-06-05T16:09:16Z | |
| dc.date.available | 2018-06-05T16:09:16Z | |
| dc.date.issued | 2018-01 | |
| dc.description.abstract | Nowadays, millions of people become infected with bacteria that cause hospital infections, which is a major cause of mortality in hospitals, killing 700,000 people per year in the world. It is even projected that the number of deaths in hospitals will grow to 10 million by 2050. The use of antimicrobial textiles, especially in close contact with the patients and in the immediate and non-immediate surroundings, may significantly reduce the risk of infections. However, they should possess broad spectrum biocidal properties, be safe for use and highly effective against antibiotic resistant microorganisms, including those that are commonly involved in hospital-acquired infections. Most nosocomial infections are primarily by opportunistic microorganisms, i. e., they rarely cause diseases in a healthy immune system, but seek to exploit any weaknesses in the body of immunocompromised patients, such as victims of burns, cancer patients or beddriden with open wounds, in order to cause infections. These strains have the ability to grow in any environment, present important virulence factors, and have resistance to a large variety of antibiotics. Several antimicrobial agents have been tested in textiles. Quaternary ammonium compounds, silver, polyhexamethylene biguanides and triclosan have been used, with limited success. They have powerful bactericidal activity, however, the majority have a reduced spectrum of microbial inhibition and may cause skin irritation, citotoxicity, ecotoxicity and bacterial resistance. In addition, its incorporation in the textiles reduces their activity substantially and limits availability. Moreover, the biocide can gradually lose activity during the use and textile repeated laundering. To overcome these disadvantages, natural compounds such as L-Cysteine (L-Cys), bacteriophages and antimicrobial peptides (AMPs), were tested in this work as antimicrobial agents for fibrous materials. As such, in a first approach we carried out studies in order to confer antimicrobial properties on textile and polymeric surfaces in such a way that they could irreversibly attract, bind and eliminate microorganisms, paving the way to a dynamic protective barrier. For this purpose, the amino acid L-Cys and the AMPs Magainin I, LL-37, and Cys-LC-LL-37 were used in order to provide antimicrobial properties to cotton fibrous materials . L-Cys was selected due to its proven antimicrobial properties granted by its thiol group and also proved its capacity to ensure antioxidant activity by the 2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl (DPPH) reagent. Covalent and non-covalent immobilization strategies were tested on different fibrous materials and subjected to intensive washing cycles, such as cotton, silk, polycaprolactone, and polypropylene, in order to immobilize L-Cys in a durable manner. For a better understanding of the interactions material-L-Cys-bacteria, cotton textile substrates were chemically modified with N, N-carbonyldiimidazole (CDI) and subsequently functionalized with different concentrations of L-Cys. These studies revealed that there was a specific amount of CDI activator (4%) which would be ideal to more efficiently bind L-Cys (5%). These results revealed a higher antimicrobial efficiency, when compared to another study, in which the cotton substrate was non-covalently immobilized with Magainin I and LL-37. Cotton-L-Cys caused most death among bacteria, after washing cycles, due exclusively to its covalent bound that was able to immobilize L-Cys more permanently. In support of this hypothesis, a polymer difficult to modify - polypropylene - was grafted with L-Cys, which strengthened its nanostructure and endowed it with thiol groups that allowed to bind the peptide Cys-LC-LL-37 via disulfide bond (covalent). It was found that Cys-LC-LL-37 resisted to successive wash cycles, and the flexibility of this peptide was unique to the elimination of the microorganisms. Subsequently, the knowledge acquired when using cotton and polypropylene were transferred to silk and polycaprolactone, in order to test the applicability of this developed concept to other fibrous structures potentially to be used as antimicrobial textiles. Different percentages of L-Cys were immobilized, by different chemical reactions, on samples of aforementioned polymers with biomedical potential, and X-ray spectroscopy (EDS), Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR), calorimetry (DSC), Ellman's reagent, and contact angle were used to chemically check L-Cys immobilization, as well as antimicrobial and cytotoxicity assays, so as to ensure that the applications would not be toxic to humans. Also, silk and polycaprolactone samples covalently bound by 1 and 5% L-Cys, respectively, eliminated very well the microorganisms. In addition, these samples retained L-Cys during several wash cycles. At this stage, after the work developed and the knowledge acquired, enabled us to move into a new strategy of immobilization of bacteriophages in fibrous materials. The covalent coupling of the vB-Pae-Kakheti phage capsid to the surface of polycaprolactone nanofibers produced by electrospinning was performed, so that the phage had its tail facing outwards, maintaining its infectivity. The results again confirm that not only the presence of an antimicrobial, but also the way it is immobilized, makes all the difference in the development strategy of antimicrobial textiles. It was concluded, therefore, that an optimized amount of "new" antimicrobial compounds alternative to antibiotics and synthetic biocides, as well as their specific orientation, consisted of a better performance upon contact and elimination of bacteria, being crucial for the development of biomaterials for contact with skin and mucosa. | pt_PT |
| dc.description.abstract | Os têxteis são substratos propícios ao crescimento e proliferação microbiana sob as condições apropriadas de humidade, nutrientes e temperatura. Em ambiente hospitalar, podem ser uma fonte perigosa de bactérias e fungos que contaminam pacientes e profissionais de saúde. As bactérias e fungos, patogénicos ou não, são normalmente encontrados na pele humana, na cavidade nasal e na área genital. A libertação de microrganismos do nosso corpo contribui para a contaminação e proliferação sobre o vestuário e têxteis. Vários estudos sustentam que a contaminação de têxteis usados em ambiente hospitalar pode contribuir para a libertação de agentes patogénicos no ar, contaminando o ambiente e sendo, presumivelmente, das causas mais prováveis de infeções hospitalares. A maioria das infecções nosocomiais são causadas por microorganismos oportunistas, i.e., raramente causam doenças num sistema imunológico saudável, mas conseguem explorar o estado debilitado de pacientes imunocomprometidos, como vítimas de queimaduras, pacientes oncológicos ou acamados com feridas abertas, para causar infecções. Estas estirpes têm a capacidade de crescer em qualquer ambiente, apresentam importantes fatores de virulência e têm resistência a uma grande variedade de antibióticos. Milhões de pessoas são infetadas com bactérias que causam infecções hospitalares, sendo uma das principais causas de mortalidade em hospitais, causando anualmente a morte de cerca de 700 mil pessoas a nível mundial. O uso de têxteis antimicrobianos, especialmente em contato próximo com pacientes, mas também no ambiente circundante, pode reduzir significativamente o risco de infecções. Contudo, vários requisitos se impõem: os têxteis bioativos devem possuir propriedades biocidas de largo espectro, ser seguros para o utilizador e altamente eficazes no combate aos microrganismos resistentes a antibióticos, incluindo os que são usados no tratamento de infeções hospitalares, e não devem permitir o desenvolvimento de microrganismos resistentes ao composto ativo usado nem ser a causa de irritação da pele. Vários agentes antimicrobianos têm sido testados em têxteis. Os compostos de amónio quaternário, a prata, o polihexametileno de biguanidina e o triclosano são usados como agentes antimicrobianos para têxteis, com sucesso, já que possuem uma atividade bactericida poderosa, como indicado pelo MIC (concentração mínima inibitória). No entanto, a maioria dos agentes antimicrobianos tem um espectro reduzido de inibição microbiana e pode causar irritação da pele, ecotoxicidade e resistência bacteriana. Além disso, a sua incorporação nos têxteis reduz substancialmente a atividade e limita a disponibilidade dos grupos bioativos, obrigando à utilização de concentrações elevadas nos processos de funcionalização. O biocida pode também perder gradualmente a sua atividade durante o uso e lavagens dos materiais têxteis. Assim, grandes quantidades são aplicadas aos têxteis para controlar o crescimento bacteriano e manter a sua durabilidade. Na tentativa de superar estas desvantagens, vários compostos como o quitosano, ácido hialurónico e extractos de plantas têm sido avaliados como potenciais agentes antimicrobianos para têxteis. A par disso, a exigência dos consumidores por vestuário higiénico e o mercado crescente dos têxteis médicos e bioativos estimularam a investigação nesta área. Baseada numa revisão cuidada da literatura, a nossa proposta prevê uma estratégia totalmente nova: o uso de aminoácidos L-cisteína (L-Cys), bacteriofágos e péptidos antimicrobianos (AMPs) como agentes bioativos em têxteis. Assim sendo, numa primeira abordagem realizámos estudos no sentido de conferir propriedades antimicrobianas a superfícies têxteis e poliméricas de forma a que atraissem, ligassem e eliminassem os microorganismos, de forma irreversível, originando uma barreira protectora dinâmica. Para este efeito, foram utilizados o aminoácido L-Cys e os AMPs Magainina I, LL-37, e Cys-LC-LL-37, de modo a conferir propriedades antimicrobianas a materiais fibrosos de algodão. A seleção da L-Cys deveu-se ao facto das suas reconhecidas propriedades antimicrobianas conferidas pelo seu grupo tiol e que, para além disso, provou ter capacidades antioxidantes, pelo reagente 2,2-difenil-1-picrilidrazil (DPPH). Estratégias de imobilização covalentes e não covalentes foram testadas em diferentes materiais fibrosos e submetidos a ciclos de lavagem intensos, tais como algodão, seda, policaprolactona, e polipropileno, com o objectivo de imobilizar a L-Cys de forma durável. Para uma melhor compreensão das interacções material-L-Cys-bactéria, substratos têxteis de algodão foram quimicamente modificados com N,N-carbonyldiimidazole (CDI) e posteriormente funcionalizados com diferentes concentrações de L-Cys. Estes estudos revelaram que havia uma quantidade específica de ativador CDI (4%) que seria a ideal para ligar com mais eficiência L-Cys (5%). Estes resultados revelaram uma maior eficiência antimicrobiana em comparação com outro estudo, no qual o substrato de algodão foi imobilizado não covalentemente com Magainina I e LL-37. O algodão-L-Cys provocou maior morte microbiana, após ciclos de lavagem, devido exclusivamente à sua ligação covalente que conseguiu imobilizar a L-Cys, de forma mais permanente. Para corroborar esta hipótese levantada, modificou-se um polímero difícil de ser modificado – polipropileno – com L-Cys, o que fortaleceu a sua estrutura em nanofibras e dotou-o com grupos tiol que permitiram ligar o péptido Cys-LC-LL-37 por ligação dissulfureto (covalente). Verificou-se que esta Cys-LC-LL- 37 resistiu aos sucessivos ciclos de lavagem, e a flexibilidade deste péptido foi ímpar para a eliminação dos microorganismos. Posteriormente, os conhecimentos adquiridos aquando da utilização do algodão e polipropileno foram transferidos para seda e policaprolactona, de forma a testar a aplicabilidade do conceito desenvolvido a outras estruturas fibrosas potencialmente usadas como têxteis antimicrobianos. Foram imobilizadas, por diferente química de superfície, diferentes percentagens de L-Cys em amostras destes polímeros com potencial biomédico, e realizados também ensaios de espectroscopia de raios X (EDS), espectroscopia de infravermelho da transformada de Fourier (FT-IR), calorimetria exploratória diferencial (DSC), reagente de Ellman, e ângulo de contacto para verificar químicamente a imobilização de LCys, bem como ensaios antimicrobianos e de citotoxicidade, para assegurar que as aplicações não seriam tóxicas para o ser humano. Também com seda e policaprolactona, as amostras ligadas covalentemente por 1 e 5% de L-Cys, respetivamente, eliminaram os microorganismos de forma bastante boa. Para além disto, estas amostras retiveram L-Cys durante diversos ciclos de lavagem. O trabalho desenvolvido e o conhecimento adquirido nesta fase permitiu evoluir para uma nova estratégia de imobilização de bacteriofagos em materiais fibrosos. Testou-se, assim, a ligação covalente da cápside do fago vB-Pae-Kakheti25 à superfície de nanofibras de policaprolactona produzidas por electrospinning, de forma a que o fago ficasse com a sua cauda orientada para o exterior das nanofibras, mantendo a sua infectividade. Os resultados mais uma vez confirmaram que não só a presença de um antimicrobiano, mas também a forma como este está ligado, faz toda a diferença na estratégia de desenvolvimento de têxteis antimicrobianos. Concluiu-se, portanto, que uma quantidade optimizada de “novos” compostos antimicrobianos alternativos a antibióticos e biocidas sintéticos, bem como uma orientação específica, traduz-se num melhor desempenho no contato e eliminação de bactérias, sendo crucial para o desenvolvimento de biomateriais para contacto com a pele e mucosas. | pt_PT |
| dc.identifier.tid | 101485697 | |
| dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/10400.6/4764 | |
| dc.language.iso | eng | pt_PT |
| dc.relation | COVALENT AND NON-COVALENT STRATEGIES FOR SURFACE MODIFICATION OF DIFFERENT TEXTILE MATERIALS WITH ANTIMICROBIAL PROPERTIES | |
| dc.relation | Skin2Tex Old peptides with new faces: A new strategy to develop non-toxic antimicrobial textiles for healthcare applications. | |
| dc.subject | Têxteis bioativos - Pensos hospitalares | pt_PT |
| dc.subject | Têxteis antimicrobianos - Pensos hospitalares | pt_PT |
| dc.subject | Biomateriais antimicrobianos - Investigação | pt_PT |
| dc.title | Covalent and non-covalent strategies for surface modification of different textile materials with antimicrobial properties | pt_PT |
| dc.type | doctoral thesis | |
| dspace.entity.type | Publication | |
| oaire.awardTitle | COVALENT AND NON-COVALENT STRATEGIES FOR SURFACE MODIFICATION OF DIFFERENT TEXTILE MATERIALS WITH ANTIMICROBIAL PROPERTIES | |
| oaire.awardTitle | Skin2Tex Old peptides with new faces: A new strategy to develop non-toxic antimicrobial textiles for healthcare applications. | |
| oaire.awardURI | info:eu-repo/grantAgreement/FCT//SFRH%2FBD%2F91444%2F2012/PT | |
| oaire.awardURI | info:eu-repo/grantAgreement/FCT/5876-PPCDTI/PTDC%2FEBB-BIO%2F113671%2F2009/PT | |
| oaire.fundingStream | 5876-PPCDTI | |
| person.familyName | Sequeira Nogueira | |
| person.givenName | Frederico Álvaro | |
| person.identifier | H-2141-2015 | |
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| project.funder.name | Fundação para a Ciência e a Tecnologia | |
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| rcaap.rights | openAccess | pt_PT |
| rcaap.type | doctoralThesis | pt_PT |
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| thesis.degree.name | Doutoramento em Biomedicina | pt_PT |
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