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https://hdl.handle.net/1822/35735
Título: | Development of a new antimicrobial material for wound dressing |
Autor(es): | Pinho, Eva Patrícia Paiva Santos |
Orientador(es): | Henriques, Mariana Soares, Graça M. B. Grootveld, Martin |
Data: | 7-Jul-2014 |
Resumo(s): | Nowadays, wound dressings are complex materials that, behind the mechanical protection, are
also capable of interacting with the injury tissue. These complex products improve the healing
process by maintaining suitable conditions, allowing skin to establish integrity with appropriate
cosmetic results. The incidence of chronic wounds related with diseases, population ageing, and
tissue infection caused by multi-resistant strains of bacteria, has been increasing. Thus, the
wound dressing research is now focused on the development of new materials with higher
specificity in order to improve the quality of patients’ life. One of the directions is the use of
natural materials for wound dressing’s production for the development of a friendlier product.
Hydrogels have been successfully used as wound dressings. They gather favourable properties
for wound healing, such as good biocompatibility and ability to maintain the proper
environmental humidity, which facilitate the ready removal of the material with minimal pain.
However, hydrogels lack the capacity to load and control the release of bioactive molecules.
Thus, the incorporation of cyclodextrins on the hydrogels allowed the improvement of the
polymeric network ability to protect and modulate the release of bioactive molecules. Additionally,
cyclodextrins are capable of complex with a wide range of molecules, due to their microheterogeneous
environment (hydrophilic outside and hydrophobic cavity). Moreover, plants have
been used as source for new therapeutic agents able to enhance the healing process.
Polyphenolics, one of the groups of bioactive molecules, has been described as anti-oxidant,
anticarcinogenic, anti-inflammatory and antimicrobial. However, their application by the
pharmaceutical industry is limited by polyphenolics lower solubility and stability to environmental
stress. Thus, cyclodextrins has been proposed as viable carrier for the maintenance of bioactive
molecules’ structural integrity and bioactivity.
Therefore, the present thesis reports the work developed to obtain a wound dressing, using
natural compounds, capable of preventing infection of the injury tissues.
The first step was to select phenolic compounds from natural extracts obtained from Portuguese
wild plants. Gallic and caffeic acid revelled to be the most efficient antibacterial agents against
bacteria commonly isolated from skin and soft tissue infections (Klebsiella pneumoniae,
Staphylococcus epidermidis and Staphylococcus aureus). Besides, gallic acid has shown very low
cytotoxicity, for concentrations lower than 0.01 mg.mL-1. In order to enhance gallic and caffeic acids solubility and stability, their encapsulation by
cyclodextrins was evaluated. The inclusion complexes obtained were stable and capable of
destroying the bacteria used. Although, gallic and caffeic acid had similar molecular structure,
the cyclodextrins encapsulation behaviour was different. In the case of gallic acid, the
hydroxypropyl-β-cyclodextrin formed a more stable inclusion complex at pH 3 (when compared
with β-cyclodextrin and methyl-β-cyclodextrin) as well as presented a better antibacterial activity.
Moreover, gallic acid carboxylic group was positioned towards the smaller cyclodextrins ’cavity
and hydroxyl groups were placed near the wider opening. The gallic acid neutral form, positioned
inside the cyclodextrins, preserved gallic acid antibacterial activity. Otherwise, the caffeic acid
carboxylic group was project to the water phase and the aromatic part inside the cyclodextrins
cavity. Additionally, the native cyclodextrin was better for the encapsulation of this phenolic at pH
5 and it antibacterial activity was enhanced by the inclusion complex formation.
Hence, the incorporation of gallic and caffeic acid in a polymeric network was, also, studied. A
hydrogel based on cyclodextrins and hydroxypropyl methylcellulose, using 1,4-butanediol
diglycidyl ether as cross-linking agent, was synthetized. Only the β-cyclodextrin and
hydroxypropyl-β-cyclodextrin permitted the formation of hydrogels with good mechanical
properties. Both networks behaved with superabsorbent materials and were capable of loading
and release gallic and caffeic acid by a control mechanism. The differences between the 2
phenolic acids found in the study of the inclusion complexes were similar to the load hydrogels.
The gel with hydroxypropyl-β-cyclodextrin had better properties regarding the gallic acid and the
gel with β-cyclodextrin was more suitable in the caffeic acid case. Thus, cyclodextrins were the
major mechanism involved on the load and release of the gallic and caffeic acid. Furthermore,
the phenolic acids antibacterial activity and effect on the fibroblasts proliferation was maintained
after their incorporation on the hydrogels.
In conclusion, the work developed proved that natural antibacterial agents can be used to control
the growth of the most common bacteria isolated from infected wounds, and their incorporation
in cyclodextrins-based hydrogels preserved the selected phenolics biological activities. Thus, the
hydrogels synthesised could be useful as natural antibacterial agent’s delivery systems device for
the treatment of wound infections. Atualmente, os pensos utilizados no tratamento de feridas são materiais complexos que oferecem proteção mecânica e promovem cicatrização, mantendo as condições mais favoráveis para o restabelecimento da integridade da pele. A incidência de feridas crónicas como consequência de doenças, do envelhecimento da população e de infeções provocadas por bactérias multirresistentes, tem aumentado nos últimos anos. Esta evolução obrigou a indústria a direcionar os seus esforços para o desenvolvimento de materiais com maior especificidade, contribuindo para melhorar a qualidade de vida dos pacientes. Os hidrogéis reúnem propriedades que favorecem a cicatrização de feridas, nomeadamente biocompatibilidade e capacidade para manter a humidade, o que facilita a remoção dos dispositivos com reduzido trauma ou dor para o paciente. Por isso mesmo, têm sido aplicados com sucesso no tratamento de feridas crónicas. Contudo, a sua capacidade para adsorver e libertar fármacos de um modo controlado é reduzida. Assim, a incorporação de ciclodextrinas em matrizes poliméricas tem sido investigada de modo a melhorar a capacidade dos hidrogéis para proteger e modular a libertação de biomoléculas. As ciclodextrinas apresentam, ainda, a vantagem de conseguirem encapsular uma grande variedade de moléculas, pois possuem uma superfície externa hidrofílica e uma cavidade hidrofóbica. A procura de novos agentes antimicrobianos tem crescido nos últimos anos como consequência do decréscimo de eficiência dos antibióticos contra bactérias multirresistentes. As plantas possuem uma gama alargada de moléculas, por exemplo polifenólicos, capazes de promoverem a cicatrização e prevenirem infeções. Os polifenólicos têm sido descritos como antioxidante, anticarcinogénico, anti-inflamatório e antimicrobiano. No entanto, a sua utilização pela indústria farmacêutica é limitada, devido à sua baixa solubilidade e estabilidade. Assim sendo, a encapsulação de compostos polifenólicos com ciclodextrinas tem sido proposta como opção viável, pois a sua integridade estrutural e a bioatividade são preservadas após inclusão. A presente tese resume o trabalho desenvolvido na conceção de um penso para o tratamento de feridas com compostos naturais, capaz de melhorar a cicatrização e de prevenir infeções. Inicialmente, procedeu-se à seleção de compostos fenólicos obtidos a partir de extratos de plantas do Nordeste português. Os ácidos gálico e cafeico foram os compostos polifenólicos que apresentaram maior eficiência no controle da proliferação de bactérias, normalmente isoladas de feridas infetadas (Klebsiella pneumoniae, Staphylococcus epidermidis and Staphylococcus aureus). Além do mais, o ácido gálico apresentou reduzida citotoxicidade para concentrações abaixo de 0.01 mg.mL-1. No sentido de melhorar as propriedades de estabilidade e solubilidade dos ácidos gálico e cafeico procedeu-se ao estudo da sua encapsulação com ciclodextrinas. Os complexos de inclusão obtidos demostraram ser estáveis e capazes de manter a atividade antibacteriana dos fenólicos. Apesar dos ácidos gálico e cafeico apresentarem uma estrutura molecular semelhante, o comportamento de encapsulação com ciclodextrinas divergiu. No caso do ácido gálico, a hidroxipropil-β-ciclodextrina permitiu a formação de complexos mais estáveis a pH 3 e com melhor atividade antibacteriana. E, supõe-se que o ácido gálico encapsulado apresente o grupo carboxílico orientado para a abertura mais pequena da ciclodextrina e os grupos hidroxilos voltados para o interior da cavidade. Pelo contrário, o grupo carboxílico do ácido cafeico estará projetado para fora da ciclodextrina e a parte aromática para o interior da cavidade. Além disso, a β-ciclodextrina foi a mais eficiente na complexação do ácido cafeico a pH 5 e observou-se um reforço das propriedades antibacterianas deste fenólico depois da inclusão. Após a confirmação da complexação dos ácido fenólicos pelas ciclodextrinas com preservação das propriedades antibacterianas, estudou-se a incorporação dos ácidos gálico e cafeico num hidrogel. Para tal, produziu-se uma matriz polimérica utilizando ciclodextrinas e hidroxipropil metil celulose como monómeros e 1,4-butanediol diglicidil éter como agente de reticulação. A formação de hidrogéis com propriedades mecânicas aceitáveis só foi confirmada com a utilização da β-ciclodextrina e da hidroxipropil-β-ciclodextrina. Em ambos os casos obteve-se materiais superabsorventes, em que as ciclodextrinas desempenharam um papel crucial na capacidade de modelar a adsorção e a libertação dos ácidos fenólicos. Além disso, a atividade antibacteriana e o efeito sobre a proliferação de fibroblastos manteve-se após incorporação dos ácidos fenólicos nos hidrogéis. Em conclusão, o trabalho desenvolvido demostrou ser possível utilizar ácidos fenólicos de origem natural para controlar o crescimento das bactérias normalmente isoladas de feridas infetadas. Comprovou-se, ainda, a possibilidade de incorporação destes compostos antimicrobianos em hidrogéis com ciclodextrinas mantendo as suas propriedades biológicas. Assim sendo, os hidrogéis antibacterianos sintetizados poderão ser úteis na prevenção e tratamento de infeções em feridas. |
Tipo: | Tese de doutoramento |
Descrição: | Tese de doutoramento em Engenharia Biomédica |
URI: | https://hdl.handle.net/1822/35735 |
Acesso: | Acesso aberto |
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