Biomaterials based on natural polymers and inspired by the sea

Abstract

Marine mussels present an unusual amino acid, 3, 4-dihydroxy-L-phenylalanine (DOPA) obtained by postranslational modification of tyrosine which is used to stick in a various substrates, either inorganic or organic. The explanation for these adhesion properties is due to the presence of ortho-dihydroxyphenyl group, known as catechol group, present in DOPA and its analog dopamine. Inspired by mussel adhesive proteins (MAPs) and its adhesive properties, many efforts have been carried out in order to mimic the incredible adhesive properties of these mussels, either in two-dimensional or three-dimensional materials. In this present master’ thesis, bioglass and silver doped bioglass nanoparticles were produced through the sol-gel technique. Bioglass nanoparticles (BGNPs) have much importance in the biomedical field, because they can interact with bone without creating a fibrous capsule. Furthermore, the silver presence in the bioglass network allows antibacterial properties. Eight different thermal treatments were done in order to study its influence on surface morphology and bioactivity properties. The result showed that all heat-treated and untreated nanoparticles showed similar surface morphology. Moreover, all studied samples induced the formation of hydroxyapatite, structurally and chemically similar to the mineral charge of bone, on its surface. Moreover, free-standing films were developed using the layer-by-layer methodology. For that, chitosan was chosen as poly(cation) and hyaluronic acid and hyaluronic acid-dopamine conjugate were chosen as poly(anions). This modification was done in order to improve the films’ adhesive properties. Also, silver doped bioglass nanoparticles were included as nanofiller to improve its mechanical properties. These nanocomposites were studied by different characterization techniques. The Ag-BG-NPs percentage present in the free-standing films was evaluated through thermogravimetric tests. Bioactivity tests were performed and revealed that these films induce the hydroxyapatite formation on its surface and the silver presence in the bioglass network allowed an effective antibacterial performance. Finally, three-dimensional structures, hydrogels, were produced using chitosan and bioglass nanoparticles heat-treated at 700ºC during three hours. The dynamic mechanical tests revealed that the bioglass nanoparticles addition led to higher mechanical properties. Also, different formulations of a catechol-chitosan-conjugate were successfully synthetized and studied by ultraviolet-visible spectroscopy. The outcomes of this master’ thesis revealed that the produced silver doped bioglass nanoparticles, free-standing films and hydrogels could be used in the orthopedic area or dental applications.

Os moluscos marinhos apresentam um aminoácido incomum, o 3, 4-dihidroxi-L-fenilalanina (DOPA) obtido através da modificação pós-traducional da tirosina que é usado para aderirem a vários substratos, quer inorgânicos, quer orgânicos. A explicação destas propriedades adesivas é devida à presenta de grupos orto-di-hidróxifenis, conhecidos como catecóis, presentes na DOPA e na sua análoga dopamina. Inspirado pelas proteínas adesivas dos moluscos (MAPs) e nas suas propriedades adesivas, muitos esforços tem sido feitos para mimetizar estas propriedades adesivas incríveis, quer em materiais bidimensionais quer tridimensionais. Na presente tese de mestrado, nanopartículas de biovidro e de biovidro dopado com prata foram produzidos através da técnica sol-gel. As nanopartículas de biovidro (BGNPs) assumem um papel importante no campo biomédico, porque podem interactuar com o osso sem a criação de uma cápsula fibrosa. Para além disso, a presença de prata na matriz do vidro bioactivo permite propriedades antibacterianas. Foram realizados oito tratamentos térmicos diferentes a fim de estudar a sua influência na morfologia da superfície e nas propriedades bioactivas. Os resultados mostraram que todas as nanopartículas tratadas e não tratadas termicamente mostraram morfologias da superfície similares. Além disso, todas as amostras estudadas induziram a formação de hidroxiapatite, estruturalmente e quimicamente semelhante à parte mineral do osso, na sua superfície. Para além disso, foram desenvolvidas membranas free-standing usando a técnica camada-a-camada. Para tal, foi escolhido o quitosano como policatião e o ácido hialurónico e ácido hialurónico conjugado com dopamina como polianiões. Esta modificação foi feita de forma a melhorar as propriedades adesivas das membranas. Mais, foram escolhidas nanopartículas de biovidro dopadas com prata como um nanomaterial de reforço por forma a melhorar as suas propriedades mecânicas. Estes nanocompósitos foram estudados por diversas técnicas de caracterização. A percentagem de nanopartículas de biovidro dopadas com prata presentes nas membranas free-standing foi avaliada através de testes termogravimétricos. Foram realizados ainda testes de bioactividade que revelaram a formação de hidroxiapatite na sua superfície e a presença de prata na matriz do biovidro permitiu atestar as suas propriedades antibacterianas. Finalmente, foram produzidas estruturas tridimensionais, hidrogéis, usando quitosano e nanopartículas de biovidro tratadas termicamente a 700ºC durante três horas. Os testes de mecânica dinâmica revelaram que a adição de nanopartículas de biovidro levou a um melhoramento das propriedades mecânicas. Para além disso, foram sintetizadas com sucesso diferentes formulações de quitosano conjugado com grupos catecol e estudados pela espectroscopia ultravioleta-visível. Os resultados desta tese de mestrado revelaram que a produção de nanopartículas de biovidro dopado com prata, as membranas free-standing e os hidrogéis poderão ser usados na área ortopédica ou para aplicações dentárias.