Localize drug delivery systems for skin injurie via algae-based electrospun nanofibers

Abstract

O crescimento excessivo e a acumulação de macroalgas está a tornar-se um problema grave para o ecossistema. Neste sentido, muitas estratégias têm sido estudadas de forma a controlar este crescimento e que permitam a valorização destas macroalgas, uma vez que representam um recurso natural de numerosos compostos valiosos, como o alginato e a celulose. Neste sentido, este projeto visa a produção de nanofibras por electrospinning baseadas em compostos extraídos de algas, nomeadamente alginato, para atuar como sistemas localizados de libertação de compostos bioativos para o tratamento de lesões da pele. Primeiramente, procedeu se à otimização da extração de alginato de sódio (SA) da alga Laminaria ochroleuca. Após várias tentativas, o SA foi extraído com sucesso da alga recorrendo ao Processo 3 que consistiu numa etapa de despigmentação com etanol, uma etapa de extração, utilizando o ácido cítrico, e com carbonato de sódio, terminando com a precipitação do SA com etanol. Todo o processo foi realizado à temperatura ambiente e com tempos de reacção curtos. O rendimento de extração foi de aproximadamente 40 %, revelando-se bastante promissor em comparação com outros estudos de extração de alginato de algas recorrendo a processos verdes. Além disso, técnicas tais como ATR-FTIR (Espectroscopia de Infravermelhos de Reflexão Total Atenuada de Fourier), XRD (Difração de Raios-X) e TGA (Análise Termogravimétrica) confirmaram o sucesso da extração. Posteriormente, realizou-se um processo de extração de nanocelulose da alga Ulva Spp.. As amostras foram analisadas com microscopia ótica e os resultados não foram os mais promissores, pelo que será necessário otimizar este processo em trabalhos futuros. Posteriormente, foram desenvolvidas nanofibras por electrospinning de SA e poli(álcool vinílico) (SA/PVA) com um rácio ótimo de 50:50 e com parâmetros de electrospinning otimizados (24 KV, 14 cm e 0.2 ml/h) e de SA/PVA/Ziziphus, um extrato natural com atividade antibacteriana comprovada contra Staphylococcus aureus. As membranas produzidas foram analisadas por ATR-FTIR e FESEM, revelando a produção de nanofibras uniformes com diâmetros médios de 170 nm (SA/PVA) e 191 nm (SA/PVA/Ziziphus). Assim, com este projeto foi possível desenvolver um método alternativo, mais verde e sustentável, de extração de SA das algas, e a sua posterior utilização em nanofibras de electrospininng para feridas da pele, com a incorporação de um agente bioativo.

Several ways have been studied to control the overgrowth and accumulation of macroalgae, since they represent a natural resource of numerous valuable compounds. Therefore, this project aims to produce nanofibers by electrospinning based on compounds extracted from algae to act as localized release systems for bioactive compounds. First, the extraction of sodium alginate (SA) from the algae Laminaria ochroleuca was optimized. After several attempts, the SA was successfully extracted from the alga using Process 3, which consisted of a depigmentation step using ethanol, an extraction step, with a weaker acid citric acid in one of the samples and HCL in another, and with sodium carbonate, a precipitation step with ethanol, and a washing step using ethanol and acetone. The entire process was performed without temperature and with reduced times, highlighting the sustainability of the methodology used. The extracted samples were analyzed in terms of extraction yield, approximately 40 %, which shows much higher results than other studies of alginate extraction with green processes. Furthermore, techniques including ATR FTIR (Attenuated Total Reflectance-Fourier Transform Infrared Spectroscopy), XRD (X-Ray Diffraction) and TGA (Thermogravimetric analysis) confirmed the success of the extraction. Subsequently, an extraction process of nanocellulose from the alga Ulva spp. was performed. The samples were analyzed with optical microscopy and the results were not the most promising, so it will need to be optimized in future work. Subsequently, nanofibers were developed by electrospinning of sodium alginate and poly(vinyl alcohol) (SA/PVA) with an optimal ratio of 50:50 and with optimized electrospinning parameters (24 KV, 14 cm and 0.2 ml/h) and of SA/PVA/Ziziphus, a natural extract with proven antibacterial activity against Staphylococcus aureus. The results were very promising, showing diameters of 170 nm for SA/PVA nanofibers and 191 nm for SA/PVA/Ziziphus nanofibers, with uniform structures. Thus, with this project it was possible to develop an alternative, greener and more sustainable method of extracting SA from algae, and then using it in electrospininng nanofibers for skin wounds, with the incorporation of a bioactive agent.