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http://hdl.handle.net/1843/BUOS-B33FMD| Type: | Tese de Doutorado |
| Title: | Estruturas tridimensionais (3D) porosas de derivados tiolados de quitosana produzidas por rota sustentável para potenciais aplicações ambientais e biológicas |
| Authors: | Fernanda Guerra Lima Medeiros Borsagli |
| First Advisor: | Herman Sander Mansur |
| Abstract: | Um dos grandes desafios atuais da ciência e engenharia de materiais é o desenvolvimento de materiais sustentáveis, produzidos por rotas quimicamente amigáveis, que não impactem o meio ambiente proporcionando materiais com multifuncionalidade. Nesse sentido, a modificação da quitosana incorporando o grupo tiol é bastante promissora, pois essa modificação abre um leque de aplicações que vão desde engenharia de tecido até tratamento de água, pois esse grupamento possibilita uma melhor adesão celular, assim como uma seletividade e interação química ampliada com diversos materiais. Nesse enfoque, o presente trabalho buscou a produção de materiais tridimensionais por meio do processo freeze-drying (liofilização), funcionalizando a quitosana com diferentes precursores contendo o grupo tiol (-SH) (cisteína (CHICys) e ácido mercaptoundodecanóico (CHIMerc)) por uma rota química sustentável, para potenciais aplicações na regeneração tecidual e no tratamento de água. Para melhor compreensão dos mecanismos envolvidos na funcionalização, técnicas de caracterização como espectroscopia no infravermelho, espectroscopia Raman, ressonância magnética nuclear, intumescimento, degradação por solvatação (Gel-fraction, GF), ângulo de contato, microscopia eletrônica de varredura, microtomografia computadorizada, Arquimedes e definição do grau de funcionalização com o reagente Ellman, utilizando a espectroscopia no ultravioleta visível, foram utilizadas. Além disso, para avaliar a aplicação do material na regeneração de tecido, ensaios biológicos de citotoxicidade, como o ensaio colorimétrico de MTT e o LIVE/DEAD com as células de osteosarcoma (SAOS) e de rim embrionário (HEK) foram reproduzidos. Além de ensaios antibacterianos com a bactéria Pseudomona aeroginosa e ensaios de adsorção do pigmento laranja de metila, avaliando a cinética de adsorção, isotermas, influência do pH e dessorção para a potencial aplicação do material no tratamento de água com o patógeno e com corantes. Os resultados mostraram que os precursores apresentaram diferentes graus de funcionalização em razão das diferenças de cada um e do método utilizado (CHICys = 5 % e CHIMerc = 26 %). Além disso, a estrutura tridimensional das quitosanas modificadas apresentaram uma morfologia mais homogênea comparada com a da quitosana, diâmetros de poros ((223±72 µm), (225±95 µm) para a CHICys e CHIMerc, respectivamente), porosidade (> 80 %) e interconectividade (> 90 %) adequados para crescimento celular. Também a estabilidade química e a lipofilicidade do material foi diferente apresentando-se maior (CHIMerc, GF = 96±3 %) ou menor (CHICys, GF = 36±4 %) dependendo do precursor. Os resultados também indicaram que essa estabilidade química está relacionada ao grau de funcionalização (CHICys = 409±27 µm.g-1 e CHIMerc = 2218±100 µm.g-1), já que o grupo tiol possibilita a formação de ligações cruzadas por meio de ligações dissulfetos, bem evidentes na amostra CHIMerc. Essa diferença na funcionalização, possibilitou a amostra CHIMerc a aplicação como adsorvente do pigmento laranja de metila, apresentando uma alta adsorção (400 450 mg.g-1 em pH = 7,0±0,2), sendo o modelo de Freundlich o mais apropriado para explicar a adsorção, indicando uma afinidade química do scaffold pelo pigmento e com eluição do pigmento após 2 h de ultrassonicação ((82±1) %, (76±2) % e (37±2) % para o EDTA, KCl e HNO3, respectivamente). A avaliação da adsorção do pigmento e de água em diferentes pH mostrou que o grupo tiol é influenciado pelo pH (sob condições básicas sofre oxidação e a adsorção sofre uma diminuição (18±1 %), comparada com condições ácidas (42±3 %) e neutras (91±2 %)). Essa amostra também apresentou atividade antibacteriana contra Pseudomona aeroginosa, uma bactéria bastante resistente e presente em efluentes e água residuais propiciando o uso desse scaffold como um adsorvente em água contaminadas com esse patógeno. E ambos os scaffolds não apresentaram citotoxicidade in vitro avaliada pelos ensaios de MTT e LIVE/DEAD nas células HEK e SAOS propiciando sua aplicação em regeneração tecidual em razão da morfologia, das propriedades físico-químicas e da não toxicidade no meio biológico |
| Abstract: | One of the major challenges today in materials science and engineering is the development of sustainable materials produced by chemically friendly routes that do not impact the environment by providing multifunctional materials. In this sense, the modification of the chitosan incorporating the thiol group is very promising, since this modification opens a range of applications ranging from tissue engineering to water treatment, since this grouping allows a better cellular adhesion, as well as a selectivity and chemical interaction enlarged with several materials. In this approach, the present work sought the production of threedimensional materials from a sustainable source through the freeze-drying process, using chitosan modified with different precursors containing the thiol group (SH) (cysteine (CHICys) and mercaptoundodecanoic acid (CHIMerc)) by a friendly chemical route for applications in tissue regeneration and water treatment. In order to understand the mechanisms involved in the functionalization, characterization techniques were used as infrared spectroscopy, Raman spectroscopy, visible ultraviolet spectroscopy, nuclear magnetic resonance, swelling degree, gel-fraction, surface contact, scanning electron microscopy, microtomography, Archimedes, biological cytotoxicity assays such as MTT and LIVE/DEAD with SAOS and HEK cells, and antibacterial activity against Pseudomona aeroginosa. In addition, the scaffolds were applied in the adsorption of the methyl orange, evaluating the kinetics of adsorption, isotherms and the influence of the pH in this adsorption. As the desorption of the pigment was carried out to evaluate the feasibility of reuse. The results showed that the different precursors led to different degrees of functionalization due to the differences in the chains and the method used (CHICys = 5 % and CHIMerc = 26 %). In addition, the three-dimensional structure of thiolated chitosans presented different morphology compared with chitosan, as the porous size ((223±72 µm), (225±95 µm) para a CHICys e CHIMerc, respectively), porosity (> 80 %) and interconnectivity (> 90 %) were suitable to cell growth. The chemical stability and lipophilicity of the material was also different (CHIMerc, GF = 96±3%) or lower (CHICys, GF = 36±4%) depending on the precursor. The results further indicated that the higher chemical stability was provided by the presence of the higher amount of thiol group (CHICys = 409±27 m.g-1 and CHIMerc = 2218±100 m.g-1, obtained with the Ellmans reagent), which provides crosslinks formed by the disulfide bonds, most evident in the CHIMerc sample. This difference in the functionalization and the presence of the thiol group allowed the CHIMerc sample to be applied as an adsorbent to the methyl orange, which presented a high adsorption (400 - 450 mg.g-1 at pH = 7.0±0.2), and the Freundlich model was more suitable to explain the adsorption, which indicates a chemical affinity of the scaffold for the pigment. In addition, the adsorption of the pigment and water at different pH showed that the thiol group is influenced by pH (under basic conditions undergoing oxidation and the adsorption process suffer a decrease (18±1 %), compare with acid (42±3 %) and neutral (91±2 %) conditions). Moreover, the recovery of methyl orange after 2 h of ultrasonication was (82±1) %, (76±2) % and (37±2) % for the EDTA, KCl, and HNO3, respectively indicated the feasibility of its reuse. In addition, this sample presented antibacterial activity against Pseudomona aeroginosa, a very resistant bacterium present in effluents and residual water, which allowed the use of this scaffold as an adsorbent wastewater with this patogen. As well as both scaffolds did not present in vitro cytotoxicity evaluated by the MTT and LIVE/DEAD assays with HEK and SAOS cells favoring its application in tissue regeneration due to the morphology, physicochemical properties and non-toxicity to the biological environment |
| Subject: | Quitosana Materiais Ciência dos materiais Engenharia de tecidos Tióis |
| language: | Português |
| Publisher: | Universidade Federal de Minas Gerais |
| Publisher Initials: | UFMG |
| Rights: | Acesso Aberto |
| URI: | http://hdl.handle.net/1843/BUOS-B33FMD |
| Issue Date: | 3-Jul-2018 |
| Appears in Collections: | Teses de Doutorado |
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