Bacterial cellulose: fabrication, characterization and biocompatibility studies

Abstract

En marzo de 2011, apliqué a una beca del CSC (Consejo de Becas de China), en cooperación con la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB). Después de medio año, conseguí la beca y comencé mi tesis doctoral bajo la supervisión de la Dra. Anna Roig y la Dra. Anna Laromaine. Mi proyecto asignada era en celulosa bacteriana: su síntesis, caracterización y estudios de biocompatibilidad. La celulosa bacteriana es un polisacárido de fuentes renovables, y puede ser producida por algunos tipos de bacterias en la naturaleza. Presenta propiedades químicas y físicas notables, incluyendo una alta pureza química y cristalinidad, una red de nanofibras, porosa, alta capacidad de absorción de agua y resistencia mecánica. La celulosa bacteriana se utiliza para una amplia variedad de aplicaciones comerciales. Por otra parte, la celulosa bacteriana es biocompatible con afinidad biológica y biodegradabilidad, que suscita la atención de investigadores en el área de la biomedicina. El primer objetivo de mi tesis fue aprender a producir películas de celulosa bacteriana y encontrar estrategias para controlar sus propiedades. Un segundo objetivo fue el desarrollo de métodos para la fabricación de nanocompuestos basedos con celulosa bacteriana. El objetivo final estudia la biocompatibilidad de las capas de celulosa bacteriana que hemos producido y su utilidad como soportes tridimensionales para el crecimiento celular. Así se pretende establecer una plataforma para el estudio de la interacción de células y nanopartículas en un entorno 3D más realista. Durante el primer año, se realizó la puesta a punto en el laboratorio del sistema para producir capas de celulosa bacteriana a partir de dos cepas bacterianas y secarlas a partir de tres métodos de secado:a temperatura ambiente, secado por liofilización y secado supercrítico. Por otra parte, se realizó la caracterización completa de las capas de celulosa bacteriana: su porosidad, la transparencia, la capacidad de absorción de agua y las propiedades mecánicas que se podían controlar seleccionando la cepa bacteriana y el método de secado. En el segundo año, se sintetizó la celulosa bacteriana compuesta con nanopartículas por el método asistida por microondas como materiales de celulosa funcionales novedosos. Este método es eficiente y rápido, forma un recubrimiento de las capas de celulosa bacteriana por nanopartículas de forma homogénea y controlable. Secando las capas de celulosa utilizando diferentes rutas, se puede controlar la cantidad final del contenido de las nanopartículas en los materiales compuestos. Así capas con dominios hidrófobos / hidrófilos favorecían el anclaje de nanopartículas de forma selectiva para crear materiales de celulosa más complejos y funcionales. En este último año, se ha llevado a cabo el estudio de la biocompatibilidad de las capas de celulosa bacteriana in vitro. Aunque la celulosa bacteriana se considera generalmente un material no citotóxico, su biocompatibilidad es un requisito importante para su uso en aplicaciones biológicas y médicas y no ha sido evaluado completamente. Además se fabricó una estructura de celulosa bacteriana 3D mejorada. La tesis se estructura en seis capítulos. Capítulo 1 proporciona una introducción a la celulosa bacteriana. Capítulo 2 ofrece una descripción detallada de la fabricación de capas de celulosa bacteriana (BCF). Capítulo 3 se centra en la síntesis de compuestos de celulosa bacteriana funcionales que incorporan nanopartículas. Capítulo 4 presenta estudios de biocompatibilidad de la celulosa bacteriana como estructura 2D y 3D para estudios celulares in vitro. Capítulo 5 se enumeran las principales conclusiones derivadas de la presente tesis y algunas sugerencias para el trabajo futuro.Capítulo 6 recoge información sobre el autor y las publicaciones durante el doctorado.

In March 2011, I started the application of a scholarship from CSC (Chinese Scholarship Council), which cooperated with the Universitat Autònoma de Barcelona (UAB). After about half year, I secured the scholarship and began my doctoral thesis under the supervision of Dr. Anna Roig and Dr. Anna Laromaine. My project assignment was on bacterial cellulose: fabrication, characterization and biocompatibility studies. Bacterial cellulose is a renewable polysaccharide, which is produced by some types of bacteria in nature. It presents remarkable chemical and physical properties, including high chemical purity and crystallinity, nano-scale fibre network, porosity, high water absorption capacity and mechanical strength. Bacterial cellulose is being used for a wide variety of commercial applications, for example textiles, cosmetics, food products and other technical areas. Furthermore, bacterial cellulose is also biocompatible with excellent biological affinity and biodegradability, which is drawing immense attention from the bio and medical area researchers. The objective of my thesis was to learn how to produce bacterial cellulose films and find strategies to control their properties. A second objective was to developed methods to fabricate nanocomposites based on bacterial cellulose. The final objective was related to prove the biocompatibility of the in-house produced bacterial cellulose films and to be able to use them as three-dimensional scaffolds for cell in-growth. In this way setting up a platform that will allow us to study the interaction of cells and nanoparticles in a realistic 3D environment. During the first year, a lab set-up was successfully built to produce bacterial cellulose from two bacterial strains and three methods of drying were accessed to dry the thin films; at room temperature, freeze drying and supercritical drying. Moreover, the full characterization of bacterial cellulose films was accomplished: their porosity, transparency, water absorption capacity and mechanical properties were tuned by selecting the bacterial strain and the drying method. In the second year, bacterial cellulose composited with nanoparticles as novel functional cellulose materials were synthesized by microwave-assisted method. This method is efficient and fast to form a homogenous conformal and controllable coating of nanoparticles on the bacterial cellulose films. By drying the cellulose films using different routes, the final amount of the nanoparticles content in the composites can be controlled. Furthermore, those films were patterned with hydrophobic/hydrophilic domains and selectively anchored nanoparticles to create more complex and functional cellulose composites. During the last year, an investigation of the biocompatibility of the bacterial cellulose films in vitro was performed. Although bacterial cellulose is generally considered non-cytotoxic material, its biocompatibility as a major requirement for the use in biological and medical applications has not been fully evaluated. Furthermore, an improved 3D bacterial cellulose scaffold was fabricated. The thesis is organized into six chapters. Chapter 1 provides an introduction to bacterial cellulose. Chapter 2 describes a detailed description of the fabrication of bacterial cellulose films (BCFs). Chapter 3 focuses on the synthesis of functional bacterial cellulose composites incorporating nanoparticles. Chapter 4 presents the studies of bacterial cellulose biocompatibility as 2D and 3D scaffold for cell studies in vitro. Chapter 5 lists the main conclusions derived from the present thesis and some suggestions for the future work. Chapter 6 gathers information about the author and the publications during the Ph.D. studies.