Bacterial cellulose as a nanostructured functional material for biomedical applications

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia BiomédicaThe exponential development of certain areas related to science and engineering, such as pharmaceuticals, biotechnology, bioengineering, among others, leads to an increasingly demand of certain biomolecules. In this context the affinity membrane chromatography has proven to be an efficient, fast and attractive method for separation and purification of biomolecules from biological fluids. Another advantage of this separation process is its high throughput and degree of purification. Plant cellulose is already commercially explored for use as affinity membranes for the selective separation of many biomolecules like proteins, antibodies, enzymes, among others. Bacterial cellulose (BC) is an outstanding biomaterial with unique features, including extremely hydrophilic surface, high crystallinity and water holding capacity, high mechanical strength, high surface area and also biocompatibility. Based on these properties, it is possible to understand the versatility of materials containing BC in their composition. This biopolymer has been the focus of a growing and interesting research during the past years. This project aim was to evaluate the potential of BC as a novel material for affinity membrane separation and purification of specific proteins. In this work, several approaches were investigated in order to functionalize the surface of BC, with emphasis on the incorporation of PVA polymer and F3GA dye. The main purpose of these modifications is to improve some characteristics of BC matrix like its resistance, cohesion and also specific binding of proteins, instead of the nonspecific adsorption that damages the affinity chromatography process. BC membranes have the potential to be used as affinity membranes, with a binding capacity of approximately 114.05 mg BSA / g BC and they can also be reused for at least three times. After functionalization with PVA and F3GA, it was concluded that both membranes types exhibited increased porosity; the values obtained for the binding capacity of BSA decreased due to the reduction of nonspecific adsorption of BSA, since F3GA promotes the specific binding, although in smaller quantities. For PVA were achieved values nearly 11.10 mg BSA/g BC (thin membranes), and it was concluded that the higher the concentration of PVA used, the lower the amount of BSA retained in the membranes. In the case of F3GA it was concluded that the concentration with best results, relative to adsorption, was 0,015 mg/mL – 27.19 mg BSA /g BC (thin membranes). These results are still much lower than those obtained for the adsorption with pure BC. The produced membranes were also characterized using scanning electron microscopy (SEM), Fouriertransformed infrared spectroscopy (FTIR), thermogravimetric analysis (TGA), differential scanning calorimetry (DSC) and contact angle measurement, taking BC as reference.O crescimento exponencial de determinadas áreas relacionadas com a ciência e engenharia, como a indústria farmacêutica, a biotecnologia, a bioengenharia, entre outras, conduz cada vez mais a uma crescente demanda de determinadas biomoléculas. Neste contexto, a cromatografia por membranas de afinidade tem demonstrado ser um método eficiente, atrativo e rápido para separação e purificação de biomoléculas de fluídos biológicos. Outra vantagem deste processo de separação é o seu elevado rendimento e grau de purificação. A celulose de origem vegetal tem sido já comercialmente explorada para aplicações como membrana de afinidade para a separação seletiva de vários tipos de biomoléculas, como proteínas, anticorpos, enzimas, entre outras. A Celulose Bacteriana (CB) é um biomaterial de excelência, que possui propriedades únicas das quais se destacam uma superfície extremamente hidrofílica, elevada cristalinidade e capacidade de retenção de água, grande resistência mecânica e elevada área superficial e ainda biocompatibilidade. Frente ao exposto é possível notar a versatilidade dos materiais compostos por CB. Deste modo, este biopolímero tem sido alvo de uma crescente e interessante investigação ao longo dos últimos anos. Este projeto tem como principal objetivo avaliar o potencial da CB, como um inovador material a ser usado como membrana de afinidade para a separação e purificação de proteínas específicas. Neste trabalho várias abordagens foram investigadas no sentido de funcionalizar a superfície da CB, destacando-se a incorporação do polímero PVA e a ligação do corante F3GA. O principal objetivo destas modificações é melhorar algumas características da matriz de CB, tal como a sua resistência, coesão e também a ligação específica de proteínas, em detrimento da adsorção inespecífica que prejudica o processo de cromatografia por afinidade. As membranas de CB puras possuem potencial para serem utilizadas como membranas de afinidade, possuindo uma capacidade de ligação de cerca de 114,05 mg BSA/g CB e podem, adicionalmente, ser reutilizadas pelo menos três vezes. Relativamente à funcionalização com PVA e F3GA, concluiu-se que ambos aumentaram a porosidade da matriz de CB e que, após modificação, a adsorção inespecífica de BSA diminuiu, dai o decréscimo observado nos valores de proteína retida, uma vez que o F3GA favorece a ligação específica da proteína, embora em menores quantidades. No caso do PVA alcançaram-se valores na ordem dos 11,10 mg BSA /g CB (membranas finas), verificando-se que quanto maior a concentração de PVA utilizada, menor a quantidade de BSA retida nas membranas. Já para o caso do F3GA concluiu-se que a concentração com melhores resultados, relativamente à adsorção, foi a de 0,015 mg/mL – 27,19 mg BSA/g CB – (membranas finas), ficando mesmo assim muito aquém dos resultados obtidos para a adsorção com a CB pura. As membranas estudadas foram também caracterizadas através de ensaios de microscopia eletrónica de varrimento (SEM), espectroscopia de infravermelho (FTIR), análise termogravimétrica (TGA), calorimetria diferencial de varrimento (DSC) e medição ângulos de contacto, usando a celulose bacteriana pura como referência