Shelf Life Assessment of Fresh Poultry Meat Packaged in Novel Bionanocomposite of Chitosan Incorporated with ZnO nanoparticles synthesized using food industry by-products

Nel settore alimentare viene utilizzata un’elevata quantità di materie plastiche per conservare i prodotti e facilitarne la distribuzione. L’utilizzo di questi polimeri ha un costo ambientale piuttosto elevato, per questo trovare surrogati ecosostenibili diventa sempre più importante. In questa tesi abbiamo testato l’efficacia del confezionamento di un prodotto altamente deperibile, quale carne di pollo, con un biofilm a base di chitosano. Il chitosano è polisaccaride largamente presente in natura, dotato di caratteristiche chimico-fisiche che permettono l’ottenimento di un film con proprietà meccaniche e di barriera simili ai polimeri tradizionali, oltre a possedere attività antibatterica. Abbiamo realizzato film contenenti chitosano e altri biocomposti, quali montmorillonite, nanoparticelle di ossido di zinco e olio essenziale di rosmarino, per un totale di 6 film con diversa composizione. Tramite analisi microbiologiche e chimico-fisiche abbiamo confrontato l’efficacia dei diversi film prodotti rispetto ad un controllo (carne conservata in un contenitore asettico). Le analisi sono state svolte in doppio, a 0, 3, 7, 10, 15 giorni di conservazione ad una temperatura di 4°C. In diversi film abbiamo ottenuto una riduzione significativa rispetto al controllo (p<0,05) della conta totale dei microrganismi mesofili aerobici (TMAM) e delle Enterobacteriaceae. La rilevazione del pH e dell’acidità titolabile ha fornito risultati in linea a quelli microbiologici. I campioni nel biofilm hanno spesso subito una variazione significativa (p<0,05) dell’umidità rispetto al controllo, a causa dell’elevata permeabilità al vapore acqueo. L’analisi dei TBARS non ha spesso riportato differenze significative rispetto al controllo (p>0,05), e quando presenti, è perché il campione era più ossidato del controllo (p<0,05). Invece, è stato ottenuto un miglioramento significativo (p<0,05) dello Hue angle tra i film e il controllo. I risultati ottenuti forniscono le basi per studi aggiuntivi.

Nanocomposites based on poly(caprolactone)-chitosan electrospun nanofibers and metallic oxide nanoparticles. Their potential use to adsorption and photocatalytic degradation of organic contaminants

Pollution of water bodies is one of the most common environmental problems today. Organic pollutants are one of the main drawbacks in this natural resource, among which the following stand out long-lived dyes, pharmaceuticals, and pesticides. This research aims at obtaining nanocomposites based on polycaprolactone-chitosan (PCL-CS) electrospun nanofibers (NFs) containing TiO2 nanoparticles (NPs) for the adsorption and photocatalytic degradation of organic pollutants, using Rhodamine B as a model. The fabricated hybrid materials were characterized by FT-IR, TGA, DSC, SEM, TEM, tensile properties, and the contact angle of water drops. The photoactivity of the NFs was investigated using a batch-type system by following UV-Vis absorbance and fluorescence of rhodamine B (RhB). For this purpose, TiO2NPs were successfully ex-situ incorporated into the polymer matrix promoting good mechanical properties and higher hydrophilicity of the material. The results showed that CS in the NFs increased the absorption and degradation of RhB by the TiO2NPs. CS attracted the pollutant molecules to the active sites vicinity of TiO2NPs, favoring initial adsorption and degradation. In other words, a bait-hook-and-destroy effect was evidenced. It also was demonstrated that the sensitization of TiO2 by organic dyes (e.g., perylene derivative) considerably improves the photocatalytic activity under visible radiation, allowing the use of low amounts of TiO2. (≈0.05 g/1 g of fiber). Hence, the current study is expected to contribute with an environmentally friendly green alternative solution.

Stato dell'arte di scaffold ottenuti mediante tecnologie additive ed elettrofilatura per la rigenerazione del tessuto muscolo-scheletrico

Il sistema muscolo scheletrico è costituito dall’insieme di ossa, cartilagini e tessuti molli come muscoli, tendini e legamenti, che presentano una diversa struttura e differenti proprietà meccaniche tra loro. La sua principale funzione è quella di fornire supporto, forma e garantire il movimento fisiologico del corpo. Per questa ragione, il sistema muscolo scheletrico e continuamente sollecitato e di conseguenza molto soggetto a traumi o infortuni. Un’alternativa all’approccio chirurgico tradizionale è l’ingegneria tissutale che permette di creare scaffold in grado di promuovere la rigenerazione dei tessuti naturali. Negli ultimi decenni si è riscontrato un forte incremento dell’utilizzo della stampa 3D e dell’elettrofilatura come tecniche di fabbricazione di questi scaffold grazie ai loro diversi vantaggi. La stampa 3D presenta diversi benefici, tra cui la possibilità di creare costrutti personalizzati in grado di riprodurre similmente la geometria del tessuto nativo con efficienza dei costi e tempi di produzione ridotti rispetto alle tecniche tradizionali. Tuttavia, questa tecnica presenta ancora una limitata risoluzione sufficiente, ad esempio, per riprodurre la struttura e le proprietà del tessuto osseo, ma non idonea al raggiungimento della scala nanometrica, tipica dei tessuti fibrosi muscolo scheletrici. Al contrario, l’elettrofilatura è in grado di produrre fibre nanometriche che riescono a mimare la matrice extracellulare di questi tessuti. Tuttavia, si riscontrano ancora alcune difficoltà nel controllare la struttura tridimensionale e le proprietà meccaniche di questi scaffold nella scala micro e macrometrica. Lo scopo di questa tesi è quello di analizzare gli studi che utilizzano un approccio combinato tra stampa 3D ed elettrofilatura per la produzione di scaffold per la rigenerazione del tessuto muscolo scheletrico, definendo lo stato dell’arte dei vari processi di produzione e le possibili prospettive future.

Analisi dello stato dell’arte di scaffold biomimetici mediante l'utilizzo di tecnologie additive per la rigenerazione del tessuto osseo

Ogni giorno, nel mondo, si verificano migliaia di fratture ossee e la maggior parte di esse, con il passare del tempo, riescono a rimarginarsi in modo autonomo. In casi più importanti, le fratture ossee necessitano di interventi chirurgici. Per queste motivazioni, affianco ad autoinnesti, alloinnesti e xenoinnesti, negli ultimi anni si è iniziato a parlare in modo sempre più frequente di ingegneria tissutale. In questo tipo di ingegneria, vengono sviluppate delle impalcature in grado di emulare il tessuto osseo naturale. Lo scopo di questa tesi è analizzare le varie tipologie di produzione di scaffold ossei che si ottengono attraverso la tecnologia della stampa 3D. Nella parte introduttiva dell’elaborato, viene inserita una descrizione del tessuto osseo visto sia dal punto di vista cellulare e della composizione, sia dal punto di vista delle proprietà meccaniche. Successivamente, parlando di medicina rigenerativa, vengono descritti i mezzi di osteosintesi, gli innesti e le impalcature, o scaffold, da impiantare nel sito di interesse. Per quanto riguarda gli scaffold, devono soddisfare diversi requisiti, tra cui la biomimetica, la compatibilità con l’attività cellulare, requisiti di progettazione e proprietà meccaniche adeguate. Tali scaffold possono essere realizzati attraverso diverse geometrie interne. Nella seconda parte dell’elaborato, vengono analizzate le geometrie a cubo semplice, a cubo a faccia centrata/a diamante, a cubo a corpo centrato, a dodecaedro rombico, a traliccio di ottetto, a cubo troncato, modellate attraverso il metodo delle superfici minime triplamente periodiche e con tassellatura di Voronoi. Per i vari articoli analizzati sono stati investigati i metodi di produzione e i risultati ottenuti confrontando vantaggi e svantaggi fra le differenti geometrie.

Scaffold piezoelettrici in PVDF/PCL per la rigenerazione del tessuto nervoso periferico

Le lesioni del sistema nervoso periferico, causate da eventi traumatici o da patologie degenerative, costituiscono un danno che può portare alla perdita di specifiche funzionalità motorie o sensoriali. In questi casi, la terapia chirurgica è necessaria per riparare la perdita di continuità assonale. Il gold standard operatorio attuale è costituito dal trapianto nella sede lesionata di un nervo da donatore o dallo stesso soggetto affetto dal danno. Recentemente, un approccio basato su tecniche di ingegneria dei tessuti propone l’impianto di biomateriali modellati come condotti che favoriscano la rigenerazione assonale. Ne è un esempio chiaro un recente lavoro di ricerca, nel quale Cheng et al. propongono una strategia basata sull’impiego di scaffold piezoelettrici prodotti attraverso una tecnica di "casting annealing displacement " che utilizza Polivinilidenfluoruro (PVDF) e Policaprolattone (PCL). Confrontando in vitro scaffold in PCL, in PVDF e PCL/PVDF, in particolare analizzandone le proprietà piezoelettriche e quelle meccaniche, si rilevano i vantaggi della copolimerizzazione. Questi risultati di interesse vengono inoltre confermati dai risultati funzionali ottenuti con l’impianto in vivo in topi con una lesione di 15 mm al nervo sciatico.

Analisi dello stato dell'arte sull'utilizzo di stimolazione dinamica con bioreattori su scaffold elettrofilati per la rigenerazione di tendini e legamenti

Ogni anno milioni di persone, tra anziani e giovani, subiscono lesioni al tessuto tendineo/legamentoso. L’ingegneria tissutale sta cercando metodi alternativi per migliorare e velocizzare la loro guarigione. Negli ultimi vent’anni nel campo dell’ingegneria tissutale la tecnica dell’elettrofilatura si è rivelata particolarmente utile nella produzione di scaffold composti da nanofibre polimeriche in grado di mimare le fibrille di collagene che compongono la matrice extracellulare di questi tessuti. Parallelamente, al fine di incrementare la proliferazione e la differenziazione cellulare sugli scaffold, l’utilizzo di bioreattori per colture dinamiche ha acquisito sempre maggiore importanza. Esistono molti tipi di bioreattore, il più comune è quello meccanico, il quale ha la capacità di imprimere deformazioni meccaniche allo scaffold, permettendo alle cellule coltivate al suo interno di orientarsi in maniera più efficiente lungo la direzione del carico applicato. Il seguente elaborato vuole mostrare come l’uso di colture dinamiche effettuate in scaffold elettrofilati attraverso dei bioreattori, può migliorare notevolmente la rigenerazione dei tessuti interessati. Dopo una puntuale descrizione delle proprietà e caratteristiche dei tendini, dei legamenti, delle varie tipologie di scaffold e dei bioreattori, la tesi si sofferma sull’analisi dello stato dell’arte dei lavori scientifici che hanno utilizzato stimolazione dinamica in bioreattore su scaffold elettrofilati per tendini e legamenti. Da queste si è osservato come l’uso di sistemi dinamici possa aumentare notevolmente la produzione di matrice extracellulare, le proprietà meccaniche dei costrutti, la proliferazione, la crescita e l’orientamento delle cellule, velocizzando e migliorando i processi di guarigione rispetto ad una coltura statica.

Fabbricazione mediante elettrofilatura di scaffold compositi per il trattamento di difetti ossei

Nel mio elaborato di tesi dal titolo “Fabbricazione mediante elettrofilatura di scaffold compositi per il trattamento di difetti ossei” tratto la fisiologia del tessuto osseo, le cellule che lo compongono, i danni che esso può subire e il processo di riparazione spontaneo che si attua in caso di lesioni. Analizzo quindi differenti tipologie di frattura e le terapie chirurgiche e non-chirurgiche attualmente disponibili, con un occhio di riguardo nei confronti dell’ingegneria dei tessuti - che intende riparare il tessuto danneggiato mediante l’impianto di costrutti bioibridi costituiti da cellule a bordo di scaffold realizzati con biomateriali adeguati. In quest’ottica presento quindi un lavoro di ricerca pubblicato recentemente da Yuwono et al., nel quale viene presentato uno scaffold composito elettrofilato, caratterizzato da nanofibre polimeriche e caricato con particelle di idrossiapatite, che viene proposto come un eccellente candidato all’utilizzo in terapia.

Platinum Blue Staining Of Cells Grown In Electrospun Scaffolds.

Fibroblast cells grown in electrospun polymer scaffolds were stained with platinum blue, a heavy metal stain, and imaged using scanning electron microscopy. Good contrast on the cells was achieved compared with samples that were gold sputter coated. The cell morphology could be clearly observed, and the cells could be distinguished from the scaffold fibers. Here we optimized the required concentration of platinum blue for imaging cells grown in scaffolds and show that a higher concentration causes platinum aggregation. Overall, platinum blue is a useful stain for imaging cells because of its enhanced contrast using scanning electron microscopy (SEM). In the future it would be useful to investigate cell growth and morphology using three-dimensional imaging methods.

Removal Of Glyphosate Herbicide From Water Using Biopolymer Membranes.

Enormous amounts of pesticides are manufactured and used worldwide, some of which reach soils and aquatic systems. Glyphosate is a non-selective herbicide that is effective against all types of weeds and has been used for many years. It can therefore be found as a contaminant in water, and procedures are required for its removal. This work investigates the use of biopolymeric membranes prepared with chitosan (CS), alginate (AG), and a chitosan/alginate combination (CS/AG) for the adsorption of glyphosate present in water samples. The adsorption of glyphosate by the different membranes was investigated using the pseudo-first order and pseudo-second order kinetic models, as well as the Langmuir and Freundlich isotherm models. The membranes were characterized regarding membrane solubility, swelling, mechanical, chemical and morphological properties. The results of kinetics experiments showed that adsorption equilibrium was reached within 4 h and that the CS membrane presented the best adsorption (10.88 mg of glyphosate/g of membrane), followed by the CS/AG bilayer (8.70 mg of glyphosate/g of membrane). The AG membrane did not show any adsorption capacity for this herbicide. The pseudo-second order model provided good fits to the glyphosate adsorption data on CS and CS/AG membranes, with high correlation coefficient values. Glyphosate adsorption by the membranes could be fitted by the Freundlich isotherm model. There was a high affinity between glyphosate and the CS membrane and moderate affinity in the case of the CS/AG membrane. Physico-chemical characterization of the membranes showed low values of solubility in water, indicating that the membranes are stable and not soluble in water. The SEM and AFM analysis showed evidence of the presence of glyphosate on CS membranes and on chitosan face on CS/AG membranes. The results showed that the glyphosate herbicide can be adsorbed by chitosan membranes and the proposed membrane-based methodology was successfully used to treat a water sample contaminated with glyphosate. Biopolymer membranes therefore potentially offer a versatile method to eliminate agricultural chemicals from water supplies.

Factors Controlling The Deposition Of Silk Fibroin Nanofibrils During Layer-by-layer Assembly.

The layer-by-layer technique has been used as a powerful method to produce multilayer thin films with tunable properties. When natural polymers are employed, complicated phenomena such as self-aggregation and fibrilogenesis can occur, making it more difficult to obtain and characterize high-quality films. The weak acid and base character of such materials provides multilayer systems that may differ from those found with synthetic polymers due to strong self-organization effects. Specifically, LbL films prepared with chitosan and silk fibroin (SF) often involve the deposition of fibroin fibrils, which can influence the assembly process, surface properties, and overall film functionality. In this case, one has the intriguing possibility of realizing multilayer thin films with aligned nanofibers. In this article, we propose a strategy to control fibroin fibril formation by adjusting the assembly partner. Aligned fibroin fibrils were formed when chitosan was used as the counterpart, whereas no fibrils were observed when poly(allylamine hydrochloride) (PAH) was used. Charge density, which is higher in PAH, apparently stabilizes SF aggregates on the nanometer scale, thereby preventing their organization into fibrils. The drying step between the deposition of each layer was also crucial for film formation, as it stabilizes the SF molecules. Preliminary cell studies with optimized multilayers indicated that cell viability of NIH-3T3 fibroblasts remained between 90 and 100% after surface seeding, showing the potential application of the films in the biomedical field, as coatings and functional surfaces.

O emprego de quitosana quimicamente modificada com anidrido succínico na adsorção de azul de metileno

The adsorption capacity of alpha-chitosan and its modified form with succinic anhydride was compared with the traditional adsorbent active carbon by using the dye methylene blue, employed in the textile industry. The isotherms for both biopolymers were classified as SSA systems in the Giles model, more specifically in L class and subgroup 3. The dye concentration in the supernatant in the adsorption assay was determined through electronic spectroscopy. By calorimetric titration thermodynamic data of the interaction between methyene blue and the chemically modified chitosan at the solid/liquid interface were obtained. The enthalpy of the dye/chitosan interaction gave 2.47 ± 0.02 kJ mol-1 with an equilibrium constant of 7350 ± 10 and for the carbon/dye interaction this constant gave 5951 ± 8. The spontaneity of these adsorptions are reflected by the free Gibbs energies of -22.1 ± 0.4 and -21.5 ± 0.2 kJ mol-1, respectively, found for these systems. This new adsorbent derived from a natural polysaccharide is as efficient as activated carbon. However 97% of the bonded dye can be eluted by sodium chloride solution, while this same operation elutes only 42% from carbon. Chitosan is efficient in dye removal with the additional advantage of being cheap, non-toxic, biocompatible and biodegradable.

Obtenção e caracterização de α-quitina e quitosanas de cascas de Macrobrachium rosembergii

The shells of Macrobrachium rosenbergii were submitted to deproteinization (Dp) and demineralization (Dm) aiming the extraction of α-chitin. The different parts of the shells were processed independently by carrying out sequence 1 (Dp/Dm) and sequence 2 (Dm/Dp). Both sequences allowed the extraction of chitins with low contents of calcium and magnesium, regardless of the part being processed. The sequence 1 lead to higher extraction yields while sequence 2 resulted in lower contents of inorganic compounds. Extensively deacetylated chitosans (GA<10%) of medium molecular weight (0,9 x 10(5) < Mv < 2 x 10(5) g/mol) resulted from the deacetylation of chitin.

Determinação da energia de ativação em hidrogéis poliméricos a partir de dados termogravimétricos

Curvas termogravimétricas com diferentes razões de aquecimento foram utilizadas para a determinação de parâmetros cinéticos seguindo o método de Flynn-Wall. Para isso, foi utilizado um hidrogel preparado a partir da mistura de dois polissacarídeos, quitosana/xantana (QX) e outro, contendo além destes, colágeno (QXC). Os resultados mostraram que o valor de energia de ativação para o hidrogel QX foi de 3,44 kJ.mol-1, enquanto que para o QXC foi de 14,84 kJ.mol-1, sugerindo que a água presente no hidrogel contendo colágeno está mais fortemente ligada aos biopolímeros. Isto pode ter ocorrido devido à presença de grupos carboxílicos na estrutura colagênica.

Genomics and proteomics approaches to the study of cancer-stroma interactions

Background: The development and progression of cancer depend on its genetic characteristics as well as on the interactions with its microenvironment. Understanding these interactions may contribute to diagnostic and prognostic evaluations and to the development of new cancer therapies. Aiming to investigate potential mechanisms by which the tumor microenvironment might contribute to a cancer phenotype, we evaluated soluble paracrine factors produced by stromal and neoplastic cells which may influence proliferation and gene and protein expression. Methods: The study was carried out on the epithelial cancer cell line (Hep-2) and fibroblasts isolated from a primary oral cancer. We combined a conditioned-medium technique with subtraction hybridization approach, quantitative PCR and proteomics, in order to evaluate gene and protein expression influenced by soluble paracrine factors produced by stromal and neoplastic cells. Results: We observed that conditioned medium from fibroblast cultures (FCM) inhibited proliferation and induced apoptosis in Hep-2 cells. In neoplastic cells, 41 genes and 5 proteins exhibited changes in expression levels in response to FCM and, in fibroblasts, 17 genes and 2 proteins showed down-regulation in response to conditioned medium from Hep-2 cells (HCM). Nine genes were selected and the expression results of 6 down-regulated genes (ARID4A, CALR, GNB2L1, RNF10, SQSTM1, USP9X) were validated by real time PCR. Conclusions: A significant and common denominator in the results was the potential induction of signaling changes associated with immune or inflammatory response in the absence of a specific protein.

Rat Adipose Tissue-Derived Stem Cells Transplantation Attenuates Cardiac Dysfunction Post Infarction and Biopolymers Enhance Cell Retention

Background: Cardiac cell transplantation is compromised by low cell retention and poor graft viability. Here, the effects of co-injecting adipose tissue-derived stem cells (ASCs) with biopolymers on cell cardiac retention, ventricular morphometry and performance were evaluated in a rat model of myocardial infarction (MI). Methodology/Principal Findings: (99m)Tc-labeled ASCs (1 x 10(6) cells) isolated from isogenic Lewis rats were injected 24 hours post-MI using fibrin a, collagen (ASC/C), or culture medium (ASC/M) as vehicle, and cell body distribution was assessed 24 hours later by gamma-emission counting of harvested organs. ASC/F and ASC/C groups retained significantly more cells in the myocardium than ASC/M (13.8+/-2.0 and 26.8+/-2.4% vs. 4.8+/-0.7%, respectively). Then, morphometric and direct cardiac functional parameters were evaluated 4 weeks post-MI cell injection. Left ventricle (LV) perimeter and percentage of interstitial collagen in the spare myocardium were significantly attenuated in all ASC-treated groups compared to the non-treated (NT) and control groups (culture medium, fibrin, or collagen alone). Direct hemodynamic assessment under pharmacological stress showed that stroke volume (SV) and left ventricle end-diastolic pressure were preserved in ASC-treated groups regardless of the vehicle used to deliver ASCs. Stroke work (SW), a global index of cardiac function, improved in ASC/M while it normalized when biopolymers were co-injected with ASCs. A positive correlation was observed between cardiac ASCs retention and preservation of SV and improvement in SW post-MI under hemodynamic stress. Conclusions: We provided direct evidence that intramyocardial injection of ASCs mitigates the negative cardiac remodeling and preserves ventricular function post-MI in rats and these beneficial effects can be further enhanced by administrating co-injection of ASCs with biopolymers.