Biodegradation evaluation of bacterial cellulose, vegetable cellulose and poly (3-hydroxybutyrate) in soil

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Strategies to improve the mechanical properties of starch-based materials: plasticization and natural fibers reinforcement

Biodegradable polymers are starting to be introduced as raw materials in the food-packaging market. Nevertheless, their price is very high. Starch, a fully biodegradable and bioderived polymer is a very interesting alternative due to its very low price. However, the use of starch as the polymer matrix for the production of rigid food packaging, such as trays, is limited due to its poor mechanical properties, high hidrophilicity and high density. This work presents two strategies to overcome the poor mechanical properties of starch. First, the plasticization of starch with several amounts of glycerol to produce thermoplastic starch (TPS) and second, the production of biocomposites by reinforcing TPS with promising fibers, such as barley straw and grape waste. The mechanical properties obtained are compared with the values predicted by models used in the field of composites; law of mixtures, Kerner-Nielsen and Halpin-Tsai. To evaluate if the materials developed are suitable for the production of food-packaging trays, the TPS-based materials with better mechanical properties were compared with commercial grades of oil-based polymers, polypropylene (PP) and polyethylene-terphthalate (PET), and a biodegradable polymer, polylactic acid (PLA).

Evolução temporal da proliferação neointimal após implante de dois tipos de stent farmacológico com polímeros biodegradáveis em modelo porcino: avaliação qualitativa por tomografia de coerência óptica sequencial

INTRODUÇÃO: Baseados na hipótese de que a neoíntima encontrada em stents farmacológicos (SFs) com polímeros biodegradáveis aos 28 dias não é a neoíntima definitiva e de que a tomografia de coerência óptica (TCO) é um método eficaz para a avaliação sequencial da neoíntima, objetivamos, neste estudo experimental, comparar os achados da TCO aos 28 dias e aos 90 dias em dois tipos de SF com polímeros biodegradáveis: o stent liberador de sirolimus (Inspiron®, Scitech) e o stent liberador de biolimus A9 (Biomatrix®, Biosensors International). MÉTODOS: No total, 6 porcos não-ateroscleróticos foram submetidos a implante de 6 stents Inspiron® e de 6 stents Biomatrix®. Cada porco recebeu os dois tipos de stent, um em cada artéria coronária (descendente anterior e circunflexa) e após 28 dias e 90 dias foram realizadas avaliações qualitativas intrastent a cada milímetro com TCO. RESULTADOS: A avaliação qualitativa, feita por pareamento milímetro a milímetro intrastent, evidenciou neoíntima heterogênea em 39% aos 28 dias e em 0% aos 90 dias, presença de tecido intraluminal em 18% aos 28 dias e em 0% aos 90 dias, irregularidade luminal em 62% aos 28 dias e em 2% aos 90 dias (P < 0,005). Não houve diferença entre os grupos quanto à qualidade da neoíntima ao longo do tempo (P > 0,05). CONCLUSÕES: Os achados à TCO corroboram a hipótese de que a neoíntima encontrada em SFs com polímeros biodegradáveis aos 28 dias não é a neoíntima definitiva. A evidência experimental mais significativa é a mudança das características da neoíntima observada à TCO sequencial.

Processo biotecnologico a cellule immobilizzate per la produzione di acidi grassi volatili da acque di vegetazione

Le acque di vegetazione (AV) costituiscono un serio problema di carattere ambientale, sia a causa della loro elevata produzione sia per l’ elevato contenuto di COD che oscilla fra 50 e 150 g/l. Le AV sono considerate un refluo a tasso inquinante fra i più elevati nell’ambito dell’industria agroalimentare e la loro tossicità è determinata in massima parte dalla componente fenolica. Il presente lavoro si propone di studiare e ottimizzare un processo non solo di smaltimento di tale refluo ma anche di una sua valorizzazione, utlizzandolo come materia prima per la produzione di acidi grassi e quindi di PHA, polimeri biodegradabili utilizzabili in varie applicazioni. A tale scopo sono stati utilizzati due bioreattori anaerobici a biomassa adesa, di identica configurazione, con cui si sono condotti due esperimenti in continuo a diverse temperature e carichi organici al fine di studiare l’influenza di tali parametri sul processo. Il primo esperimento è stato condotto a 35°C e carico organico pari a 12,39 g/Ld, il secondo a 25°C e carico organico pari a 8,40 g/Ld. Si è scelto di allestire e mettere in opera un processo a cellule immobilizzate in quanto questa tecnologia si è rivelata vantaggiosa nel trattamento continuo di reflui ad alto contenuto di COD e carichi variabili. Inoltre si è scelto di lavorare in continuo poiché tale condizione, per debiti tempi di ritenzione idraulica, consente di minimizzare la metanogenesi, mediata da microrganismi con basse velocità specifiche di crescita. Per costituire il letto fisso dei due reattori si sono utilizzati due diversi tipi di supporto, in modo da poter studiare anche l’influenza di tale parametro, in particolare si è fatto uso di carbone attivo granulare (GAC) e filtri ceramici Vukopor S10 (VS). Confrontando i risultati si è visto che la massima quantità di VFA prodotta nell’ambito del presente studio si ha nel VS mantenuto a 25°C: in tale condizione si arriva infatti ad un valore di VFA prodotti pari a 524,668 mgCOD/L. Inoltre l’effluente in uscita risulta più concentrato in termini di VFA rispetto a quello in entrata: nell’alimentazione la percentuale di materiale organico presente sottoforma di acidi grassi volatili era del 54 % e tale percentuale, in uscita dai reattori, ha raggiunto il 59 %. Il VS25 rappresenta anche la condizione in cui il COD degradato si è trasformato in percentuale minore a metano (2,35 %) e questo a prova del fatto che l’acidogenesi ha prevalso sulla metanogenesi. Anche nella condizione più favorevole alla produzione di VFA però, si è riusciti ad ottenere una loro concentrazione in uscita (3,43 g/L) inferiore rispetto a quella di tentativo (8,5 g/L di VFA) per il processo di produzione di PHA, sviluppato da un gruppo di ricerca dell’università “La Sapienza” di Roma, relativa ad un medium sintetico. Si può constatare che la modesta produzione di VFA non è dovuta all’eccessiva degradazione del COD, essendo questa nel VS25 appena pari al 6,23%, ma piuttosto è dovuta a una scarsa concentrazione di VFA in uscita. Questo è di buon auspicio nell’ottica di ottimizzare il processo migliorandone le prestazioni, poiché è possibile aumentare tale concentrazione aumentando la conversione di COD in VFA che nel VS25 è pari a solo 5,87%. Per aumentare tale valore si può agire su vari parametri, quali la temperatura e il carico organico. Si è visto che il processo di acidogenesi è favorito, per il VS, per basse temperature e alti carichi organici. Per quanto riguarda il reattore impaccato con carbone attivo la produzione di VFA è molto ridotta per tutti i valori di temperatura e carichi organici utilizzati. Si può quindi pensare a un’applicazione diversa di tale tipo di reattore, ad esempio per la produzione di metano e quindi di energia.

Biometanazione della frazione organica di rifiuti solidi urbani da raccolta indifferenziata mediante codigestione con refluo zootecnico o addizione di solfuro di sodio

Il presente elaborato è stato finalizzato allo sviluppo di un processo di digestione anaerobica della frazione organica dei rifiuti solidi urbani (FORSU oppure, in lingua inglese OFMSW, Organic Fraction of Municipal Solid Waste) provenienti da raccolta indifferenziata e conseguente produzione di biogas da impiegarsi per il recupero energetico. Questo lavoro rientra nell’ambito di un progetto, cofinanziato dalla Regione Emilia Romagna attraverso il Programma Regionale per la Ricerca Industriale, l’Innovazione e il Trasferimento Tecnologico (PRRIITT), sviluppato dal Dipartimento di Chimica Applicata e Scienza dei Materiali (DICASM) dell’Università di Bologna in collaborazione con la Facoltà di Ingegneria dell’Università di Ferrara e con la società Recupera s.r.l. che applicherà il processo nell’impianto pilota realizzato presso il proprio sito di biostabilizzazione e compostaggio ad Ostellato (FE). L’obiettivo è stato la verifica della possibilità di impiegare la frazione organica dei rifiuti indifferenziati per la produzione di biogas, e in particolare di metano, attraverso un processo di digestione anaerobica previo trattamento chimico oppure in codigestione con altri substrati organici facilmente fermentabili. E’ stata inoltre studiata la possibilità di impiego di reattori con biomassa adesa per migliorare la produzione specifica di metano e diminuire la lag phase. Dalla sperimentazione si può concludere che è possibile giungere allo sviluppo di metano dalla purea codigerendola assieme a refluo zootecnico. Per ottenere però produzioni significative la quantità di solidi volatili apportati dal rifiuto non deve superare il 50% dei solidi volatili complessivi. Viceversa, l’addizione di solfuri alla sola purea si è dimostrata ininfluente nel tentativo di sottrarre gli agenti inibitori della metanogenesi. Inoltre, l’impiego di supporti di riempimento lavorando attraverso processi batch sequenziali permette di eliminare, nei cicli successivi al primo, la lag phase dei batteri metanogeni ed incrementare la produzione specifica di metano.

Novel etheroatom containing aliphatic polyesters for biomedical and environmental applications

Biodegradable polymers for short time applications have attracted much interest all over the world. The reason behind this growing interest is the incompatibility of the polymeric wastes with the environment where they are disposed after usage. Synthetic aliphatic polyesters represent one of the most economically competitive biodegradable polymers. In addition, they gained considerable attention as they combine biodegradability and biocompatibility with interesting physical and chemical properties. In this framework, the present research work focused on the modification by reactive blending and polycondensation of two different aliphatic polyesters, namely poly(butylene succinate) (PBS) and poly(butylene 1,4-cyclohexanedicarboxylate) (PBCE). Both are characterized by good thermal properties, but their mechanical characteristics do not fit the requirements for applications in which high flexibility is requested and, moreover, both show slow biodegradation rate. With the aim of developing new materials with improved characteristics with respect to the parent homopolymers, novel etheroatom containing PBS and PBCE-based fully aliphatic polyesters and copolyesters have been therefore synthesized and carefully characterized. The introduction of oxygen or sulphur atoms along the polymer chains, by acting on chemical composition or molecular architecture, tailored solid-state properties and biodegradation rate: type and amount of comonomeric units and sequence distribution deeply affected the material final properties owing, among all, to the hydrophobic/hydrophilic ratio and to the different ability of the polymer to crystallize. The versatility of the synthesized copolymers has been well proved: as a matter of fact these polymers can be exploited both for biomedical and ecological applications. Feasibility of 3D electrospun scaffolds has been investigated, biocompatibility studies and controlled release of a model molecule showed good responses. As regards ecological applications, barrier properties and eco-toxicological assessments have been conducted with outstanding results. Finally, the ability of the novel polyesters to undergo both hydrolytic and enzymatic degradation has been demonstrated under physiological and environmental conditions.

Magnetische Multischalenpartikel für den Transport von siRNA

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung eines nichtviralen, effizienten Transfektionsmittels mit einer Kern-Schale-Struktur in der Größenordnung bis 100 nm. Dafür werden magnetische, negativ geladene Eisenoxid-Nanopartikel mittels Thermolyse mit einem Durchmesser von 17 nm synthetisiert und in Wasser überführt. Diese Nanopartikel bilden den Kern des Erbgut-Trägers und werden mittels Layer-by-Layer –Verfahren (LbL) mit geladenen Polymeren, den bioabbaubaren Makromolekülen Poly-L-Lysin und Heparin, beschichtet. Dafür wird zunächst eine geeignete Apparatur aufgebaut. Diese wird zur Herstellung von Kern-Schale-Strukturen mit fünf Polyelektrolytschichten verwendet und liefert Partikel mit einem hydrodynamischen Durchmesser von 58 nm, die bei Abwesenheit von niedermolekularem Salz aggregatfrei sind. Das System wird gegen Salz stabilisiert, indem die letzte Poly-L-Lysin-Schicht mit Polyethylenglycol modifiziert wird. Die so entstandenen Multischalenpartikel zeigen weder im PBS-Puffer noch in humanem Serum Aggregation. Mittels winkelabhängiger dynamischer Lichtstreuung wird die Aggregatbildung kontrolliert, während ζ-Potential-Messungen die Kontrolle der Oberflächenladung erlauben.rnDa siRNA auf Grund ihres negativ geladenen Phosphat-Rückgrats ebenfalls ein Polyelektrolyt ist, wird sie aggregatfrei auf die positiv geladenen PLL-Nanopartikel aufgetragen. Die eingesetzte siRNA ist farbstoffmarkiert, um eine Detektion in vitro zu ermöglichen. Jedoch sind die entstandenen Komplexe mittels Fluoreszenzkorrelations-spektroskopie (FCS) nicht nachweisbar. Auch die Fluoreszenzmarkierung der PEGylierten Außenschale mittels kupferfreier Click-Chemie ist in der FCS nicht sichtbar, sodass eine Fluoreszenzauslöschung der Farbstoffe in den Multischalenpartikeln vermutet wird.rn

Current status of drug-eluting stents

First-generation drug-eluting stents (DES) with controlled release of sirolimus or paclitaxel from durable polymers compared with bare-metal stents have been consistently shown to reduce the risk of repeat revascularization procedures due to restenosis. The superior efficacy was found across a wide range of patients and lesion subsets and persisted up to 5 years whereas similar outcomes have been observed in terms of death and myocardial infarction. Newer generation DES have been developed with the goal to further improve upon the safety profile of first-generation DES while maintaining efficacy. These platforms include DES with improved and more biocompatible durable polymers, DES using bioabsorbable polymers for drug release, DES with polymer-free drug release, and fully bioabsorbable DES. Newer generation DES with durable polymers such as zotarolimus-eluting or everolimus-eluting XIENCE V stents have been directly compared with first-generation DES. Most recent results of large scale clinical trials are encouraging in terms of similar or increased efficacy while improving safety by reducing the rates of myocardial infarctions and stent thrombosis. DES using biodegradable polymers for drug release represent the next technological modification and preliminary results are favorable and demonstrate similar angiographic and clinical efficacy as first-generation DES, but only longer term follow-up and investigation in larger patient cohorts will determine whether their use is associated with improved long-term safety. Fully bioabsorbable stents represent another innovative approach. Whether this innovative concept will enter into clinical routine remains yet to be determined.

Biomaterials for Intervertebral Disc Regeneration

The intervertebral disc (IVD) is a complex avascular organ of viscoelastic properties. The current research focus is to regenerate and to partially restore a degenerated IVD by ‘smart’ biomaterials in combination of cell therapy and/or growth factors. For the two tissues of the IVD, that is, the nucleus pulposus (NP) and the annulus fibrosus (AF), biomaterials of different mechanical properties are needed. The ideal biomaterial to restore the water-rich NP and the tensile-force resistant AF has not been identified yet. The lack of blood vessels and the relative scarcity of specially adapted cells of the IVD organ demand novel concepts of tissue-engineered biological approaches to regenerate or replace the IVD. Injectable biodegradable hydrogels with swelling properties are in focus for NP replacement, whereas electrospun biphasic composites and silk, among other biodegradable polymers, are discussed for AF reinforcement.

Thermal and mechanical properties of recycled poly(Lactic acid)

Biodegradable polymers have experienced increased attention in recent years because of their wide range of applications in biomedical, packaging and agriculture fields. PLA, poly(lactic acid), is a linear aliphatic biodegradable thermoplastic polyester, with good mechanical properties, thermal stability, processability and low environmental impact, widely used as an alternative to conventional polymers. PLA products can be recycled after use either by remelting and reprocessing the material, or by hydrolysis to basic lactic acid [1]. The object of this communication is the study of the possible variation in physical properties induced by sub sequent reprocessing cycles of PLA.

Tissue-engineered cells producing complex recombinant proteins inhibit ovarian cancer in vivo

Techniques of tissue engineering and cell and molecular biology were used to create a biodegradable scaffold for transfected cells to produce complex proteins. Mullerian Inhibiting Substance (MIS) causes regression of Mullerian ducts in the mammalian embryo. MIS also causes regression in vitro of ovarian tumor cell lines and primary cells from ovarian carcinomas, which derive from Mullerian structures. In a strategy to circumvent the complicated purification protocols for MIS, Chinese hamster ovary cells transfected with the human MIS gene were seeded onto biodegradable polymers of polyglycolic acid fibers and secretion of MIS confirmed. The polymer-cell graft was implanted into the right ovarian pedicle of severe combined immunodeficient mice. Serum MIS in the mice rose to supraphysiologic levels over time. One week after implantation of the polymer-cell graft, IGROV-1 human tumors were implanted under the renal capsule of the left kidney. Growth of the IGROV-1 tumors was significantly inhibited in the animals with a polymer-cell graft of MIS-producing cells, compared with controls. This novel MIS delivery system could have broader applications for other inhibitory agents not amenable to efficient purification and provides in vivo evidence for a role of MIS in the treatment of ovarian cancer.

Resposta imune do antígeno de superfície de hepatite B administrado via nasal em nanopartículas de quitosana liofilizadas

A nanotecnologia tornou possível estruturar nanopartículas (NPs), utilizando-se polímeros biodegradáveis e atóxicos, como a quitosana (QS) - capaz de carrear e disponibilizar antígenos para a mucosa, devido sua propriedade mucoadesiva. Uma vacina liofilizada, em comparação a uma formulação líquida, possui inúmeras vantagens, tais como melhora na estabilidade do produto e melhor resistência às variações de temperatura, aumentando sua vida de prateleira e possibilitando melhor logística do produto aos locais onde o acesso à rede refrigerada é difícil; ademais, um produto liofilizado tem sua mucoadesividade aumentada, possibilitando maior tempo de permanência na mucosa. O presente trabalho teve como objetivo observar a resposta imune, em camundongos, de uma vacina desenvolvida por um mecanismo de entrega intranasal do HBsAg (Antígeno de superfície da Hepatite B) encapsulado pelo método de incorporação em nanopartículas de quitosana (NPs) liofilizadas. A formação das NPs foi realizada pela interação eletroestática da quitosana e do TPP (tripolifosfato de sódio), utilizando método de geleificação iônica. Formulações de NPs com glicina 5% apresentaram boas características após reconstituição, umidade residual inferior a 1% e processo de liofilização de 13 horas. Foi avaliada a imunogenicidade da inoculação do HBsAg em formulações de NPs de quitosana líquida e liofilizada, verificando-se que a forma líquida produziu anticorpos IgG contra HBsAg.

Estudo de nanocompósitos formados por PLA e nanopartículas de celulose.

Devido à preocupação com o meio ambiente e o volume crescente de resíduos plástico em aterros sanitários, os polímeros biodegradáveis estão sendo estudados extensivamente. Um deles é o PLA. Apesar de possuir propriedades comparáveis a polímeros commodities e polímeros de engenharia, ainda é necessário melhorar certas características do PLA, como resistência ao impacto. Para isso, a nanocelulose (NC) pode ser usada sem alterações significativas na biodegradação polimérica. Este estudo teve como objetivo obter a nanocelulose, caracteriza-la e incorpora-la ao poli(ácido láctico) (PLA), assim como, estudar as propriedades térmicas, morfológicas e mecânicas do compósito obtido. A NC foi obtida por hidrólise ácida utilizando ácido fosfórico e posteriormente foi silanizada com três silanos distintos. As nanopartículas foram caracterizadas por Birrefringência, Microscopia Eletrônica de Transmissão (MET), Termogravimetria (TG), Potencial Zeta, Espectroscopia Vibracional de Absorção no Infravermelho com Transformada de Fourier (FTIR) e Difração de Raio X (DRX). Com as imagens obtidas pelo MET foi possível medir o tamanho das partículas de NC. E então obter a razão de aspecto de 82 e o limite de percolação de 1,1% em massa, confirmando a morfologia de nanofibra. De acordo as analises TG\'s, a presença de NC silanizada aumentou o início da degradação térmica. Os compósitos, contendo 3% em massa de NC, foram obtidos por fusão em câmara de mistura e moldados por injeção. Os compósitos foram caracterizados por FTIR, Cromatografia de Permeação em Gel (GPC), TG, Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC), Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV-FEG), Impacto e Tração. As análises dos compósitos mostraram que a NC atuou como agente de nucleação, facilitando a cristalização do PLA, além de a NC ter atuado como reforço na matriz polimérica melhorando as propriedades mecânicas.

Scaffolds, stem cells, and tissue engineering: A potent combination!

Stem cells, either from embryonic or adult sources, have demonstrated the potential to differentiate into a wide range of tissues depending on culture conditions. This makes them prime candidates for use in tissue engineering applications. Current technology allows us to process biocompatible and biodegradable polymers into three-dimensional (3D) configurations, either as solid porous scaffolds or hydrogels, with controlled macro and/or micro spatial geometry and surface chemistry. Such control provides us with the ability to present highly controlled microenvironments to a chosen cell type. However, the precise microenvironments required for optimal expansion and/or differentiation of stem cells are only now being elucidated, and hence the controlled use of stem cells in tissue engineering remains a very young field. We present here a brief review of the current literature detailing interactions between stem cells and 3D scaffolds of varying morphology and chemical properties, concluding with remaining challenges for those interested in tissue engineering using tailored scaffolds and stem cells.

Particulate delivery systems for vaccines

This review focuses on the use of particulate delivery systems for the purposes of immunization. This includes poly(lactide-co-glycolide) (PLGA), ISCOMs, liposomes, niosomes, virosomes, chitosan, and other biodegradable polymers. These systems are evaluated in terms of their use as carriers for protein subunit and DNA vaccines. There is an extensive focus on recent literature, the understanding of biological interactions, and relation of this to our present understanding of immunological mechanisms of action. In addition, there is consideration of formulation techniques including emulsification, solvent diffusion, DNA complexation, and entrapment. The diversity of formulation strategies presented is a testament to the exponential growth and interest in the area of vaccine delivery systems. A case study for the application of particulate vaccine carriers is assessed in terms of vaccine development and recent insights into the possible design and application of vaccines against two of the most important pathogens that threaten mankind and for which there is a significant need: Mycobacterium tuberculosis and human immunodeficiency virus. This review addresses the rationale for the use of particulate delivery systems in vaccine design in the context of the diversity of carriers for DNA- and protein-based vaccines and their potential for application in terms of the critical need for effective vaccines. © 2005 by Begell House, Inc.