Functionalization of bacterial cellulose with ceria nanoparticles and chitosan for biomedical applications

Abstract

Los nanocompuestos porosos multifuncionales, como la celulosa bacteriana (BC), han suscitado el interés de muchos investigadores por sus posibles usos en biomedicina. Las estrategias actuales pretenden añadir funcionalidades adicionales a la BC, como características antibacterianas, antifúngicas, antioxidantes y antiinflamatorias, mediante el uso de nanopartículas (NPs) o polímeros naturales. El objetivo de esta tesis es desarrollar nuevos nanocompuestos de BC mediante la adición de NPs de ceria y de quitosano. Por un lado, las NPs de ceria muestran un uso potencial en biomedicina. Por otro lado, el quitosano es un polímero natural con una estructura similar a la celulosa, pero con atractivas propiedades antibacterianas, antifúngicas, antioxidantes y antiinflamatorias. En esta tesis, el trabajo se centró en la producción de nanocompuestos funcionales utilizando películas de BC como matriz, y de NPs de ceria y quitosano como cargas. En primer lugar, se estudiaron diferentes enfoques para la síntesis de NPs de ceria (coprecipitación y descomposición térmica). Se prestó especial atención a la morfología y la estabilidad de las NPs de ceria en presencia de distintos tensioactivos. Los mejores resultados se obtuvieron con el método de coprecipitación, que proporcionó NPs en un amplio rango de tamaños (2 a 7 nm) con alta cristalinidad. Se utilizaron diferentes moléculas con propiedades interesantes, como el ácido glutámico o el quitosano, como ligandos superficiales de las NPs añadiéndolos durante la síntesis o poco después. Estos últimos mostraron mejores resultados, aunque en ambos casos los estados de aglomeración de las NPs se vieron comprometidos. A continuación, se funcionalizaron las películas de BC añadiendo ceria y quitosano en el proceso de biosíntesis o sintetizando las NPs sobre películas previamente producidas. La carga de NPs en las películas de celulosa bacteriana se confirmó mediante ambos enfoques, pero se consiguieron mayores cargas cuando las partícula

Multifunctional porous nanocomposites such as bacterial cellulose (BC) have gathered the interest of many researchers for their potential uses in wound dressing scaffolds or drug delivery. Current strategies aim to add additional functionalities to BC such as antibacterial, antifungal, antioxidant, and anti-inflammatory characteristics by using nanoparticles (NPs) or natural polymers. This thesis aims to develop novel BC nanocomposites by adding ceria NPs and chitosan polymers. On one hand, ceria NPs show potential use in biomedicine. On the other hand, chitosan is a natural polymer with a similar structure to cellulose but with appealing antibacterial, antifungal, antioxidant, and anti-inflammatory properties. In this thesis, activities focused on the production of functional nanocomposites using BC films as a matrix, and ceria NPs and chitosan as fillers. First, different approaches for the synthesis of ceria NPs were studied (coprecipitation and thermal decomposition). Particular attention was paid to the morphology and the stability of ceria NPs in the presence of different surfactants. Best results were obtained for the coprecipitation method providing NPs in a wide range of sizes (2 to 7 nm) with high crystallinity. Different molecules having interesting properties such as glutamic acid or chitosan were used as surface ligands for the NPs adding them during the synthesis or soon after. The latter showed better results although in both cases the agglomeration states of the NPs were compromised. Next, BC films were functionalized by adding ceria and chitosan into the biosynthesis process or by synthesizing the NPs on top of previously produced films. The loading of NPs into bacteria cellulose films was confirmed by both approaches but higher loadings were achieved when particles were grown directly onto produced BC films. Besides, films showed a decrease in the mechanical resistance resulting from the structural loss of cellulose.