Příprava chitinových nanofibrily a jejich medicínské aplikace
Loading...
Date
Authors
Radwan, Rasha Mahmoud Mohammed
ORCID
Advisor
Mark
P
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Vysoké učení technické v Brně. CEITEC VUT
Abstract
Tato práce se zabývá přípravou nanokrystalů chitinu s různým stupněm deacetylace a jejich použití jako nanoplnivo pro zvýšení funkčních vlastností hyaluronových a proteinových matric. Studie pokrývá přípravu filmů, hydrogelových membrány a 3D buněčných nosičů, s použitím chitinových nanokrystalů a komplexů chitosan-glukanových fibril jako plniv. Proces extrakce chitinových nanokrystalů z krunýřů krevet a fibrilových struktur na bázi chitinu z neživočišných zdrojů, jako je Aspergillus niger, byl optimalizován nalezením vlipu pH, reakční teploty a časum na stupeň deacetylace. Hyaluronové filmy obsahující chitinové nanokrystaly byly připraveny metodou samouspořádávání vyvolané odpařováním rozpouštědla, což vedlo k významnému zlepšení jejich chemicko-fyzikálních, mechanických a biologických vlastností. Kromě toho byla stejným postupem vytvořena supramolekulární nanokompozitní hydrogelová membrána složená z nanokrystalů kolagenu a chitinu, a byly vytvořeny vrstvené hydrogelové membrány (LHM). Tyto LHM prokázaly zlepšené mechanické vlastnosti, cytokompatibilitu a řízené uvolňování léčiva s použitím Octenidin dihydrochloridu (OCT) jako modelového léčiva. Kombinace nanokrystalů kolagenu a chitinu významně zvýšila modul pružnosti, pevnost a houževnatost ve srovnání s nativním kolagenem a zároveň zlepšila cytokompatibilitu a buněčnou adhezi. Tyto poznatky nabízejí cenné vodítko pro navrhování LHM pro lékařské aplikace, včetně řízeného uvolňování léčiv a regenerace tkání. 3D hybridní buněčné nosiče založené na kolagenu roubovaném fibrilami komplexu chitosanglukan (CO-g-CSGCF-HBS) byly připraveny za použití techniky lyofilizace. Modifikace kolagenu pomocí CSGCF významně zlepšila chemickofyzikální vlastnosti nosiče, hydrolytickou stabilitu a mechanickou pevnost. Studie in vitro ukázaly, že hybridní nosič zlepšilo životaschopnost mezenchymálních kmenových buněk (MSC) a vykazovalo vyšší míru antibakteriálního působení ve srovnání s kontrolními vzorky. Chemická modifikace kolagenu s různými poměry CSGCF významně zlepšila fyzikálně-chemické, bakteriocidní a adhezní vlastnosti nosiče, což apotvrzuje jeho potenciál pro terapeutické a biomedicínské aplikace, zejména při regeneraci kostí.
This thesis investigates the extraction and preparation of chitin nanocrystals with varying degrees of deacetylation and their use as nanofillers to enhance the performance properties of polysaccharide hyaluronan and protein collagen matrices. The study covers the fabrication of different material forms, such as films, hydrogel membranes, and 3D scaffolds, using chitin nanocrystals and chitosan-glucan fibril complexes as fillers. The extraction process of chitin nanocrystals from shrimp shells and chitin-based fibril structures from nonanimal sources like Aspergillus niger was optimized by examining the influence of pH, reaction temperature, and time on the degree of deacetylation. Hyaluronan films incorporating chitin nanocrystals were prepared via an evaporation-induced self-assembly method, resulting in significant enhancements in their chemophysical, mechanical, and biological properties. Additionally, a supramolecular self-assembly nanocomposite hydrogel membrane composed of collagen and chitin nanocrystals was created using the same process, producing layered hydrogel membranes (LHMs). These LHMs demonstrated improved mechanical properties, cytocompatibility, and controlled drug release using Octenidine dihydrochloride (OCT) as a model drug. The combination of collagen and chitin nanocrystals significantly increased modulus, strength, and toughness compared to native collagen, while also improving cytocompatibility and cell adhesion. These insights offer valuable guidance for designing LHMs for medical applications, including controlled drug release and tissue regeneration. A 3D hybrid scaffold based on collagen grafted with fibrils of the chitosan-glucan complex (CO-g-CSGCF-HBS) was fabricated using a freeze drying technique. Modification of collagen with CSGCF significantly enhanced the scaffold's chemophysical properties, hydrolytic stability, and mechanical strength. In vitro studies showed that the hybrid scaffold improved cell viability using mesenchymal stem cells (MSCs) and exhibited a higher antibacterial reduction rate compared to control samples. The chemical modification of collagen with various ratios of CSGCF significantly improved the scaffold's physicochemical, bactericidal, and cell adhesion properties of the scaffold, indicating its potential for therapeutic and biomedical applications, particularly in bone regeneration.
This thesis investigates the extraction and preparation of chitin nanocrystals with varying degrees of deacetylation and their use as nanofillers to enhance the performance properties of polysaccharide hyaluronan and protein collagen matrices. The study covers the fabrication of different material forms, such as films, hydrogel membranes, and 3D scaffolds, using chitin nanocrystals and chitosan-glucan fibril complexes as fillers. The extraction process of chitin nanocrystals from shrimp shells and chitin-based fibril structures from nonanimal sources like Aspergillus niger was optimized by examining the influence of pH, reaction temperature, and time on the degree of deacetylation. Hyaluronan films incorporating chitin nanocrystals were prepared via an evaporation-induced self-assembly method, resulting in significant enhancements in their chemophysical, mechanical, and biological properties. Additionally, a supramolecular self-assembly nanocomposite hydrogel membrane composed of collagen and chitin nanocrystals was created using the same process, producing layered hydrogel membranes (LHMs). These LHMs demonstrated improved mechanical properties, cytocompatibility, and controlled drug release using Octenidine dihydrochloride (OCT) as a model drug. The combination of collagen and chitin nanocrystals significantly increased modulus, strength, and toughness compared to native collagen, while also improving cytocompatibility and cell adhesion. These insights offer valuable guidance for designing LHMs for medical applications, including controlled drug release and tissue regeneration. A 3D hybrid scaffold based on collagen grafted with fibrils of the chitosan-glucan complex (CO-g-CSGCF-HBS) was fabricated using a freeze drying technique. Modification of collagen with CSGCF significantly enhanced the scaffold's chemophysical properties, hydrolytic stability, and mechanical strength. In vitro studies showed that the hybrid scaffold improved cell viability using mesenchymal stem cells (MSCs) and exhibited a higher antibacterial reduction rate compared to control samples. The chemical modification of collagen with various ratios of CSGCF significantly improved the scaffold's physicochemical, bactericidal, and cell adhesion properties of the scaffold, indicating its potential for therapeutic and biomedical applications, particularly in bone regeneration.
Description
Keywords
Chitinové nanokrystaly, deacetylace, hyaluronanu, kolagen, komplex chitosan-glukan, samouspořádávání, hydrogelové membrány, uvolňování léčiv, 3D buněčné nosiče, mezenchymální kmenové buňky, antibakteriální vlastnosti, regenerace tkání., Chitin nanocrystals, deacetylation, hyaluronan, collagen, chitosan-glucan fibril complex, evaporation-induced self-assembly, hydrogel membranes, drug release, 3D scaffolds, mesenchymal stem cells, antibacterial properties, tissue regeneration.
Citation
RADWAN, R. Příprava chitinových nanofibrily a jejich medicínské aplikace [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. CEITEC VUT. 2025.
Document type
Document version
Date of access to the full text
Language of document
en
Study field
bez specializace
Comittee
prof. RNDr. Radim Chmelík, Ph.D. (předseda)
prof. Ing. Radimír Vrba, CSc. (místopředseda)
prof. Ing. Marián Lehocký, Ph.D. (člen)
Doc. Dorota Kolbuk-Konieczny, PhD. (člen)
prof. RNDr. Jaroslav Cihlář, CSc. (člen)
Date of acceptance
2025-01-14
Defence
Práce studentky Radwan se zabývá přípravou nanokrystalů chitinu s různým stupněm deacetylace a jejich použití jako nanoplnivo pro zvýšení funkčních vlastností hyaluronových a proteinových matric. Studie pokrývá přípravu filmů, hydrogelových membrány a 3D buněčných nosičů, s použitím chitinových nanokrystalů a komplexů chitosan-glukanových fibril jako plniv. Práce je vysoce aktuální a stanovené cíle byly splněny. Výsledky práce nabízejí cenné vodítko pro navrhování LHM pro lékařské aplikace, včetně řízeného uvolňování léčiv a regenerace tkání. 3D hybridní buněčné nosiče založené na kolagenu roubovaném fibrilami komplexu chitosanglukan (CO-g-CSGCF-HBS) byly připraveny za použití techniky lyofilizace. Modifikace kolagenu pomocí CSGCF významně zlepšila chemicko-fyzikální vlastnosti nosiče, hydrolytickou stabilitu a mechanickou pevnost. Studie in vitro ukázaly, že hybridní nosič zlepšil životaschopnost mezenchymálních kmenových buněk (MSC) a vykazoval vyšší míru antibakteriálního působení ve srovnání s kontrolními vzorky. Chemická modifikace kolagenu s různými poměry CSGCF významně zlepšila fyzikálně-chemické, bakteriocidní a adhezní vlastnosti nosiče, což potvrzuje jeho potenciál pro terapeutické a biomedicínské aplikace, zejména při regeneraci kostí. Dále se práce zabývá řízeným uvolňováním léčiva a antibakteriálními vlastnostmi připravených materiálů, obojí kritické pro biomedicínské použití. Vylepšením lešení kolagenu a hyaluronanu pomocí chitinových derivátů je tento výzkum v souladu s pokroky v bioinženýrských materiálech, které lze použít při vynikající regeneraci tkání. Tato včasná práce tak přispívá k vývoji multifunkčních biomateriálů se slibným terapeutickým potenciálem. V průběhu obhajoby paní Radwan prokázala výbornou orientaci ve zkoumané problematice a na dotazy oponentů a členů komise odpověděla výborně.
Result of defence
práce byla úspěšně obhájena
Document licence
Standardní licenční smlouva - přístup k plnému textu bez omezení