Titlu: Structuri biopolimerice obținute prin tratament cu plasmă pentru vindecarea rănilor – BIOPLASM

Cod proiect: PN-III-P2-2.1-PED-2021-2559

Numar contract: 632PED/2022

Perioada de desfasurare: 21.06.2022 – 20.06.2024

Sursa de finantare: Unitatea Executivă pentru Finanțarea Învățământului Superior, a Cercetării, Dezvoltării și Inovării (UEFISCDI)

Rezumat:

Rănile cronice, arsurile severe sau rănile infectate sunt printre cele mai dureroase boli care necesită tratament costisitor pe termen lung. În prezent, tratementul clinic al rănilor cronice este dificil din cauza riscului crescut de infecție cu bacterii rezistente la antibiotice și a deficiențelor terapiilor actuale. În cadrul proiectului BIOPLASM va fi dezvoltată o nouă tehnologie de fabricare a pansamentelor bistratificate, bazată pe nanoceluloză și procesarea cu plasmă rece. Scopul proiectului este de a obține pansamente eficiente pentru tratamentul rănilor infectate prin dezvoltarea de nanopurtători antibacteriani din nanoceluloză depuşi pe un substrat din poliester alifatic. Utilizarea plasmei reci pentru prelucrarea nanocelulozei și a biopolimerilor în vederea aplicării în medicină este un domeniu efervescent, cu beneficii importante legate de protejarea mediului, lipsa de produse secundare sau deșeuri, sterilizare și largi posibilităţi de funcționalizare. Tratamentul cu plasmă rece a suspensiilor lichide de nanoceluloză este un concept dezvoltat de ICECHIM și INFLPR în cadrul unui proiect anterior. Acest lucru va servi ca punct de plecare împreună cu funcționalizarea și procesarea nanocelulozei și a poliesterilor alifatici pentru construirea unei noi abordări tehnologice în vederea fabricării pansamentelor bistratificate. Noua tehnologie va fi validată prin studii in vitro și in vivo. Proiectul va fi implementat de un grup experimentat de cercetători de la ICECHIM, INFLPR și Institutul Cantacuzino.

Obiectivul general al proiectului BIOPLASM este dezvoltarea și validarea în laborator a unei tehnologii pentru fabricarea de pansamente bistratificate

bazate pe nanoceluloză și procesare cu plasmă rece.

Proiectul are următoarele obiective specifice:

– Proiectarea de noi nanopurtători pe bază de nanoceluloză (NC);

– Sinteza NC purtătoare de diferiți agenți antibacterieni și testarea unor noi căi tehnologice pentru depunerea nanopurtătorilor pe substrat de biopolimer activat cu plasmă;

– Caracterizarea structurii și morfologiei, a proprietăților termice și mecanice ale structurilor stratificate obținute;

– Caracterizarea in vitro a citotoxicității și a activității antimicrobiene a pansamentelor stratificate; selectarea soluției tehnologice optime;

– Demonstrarea performanței și validarea noii tehnologii pentru fabricarea pansamentelor bistratificate antibacteriene.

Etapa I

Rezumat executiv al activităților realizate în prima etapă

In cadrul acestei etape s-au sintetizat nanopurtători pe bază de nanoceluloză (NC) folosind pentru activarea NC oxidarea TEMPO, funcţionalizarea cu silani şi plasma imersată în suspensia de nanoceluloză conţinând agent oxidant. Eficienţa tratamentelor aplicate şi modificările induse la suprafaţa NC au fost evidenţiate prin microscopie electronică, spectroscopie în infraroşu, XPS şi analiză termogravimetrică. NC funcţionalizată sau nu a fost impregnată cu extracte ale agenţilor antibacterieni naturali în etanol în proporţie de 5 si 10% rezultând nanopurtători ANC(I) care au fost caracterizaţi în privinţa structurii, morfologiei şi a proprietăţilor termice. Rezultatele au indicat faptul că agenţii antibacterieni naturali folosiţi au aderat la substratul celulozic şi nu au dăunat stabilităţii termice a nanocelulozei. Testele de citotoxicitate au arătat un efect important al agenţilor antibacterieni din ANC(I) asupra viabilităţii celulare. Tot în această etapă s-a realizat substratul de biopolimer din mai multe amestecuri polimerice care au avut drept componentă principală poli(3-hidroxibutirat-co-hidroxivalerat) care a fost modificat cu diverşi bioelastomeri. Filme din aceste amestecuri polimerice au fost tratate cu plasmă rece în diverse condiţii (număr diferit de scanări, un singur gaz sau amestec de gaze) pentru activarea suprafeţei. In acest scop s-a realizat o sursa de plasmă de tip DBD planar, care funcţionează la presiune atmosferică şi care a fost montata pe o masă de translaţie comandată prin intermediul calculatorului pentru ca tratamentul să fie aplicat pe toată suprafaţa suportului biopolimeric. Caracterizarea morfo – structurală prin spectrometrie fotoelectronică cu raze X şi SEM precum şi analiza termică şi mecanic-dinamică a substratului înainte şi după tratamentul cu plasmă rece au pus în evidenţă influenţa acestui tratament asupra structurii suprafeţei, a stabilităţii termice şi a rezistenţei mecanice a suportului din biopolimer.

       Lucrările de cercetare din cadrul acestei etape au fost diseminate printr-un articol publicat (online) în Journal of Polymers and the Environment (Springer-Nature, IF 4.705, Q1) şi două comunicări (poster) la RICCCE 22 şi la 7th International Colloquium on “Physics of Materials”, PM-7. S-a realizat de asemenea pagina web a proiectului. Prin lucrările efectuate în cadrul acestei etape toate obiectivele planificate au fost îndeplinite.

Etapa a II-a

Rezumat executiv al activităților realizate în etapa a doua

In cadrul acestei etape s-au realizat nanopurtători antibacterieni pe bază de nanoceluloză si s-au desfasurat experimentări pentru obținerea de pansamente bistratificate care conțin acesti nanopurtători antibacterieni. Caracterizarea morfo-structurală a nanopurtătorilor prin FTIR si SEM precum si caracterizarea termica si mecanica au evidentiat modificarea nanocelulozei datorita agentilor antibacterienei inglobati. Pentru nanopurtătorii de tip emulsii Pickering s-a determinat stabilitatea acestora si variatia stabilitatii in timp. Raportul de analiză a citotoxicității a indicat o viabilitate celulara de peste 90% pentru toate probele testate, ceea ce indica faptul ca nanopuratatorii ANC nu sunt toxici ci prezinta un grad inalt de biocompatibilitate. De asemenea nanopuratatorii ANC prezinta efect antibacterian testat in cazul Staphylococcus aureus. Pe baza acestor rezultate s-a selectat solutia cea mai avantajoasa care a fost testata la acoperirea filmelor din biopolimer pentru obținerea de pansamente bistratificate. Experimentele de activare cu plasma a substratului si de pulverizare a nanopurtatorilor selectati au permis stabilirea condițiile tehnologice pentru realizarea pansamentelor. Acestea au fost caracterizate din punct de vedere morfo-structural, termic si mecanic, rezultatele evidentiind proprietati mai bune dupa tratarea cu plasma si acoperirea cu nanopurtatori.

Etapa a III-a

Rezumat executiv al activităților realizate în etapa a treia

În cadrul etapei a III-a, s-a elaborat un nou procedeu „one-pot” de obţinere a pansamentelor stratificate antibacteriene care presupune activarea suportului prin utilizarea unui jet de plasmă rece şi aplicarea prin pulverizare a nanopurtătorilor antibacterieni ANC într-o singură fază. In acest scop, s-a realizat o nouă instalaţie avȃnd montate sursa de plasmă şi sursa de pulverizare la aceeaşi masă de translaţie. Pentru îmbunătăţirea calităţii pansamentelor stratificate realizate prin procedeul „one-pot”, suspensiile de nanopurtători antibacterieni s-au modificat prin aditivare cu polimeri biocompatibili pentru o mai bună aderenţă la substratul biopolimeric. S-a elaborat şi s-a demonstrat tehnologia de laborator de obţinere a pansamentelor bistratificate antibacteriene prin obţinerea şi caracterizarea unui număr reprezentativ de pansamente aplicȃnd cele două variante tehnologice dezvoltate în cadrul proiectului. Ambele variante tehnologice prezintă avantaje legate de rapiditate, simplitate şi productivitate pe lȃngă faptul că sunt prietenoase mediului. Prima variantă necesită o instalaţie de generare a plasmei, în timp ce a doua poate fi aplicată şi în lipsa acesteia. Raportul de analiză a activității antimicrobiene in vivo s-a realizat prin aplicarea pansamentelor antimicrobiene în vindecarea rănilor infectate cu MRSA care a evidenţiat vindecarea după 4 zile. Tehnologia de laborator de obţinere a pansamentelor stratificate antibacteriene a fost validată pe baza caracteristicilor pansamentelor bistratificate realizate demonstrȃndu-se efectul antibacterian şi prezenţa agenţilor antimicrobieni pe suprafaţa acestora precum şi menţinerea proprietăţilor mecanice şi de stabilitate termică cel puţin la nivelul celor caracteristice substratului. Rezultatele obţinute au fost diseminate prin depunerea a două cereri de brevet de invenţie, prin comunicarea rezultatelor sub formă de prezentări orale şi postere în cadrul a 5 conferinţe naţionale şi internaţionale, prin publicarea unui articol şi prin actualizarea paginii web a proiectului.

Articole publicate:

1. D. M. Panaitescu, V. Melinte, A. N. Frone, C. A. Nicolae, A. R. Gabor, L. Capra, Influence of biobased polyurethane structure on thermal and mechanical properties of poly(3- hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate) – polyurethane blends, Journal of polymers and the environment 2022, 31, 1584–1597 (2023).
2. G. M. Oprică, D. M. Panaitescu; C. D. Usurelu, G. M. Vlăsceanu, P. O. Stanescu, B. E. Lixandru, V. Vasile, A. R. Gabor, C.-A Nicolae, M. Ghiurea, A. N. Frone, Nanocellulose Sponges Containing Antibacterial Basil Extract, Int. J. Mol. Sci. 2023, 24, 11871
3. L. G. Coman, M. Marcu, T. Acsente, S. Vizireanu, V. Satulu, G. Dinescu, E. Matei, T. Spataru, N. Spataru, L. Preda, Hybrid nanostructures based on vertically graphenes decorated with tungsten oxide nanoparticles for enhanced capacitive performance, Diamond and Related Materials, 2023, 139, 110316
4. C. D. Uşurelu, D. M. Panaitescu, Nanocellulose/Nanodiamond Hybrids: A Review. Macromol 2023, 3, 400-420
5. G. M. Oprică, D. M. Panaitescu, B. E. Lixandru, C. D. Uşurelu, A. R. Gabor, C.-A. Nicolae, R. C. Fierascu, A. N. Frone, Plant-derived nanocellulose with antibacterial activity for wound healing dressing, Pharmaceutics 2023, 15 (12), 2672
6. S. Vizireanu, I. Constantinoiu, V. Satulu, S. D. Stoica, C. Viespe, High-Sensitivity H2 and CH4 SAW Sensors with Carbon Nanowalls and Improvement in Their Performance after Plasma Treatment, Chemosensors 2023, 11(11), 566
7. D. M. Panaitescu, C. Stancu, S. I. Vizireanu, V. Sătulu, M. Ghiurea, G. M. Oprică, C. D. Uşurelu, C. A. Nicolae, M. F. Raduly, A. N. Frone, Influence of cold plasma treatment on cellulose modification with different oxidizing agents (în pregătire)

Cereri de brevet de invenţie:

1. D. M. Panaitescu, A. N. Frone, G. M. Oprică, C. D. Uşurelu, A. C. Nicolae, A.R. Gabor, C. Firincă, S. Vizireanu, C. Stancu Procedeu de obṭinere a unor dispozitive medicale stratificate cu efect antibacterian din biopolimeri şi nanoceluloză ca nanopurtător al principiilor naturale active, brevet ICECHIM-INFLPR, A2024-00315/12.06.2024
2. S. Vizireanu, C. Stancu, T. Acsente, C. Constantin, M. Valentina, S. Veronica, G. Dinescu, D. M. Panaitescu, A. N. Frone, A. M. Holban, F. Marinescu Sursa de plasma rece DBD liniara cu electrozi plani prevazuta cu injectie de gaze reactive direct in descarcare pentru procesare de suprafete extinse, brevet INFLPR-ICECHIM-UB, A2024-00330/14.06.2024

Comunicări ştiinţifice:

1. S. Vizireanu, V. Satulu, C. Stancu, A. Bonciu, G. Dinescu, D. Panaitescu, A. Frone, V. Raditoiu, C. Nicolae, C. Usurelu, Cold plasma activation of biopolymers for wound healing dressings, 22nd Romanian International Conference on Chemistry and Chemical Engineering, RICCCE 22, 7-9 Septembrie 2022, Sinaia, România (poster).
2. C.-D. Uşurelu, A. N. Frone, C. A. Nicolae, A. R. Gabor, S. Vizireanu, V. Satulu, C. Stancu, S. M. Teodorescu, D. M. Panaitescu, A parallel between plasma irradiation of nanocellulose water suspensions and silane grafting as surface treatments of nanocellulose, The 7th International Colloquium on “Physics of Materials”, PM-7, 10-11 Noiembrie 2022, România (poster).
3. G. M. Oprică, C. D. Ușurelu, A. N. Frone, V. Rădițoiu, A. R. Gabor, C-A. Nicolae, D. M. Panaitescu, Influence of plant extract on the properties of nanocellulose, NeXT-Chem Workshop Vth Edition, 22-23 Mai 2023, Bucureşti, România (prezentare orală)
4. D. Panaitescu, S. Vizireanu, A. Frone, C. Stancu, R. Gabor, C. Nicolae, V. Mărăscu, C. Uşurelu, V. Sătulu, Modification of the surface properties of biopolymers blends by cold plasma treatment, 21st International Balkan Workshop on Applied Physics, 11-14 Iulie Constanţa, România (prezentare orală)
5. D. M. Panaitescu, S. Vizireanu, V. Sătulu, C-A. Nicolae, C. D. Uşurelu, G. M. Oprică, M. Ghiurea, C. Stancu, A. N. Frone, Cellulose oxidation induced by plasma in liquid treatment, Scientific congress POLY-K 2023 „Advances in polymer composites and nanocomposites, 13-15 Septembrie 2023, Terni, Italia (poster)
6. G. M. Oprică, C. D. Ușurelu, A. N. Frone, B. E. Lixandru, A. R. Gabor, C-A. Nicolae, R. C. Fierascu, D. M. Panaitescu, Nanocellulose sponges containing antibacterial natural products, Scientific congress POLY-K 2023 „Advances in polymer composites and nanocomposites”, 13-15 Septembrie 2023, Terni, Italia (prezentare orală)
7. S. Vizireanu, V. Satulu, C. Stancu, A. Bonciu, G. Dinescu, D. Panaitescu, A. N. Frone, C. A. Nicolae, Optimization of plasma in liquid treatment for modification of cellulose suspensions, XXth International Conference on Plasma Physics and Applications, 13-16 Iulie 2023, Iaşi, România (poster)
8. G-M. Oprică, C-D. Ușurelu, A. N. Frone, R. C. Fierăscu, C-A. Nicolae, I. Caras, S. Vizireanu, D. M. Panaitescu, Dressings based on poly (3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate) and a phenolic natural product, NeXT-Chem Workshop VIth Edition, 21-22 Martie 2024, Bucuresti, România (prezentare orală)
9. G-M. Oprică, C-D. Ușurelu, C-A. Nicolae, I. E. Neblea, R. C. Fierăscu, D. M. Panaitescu, A. N. Frone, Pickering emulsions stabilized using curcumin-loaded TEMPO-oxidized nanocellulose, Polymers 2024 „Polymers for a Safe and Sustainable Future”, 28–31 Mai 2024, Atena, Grecia (poster)
10. D. M. Panaitescu, A. N. Frone, G-M. Oprică, C-D. Ușurelu, A. R. Gabor, C. A. Nicolae, B. E. Lixandru, V. Satulu, S. Vizireanu, Layered dressings from biopolymers and natural antibacterial products, Polymers 2024 „Polymers for a Safe and Sustainable Future”, 28–31 Mai 2024, Atena, Grecia (poster)
11. S. Vizireanu, V. Satulu, C. Stancu, V. Marascu, A. Bonciu, G. Dinescu, D. Panaitescu, A. Frone, V. Raditoiu, C. Nicolae, M. Oprică, B. Lixandru, C. Coman, Plasma treatments for the improvement of the antibacterial properties of wound dressings, ICLPR-ST, 16-20 iunie 2024, Crişan Delta Dunării, România (poster)
12. G-M. Oprică, C-D. Ușurelu, A. N. Frone, C. Firincă, C. A. Nicolae, R. C. Fierăscu, D. M. Panaitescu, Comparative effect of unmodified and surface-modified nanocellulose on the characteristics of nanoemulsions, International Conference NanoBioMat Vth Edition, 19-20 Iunie 2024, Bucureşti, România (prezentare orală)

ICECHIM:

Dr. eng. Denis Mihaela Panaitescu