Proiectarea de noi sisteme purtatoare de gaze pe bază de nanoceluloză

Cod proiect: PN-III-P4-PCE-2021-0435

PCE 77/2.06.2022

  • Home
  • Objectives
  • Results
  • Publications
  • Project Team
  • Contact
Home

Rezumat

Privarea severă de oxigen poate provoca probleme importante în rănile cronice, în timpul conservării și implantării organelor sau în caz de traume, șoc hemoragic sau pneumonie virală. Oxigenul previne infectarea rănilor, crește viabilitatea celulară după implantare și ar putea fi un tratament eficient în pneumonia virală. În prezent, nu există nicio soluție viabilă pentru a furniza oxigen grefelor pe perioada de vindecare și pentru a administra un volum mare de oxigen pacienților care au suferit o lipsă profundă de oxigen. Scopul proiectului CELGAS este de a dezvolta sisteme inovatoare purtătoare de oxigen capabile să furnizeze oxigen într-o manieră controlată țesutului rănit/implanturilor sau intravenos. Sistemele inovatoare purtătoare de oxigen vor asigura eliberarea controlată de oxigen pentru perioade lungi de timp, vor prezenta o stabilitate ridicată, biodegradabilitate, nu vor fi citotoxice și vor prezenta o dimensiune nanometrică, esențială în cazul administrării intravenoase pentru evitarea obstrucției vasculare. În CELGAS, problema va fi abordată folosind nanoceluloză și nanoceluloză/biopolimer pentru a încapsula specii generatoare de oxigen sau pentru a obține nanobule conținand oxigen.

Objectives

Obiectiv principal: dezvoltarea de sisteme inovatoare de transport de oxigen capabile să furnizeze oxigen în mod controlat țesutului/implantului vătămat sau intravenos. Sistemele inovatoare de purtători de oxigen vor asigura o eliberare controlată a oxigenului pe perioade mai lungi de timp, vor prezenta o stabilitate ridicată, biodegradabilitate, lipsă de toxicitate și în cazul administrării intravenoase, o dimensiune nanometrică.

Obiective specifice:

a. Proiectarea de noi sisteme purtătoare de oxigen prin încorporarea elementelor active în purtători de tip nanoceluloză sau nanoceluloză biopolimeri;

b. Proiectarea de sisteme purtătoare conţinand gaze încorporate;

c. Optimizarea proceselor de încorporare a elementelor active și selectarea alternativelor viabile pentru extinderea la un nivel tehnologic superior.

Results

Etapa I

In cadrul acestei etape s-au proiectat şi s-au realizat sisteme purtătoare de oxigen capabile de a furniza oxigen în cazul rănilor cronice, în timpul conservării și în cazul implantării organelor sau în alte cazuri de traume. Soluţia dezvoltată se bazează pe încapsularea speciilor generatoare de oxigen

într-un substrat poros de nanoceluloza sau nanoceluloză funcţionalizată. In acest scop, nanoceluloza a fost modificată prin oxidare TEMPO, prin grefare de alchilsilan cu lanţ alifatic lung, prin grefare de poli(etilen glicol) metil eter metacrilat şi oligomeri ai poli(3-hidroxibutirat)-ului. Funcţionalizarea

nanocelulozei a avut ca scop modificarea proprietăţilor de suprafaţă şi imprimarea caracterului amfifil pentru încorporarea mai eficientă a speciilor generatoare de oxigen. Eficienţa funcţionalizării a fost demonstrată prin caracterizarea morfo-structurală, termică şi a proprietăţilor de suprafaţă. Speciile generatoare de oxigen selectate au fost încorporate în substraturile poroase de nanoceluloză şi nanoceluloză funcţionalizată, elaborându-se metodologia de obţinere a sistemelor purtătoare de oxigen. Sistemele purtătoare de oxigen au fost caracterizate şi proprietăţile lor au fost corelate cu tratamentul aplicat substratului nanocelulozic. Lucrările de cercetare din cadrul acestei etape au fost diseminate prin publicarea a două articole, unul în International Journal of Biological Macromolecules (FI 8,025, Q1) şi celălalt în Polymers (FI 4,967, Q1) şi prin comunicarea a două lucrari, un poster şi o comunicare orală premiată. Toate activităţile preconizate pentru această etapă au fost realizate.

Etapa III

În cadrul celei de a treia etape, au fost dezvoltate sisteme purtătoare de oxigen pe bază de biopolimeri și un endoperoxid natural, capabile să elibereze atât specii reactive de oxigen, cât și oxigen molecular. Aceste sisteme au aplicații în tratarea unei game variate de afecțiuni, în special a rănilor cronice care suferă adesea de un aport insuficient de oxigen și au un risc crescut de infecții. Soluţia inovatoare a constat în proiectarea şi fabricarea unor nanosfere purtătoare care să înglobeze în interior, aer sau oxigen, cu potenţial în tratarea hipoxiei, iar în învelişul exterior, de natură biopolimerică, un endoperoxid natural, care se descompune cu eliberarea de specii reactive de oxigen cu acţiune antibacteriană, antivirală, antifungică, antiinflamatoare şi anticancer. Noile sisteme realizate sunt deosebit de importante în contextul problemelor actuale legate de creşterea rezistenţei la antibiotice şi antivirale a bacteriilor şi virusurilor. Ca metodă de fabricare a nanosferelor s-a folosit tehnica emulsifierii-evaporării de solvent, pentru obţinerea emulsiilor fiind exploatate singular sau combinat, diferite metode de omogenizare, precum agitarea mecanică, ultrasonarea, omogenizarea intensivă şi/sau microfluidizarea. Eficienţa sistemelor preparate în eliberarea treptată şi controlată de oxigen molecular a fost pusă în evidenţă cu ajutorul unui senzor optic de oxigen, care a cuantificat cantitatea de oxigen dizolvat în apă în timp. Testele in vivo realizate prin pulverizarea sistemelorselectate direct pe locul rănii infectate cu stafilococ auriu meticilino-rezistent au demonstrat capacitatea materialelor obţinute în acest proiect de a vindeca rapid rănile infectate.

Publications

Articole publicate:

1. D. M. Panaitescu, S. Stoian, A. N. Frone, G. M. Vlăsceanu, D. D. Baciu, A. R. Gabor, C. A. Nicolae, V. Radiţoiu, E. Alexandrescu, A. Căşărică, C.

Damian, P. Stanescu, Nanofibrous scaffolds based on bacterial cellulose crosslinked with oxidized sucrose, International Journal of Biological Macromolecules, 221, 2022, 381-397, https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2022.08.189.

2. I. Chiulan, D. M. Panaitescu, A. Serafim, E. R. Radu, G. Ioniţă, V. Rădiţoiu, A. R. Gabor, C. A. Nicolae, M. Ghiurea, D. D. Baciu, Sponges from plasma treated cellulose nanofibers grafted with poly(ethylene glycol)methyl ether methacrylate. Polymers 14, 2022, 4720, https://doi.org/10.3390/polym14214720.

3. D. M. Panaitescu, A. N. Frone, C-A. Nicolae, A. R. Gabor, D. M. Miu, M-G. Soare, B. S. Vasile, I. Lupescu, Poly(3-hydroxybutyrate) nanocomposites modified with even and odd chain length polyhydroxyalkanoates, International Journal of Biological Macromolecules, 2023, 244, 125324.

4. 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.

5. Uşurelu, C.D.; Panaitescu, D.M.; Oprică, G.M.; Nicolae, C.-A.; Gabor, A.R.; Damian, C.M.; Ianchiş, R.; Teodorescu, M.; Frone, A.N. Effect of Medium-Chain-Length Alkyl Silane Modified Nanocellulose in Poly(3-hydroxybutyrate) Nanocomposites. Polymers 2024, 16, 3069. https://doi.org/10.3390/polym16213069

6. Uşurelu, C.D.; Frone, A.N. Oprică, G.M.; Raduly, M.F.; Ghiurea, M.; Neblea, E.I.; Nicolae, C.-A.; Filip, X.; Teodorescu, M.S.; Panaitescu, D.M. Preparation and functionalization of cellulose nanofibers using a naturally occurring acid and their application in stabilizing linseed oil/water Pickering emulsions. International Journal of Biological Macromolecules 2024, 262, Part 1, 129884, ISSN 0141-8130, https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2024.129884.

7. Panaitescu, D.M., Oprea, M., Frone, A.N. et al. Valorization of Spent Lignocellulosic Substrate of Edible Mushrooms into Cellulose Nanofibers for Bionanocomposites Production. J Polym Environ 2024, 32, 6618–6635. https://doi.org/10.1007/s10924-024-03378-3.

8.  Frone, A.N.; Panaitescu, D.M.; Gabor, A.R.; Nicolae, C.A.; Bradu, C. Poly(3-hydroxybutyrate) modified with thermoplastic polyurethane and microfibrillated cellulose: hydrolytic degradation, thermal and mechanical properties. Polymers 2024, in evaluare

Brevete/cereri de brevet

1. D.M. Panaitescu, F. Oancea, G.M. Oprica, A.N. Frone, D. Constantinescu Aruxandei, B. Trică, C.A. Nicolae, A.R. Gabor, Process for obtaining cellulose nanofibers from lignocellulosic waste and method of using them to obtain bionanocomposites – cerere de brevet nr. A 2024

-00186/17.04.2024.

2. D.M. Panaitescu, A.N. Frone, A.R. Gabor, C-D. Uşurelu, G.M. Oprica, C. A. Nicolae, D. Radu. Nanopurtători cu endoperoxid natural şi procedeu de obţinere a acestora

Comunicari stiintifice

1. C-D. Uşurelu, D. M. Panaitescu, S. Stoian, A. N. Frone, A. R. Gabor, C. A. Nicolae, E. Alexandrescu, Bacterial cellulose sponges obtained using a green

crosslinker, Conferința Națională de Chimie, ediția a XXXVI-a, Calimaneşti, 4-7 Octombrie 2022 (poster)

2. C-D. Uşurelu, D. M. Panaitescu, A. N. Frone, A. R. Gabor, C. A. Nicolae, M. F. Raduly, M. Teodorescu, Obtaining poly(3-hydroxybutyrate) oligomers via the controlled thermal degradation of poly(3-hydroxybutyrate) in the presence of metal compounds, XVIII-th International Symposium PRIOCHEM “Priorities of Chemistry for a Sustainable Development” October 26-28, 2022 (premiul pentru comunicare orala)

3. C-D. Uşurelu, D. M. Panaitescu, A. N. Frone, A. R. Gabor, C-A. Nicolae, M. F. Raduly, M. Teodorescu, PHB oligomers obtained by controlled thermal degradation of PHB, Advanced Nano Materials Conference, University of Aveiro, Portugal, July 26-28, 2023 ( comunicare orala online)

4. C-D. Uşurelu, G-M. Oprica, E. I. Neblea, M. F. Raduly, C-A. Nicolae, A. R. Gabor, A. N. Frone, M. Teodorescu, D. M. Panaitescu, Throughout thermal characterization of ester-grafted nanocellulose, 7-th Central and Eastern European Conference on Thermal Analysis and Calorimetry, CEEC-TAC7, Brno, Cehia, August 28-31, 2023 (poster).

5. G. M. Oprica, C. D. Usurelu, A. N. Frone, R. Ianchis, D. M. Panaitescu, Nanofibrillated cellulose as a stabilizer of Pickering emulsions, 21st International Balkan Workshop on Applied Physics, Constanţa, Romania, July 11-14, 2023 (poster)

6. C-D. Uşurelu, G-M. Oprica, A. N. Frone, A. R. Gabor, C-A. Nicolae, D. M. Panaitescu, Effect of surface treated nanocellulose on the crystallization behavior of poly(3-hydroxybutyrate), 21st International Balkan Workshop on Applied Physics, Constanţa, Romania, July 11-14, 2023 (comunicare orala)

7. C-D. Uşurelu, G-M. Oprica, A. N. Frone, C-A. Nicolae, D. M. Panaitescu, M. Teodorescu, Modification of nanocellulose’s surface by oxidation and silylation, NeXT-Chem V, Tehnologii inovatoare trans-sectoriale, May 22-23, 2023, Bucharest, Romania (comunicare orala)

8. C-D. Uşurelu, G-M. Oprica, A. N. Frone, V. Raditoiu, A. R. Gabor, C-A. Nicolae, M. Teodorescu, D. M. Panaitescu, Nanocellulose grafted with oligomers obtained through the controlled thermal degradation of poly(3-hydroxybutyrate), POLY-K 2023 „Advances in polymer composites and nanocomposites”, Terni, Italy, September 13-15, 2023 (poster)

9. A. N. Frone, C. D. Usurelu, G. M. Oprica, A. R. Gabor, G. M. Teodorescu, C-A. Nicolae, D. Panaitescu, Tuning the properties of poly(3-hydroxybutyrate)/nanocellulose composites with bio-based polymeric lubricants, POLY-K 2023 „Advances in polymer composites and nanocomposites”, Terni, Italy, September 13-15, 2023 (poster)

10. C-D. Uşurelu, G-M. Oprica, M. F. Raduly, A. R. Gabor, C-A. Nicolae, A. N. Frone, M. Teodorescu, D. M. Panaitescu, Chemically modified nanocellulose for Pickering emulsions stabilization, POLY-K 2023 „Advances in polymer composites and nanocomposites”, Terni, Italy, September 13-15, 2023 (comunicare orala)

11. C-D. Uşurelu, G-M. Oprică, A. N. Frone, E-I. Neblea, M. F. Raduly, A. R. Gabor, C-A. Nicolae, M. Teodorescu, D. M. Panaitescu, Preparation and functionalization of nanocellulose using lactic acid: morphostructural characterization and emulsifying capacity, “PRIORITIES OF CHEMISTRY FOR A SUSTAINABLE DEVELOPMENT” PRIOCHEM – XIXth Edition, Bucharest, Romania, October 11-13, 2023 (premiul pentru comunicare orala).

12. C.D. Usurelu, A.N. Frone, D.M. Panaitescu, G.M. Oprica, C.A. Nicolae, G. Ionita, I. Caras, M.S. Teoodrescu, Nanocellulose-based oxygen-generating

systems, The 7th International Conference New Trends in Sensing – Monitoring – Telediagnosis for Life Sciences NT-SMT-LS 2024, September 20 – 22 , 2024 Brașov, Romania, online (premiul II pentru comunicare orala – tineri cercetatori)

13. G.M. Oprica, C.D. Usurelu, A.N. Frone, C. Firinca, C.A. Nicolae, R.C. Fierascu, D.M. Panaitescu, The effect of cellulose nanofibers’ concentration on the behavior of nanoemulsions, Applications of Chemistry in Nanosciences and Biomaterials Engineering (NanoBioMat), November 27-29, Bucharest, (online – comunicare orala)

14. A.N. Frone, C.D. Usurelu, G.M. Oprica, M.F, Raduly, C.A. Nicolae, M. Ghiurea, B. Trica, D.M. Panaitescu. Nanocellulose isolated from agro-industrial residue for biopolymers reinforcement, Polymers 2024—Polymers for a Safe and Sustainable Future, May 28-31, Athens, Greece (poster)

15.    G.M. Oprica, C.D. Usurelu, 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, May 28-31, Athens, Greece (poster)

16. C.D. Usurelu, G.M. Oprica, A.N. Frone, V. Raditoiu, C.A. Nicolae, C. Stavarache, M.S. Teodorescu, D.M. Panaitescu, Nanocellulose functionalized with oligomers of aliphatic polyesters for increased compatibility with biopolymeric matrices. Polymers 2024—Polymers for a Safe and Sustainable Future, May 28-31, Athens, Greece (poster)

17.    D.M. Panaitescu, A.N. Frone, G.M. Oprica, C.D. Usurelu, 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, May 28-31, Athens, Greece (poster)

18.   C.D. Usurelu, D.M. Panaitescu, M.S. Teodorescu, G.M. Oprica, G. Ionita, C.A. Nicolae, I. Caras, V. Raditoiu, A.N. Frone. Surface-modified cellulose nanofibers as a carrier for oxygen generating compounds, Simpozionul Internațional „Prioritățile chimiei pentru o dezvoltare durabilă” PRIOCHEM, 16-18 octombrie 2024, Bucuresti, Book of Abstracts no. 20/2024, pag. 53, ISSN 2285 – 8334 si ISSN-L 2285 – 8334 – poster

Masa rotunda

1. Masă rotundă cu titlul New oxygen-carrying systems based on nanocellulose for wound healing organizată în cadrul Simpozionul Internațional „Prioritățile chimiei pentru o dezvoltare durabilă” PRIOCHEM, 16-18 octombrie 2024, Bucuresti, Book of Abstracts no. 20/2024, pag. 78, ISSN 2285 – 8334 si ISSN-L 2285 – 8334




Diplome/premii

1. Diploma de excelenta pentru “Design of new nanocellulose-based gas-carrier systems” – CELGAS acordata in cadrul 15th edition of the European Exhibition of Creativity and Innovation – Euroinvent 2023, Iași, Romania, 11-12 mai

2. Medalie de argint pentru “Design of new nanocellulose-based gas-carrier systems” – CELGAS si Premiul Special acordat de catre Universitatea Politehnica Timisoara in cadrul 9th edition of the International Salon of Inventions and Innovations” Traian Vuia , Timisoara, Romania, iunie 15-17, 2023

3. Medalie de argint pentru “Design of new nanocellulose-based gas-carrier systems” – CELGS acordata in cadrul Inova 2024 – 48th International Invention Show,16-19 octombrie, Zagreb, Croatia

4.  Medalie de argint pentru “Process for obtaining cellulose nanofibers from lignocellulosic waste and method of using them to obtain bionanocomposites – cerere de brevet nr. A 202 – 00186/17.04.2024 acordata in cadrul Inova 2024 – 48th International Invention Show, 16-19 octombrie, Zagreb, Croatia

5. Medalie de aur pentru “Process for obtaining cellulose nanofibers from lignocellulosic waste and method of using them to obtain bionanocomposites – cerere de brevet nr. A 202 – 00186/17.04.2024 acordata in cadrul 16th edition of the European Exhibition of Creativity and Innovation – EUROINVENT 2024, 6-8 mai, Iași, Romania.

6.  Medalie de argint pentru “Process for obtaining cellulose nanofibers from lignocellulosic waste and method of using them to obtain bionanocomposites – cerere de brevet nr. A 202 – 00186/17.04.2024 acordata in cadrul America Invention Innovation Expo, 26-28 august 2024, U.S.A.

7.  Medalie de aur pentru “Process for obtaining cellulose nanofibers from lignocellulosic waste and method of using them to obtain bionanocomposites – cerer de brevet nr. A 202 – 00186/17.04.2024 acordata in cadrul ITE 2024 – International Invention & Trade Expo, 24-25 septembrie 2024, Londra

8. Medalie de argint pentru “Design of new nanocellulose-based gas-carrier systems” – CELGAS acordata in cadrul Saudi Global Inventions and Innovations Expo – SGiE 2024, 5 – 8 noiembrie, Jeddah, Arabia Saudita

9. Medalie de aur pentru “Process for obtaining cellulose nanofibers from lignocellulosic waste and method of using them to obtain bionanocomposites – cerere de brevet nr. A 202 – 00186/17.04.2024 acordata in cadrul Saudi Global Inventions and Innovations Expo – SGiE 2024, 5 – 8 noiembrie, Jeddah, Arabia Saudita

10.   “Process for obtaining cellulose nanofibers from lignocellulosic waste and method of using them to obtain bionanocomposites – cerere de brevet nr. A 202 – 00186/17.04.202 KAOHSIUNG INTERNATIONAL INVENTION and Design EXPO – KIDE 2024, 5-7 decembrie, Kaohsiung, Taiwan

11. Medalie de aur for the “Design of new nanocellulose-based gas-carrier systems” – CELGAS acordata in cadrul  ITE 2024 – International Invention & Trade Expo, 24-25 septembrie 2024, Londra


Project Team
  • Dr. eng. Denis Mihaela Panaitescu
  • Prof. dr. eng. Teodorescu Mircea
  • Prof. dr. eng. Elena Gabriela Ionita
  • Dr. eng. Adriana Nicoleta Frone
  • Dr. eng. Valentin Rădițoiu
  • Dr. eng. Zina Vuluga
  • Dr. biochim. Iuliana Caras
  • Dr. eng. Raluca Ianchis
  • Dr. eng. Ioana Catalina Gîfu
  • Drd. eng. George-Mihail Teodorescu
  • Drd. eng. Andreea Afilipoaei
  • Drd. eng. Catalina-Diana Usurelu
  • Eng. Madalina Oprică
Contact

Dr. eng. Denis Mihaela Panaitescu

National Institute for Research & Development in Chemistry and Petrochemistry