Etapa 1 (2020): Obţinerea de conjugate polizaharidă-proteine şi formarea de hidrogeluri. Studii preliminare

În cadrul acestei etape s-a realizat mai întâi o trecere în revistă ale celor mai recente abordări din domeniul hidrogelurilor imobilizate pe suprafața filmelor polimerice, constituind obiectul Activității 1.1 al proiectului BioHydroSurf. Pentru a realiza selecția riguroasă și eficientă a condițiilor de sinteză pentru bioconjugatele chitosan-proteine s-a realizat caracterizarea fizico-chimică a componentelor acestora. Mai mult, s-a inițiat studiul de obținere a bioconjugatelor chitosan-gelatină și chitosan-fibrinogen, evaluând influența pH-ului mediului de reacție asupra procesului de bioconjugare. Atât obiectivele științifice cât și indicatorii de proces (realizarea paginei web a proiectului și participarea la o conferință) au fost îndeplinite.

Etapa 2 (2021): Obținerea de conjugate polizaharidă -proteine și formarea de hidrogeluri: Continuare

Etapa a 2-a a proiectului a vizat continuarea activității de sinteză a conjugatelor polizaharidă-proteine și obținerea de hidrogeluri. S-a realizat caracterizarea fizico-chimică a bioconjugatelor obținute prin metode spectroscopice (FTIR, RMN, UV-Vis) și s-a evaluat gradul de bioconjugare. Pe baza sistemelor bioconjugate chitosan-proteine s-au obținut hidrogeluri prin reticulare UV utilizând un fotoinițiator biocompatibil, riboflavina. Pentru hidrogelurile astfel sintetizate s-a evaluat fracția de gel și proprietățile reologice, s-au evaluat modificările structurale prin FTIR și RMN și s-au determinat factorii care influențează formarea hidrogelurilor. Ultima activitate de cercetare a acestei etape s-a axat pe funcționalizarea în plasmă ”rece” a substratului biopolimeric poli(acid lactic). Tratamentul în plasmă a fost realizat utilizând diferite condiții experimentale; astfel, s-au utilizat două gaze diferite, azot și aer, s-a variat timpul de expunere a polimerului în plasmă, presiunea și puterea plasmei. S-a efectuat caracterizarea fizico-chimică a suprafețelor de PLA prin ATR-FTIR, XPS și unghi de contact, iar pe baza rezultatelor au fost selectate condițiile optime de funcționalizare în plasmă a substratului de PLA care vor fi aplicate în etapa următoare a proiectului. Atât obiectivele științifice cât și indicatorii de rezultat (actualizarea paginii web a proiectului, participarea la conferințe și publicarea de articole) au fost îndeplinite.

Figura 1. Schema protocolului experimental pentru funcționalizarea la suprafață a suporturilor de PLA cu hidrogel CS/G sau CS/Fb reticulate UV.

Etapa 3 (2022): Imobilizarea hidrogelurilor pe bază de conjugate chitosan-proteine pe suprafața filmului de PLA și testarea ca suporturi pentru culturi de celule

Acoperirile cu hidrogel au fost obținute prin imersarea filmului de PLA funcționalizat (prin tratare în plasmă rece) în soluțiile precursoare de bioconjugate urmată de reticulare prin expunere la UV. Morfologia acoperirilor a fost observată prin SEM, iar stabilitatea micro-mecanică a fost determinată prin AFM.  Biocompatibilitatea suporturilor de PLA funcționalizate cu bioconjugate chitosan-fibrinogen și chitosan-gelatină a fost evaluată pe culturi de fibroblaste, evaluând morfologia și citotoxicitatea prin testul XTT și determinarea cantității de adenilat kinază eliberată în mediul de cultură. Suporturile de PLA funcționalizate susțin adeziunea, multiplicarea și proliferarea celulelor fibroblaste, fără a afecta morfologia celulelor, ceea ce indică biocompatibilitatea acestora. 

Figura 2. Imagini SEM ale suprafețelor de PLA funcționalizate la suprafață cu bioconjugate chitosan-gelatină (CS-G) și chitosan-fibrinogen (CS-FB) fotoreticulate cu radiație UV.

Rezultatul cel mai semnificativ al proiectului BioHydroSurf este reprezentat de obținerea unor platforme suport pentru culturi de celule cu suprafeţe structurate tridimensional (de tip hidrogel), utilizând ca suport un polimer biodegradabil şi o metodă integrată de funcţionalizare/structurare a suprafeţelor.

Figura 3. Imaginile de microscopie optică (10X) pentru culturile de fibroblaste însămânțate pe suport PLA/N2 funcționalizate cu bioconjugate CS-FB și CS-G nereticulate sau reticulate UV.

Diseminare

O parte din rezultatele obținute pe parcursul derulării proiectului BioHydroSurf au fost diseminate la 13 manifestări științifice, sub forma a 1 conferință, 9 comunicări și 3 postere, a 5 lucrări publicate în reviste ISI și a unei lucrări BDI, precum și a 3 capitole de carte – detaliile diseminărilor sunt redate în cele ce urmează. 

Articole - ISI

1. E. Stoleru, R.P. Dumitriu , G.-L. Ailiesei , C. Yilmaz, M. Brebu, Synthesis of bioactive materials by in situ one-step direct loading of syzygium aromaticum essential oil into chitosan-based hydrogels, 2022, 8, 225.
2. E. Stoleru, C. Vasile, A. Irimia, M. Brebu, Towards a bioactive food packaging: poly(lactic acid) surface functionalized by chitosan coating embedding clove and argan oils, 2021, 26(15), 4500.
3. D. Filip, D. Macocinschi, M.-F. Zaltariov, C. A. Gafitanu, C. G. Tuchilus, A. Bele, B.-I. Ciubotaru, E. Stoleru, A. Bargan, Mucoadhesive and antimicrobial allantoin / cyclodextrins-loaded carbopol gels as scaffolds for regenerative medicine, 2022, 8, 416.
4. R.P. Dumitriu, E. Stoleru, G.R. Mitchell, C. Vasile, M. Brebu, Bioactive electrospun fibers of poly(ε-caprolactone) incorporating α-tocopherol for food packaging applications, 2021, 26(18), 5498.
5. E. Stoleru, M. Brebu, Stabilization techniques of essential oils by incorporation into biodegradable polymeric materials for food packaging, 2021, 26(20), 6307.

Articole -  BDI

1. E. Stoleru, R.P. Dumitriu, M. Brebu, C. Vasile, A. Enache, Development of bioactive polymeric materials by incorporation of essential/vegetal oils into biopolymer matrices. Proceedings 2021, 69, 25. https://doi.org/10.3390/CGPM2020-07197.

Capitole in carti

1. E. Stoleru, Poly(Lactic Acid)-based materials: Food packaging applications and biodegradability evaluation, in Applications of Biodegradable and Bio-Based Polymers for Human Health and a Cleaner Environment, I. Stoica, O. Mukbaniani, N. K. Rawat, A. K. Haghi, Eds., Apple Academic Press (Taylor&Francis Group), 2021.

2. E. Stoleru, A. Irimia, E. Butnaru, Chapter 14: Bio-based bioplastics in active food packaging, in Bioplastics for Sustainable Development, M. Kuddus, Z.M.R. Roohi, Eds., Springer, Gateway East, Singapore, 2021, pp. 347-379; https://doi.org/10.1007/978-981-16-1823-9.

3. E. Butnaru, E. Stoleru, A. Irimia, Chapter 15: Synthetic bioplastics in active food packaging, Bioplastics for Sustainable Development, M. Kuddus, Z.M.R. Roohi, Eds., Springer, Gateway East, Singapore, 2021, pp. 381-398; https://doi.org/10.1007/978-981-16-1823-9.

Conferinte

1. E. Stoleru, D. Pamfil, R.P. Dumitriu, M. Brebu, Chitosan-based hydrogels and organogels as bioactive materials, XXXIInd edition of the International Congress of “Apollonia” University of Iasi “By promoting excellence, we prepare the future, 28 februarie - 2 martie 2022, Iasi, Romania.

Comunicari orale

1. E. Stoleru, D. Pamfil, R. Dumitriu, G. Ailiesei, M. Brebu, Chitosan-protein bioconjugate hydrogels as biocompatible materials, 12th International Conference on Materials Science & Engineering, BRAMAT 2022, 9 - 12 March 2022, Brasov, Romania.
2. E. Stoleru, R. Dumitriu, D.Pamfil, E. Butnaru, M. Brebu, Functional aminopolysachhride-based hydrogels as bioactive and biocompatible materials, International Conference Materials, Methods & Technologies, 19-22 August 2022 Burgas, Bulgaria.
3. E. Stoleru, M. Brebu, R.P. Dumitriu, A. Irimia, Oil-loaded chitosan coatings towards a bioactive food contact material, International Congress of „Apollonia” University from Iași, Edition XXXI, 1 - 3 March 2021, Iasi, Romania.
4. R. P. Dumitriu, A. Irimia, E. Stoleru, M. Brebu, Electrospun fibrous coatings with antimicrobial/antioxidant properties, International Congress of „Apollonia” University from Iași, Edition XXXI, 1 - 3 March 2021, Iasi, Romania.
5. E. Stoleru, R. P. Dumitriu, C. N. Cheaburu-Yilmaz, M. Brebu, Chitosan-based Hydrogels Incorporating Bioactive Compounds, International Conference on Polymer Science and Composite Materials - Polymer Connect, 5-7 July 2021, virtual.
6. R. P. Dumitriu, M. Brebu, E. Stoleru, Alginate/Lignosulfonate-based Bioactive Systems for Green Synthesis of Ag Nanoparticles, International Conference on Polymer Science and Composite Materials - Polymer Connect, 5-7 July 2021, virtual.
7. E. Stoleru, M. Brebu, R.P. Dumitriu, Influence of bioactive plant extract on the stability of chitosan-based materials,Materials, Methods & Technologies International Conference, 19-22 August 2021, Burgas, Bulgaria.
8. E. Stoleru, R.P. Dumitriu, M.A. Brebu, C. Vasile, A. Enache, Development of bioactive polymeric materials by incorporation of essential/vegetal oils into biopolymer matrices, The First International Conference on “Green” Polymer Materials 2020, session Polymer Bioapplications, Online 5-25 noiembrie 2020, https://cgpm2020.sciforum.net, registering DOI: 10.3390/CGPM2020-07197.

Postere

1. D. Pamfil, R. P. Dumitriu, E. Stoleru, Comparative study of EDC/NHS - and riboflavin induced crosslinking of chitosan/gelatin hydrogels, BRAMAT 2022, 12th International Conference on Materials Science & Engineering, 9 – 12 Martie 2022, Brașov, România.
2. E. Stoleru, M. Belous, M. Brebu, Evaluation of plant bioactive compounds activity and stability by spectroscopic methods, 1st SensorFINT International Conference – Non-destructive spectral sensors advances and future trends, 10-12 May 2022, Izola, Slovenia. 
3. E. Stoleru, M. Brebu, Stimuli Responsive Polymeric-Materials as Sensing Platforms, Sensor Fint 2021 - Smart Spectral Sensors for Agri Food Quality and Process Control, 30 September - 1 October 2021, Porto, Portugal.