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Authors
Abstract(s)
Chronic kidney disease (CKD) is characterised by a continuous decline in kidney function, often persisting for months or even years. The prevalence of CKD has been increasing over the years, representing a growing public health challenge and is expected to become the fifth leading cause of death by 2040. For patients with end-stage kidney disease (ESKD), renal replacement therapy (RRT), either through dialysis (haemodialysis, HD, and peritoneal dialysis, PD) or kidney transplantation, are crucial but expensive treatments. However, for some ESKD patients’ transplantation may not be appropriate due to medical contraindications, making dialysis the appropriate approach in these situations. In fact, both dialysis modalities, HD or PD, can offer similar long-term results. This thesis presents an innovative exploration into the extraction and application of insect chitosan (Tenebrio molitor) for biomedical purposes, specifically targeting HD. Initially, the potential of insect-derived chitosan as a sustainable and effective alternative to traditional sources (i.e. marine crustaceans) is demonstrated. Efficient extraction methods were developed (totalling between 6 h and 12 h), producing chitosan with physical and chemical properties comparable to commercial chitosan from crustaceans. Firstly, chitin was efficiently isolated from T. molitor through deproteinisation and demineralisation, with yields of approximately 5%. Subsequently, chitosan was obtained from the extracted chitin using an accelerated process, resulting in yields of between 65.0 ± 0.8% and 79.3 ± 0.8%. Characterisation using Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) confirmed structural similarities with commercial chitosan and degrees of deacetylation in the 73 - 75% range. The bioactive properties of chitosan obtained from T. molitor, including antimicrobial and antioxidant activities, were evaluated. All the microorganisms tested (Escherichia coli, Staphylococcus aureus, Candida albicans, Staphylococcus epidermidis and Pseudomonas aeruginosa) were inhibited, exhibiting minimum lethal concentrations between 2 and 8 mg/mL, confirming the antimicrobial activity of the extracted chitosan. In addition, chitosan showed antioxidant activity in the range of 60 to 65 µmol Trolox equivalent/g, suggesting its viability for various medical applications. This dissertation also developed a chitosan-based membrane (CH - M) specifically for HD purposes, culminating in a proof-of-concept phase for haemodialysis, focusing on the evaluation of diffusion and retention permeability parameters. The permeation characteristics of CH-M for urea and albumin were studied in vitro to assess their suitability as HD membranes. Urea was permeable to values of over 70 per cent and albumin was fully retained. This comprehensive approach ensured the exploration and development of an innovative, bio-inspired solution for HD, with an emphasis on sustainability and innovation, although further studies will have to be carried out on biocompatibility, treatment simulation duration, porosity, permeability and haemocompatibility tests.
A doença renal crónica (CKD) é caracterizada por um declínio contínuo na função renal, muitas vezes persistindo por meses ou mesmo anos. A prevalência da CKD tem vindo a aumentar ao longo dos anos, representando um desafio crescente para a saúde pública, prevendo-se que se torne a quinta principal causa de morte até 2040. Para pacientes com doença renal em fase terminal (ESKD), a terapia de substituição renal (RRT), seja através de diálise (hemodiálise, HD e diálise peritoneal, PD) ou transplante renal, são tratamentos cruciais, mas dispendiosos. No entanto, para alguns pacientes com ESKD pode não ser adequado o transplante devido a contraindicações médicas, tornando a diálise a abordagem apropriada nessas situações. De facto, ambas as modalidades de diálise, HD ou DP, podem oferecer resultados semelhantes a longo prazo. Esta tese apresenta uma exploração inovadora na extração e aplicação de quitosana de inseto (Tenebrio molitor) para fins biomédicos, especificamente visando a HD. Inicialmente, é demonstrado o potencial da quitosana derivada de insetos como uma alternativa sustentável e eficaz às fontes tradicionais (i.e. crustáceos marinhos). Foram desenvolvidos métodos eficientes de extração (num total entre 6 a 12 h), produzindo quitosana com propriedades físicas e químicas comparáveis à quitosana comercial proveniente de crustáceos. Primeiramente, a quitina foi isolada de T. molitor através de desproteinização e desmineralização, com rendimentos de aproximadamente 5%. Posteriormente, obteve-se quitosana a partir da quitina extraída utilizando um processo acelerado, resultando em rendimentos entre 65,0 ± 0,8% e 79,3 ± 0,8%. A caracterização através da espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier (FTIR) confirmou semelhanças estruturais com a quitosana comercial e graus de desacetilação na faixa de 73 - 75%. As propriedades bioativas da quitosana obtido de T. molitor, incluindo atividades antimicrobiana e antioxidante, foram avaliadas. Todos os microrganismos testados (Escherichia coli, Staphylococcus aureus, Candida albicans, Staphylococcus epidermidis e Pseudomonas aeruginosa) foram inibidos, exibindo concentrações letais mínimas entre 2 e 8 mg/mL, confirmando a atividade antimicrobiana da quitosana extraída. Além disso, a quitosana mostrou atividade antioxidante na faixa de 60 a 65 µmol equivalente Trolox/g, sugerindo o seu potencial para diversas aplicações médicas. Nesta tese foi também desenvolvida uma membrana à base de quitosana (CH – M) especificamente para fins de HD, culminando numa fase de prova de conceito, concentrando-se na avaliação dos parâmetros de permeabilidade de difusão e retenção. As características de permeação da CH – M para ureia e albumina foram estudadas, in vitro, para viabilidade como membranas de HD. A ureia foi permeável para valores superiores a 70% e a albumina retida na totalidade. Esta abordagem abrangente garantiu uma exploração e desenvolvimento de uma solução inovadora e bioinspirada para a HD, com ênfase na sustentabilidade e inovação, embora mais estudos terão de ser efetuados relativamente à biocompatibilidade, tempo de duração de simulação de tratamento, testes de porosidade, permeabilidade e, também, de hemocompatibilidade.
A doença renal crónica (CKD) é caracterizada por um declínio contínuo na função renal, muitas vezes persistindo por meses ou mesmo anos. A prevalência da CKD tem vindo a aumentar ao longo dos anos, representando um desafio crescente para a saúde pública, prevendo-se que se torne a quinta principal causa de morte até 2040. Para pacientes com doença renal em fase terminal (ESKD), a terapia de substituição renal (RRT), seja através de diálise (hemodiálise, HD e diálise peritoneal, PD) ou transplante renal, são tratamentos cruciais, mas dispendiosos. No entanto, para alguns pacientes com ESKD pode não ser adequado o transplante devido a contraindicações médicas, tornando a diálise a abordagem apropriada nessas situações. De facto, ambas as modalidades de diálise, HD ou DP, podem oferecer resultados semelhantes a longo prazo. Esta tese apresenta uma exploração inovadora na extração e aplicação de quitosana de inseto (Tenebrio molitor) para fins biomédicos, especificamente visando a HD. Inicialmente, é demonstrado o potencial da quitosana derivada de insetos como uma alternativa sustentável e eficaz às fontes tradicionais (i.e. crustáceos marinhos). Foram desenvolvidos métodos eficientes de extração (num total entre 6 a 12 h), produzindo quitosana com propriedades físicas e químicas comparáveis à quitosana comercial proveniente de crustáceos. Primeiramente, a quitina foi isolada de T. molitor através de desproteinização e desmineralização, com rendimentos de aproximadamente 5%. Posteriormente, obteve-se quitosana a partir da quitina extraída utilizando um processo acelerado, resultando em rendimentos entre 65,0 ± 0,8% e 79,3 ± 0,8%. A caracterização através da espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier (FTIR) confirmou semelhanças estruturais com a quitosana comercial e graus de desacetilação na faixa de 73 - 75%. As propriedades bioativas da quitosana obtido de T. molitor, incluindo atividades antimicrobiana e antioxidante, foram avaliadas. Todos os microrganismos testados (Escherichia coli, Staphylococcus aureus, Candida albicans, Staphylococcus epidermidis e Pseudomonas aeruginosa) foram inibidos, exibindo concentrações letais mínimas entre 2 e 8 mg/mL, confirmando a atividade antimicrobiana da quitosana extraída. Além disso, a quitosana mostrou atividade antioxidante na faixa de 60 a 65 µmol equivalente Trolox/g, sugerindo o seu potencial para diversas aplicações médicas. Nesta tese foi também desenvolvida uma membrana à base de quitosana (CH – M) especificamente para fins de HD, culminando numa fase de prova de conceito, concentrando-se na avaliação dos parâmetros de permeabilidade de difusão e retenção. As características de permeação da CH – M para ureia e albumina foram estudadas, in vitro, para viabilidade como membranas de HD. A ureia foi permeável para valores superiores a 70% e a albumina retida na totalidade. Esta abordagem abrangente garantiu uma exploração e desenvolvimento de uma solução inovadora e bioinspirada para a HD, com ênfase na sustentabilidade e inovação, embora mais estudos terão de ser efetuados relativamente à biocompatibilidade, tempo de duração de simulação de tratamento, testes de porosidade, permeabilidade e, também, de hemocompatibilidade.
Description
Keywords
Chronic kidney disease Haemodialysis Insect Chitosan Bio-based membrane Doença renal crónica Hemodiálise Inseto Quitosana Membrana bio-inspirada