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Cutting-edge hybrid dressing materials : combining medical textiles and decellularized extracellular matrices for burn wound applications
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The World Health Organization (WHO) estimates that each year, some 11 million people suffer burn injuries, and that these incidences are responsible for about 180,000 deaths. Regardless of the underlying causes, burn injuries result in complicated wounds that are difficult to cure and have a higher death rate. The present thesis describes the development of hybrid dressing materials, combining silk fibroin (SF)-based medical textiles and highly-preserved decellularized porcine small intestine (HP-dPSI) as a possible advanced solution for burn wounds treatment. The thesis discusses the capability of creating a multilayer dressing with stable integrity, superior biological performance and mechanical properties. To do so, a silk sericin (SS) hydrogel-based interface layer was proposed due to the biocompatibility of the protein and well-established glue-like properties. The decellularization process of the PSI is critical as it ensures the removal of cellular material preventing adverse immune reactions while preserving the extracellular matrix (ECM). The decellularization process significantly reduced the DNA content in the PSI, indicating effective removal of cellular material. The goal was to reduce DNA content to levels below 50 ng/mg of dry tissue, which was achieved, demonstrating the process's success. This result was also confirmed by histological analysis, in which there was a marked reduction in cellular components in all the sections observed. Regarding the hybrid biomaterial, the SS-based hydrogel was crucial for integrating the serous and submucous layers of the dSI into the SF textile structure, which maintained its structural integrity and binding properties after rehydration. SEM microscopy was used to evaluate the morphology of the HP-dPSI, the SF-based textile and ultimate hybrid material. The preservation of decellularized ECM was confirmed for the distinct surfaces (serosa and submucosa) and cross-section of the HP-dPSI, maintained after conjugation with the remaining layers of the multilayer hybrid materials. This is critical for the material's functionality as a wound dressing. The results obtained from mechanical properties showed that the tested materials presented consistent strength and flexibility, essential for adapting to the wound environment and supporting healing. The HP-dPSI, particularly its fracture point and maximum elongation, are crucial to its performance as a burn dressing. In comparison, SF-based textiles showed consistent strength and flexibility. All combined, the mechanical performance of the hybrid materials showed promising results, especially in adapting to the wound environment and supporting healing. These findings highlight the potential of the proposed hybrid dressing materials to provide an effective treatment for burn wounds by combining the structural benefits of SF-based textiles and biologically active ECM from HP-dPSI.
A Organização Mundial de Saúde (OMS) estima que, todos os anos, cerca de 11 milhões de pessoas sofram queimaduras e que estas ocorrências sejam responsáveis por cerca de 180.000 mortes. Independentemente das causas subjacentes, as queimaduras resultam em feridas complicadas, difíceis de curar e com uma taxa de mortalidade mais elevada. A presente tese descreve o desenvolvimento de um penso híbrido, combinando um têxtil médico à base de fibroína de seda (SF) e intestino delgado de origem suína descelularizado e altamente preservado (HP-dPSI) como uma possível solução avançada para o tratamento de feridas provocadas por queimaduras. A tese propões a criação de um penso multicamada com elevada integridade, elevado desempenho biológico e propriedades mecânicas adequadas. Para o efeito, foi incorporada uma camada de interface baseada num hidrogel de sericina de seda (SS) com propriedades adesivas e biocompatibilidade bem estabelecidas. Um dos objetivos definidos foi assegurar que a matriz descelularizada de PSI, destinada a entrar em contacto com a ferida, apresentasse um elevado grau de descelularização, com a redução do conteúdo de ADN para níveis inferiores a 50 ng/mg de tecido seco. Este objetivo foi alcançado com sucesso, comprovando a eficácia do processo implementado. A metodologia de descelularização da PSI foi crucial para preservar a integridade da matriz extracelular (ECM) tendo ao mesmo garantido a remoção eficiente do material celular, minimizando o risco de uma resposta imune adversa. A significativa redução do conteúdo de ADN na PSI demonstrou a eficácia do processo de remoção celular, um resultado adicionalmente corroborado pela análise histológica, que revelou uma diminuição marcada dos componentes celulares em todas as secções analisadas. O objetivo de integrar as camadas serosa e submucosa do dSI na estrutura têxtil de SF foi também atingido com sucesso, permitindo a criação de um material híbrido. No que diz respeito a este biomaterial composto, a utilização de um hidrogel à base de SS na união das duas camadas desempenhou um papel crucial, preservando a integridade estrutural do material e propriedades de ligação mesmo após a rehidratação. A microscopia eletrónica de varrimento foi utilizada para avaliar a morfologia do HP-dPSI e do tecido à base de SF, assim como do material híbrido final. A preservação da ECM descelularizada foi confirmada para as superfícies distintas (serosa e submucosa) e secção transversal do HP-dPSI, mantida após a conjugação com os restantes materiais híbridos em multicamadas. Este facto é fundamental para a funcionalidade do material em aplicação real, como penso para queimaduras. Os resultados obtidos a partir das propriedades mecânicas mostraram que os materiais testados apresentaram resistência e flexibilidade consistentes, essenciais para se adaptarem ao ambiente da ferida e apoiarem a cicatrização. O HP-dPSI, particularmente o seu ponto de fratura e alongamento máximo, são cruciais para assegurar um desempenho adequado como penso para queimaduras. Em comparação, os têxteis à base de SF mostraram uma resistência e flexibilidade consistentes. Em suma, o desempenho mecânico dos materiais híbridos mostrou resultados promissores, especialmente na adaptação ao ambiente da ferida e no apoio à cicatrização. Estas descobertas destacam o potencial dos materiais de penso híbridos propostos para fornecer um tratamento eficaz para feridas de queimaduras, combinando os benefícios estruturais de têxteis à base de SF e ECM biologicamente ativo de HP-dPSI.
A Organização Mundial de Saúde (OMS) estima que, todos os anos, cerca de 11 milhões de pessoas sofram queimaduras e que estas ocorrências sejam responsáveis por cerca de 180.000 mortes. Independentemente das causas subjacentes, as queimaduras resultam em feridas complicadas, difíceis de curar e com uma taxa de mortalidade mais elevada. A presente tese descreve o desenvolvimento de um penso híbrido, combinando um têxtil médico à base de fibroína de seda (SF) e intestino delgado de origem suína descelularizado e altamente preservado (HP-dPSI) como uma possível solução avançada para o tratamento de feridas provocadas por queimaduras. A tese propões a criação de um penso multicamada com elevada integridade, elevado desempenho biológico e propriedades mecânicas adequadas. Para o efeito, foi incorporada uma camada de interface baseada num hidrogel de sericina de seda (SS) com propriedades adesivas e biocompatibilidade bem estabelecidas. Um dos objetivos definidos foi assegurar que a matriz descelularizada de PSI, destinada a entrar em contacto com a ferida, apresentasse um elevado grau de descelularização, com a redução do conteúdo de ADN para níveis inferiores a 50 ng/mg de tecido seco. Este objetivo foi alcançado com sucesso, comprovando a eficácia do processo implementado. A metodologia de descelularização da PSI foi crucial para preservar a integridade da matriz extracelular (ECM) tendo ao mesmo garantido a remoção eficiente do material celular, minimizando o risco de uma resposta imune adversa. A significativa redução do conteúdo de ADN na PSI demonstrou a eficácia do processo de remoção celular, um resultado adicionalmente corroborado pela análise histológica, que revelou uma diminuição marcada dos componentes celulares em todas as secções analisadas. O objetivo de integrar as camadas serosa e submucosa do dSI na estrutura têxtil de SF foi também atingido com sucesso, permitindo a criação de um material híbrido. No que diz respeito a este biomaterial composto, a utilização de um hidrogel à base de SS na união das duas camadas desempenhou um papel crucial, preservando a integridade estrutural do material e propriedades de ligação mesmo após a rehidratação. A microscopia eletrónica de varrimento foi utilizada para avaliar a morfologia do HP-dPSI e do tecido à base de SF, assim como do material híbrido final. A preservação da ECM descelularizada foi confirmada para as superfícies distintas (serosa e submucosa) e secção transversal do HP-dPSI, mantida após a conjugação com os restantes materiais híbridos em multicamadas. Este facto é fundamental para a funcionalidade do material em aplicação real, como penso para queimaduras. Os resultados obtidos a partir das propriedades mecânicas mostraram que os materiais testados apresentaram resistência e flexibilidade consistentes, essenciais para se adaptarem ao ambiente da ferida e apoiarem a cicatrização. O HP-dPSI, particularmente o seu ponto de fratura e alongamento máximo, são cruciais para assegurar um desempenho adequado como penso para queimaduras. Em comparação, os têxteis à base de SF mostraram uma resistência e flexibilidade consistentes. Em suma, o desempenho mecânico dos materiais híbridos mostrou resultados promissores, especialmente na adaptação ao ambiente da ferida e no apoio à cicatrização. Estas descobertas destacam o potencial dos materiais de penso híbridos propostos para fornecer um tratamento eficaz para feridas de queimaduras, combinando os benefícios estruturais de têxteis à base de SF e ECM biologicamente ativo de HP-dPSI.
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Palavras-chave
Burn wounds Hybrid dressing materials Multilayer structures Silk fibroin-based textiles Decellularized porcine small intestine Feridas por queimadura Materiais de penso híbridos Estruturas multicamadas Têxteis à base de fibroína de seda Intestino delgado suíno descelularizado
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