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Tese de Doutorado
DOI
https://doi.org/10.11606/T.75.2021.tde-31052021-112154
Documento
Autor
Nome completo
William Marcondes Facchinatto
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Carlos, 2021
Orientador
Banca examinadora
Colnago, Luiz Alberto (Presidente)
Campana Filho, Sergio Paulo
Gil, Rosane Aguiar da Silva San
Menezes, Sonia Maria Cabral de
Moraes, Tiago Bueno de
Título em português
Physicochemical studies of chemically modified chitosans through solid-state nuclear Magnetic resonance: from properties to applications
Palavras-chave em português
candidíase vulvovaginal
derivado anfifílico de quitosana com carga postiva permante
liberação sustentada de antifúngico
nanopartículas
quitosana
RMN de estado sólido
RMN no domínio do tempo
whiskers de quitina
Resumo em português
O objetivo principal desta Tese está focado na condição preparativa para a investigação das propriedades de quitosanas modificadas quimicamente e o potencial de aplicação desses materiais em diferentes áreas do conhecimento. Para tanto, diferentes técnicas de RMN em alto e baixo campo magnético foram aplicadas a fim de elucidar características intrínsecas de quitinas, quitosanas e derivados certas vezes já verificados por outros métodos. Para atender ao requisito de cada objetivo específico, foram realizadas diversas caracterizações, incluindo não espectroscópicas e ensaios biológicas. Estudos independentes foram desenvolvidos e apresentados sequencialmente da maneira mais clara e concisa possível, sendo divididos em cinco Capítulos distintos, cada um diretamente relacionado a alguma proposta inovadora. Embora relacionados entre si, o estado da arte e as aplicabilidades específicas foram exploradas. Assim, foi proposta no CAPÍTULO I uma nova abordagem baseada em espectroscopia de 13C NMR de estado sólido de alta resolução para quantificar o índice de cristalinidade de quitosanas (Ch) preparadas com diferentes graus médios de acetilação (DA) e massa molar (Mw). Os resultados mostram que a ordenamento das cadeias a curto alcance pode ser atribuída através dos sinais C4/C6 no 13C CPMAS, sendo que o procedimento de desconvolução entre as fases revelou cristalinidade crescente com (DA), confirmado pela análise multivariada SVD. No CAPÍTULO II, o mesmo conjunto de quitosanas foi analisado por relaxometria no domínio do tempo (RMN-DT) usando a sequência de pulso RK-ROSE para adquirir o sinal de 1H NMR de materiais no estado sólido. Os dados de RK-ROSE foram modelados usando regressão multivariada PLS, que mostrou um elevada correlação entre o perfil de decaimento do sinal e os graus médios de acetilação e índice de cristalinidade. No CAPÍTULO III, foram sistematicamente investigados os efeitos do tamanho de partícula / granulometria na acidólise da β-quitina (BCH) visando a preparação de nanowhiskers de β-quitina (CWH). Os resultados mostraram que as características dos nanowhiskers podem ser acessadas escolhendo-se adequadamente o tamanho médio de partícula da quitina de partida. No CAPÍTULO IV, duas amostras de N- (2-hidroxi)-propil-3-trimetilamônio, O-palmitoil quitosana (DPCat) com diferentes graus médios de quaternização denominados como DPCat35 ( DQ = 35 %) e DPCat80 (DQ = 80 %), foram sintetizados com sucesso pela reação de GTMAC com o derivado de O-palmitoil quitosana (DPCh) (DS = 12%). Esses derivados anfifílicos de quitosana eram totalmente solúveis em água e mostraram aumento significativo da estabilidade eletrostática de uma nanoestrutura micelar automontada devido à sua camada externa carregada positivamente. Ensaios mucoadesivos e de citotoxicidade in vitro para células de fibroblastos saudáveis de camundongo (Balb/C 3T3) e linhagens celulares de câncer de próstata humano (DU145) e de câncer de fígado (HepG2/C3A) revelaram que as propriedades biológicas dos derivados de DPCat eram fortemente dependentes de DQ. DPCat35 apresentou melhores interações com o tecido biológico e com as glicoproteínas mucinas em pH 7,4. Esses derivados DPCat foram usados posteriormente no CAPÍTULO V como nanocarreadores de clotrimazol (CLT-NPs) para o tratamento tópico da candidíase vulvovaginal (VVC). O nanossistema apresentou liberação sustentada de fármaco independente do pH por até 24 horas, o que afetou tanto a atividade anti-Candida in vitro quanto a citotoxicidade. CLT-NPs apresentou valores de índice de seletividade favoráveis para um conjunto de cepas padrão e isolados clínicos de Candida spp. e linhas celulares do trato genital feminino (HEC-1-A, Ca Ski e HeLa), em comparação com o fármaco livre. CLT-NPs também melhorou a permeabilidade da droga in vitro em monocamadas de células HEC-1-A e Ca Ski, sugerindo assim que o nanotransportador pode fornecer níveis mais elevados de tecido da mucosa do composto ativo. O formato autêntico deste documento torna-o especialmente útil como ponto de partida para o desenvolvimento de diferentes segmentos de pesquisa. Dessa forma, estudos alternativos podem ampliar o foco e a aplicabilidade dos materiais e caracterizações aqui utilizados, estendendo o conhecimento para inovações distintas.
Título em inglês
Physicochemical studies of chemically modified chitosans through Solid-State Nuclear Magnetic Resonance: from properties to applications
Palavras-chave em inglês
chitin whiskers
chitosan
nanoparticles
olid-state NMR
positively-charged amphiphilic chitosan
sustained release of antifungals
time-domain NMR
vulvovaginal candidiasis
Resumo em inglês
The main objective of this Thesis is to control the preparative condition for investigating the properties of chemically modified chitosans and the potential application of these materials in different fields of knowledge. For such a goal, different high- and low-NMR techniques were applied in order to elucidate intrinsic characteristics of chitins, chitosans and derivatives sometimes already verified through other methods. To fulfill the requirement of each specific objective, it were performed a series of characterizations, including non-spectroscopic and biological assays. In this sense, different studies were developed and sequentially presented in a clear and concise manner as possible, being divided into five distinguished Chapters, each one straightly related to some innovative proposal for a given research field. Although related to each other, specific state-of-the-art and applicabilities were explored. It was proposed in CHAPTER I a novel approach relied on high-resolution solid-state 13C NMR spectroscopy to quantify the crystallinity index of chitosans (Ch) prepared with variable average degrees of acetylation (DA) and average weight molecular weight (Mw). The results show that the short-range ordering can be assigned to C4/C6 signals on 13C CPMAS and, for our case, the deconvolution procedure between disordered and ordered phases revealed increasing crystallinity with DA, as confirmed by SVD multivariate analysis. In CHAPTER II, the same set of chitosans were analyzed by time-domain relaxometry (TD-NMR) using the RK-ROSE pulse sequence to acquire 1H NMR signal of solid-state materials. RK-ROSE data were modeled by using PLS multivariate regression, which showed a high correlation between the signal decay profile and average degrees of acetylation and crystallinity index. In CHAPTER III, it was systematically investigated the effects of particle size/ granulometry on the acidolysis of β-chitin (BCH) aiming the preparation of β-chitin nanowhiskers (CWH). The results shown that several features of nanowhiskers can be accessed by choosing properly the average powder size of parent chitin. In CHAPTER IV, two samples of N-(2-hydroxy)-propyl-3-trimethylammonium, O-palmitoyl chitosan (DPCat) with different average degrees of quaternization named as DPCat35 (DQ = 35 %) and DPCat80 (DQ = 80 %), were successfully synthesized by reacting GTMAC with O-palmitoyl chitosan (DPCh) derivative (DS = 12 %). Such amphiphilic derivatives of chitosan were fully water-soluble and showed significant electrostatic stability enhancement of a self-assembly micellar nanostructure due to its positively-charged out-layer. In vitro mucoadhesive and cytotoxicity essays toward mouse healthy fibroblast cells (Balb/C 3T3), and human prostate cancer (DU145) and liver cancer (HepG2/C3A) cell lines revealed that the biological properties of DPCat derivatives were strongly dependent on DQ. Additionally, DPCat35 had better interactions with the biological tissue and with mucin glycoproteins at pH 7.4. These DPCat derivatives were further used in CHAPTER V as nanocarriers of clotrimazole (CLT-NPs) for the topical treatment of vulvovaginal candidiasis (VVC). The nanosystem featured pH-independent sustained drug release up to 24 h, which affected both in vitro anti-Candida activity and cytotoxicity. The CLT-loaded nanostructured platform yielded favorable selectivity index values for a panel of standard strains and clinical isolates of Candida spp. and female genital tract cell lines (HEC-1-A, Ca Ski and HeLa), as compared to the free drug. CLT-NPs also improved in vitro drug permeability across HEC-1-A and Ca Ski cell monolayers, thus suggesting that the nanocarrier may provide higher mucosal tissue levels of the active compound. Overall, data support that CLT-NPs may be a valuable asset for the topical treatment of VVC. The authentic format of this document makes it especially useful as a starting point for the development of different research segments. In this way, alternative studies may broaden de focus and applicability of the materials and characterizations used here, extending the knowledge to distinct innovations.
 
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Data de Publicação
2021-06-01
 
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  • FACCHINATTO, W. M.; GALANTE, J.; MESQUITA, L.; SILVA, D. S.; SANTOS, D. M. MORAES, T. B.; CAMPANA-FILHO, S. P.; COLNAGO, L. A.; SARMENTO, B.; DAS NEVES, J. Clotrimazole-loaded N-(2-hydroxy)-propyl-3-trimethylammonium, O-palmitoyl chitosan nanoparticles for topical treatment of vulvovaginal candidiasis. Acta Biomaterialia, Amsterdam, v. 125, p. 312-321, 2021.
  • FACCHINATTO, W. M.; GARCIA, R. H. S.; SANTOS, D. M.; FIAMINGO, A.; FLORES, D. W. M.; CAMPANA-FILHO, S. P.; DE AZEVEDO, E. R.; COLNAGO, L. A. Fast-forward approach of time-domain NMR relaxometry for solid-state chemistry of chitosan. Carbohydrate Polymers, Oxford, v. 256, p. 117576-1-117576-10, 2020.
  • FACCHINATTO, W. M.; SANTOS, D. M.; BUKZEM, A. L.; MORAES, T. B; HABITZREUTER, F.; DE AZEVEDO, E. R.; COLNAGO, L. A.; CAMPANA-FILHO, S. P. Insight into morphological, physicochemical and spectroscopic properties of ?-chitin nanocrystalline structures. Carbohydrate Polymers, Oxford, v. 273, p. 11856-1-11856-14, 2021.
  • FACCHINATTO, W. M.; SANTOS, D. M.; FIAMINGO, A.; BERNARDES-FILHO, R.; CAMPANA-FILHO, S. P.; DE AZEVEDO, E. R.; COLNAGO, L. A. Evaluation of chitosan crystallinity: a high-resolution solid-state NMR spectroscopy approach. Carbohydrate Polymers, Oxford, v. 250, p. 116891-1-116891-14, 2020.
  • SILVA, D. S.; FACCHINATTO, W. M.; SANTOS, D. M.; BONI, F. I.; VALDES, T. A.; LEITAO, A.; GREMIAO, M. P. D.; COLNAGO, L. A.; CAMPANA-FILHO, S. P.; RIBEIRO, S. N-(2-hydroxy)-propyl-3-trimethylammonium, O-palmitoyl chitosan: Synthesis, physicochemical and biological properties. International Journal of Biological Macromolecules, Amsterdam, 2021.
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