Opportunities for bacterial nanocellulose in healthcare. Uses as a cell carrier, corneal bandage and tissue reinforcement

Durant les últimes dècades, biomaterials han adquirit un paper decisiu en l'àmbit de la salut, sobretot en el camp de la medicina regenerativa. La recerca en biomaterials engloba coneixements de diferents disciplines i es troba en constant evolució per tal de respondre a les necessitats de la medicina moderna mitjançant solucions personalitzades i bio-interactives. En aquest context, els materials d'origen biològic poden exercir tant de fonts d'inspiració com de punt de partida pel desenvolupament de biomaterials punters. Un bon exemple d'aquesta tendència es troba en la recent entrada al mercat d'apòsits per cicatritzar ferides fabricats a partir de nanocel·lulosa d'origen bacterià. Tot i aquest gran avenç, la nanocel·lulosa bacteriana encara té molt de potencial sense explotar en l'àmbit de la salut, ja que aquest polímer biològic (però d'origen no animal) presenta unes propietats molt atractives i infinites possibilitats de modificació. En la present tesi doctoral s'investiguen noves utilitats de la nanocel·lulosa bacteriana en l'àmbit de la salut. En paral·lel, s'aprofundeix en l'estudi de les interaccions entre aquest biomaterial emergent i diversos sistemes biològics. Inicialment, s'identifiquen diverses oportunitats d'aplicació mitjançant una recerca bibliogràfica i una ronda d'entrevistes amb professionals del sistema sanitari. D'entre totes les utilitats suggerides, se seleccionen aquelles que resulten més atractives per ser investigades de manera experimental. El primer ús que es planteja és l'explotació de la nanocel·lulosa bacteriana com a suport per al cultiu i manipulació de cèl·lules humanes. Per tant, la memòria incorpora un estudi exhaustiu sobre suports de nanocel·lulosa bacteriana, en la seva forma nativa o modificada amb nanopartícules, com a plataformes per al cultiu i criopreservació de cèl·lules humanes. Posteriorment, els suports de nanocel·lulosa són modificats amb proteïnes de la matriu extracel·lular per tal de ser utilitzats en el cultiu
Durante las últimas décadas, los biomateriales han desempeñado un papel decisivo en el campo de la salud, especialmente en la medicina regenerativa. La investigación en biomateriales abarca conocimientos de diferentes disciplinas y está en constante evolución con el fin de responder a las necesidades de la medicina moderna a través de soluciones personalizadas y bio-interactivas. En este contexto, los materiales de origen biológico pueden actuar tanto como fuentes de inspiración como de punto de partida para el desarrollo de biomateriales innovadores. Un buen ejemplo de esta tendencia se observa en la reciente entrada en el mercado de apósitos para el tratamiento de heridas obtenidos a partir de nanocelulosa de origen bacteriano. A pesar de este gran avance, la nanocelulosa bacteriana todavía tiene mucho potencial sin explotar en el campo de la salud, ya que este polímero natural (pero de origen no animal) tiene propiedades muy atractivas e infinitas posibilidades de customización. En esta tesis doctoral, se investigan nuevas utilidades de la nanocelulosa bacteriana en el campo de la salud. Al mismo tiempo, se profundiza en el estudio de las interacciones entre este biomaterial emergente y diversos sistemas biológicos. Primeramente, se identifican varias oportunidades de aplicación a través de una exhaustiva búsqueda bibliográfica y una ronda de entrevistas con profesionales del sistema sanitario. Entre todas las utilidades sugeridas, aquellas que resultan más atractivas son investigadas experimentalmente a lo largo de la tesis. El primer uso que surgiere es la explotación de la nanocelulosa bacteriana como soporte para el cultivo y manipulación de células humanas. Por lo tanto, el manuscrito incorpora un estudio profundo sobre soportes de nanocelulosa bacteriana, tanto en su forma nativa como modificados con nanopartículas, como plataformas para el cultivo y crio-preservación de cultivos de células humanas. Posteriormente, los soportes de nanocelulosa se funcionali
The multidisciplinary field of biomaterials science incessantly innovates towards personalized and bio-interactive platforms to comply with the complex demands of modern medicine. To do so, biomaterial scientists turn to nature for inspiration as well as to profit from biofabricated structures. The recent launch of nanocellulose patches synthesized by bacterial cultures as wound dressings is illustrative of this renewed interest in naturally occurring polymers intended for medical use. Despite this breakthrough, the potential of bacterial nanocellulose in healthcare remains underexploited as this biological but animal-free polymer exhibits a unique combination of properties and almost unlimited design possibilities. In this dissertation, novel medical uses of bacterial nanocellulose are investigated. Moreover, I provide insight into the interactions between this emerging biomaterial and a series of biological systems. The starting point of the research has been a literature review and a series of interviews with healthcare professionals, which enabled us the identification of niche opportunities for bacterial nanocellulose. Some of the most appealing research directions have been addressed experimentally, constituting the main body of the work. First, the usage of bacterial nanocellulose films as vehicles for cell transplantation has been thoroughly addressed. Model cells served to prove the suitability of the supports to seed, expand, and manipulate cell cultures and to directly cryopreserve adherent cells. Then, the utility of bacterial nanocellulose membranes as cell carriers is extended to therapeutic cells specifically addressed to regenerate the ocular surface, i.e. limbal stem cells. In this case, the surface of the bacterial nanocellulose was coated with extracellular matrix proteins through a plasma-enabled method to enhance cell attachment. A second innovative use of bacterial nanocellulose in ophthalmology is established by proving the potential of this
The multidisciplinary field of biomaterials science incessantly innovates towards personalized and bio-interactive platforms to comply with the complex demands of modern medicine. To do so, biomaterial scientists turn to nature for inspiration as well as to profit from biofabricated structures. The recent launch of nanocellulose patches synthesized by bacterial cultures as wound dressings is illustrative of this renewed interest in naturally occurring polymers intended for medical use. Despite this breakthrough, the potential of bacterial nanocellulose in healthcare remains underexploited as this biological -but animal-free- polymer exhibits a unique combination of properties and almost unlimited design possibilities. In this dissertation, novel medical uses of bacterial nanocellulose are investigated. Moreover, I provide insight into the interactions between this emerging biomaterial and a series of biological systems. The starting point of the research has been a literature review and a series of interviews with healthcare professionals, which enabled us the identification of niche opportunities for bacterial nanocellulose. Some of the most appealing research directions have been addressed experimentally, constituting the main body of the work. First, the usage of bacterial nanocellulose films as vehicles for cell transplantation has been thoroughly addressed. Model cells served to prove the suitability of the supports to seed, expand, and manipulate cell cultures and to directly cryopreserve adherent cells. Then, the utility of bacterial nanocellulose membranes as cell carriers is extended to therapeutic cells specifically addressed to regenerate the ocular surface, i.e. limbal stem cells. In this case, the surface of the bacterial nanocellulose was coated with extracellular matrix proteins through a plasma-enabled method to enhance cell attachment. A second innovative use of bacterial nanocellulose in ophthalmology is established by proving the potential of this
Universitat Autònoma de Barcelona. Programa de Doctorat en Ciència de Materials