Complexos polieletrólitos de quitosana e xantana carregados com ativos naturais e sintéticos: estudo físico/químico e microbiológico para aplicação de drug delivery / Polyelectrolyte complexes of chitosan and xanthan loaded with natural and synthetic actives: physicochemical and microbiological study for drug delivery application

A eficácia dos implantes osseointegrados é amplamente reconhecida na literatura científica. Contudo, infiltrações bacterianas na junção implante-pilar podem desencadear inflamação nos tecidos circundantes, contribuindo para a evolução de condições mais sérias, como a peri-implantite. O objetivo desse estudo foi produzir complexos polieletrólitos (PECs) de quitosana (Q) e xantana (X) em forma de membranas, carregá-las com ativos naturais e sintéticos antimicrobianos, caracterizálas estruturalmente e avaliá-las frente a degradação enzimática, cinética de liberação e ações antimicrobianas com finalidade de aplicação para drug delivery. Membranas de QX a 1% (m/v) foram produzidas em três proporções, totalizando doze grupos experimentais: QX (1:1); QX (1:2), QX (2:1), QX-P (com própolis) (1:1); QX-P (1:2); QX-P (2:1); QX-C (com canela) (1:1); QX-C (1:2); QX-C (2:1) e CLX (com clorexidina 0,2%) (1:1); CLX (1:2); CLX (2:1). Para os estudos de caracterização foram feitas análises da espessura em estado seco; análises morfológicas superficial e transversal em Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV); análise estrutural de espectroscopia de infravermelho por transformada de Fourier (FTIR); análise de degradação por perda de massa sob ação da enzima lisozima; e análise da cinética de liberação dos ativos em saliva artificial. Para os testes microbiológicos, análises de verificação de halo de inibição e ação antibiofilme foram feitas contra cepas de Staphylococcus aureus (S. aureus) e Escherichia coli (E. coli). Os resultados demonstraram que a espessura das membranas variou conforme a proporção, sendo que o grupo QX (1:2) apresentou a maior média de 1,022 mm ± 0,2, seguida respectivamente do QX (1:1) com 0,641 mm ± 0,1 e QX (2:1) com 0,249 mm ± 0,1. Nas imagens de MEV é possível observar uma maior presença de fibras, rugosidade e porosidade nos grupos QX (1:2) e QX (1:1) respectivamente, e, no QX (2:1) uma superfície mais lisa, uniforme e fina. No FTIR foram confirmados os picos característicos dos materiais isoladamente, além de observar as ligações iônicas que ocorreram para formação dos PECs. Na análise de degradação, os grupos com ativos naturais adicionados tiveram melhores taxas de sobrevida do que os grupos QX. No teste de liberação, os grupos QX-P tiveram uma cinética mais lenta que os QX-C, cuja liberação acumulada de 100% foi feita em 24 h. Já nos testes do halo inibitório, somente os grupos CLX tiveram ação sobre as duas cepas, e os QX-P tiveram sobre S. aureus. Nas análises antibiofilme, os grupos CLX apresentaram as maiores taxas de redução metabólica nas duas cepas (± 79%); os grupos QX-P apresentaram taxas de redução similares em ambas as cepas, porém com percentual um pouco maior para E. coli (60- 80%) e os grupos QX-C tiveram grande discrepância entre as duas cepas: de 35 a 70% para S. aureus e 14 a 19% para E. coli. Pode-se concluir que, frente as análises feitas, o comportamento do material foi afetado diretamente pelos ativos adicionados a matriz polimérica. As proporções de Q ou X afetaram somente a espessura final. Quanto a aplicação proposta de drug delivery, os dispositivos apresentaram grande potencial, principalmente os grupos CLX e QX-P. (AU)

The effectiveness of osseointegrated implants is widely recognized in scientific literature. However, bacterial infiltrations at the implant-abutment interface may trigger inflammation in surrounding tissues, contributing to the development of more serious conditions, such as peri-implantitis. The aim of this study was to produce chitosan (Q) and xanthan (X) polyelectrolyte complexes (PECs) in the form of membranes, load and evaluate them for enzymatic degradation, release kinetics, and antimicrobial actions for drug delivery applications. QX membranes at 1% (w/v) were produced in three proportions, totaling twelve experimental groups: QX (1:1), QX (1:2), QX (2:1), QX-P (with propolis) (1:1), QX-P (1:2), QX-P (2:1), QX-C (with cinnamon) (1:1), QX-C (1:2), QX-C (2:1), and CLX (with 0.2% chlorhexidine) (1:1), CLX (1:2), CLX (2:1). Characterization studies included analyses of dry state thickness, surface and crosssectional morphology using Scanning Electron Microscopy (SEM), structural analysis by Fourier Transform Infrared (FTIR) spectroscopy, mass loss degradation analysis under lysozyme action, and active release kinetics analysis in artificial saliva. Microbiological tests included verification analyses of inhibition halos and antibiofilm action against strains of Staphylococcus aureus (S. aureus) and Escherichia coli (E. coli). Results showed that membrane thickness varied according to proportion, with group QX (1:2) presenting the highest average of 1.022 mm ± 0.2, followed by QX (1:1) with 0.641 mm ± 0.1, and QX (2:1) with 0.249 mm ± 0.1. SEM images showed greater presence of fibers, roughness, and porosity in groups QX (1:2) and QX (1:1) respectively, while QX (2:1) exhibited a smoother, more uniform, and thinner surface. FTIR confirmed characteristic peaks of the materials individually, besides showing ionic bonds formed for PECs. Degradation analysis revealed that groups with added natural actives had better survival rates than QX groups. In release tests, QX-P groups exhibited slower kinetics than QX-C, with 100% cumulative release achieved in 24 h. inhibitory halo tests, only CLX groups exhibited action against both strains, while QX-P acted against S. aureus. Antibiofilm analyses showed CLX groups with the highest metabolic reduction rates in both strains (± 79%); QX-P groups showed similar reduction rates in both strains, slightly higher for E. coli (60-80%), and QX-C groups had a significant discrepancy between strains: 35-70% for S. aureus and 14-19% for E. coli. In conclusion, material behavior was directly affected by added actives to the polymeric matrix. Proportions of Q or X only affected final thickness. Regarding proposed drug delivery applications, the devices showed great potential, especially CLX and QX-P groups.(AU)

Desenvolvimento de biomateriais à base de quitosana: matriz de fibras eletrofiadas para regeneração tecidual e de hidrogel coacervado para entrega controlada de fármaco / Development of chitosan-based biomaterials: electrospun fiber matrix for tissue regeneration and coacervate hydrogel for controlled drug delivery

Os atuais avanços no desenvolvimento de biomateriais caminham para 2 áreas promissoras: a de regeneração tecidual e a de entrega controlada de fármacos. Assim, o presente estudo objetivou a síntese e caracterização de diferentes matrizes (fibras e hidrogel) à base de quitosana, a fim de se obter materiais biomiméticos para atuação em ambas áreas. Para regeneração, delineou-se a síntese de um arcabouço de fibras de quitosana com e sem cristais de nanohidroxiapatita onde, para isso, foram eletrofiadas soluções de quitosana (Ch) e de quitosana com nanohidroxiapatita (ChHa). Os espécimes de Ch apresentaram maior homogeneidade e maior diâmetro médio de fibras (690 ± 102 nm) que ChHa (358 ± 49 nm). No teste de viabilidade celular e na atividade da fosfatase alcalina não houve diferença estatística entre os grupos experimentais (Ch e ChHa), porém ambos diferiram do grupo controle (p < 0,001). Para o âmbito de liberação de fármacos, sintetizou-se, pela técnica de emulsão, dois tipos de hidrogéis: o primeiro, uma mistura da fase aquosa da solução de Ch (1 mL) e da solução de DNA (1 mL) (1:1) e o segundo, mistura da fase aquosa da solução de Ch (1 mL) e solução de Pectina (1 mL) (1:1). Ambas misturas foram realizadas em álcool benzílico (5 mL) com instrumento de dispersão de alto desempenho (31-34000 rpm min-1 por 5 min). Após a obtenção dos géis, 20mg de cada grupo foram imersos em uma solução aquosa de Própolis Verde (PV), na concentração de 70 µg/mL por 2 h e a cinética de liberação do PV foi analisada a 25 e 37oC em água e saliva artificial. Os espécimes obtidos foram liofilizados e depois caracterizados físicoquimicamente. A presença de pectina e de DNA foi comprovada por FTIR. A sorção de PV induziu uma modificação significativa da superfície do gel. Constatou-se uma separação de fases entre a quitosana e o DNA. A eficiência do encapsulamento não mudou significativamente entre 25 e 37oC. A cinética de liberação na água ou na saliva apresentou um mecanismo de duas etapas. E os resultados biológicos exibiram que esses materiais são aceitáveis no ambiente biológico. Assim, conclui-se que a matriz de fibras de quitosana com nHAp é capaz de promover diferenciação celular e a matriz de hidrogel de quitosana com Pectina ou DNA possui potencial para a liberação controlada de fármacos(AU)

Current advances in biomaterial development are moving to 2 promising areas: tissue regeneration and controlled drug delivery. Thus, the present study aimed the synthesis and characterization of different matrices (fibers and hydrogel) based on chitosan, in order to obtain biomimetic materials for performance in both areas. For regeneration, the synthesis of a scaffold of chitosan fibers with and without nanohydroxyapatite crystals was delineated, where chitosan (Ch) and chitosan with hydroxyapatite (ChHa) solutions were electrospun. Ch specimens presented higher homogeneity and larger mean fiber diameter (690±102nm) than ChHa (358 ± 49nm). In the cell viability test and alkaline phosphatase activity there was no statistical difference between the experimental groups. (Ch and ChHa), but both differed from the control group (p < 0,001). For the drug release scope, two types of hydrogels were synthesized by the emulsion technique: the first, a mixture of the aqueous phase of Ch solution (1 mL) and DNA solution (1 mL) (1:1) and the second, mixture of the aqueous phase of the Ch solution (1mL) and Pectin solution (1 mL) (1:1). Both mixtures were performed in benzyl alcohol (5 mL) with high performance dispersion instrument (31-34000 rpm min-1 for 5 min). After obtaining the gels, 20mg from each group were immersed in an aqueous solution of Propolis Green (PV), at a concentration of 70 µg/mL for 2 h and the release kinetics of PV were analyzed at 25 and 37oC in water and artificial saliva. The obtained specimens were lyophilized and then physically-chemically characterized. The presence of pectin and DNA was confirmed by FTIR. PV sorption induced a significant modification of the gel surface. A phase separation was found between chitosan and DNA. Encapsulation efficiency did not change significantly between 25 and 37oC. The release kinetics in water or saliva presented a two-step mechanism. And the biological results showed that these materials are acceptable in the biological environment. Thus, it is concluded that the nHAp chitosan fiber matrix is capable of promoting cell differentiation, whereas the chitosan hydrogel matrix with Pectin or DNA are potential biomaterials for controlled drug release(AU)

Role of 1% alendronate gel as adjunct to mechanical therapy in the treatment of chronic periodontitis among smokers

Abstract Objective Alendronate (ALN) inhibits osteoclastic bone resorption and triggers osteostimulative properties both in vivo and in vitro, as shown by increase in matrix formation. This study aimed to explore the efficacy of 1% ALN gel as local drug delivery (LDD) in adjunct to scaling and root planing (SRP) for the treatment of chronic periodontitis among smokers. Material and Methods 75 intrabony defects were treated in 46 male smokers either with 1% ALN gel or placebo gel. ALN gel was prepared by adding ALN into carbopol-distilled water mixture. Clinical parameters [modified sulcus bleeding index, plaque index, probing depth (PD), and periodontal attachment level (PAL)] were recorded at baseline, at 2 months, and at 6 months, while radiographic parameters were recorded at baseline and at 6 months. Defect fill at baseline and at 6 months was calculated on standardized radiographs by using the image analysis software. Results Mean PD reduction and mean PAL gain were found to be greater in the ALN group than in the placebo group, both at 2 and 6 months. Furthermore, a significantly greater mean percentage of bone fill was found in the ALN group (41.05±11.40%) compared to the placebo group (2.5±0.93%). Conclusions The results of this study showed 1% ALN stimulated a significant increase in PD reduction, PAL gain, and an improved bone fill compared to placebo gel in chronic periodontitis among smokers. Thus, 1% ALN, along with SRP, is effective in the treatment of chronic periodontitis in smokers.

Efeito microbiológico e citotóxico de sistemas nanoestruturados bioadesivos contendo fragmentos de peptídeos / Microbiological and citotoxicity effect of nanostructured bioadhesive system containing peptide fragments

O uso de agentes antimicrobianos naturais que reduzam a adesão e proliferação de S. mutans no biofilme poderia ser uma estratégia interessante para o controle da cárie dentária. No entanto, a estabilidade química e física de alguns desses agentes, como os peptídeos catiônicos antimicrobianos e fragmentos de peptídeos, pode ser comprometida por fatores externos, como temperatura e pH, reduzindo sua ação antimicrobiana. Com isso, os objetivos deste estudo foram desenvolver e caracterizar sistemas de liberação de fármaco nanoestruturados bioadesivos para a incorporação dos fragmentos peptídicos D1-23 e P1025 e avaliar seu efeito citotóxico e atividade contra biofilme de S. mutans. A primeira formulação (F1), composta de ácido oleico, polyoxypropylene-(5)-polyoxyethylene-(20)-cetyl alcohol (PPCA), Carbopol® 974P e Carbopol® 971P, foi analisada por microscopia de luz polarizada (MLP), reologia e bioadesão in vitro. A concentração inibitória mínima (CIM) e concentração bactericida mínima (CBM) de D1-23 foram determinadas contra S. mutans para posterior avaliação da atividade sobre biofilme formado após 4h e 24h de tratamento. A segunda formulação (F2) foi selecionada a partir de três diferentes concentrações de ácido oleico, PPCA e Carbopol® 974P. Cada formulação foi analisada por MLP, espalhamento de raios x a baixo ângulo (SAXS), reologia e bioadesão. CIM e CBM de P1025 sobre S. mutans e seu efeito quando incorporado ou não em F2 sobre biofilme de S. mutans em formação foram analisados. A citotoxicidade em células epiteliais HaCat foi avaliada para os dois sistemas líquido cristalino (SLC) usando testes de MTT. Análise descritiva foi realizada para os dados dos ensaios de caracterização e para os ensaios microbiológicos e citotóxicos os dados foram submetidos aos testes de ANOVA/Tukey ou Kruskall-Wallis/Mann-Whitney U (p<0.05). Os resultados indicaram que F1 apresentou características de SLC com alta viscosidade e bioadesão. CIM e CBM de D1-23 foram de 15,60 e 31,25µg/mL, respectivamente. D1-23 incorporado em F1 apresentou melhores resultados contra biofilme de S. mutans que quando em solução, após 24h de tratamento. F2 apresentou melhores propriedades reológicas e força bioadesiva comparada aos demais sistemas, caracterizando um SLC. P1025 teve somente efeito inibitório sobre S. mutans (CIM=0.25 mg/mL). O efeito antibiofilme de P1025 incorporado em F2 foi observado após 24h de tratamento, principalmente quando aplicado na fase de adesão. Ambos os SLC contendo D1-23 e P1025 não apresentaram toxicidade sobre as células epiteliais, nas condições de tempo e concentrações avaliadas. A incorporação de peptídeos em SLC bioadesivos nanoestruturados aumenta suas propriedades antimicrobianas, podendo ser uma interessante estratégia para a prevenção da cárie dentária(AU)

The use of natural antimicrobial agents for reducing the adhesion and proliferation of S. mutans in the biofilm could be an interesting strategy for the control of dental caries. However, the chemical and physical stability of some natural antimicrobials, such as cationic antimicrobial peptides and peptide fragments, can be compromised by external factors such as temperature and pH, reducing their antimicrobial action. Thus, the objectives of this study were to develop and characterize nanostructured bioadhesive drug delivery systems for the incorporation of D1-23 and P1025 peptide fragments and to evaluate their citotoxicy and activity against S. mutans biofilm. The first formulation (F1) was composed of oleic acid, polyoxypropylene- (5) -polyoxyethylene- (20) - cetyl alcohol (PPCA), Carbopol® 974P and Carbopol® 971P and analyzed by polarized light microscopy (PLM), rheology and in vitro bioadhesion. Minimum inhibitory concentration (MIC) and minimal bacterial concentration (MBC) of D1-23 were determined against S. mutans for further evaluation of activity against S. mutans biofilm after 4h and 24h of treatment. The second formulation was selected from three different concentrations of oleic acid, PPCA and Carbopol® 974P. Each formulation was analyzed by PLM, small-angle x-ray scattering (SAXS), rheology and bioadhesion. MIC and MBC of P1025 were determined against S. mutans. Thus, P1025 was incorporated in the best formulation (F2). The effect of P1025 incorporated or not into F2 on S. mutans biofilm formation was analyzed. Cytotoxicity in HaCat epithelial cells for both formulations was evaluated using MTT assays. Descriptive analysis was performed for the characterization assays and data from microbiological and cytotoxic assays were submitted to ANOVA / Tukey or Kruskall-Wallis / Mann-Whitney U (p<0.05). The results indicated that F1 presented characteristics of liquid-crystalline type system (LCS) with high viscosity and bioadhesion. The MIC and MBC of D1-23 were 15.60 and 31.25µg / mL, respectively. D1-23 incorporated in F1 showed better results than D1-23 in solution against S. mutans biofilm after 24h. F2 had better rheological properties and bioadhesive strength compared to other systems analyzed and characteristics of LCS. P1025 had only inhibitory effect against S. mutans (MIC=0.25mg/mL). The antibiofilm effect of P1025 incorporated into F2 was observed after 24h of treatment, mainly when applied in surface-bound salivary phase. Both LCS had no toxicity on epithelial cells, considering time and concentrations tested. The incorporation of peptides in nanostructured bioadhesive LCS increased their antimicrobial properties and could be an interesting strategy for caries prevention(AU)