Mussel-Inspired Advanced Materials for Biomedical Applications

Abstract

Els catecols són molècules altament versàtils, formades per un anell benzènic i dos grups hidroxil, que es troben de manera natural en plantes, aliments i en el cos humà. Presents de manera destacada en el biso dels musclos, aquestes molècules mostren una gran capacitat d’interacció amb diversos compostos, cosa que els permet adherir-se pràcticament a qualsevol superfície. A més, la seva participació en reaccions redox els confereix propietats remarcables, com l’activitat antioxidant. En les darreres dues dècades, l’ús de compostos basats en catecols en la ciència dels materials ha crescut significativament, generant un interès especial en l’àmbit biomèdic. En aquesta Tesi es van desenvolupar dos materials principals basats en catecols, emprant lligands amb grups amino per formar polímers. El primer, recobriments, consisteix en capes polimèriques fines, de centenars de nanòmetres, dipositades sobre diferents substrats. El segon, membranes, són films polimèrics amb gruixos de l’ordre de micres, que es poden manipular i aplicar després de la seva síntesi. Tot i les seves diferències estructurals, ambdós materials es van sintetitzar a partir dels mateixos precursors mitjançant un procés senzill, d’un sol pas i respectuós amb el medi ambient. Cada material va ser avaluat en una aplicació biomèdica concreta, abordant dos grans reptes sanitaris globals: la resistència antimicrobiana i el càncer, ambdós en augment a escala mundial. Per combatre la resistència antimicrobiana, els recobriments es van aplicar a substrats com paper, cotó i polipropilè, habitualment emprats en entorns clínics. Aquests van mostrar una excel·lent activitat antimicrobiana, eliminant diversos patògens associats a infeccions nosocomials en menys de tres hores. Per al tractament del càncer, les membranes es van provar davant de múltiples línies cel·lulars tumorals, amb un èmfasi especial en el glioblastoma. L’elevada citotoxicitat mostrada per una d’aquestes membranes, juntament amb la seva fàcil manipulació, les converteix en candidates prometedores com a tractament localitzat després de la resecció tumoral. En ambdós casos, les propietats antimicrobianes i citotòxiques es deuen a la producció sostinguda d’espècies reactives d’oxigen, un mecanisme eficaç contra bacteris resistents i capaç d’intensificar l’estrès oxidatiu en cèl·lules tumorals, provocant-ne finalment la mort. Aquests resultats posen de manifest el potencial transformador dels materials basats en catecols per afrontar reptes crítics en l’àmbit de la salut, obrint la porta a tractaments innovadors que podrien revolucionar la pràctica mèdica i millorar els resultats clínics dels pacients.

Los catecoles son moléculas altamente versátiles, formadas por un anillo bencénico y dos grupos hidroxilo, que se encuentran de manera natural en plantas, alimentos y en el cuerpo humano. Presentes de forma destacada en el biso de los mejillones, estas moléculas presentan una gran capacidad de interacción con diversos compuestos, lo que permite su adhesión a prácticamente cualquier superficie. Además, su participación en reacciones redox les confiere propiedades notables, como la actividad antioxidante. En las últimas dos décadas, el uso de compuestos basados en catecoles en ciencia de materiales ha crecido de forma significativa, generando un interés particular en el ámbito biomédico. En esta Tesis se desarrollaron dos materiales principales basados en catecoles, utilizando ligandos con grupos amino para formar polímeros. El primero, recubrimientos, consiste en capas poliméricas delgadas, de cientos de nanómetros, depositadas sobre distintos sustratos. El segundo, membranas, son películas poliméricas con espesores del orden de micras que pueden manipularse y aplicarse tras su síntesis. Aunque estructuralmente distintos, ambos materiales se sintetizaron a partir de los mismos precursores mediante un proceso simple, de un solo paso y respetuoso con el medio ambiente. Cada material fue evaluado en una aplicación biomédica concreta, abordando dos desafíos sanitarios globales: la resistencia antimicrobiana y el cáncer, ambos en aumento a nivel mundial. Para combatir la resistencia antimicrobiana, los recubrimientos se aplicaron a sustratos como papel, algodón y polipropileno, comúnmente usados en entornos clínicos. Estos demostraron una excelente actividad antimicrobiana, eliminando diversos patógenos asociados a infecciones nosocomiales en menos de tres horas. Para el tratamiento del cáncer, las membranas fueron probadas frente a múltiples líneas celulares tumorales, con énfasis en el Glioblastoma. Mostraron La alta citotoxicidad mostrada por una de estas membranas, junto con su fácil manipulación, las convierte en candidatas prometedoras como tratamiento localizado tras la resección tumoral. En ambos casos, las propiedades antimicrobianas y citotóxicas se deben a la producción sostenida de especies reactivas de oxígeno, un mecanismo eficaz frente a bacterias resistentes y capaz de intensificar el estrés oxidativo en células tumorales, llevándolas a la muerte. Estos hallazgos subrayan el potencial transformador de los materiales basados en catecoles para abordar desafíos críticos en el ámbito sanitario, allanando el camino hacia tratamientos innovadores que podrían revolucionar las prácticas médicas y mejorar los resultados para los pacientes.

Catechols are highly versatile molecules, consisting of a benzene ring and two hydroxyl groups, naturally found in plants, food and the human body. Notably present in the byssus of mussels, these molecules exhibit a broad range of interactions with various compounds, enabling adhesion to virtually any surface. Additionally, their ability to participate in oxidation-reduction reactions grants them remarkable properties, such as antioxidant activity. Over the course of the past two decades, the application of catechol-based compounds in materials science has significantly increased, attracting particular interest from researchers in the biomedical field. In this Thesis, two main catechol-based materials were developed, specifically using amine-based ligands to generate polymers. The first type, coatings, consist of a thin polymeric layer of hundreds of nanometers deposited on different substrates. The second, free-standing membranes, are polymeric thin films with micrometer-scale thicknesses, which can be manually handled and applied to a desired surface after the generation. Despite their structural differences, both materials were synthesized from the same precursors using a straightforward, one-step and environmentally friendly process. Each of these materials was studied in relation to a specific biomedical application, addressing two major global health challenges: antimicrobial resistance and cancer, both of which are projected to worsen in the coming decades. To address antimicrobial resistance, coatings were applied to woven and non-woven substrates commonly used in healthcare, such as paper, cotton and polypropylene. These coatings demonstrated outstanding antimicrobial properties, effectively eradicating various pathogens associated with nosocomial infections within three hours. Regarding cancer treatment, the obtained membranes were evaluated against a wide range of organ-derived cancer cell lines, with a particular focus on Glioblastoma. The membranes exhibited strong cytotoxic activity and their manipulability suggests promising potential for use as a localized post-resection treatment for Glioblastoma. In both cases, the antimicrobial and cytotoxic properties were driven by the sustained production of reactive oxygen species. This mechanism has been proved to be highly effective in counteracting bacterial resistance to antibiotics, while also exacerbating the already elevated oxidative stress levels in tumor cells, ultimately leading to their death. These findings underscore the transformative potential of catechol-based materials in addressing critical healthcare challenges, paving the way for innovative treatments that could revolutionize medical practices and improve patient outcomes.