Development of biotechnological processes for natural and synthetic polymer modification

Synthetic fabrics occupy a great part of the textile industry production satisfying variable ordinary needs, nonetheless, their high hydrophobicity constitutes an important weakness that impedes process manufacture. The enzymatic superficial treatment of these materials is a modern and eco-friendly procedure that aims at the increase of the polymers’ hydrophilicity. Herein, the enzymatic surface hydrolysis of poly(ethylene terephthalate) (PET) fabric is succeeded using a recombinant cutinase from Fusarium oxysporum. Initially, the potential of this enzyme in PET modification was proved by its capability to hydrolyze two model substrates, bis(benzoyloxyethyl) terephthalate and commercial bis(2-hydroxyethyl) terephthalate, that mimic polyester surface. Subsequently, PET fabrics were superficially hydrolyzed using the tested cutinase as biocatalyst. The extent of the enzymatic treatment was monitored by the quantification of terephthalic acid and its derivatives released in reaction supernatant. The optimal parameters were found to be 40 oC, pH 8.0, and 1.92 mg enzyme loading per gram of fabric. Tensile test and dyeability analyses were also employed achieving a color strength K/S increase up to 150 %, confirming the successful surface modification without degrading the quality of the starting material. Τhe enzymatic surface modification of polyamide (PA) 6.6 fabric was studied with the use of the commercial protease Alcalase 2.4 L at optimal conditions as described in the data sheet provided by the company Novozymes. Initially, in order to test the potential of hydrolytic activity of Alcalase, the enzyme was successfully tested on a model substrate, bis-hexyl amide, that mimics polyamide surface, by monitoring the quantification of amino-groups released in the reaction supernatant. Subsequently, Alcalase was applied for surface modification of PA fabrics that were studied via dyeing parameters K/S and ΔE values. For treatment at 40–60 oC and pH 8.0 ΔE was found to be approximately 14 and K/S was 1.24-fold increased. The investigated enzymatic process enhanced the hydrophilicity with 2.7-fold water absorbency increase of PA textiles, while maintaining the thermal and mechanical properties of the bulk synthetic material. The controlled enzymatic hydrolysis of PET and PA textiles is further confirmed and characterized using various spectroscopic methods, such as FTIR-ATR and XPS. Furthermore, in the current PhD thesis the use of crude violacein derived from the bacterium Janthinobacterium lividum for preparing antimicrobial polyamide fabrics is investigated. The optimal culture conditions for maximum biomass and violacein production were found to be 25 oC, pH 7.0, while the addition of ampicillin of 0.2 mg mL-1 in Erlenmeyer flasks increased violacein production 1.3-fold. In scale-up trials, the addition of 1 % (v/v) glycerol in the logarithmic phase in a fed batch bioreactor, resulted in 5-fold extracted crude violacein increase with final concentration of 1.83 g/L. PΑ 6.6 fabrics were dyed following three different processes; through simultaneous fermentation and dyeing (SFD), by incubating the fabric in the sonicated bacterial culture after fermentation and finally by using cell-free methanol extract. The maximum ΔΕ and K/S obtained for ΡΑ fabrics were 74.81 and 22.01, respectively and were obtained through SFD approach. Furthermore, for SFD dyed samples, no alteration of fastness and staining of dye at acid and alkaline perspiration or at water was indicated. In order to examine the antimicrobial activity of the dyed polyamide fabrics, they were tested against cell growth of several pathogenic microorganisms. The violacein dyed fabrics presented significant antifungal activity against Candida albicans, Candida parapsilosis and Candida krusei, as well as antibacterial properties against Escherichia coli and Staphylococcus aureus and the superbug S. aureus MRSA.As far as natural polymers are concerned, acylated polysaccharides have drawn attention, since they find applications in numerous fields as biocompatible and biodegradable amphiphilic compounds. The ability of an acetic acid esterase of carbohydrate esterases family 2 (CE2) from Clostridium thermocellum to catalyze acyl transfer to glucan and manno-polysaccharides of significant interest was investigated. Initially, screening tests were conducted on aldohexose monosaccharides and disaccharides, exploiting the enzyme’s strict regioselectivity at O-6 position which was justified via NMR and ESI-MS. Modified monosaccharides acquired acylation yields from 11 up to 65 %, showing preference for small chain acyl donors, while disaccharides exhibited conversion yields from 23 up to 58 %, with preference to monoacylation. The transesterification reactions of the pre-mentioned polysaccharides were carried out, for the first time, in two-phase mixtures consisted of water/vinyl esters. Acylation of polysaccharides were confirmed by TLC and FTIR, while the degree of acylation was determined via methanolysis and quantification of the produced methyl esters with HPLC, estimating a range of acylation from 0.022 to 1.083 mmol of acyl group per g of polysaccharide, depending on the structure and composition of the target polysaccharide.Στην παρούσα διατριβή αναπτύσσονται καινοτόμες βιοτεχνολογικές, φιλικότερες προς το περιβάλλον διεργασίες για την τροποποίηση συνθετικών και φυσικών πολυμερών, με στόχο την αναβάθμιση των ιδιοτήτων τους και τη διεύρυνση του πεδίου εφαρμογών τους.Τα συνθετικά υφάσματα αποτελούν σημαντικό κομμάτι της κλωστοϋφαντουργίας, καθώς έχουν ευρύ πεδίο εφαρμογών, ωστόσο η υψηλή υδροφοβικότητα τους αποτελεί βασική αδυναμία. Η ενζυμική επεξεργασία αυτών των πολυμερικών υλικών είναι μια σύγχρονη και φιλική προς το περιβάλλον προσέγγιση που αποσκοπεί στην αύξηση της υδροφιλικότητας. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή, η ενζυμική επιφανειακή υδρόλυση υφάσματος πολυ(τερεφθαλικού αιθυλεστέρα) (ΡΕΤ) επιτυγχάνεται με χρήση μιας ανασυνδυασμένης κουτινάσης από τον Fusarium oxysporum. Αρχικά εξετάστηκε και επιβεβαιώθηκε η υδρολυτική ικανότητα της κουτινάσης σε δύο μοντέλα υποστρώματα, τον τερεφθαλικό δις-βενζοϋλοξυαιθυλεστέρα και τον εμπορικό τερεφθαλικό 2-υδροξυαιθυλεστέρα, που προσομοιάζουν την επιφάνεια του ΡΕΤ. Στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκε υδρόλυση πλεκτών υφασμάτων ΡΕΤ. Η υδρόλυση ποσοτικοποιήθηκε με υπολογισμό της συγκέντρωσης του τερεφθαλικού οξέος και των παραγώγων του που απελευθερώνονται στο υπερκείμενο της αντίδρασης, ενώ βρέθηκαν οι βέλτιστες συνθήκες ενζυμικής υδρόλυσης: 40 οC, pH 8.0, και 1.92 mgενζυμικού φορτίου/gυφάσματος. Ακολούθως, έλαβε χώρα μελέτη αντοχής σε εφελκυσμό και δοκιμές βαφής, όπου επιτεύχθηκε αύξηση της έντασης χρώματος K/S κατά 150 %, χωρίς να υποβαθμίζεται η ποιότητα του αρχικού υλικού. Η επιφανειακή ενζυμική υδρόλυση του πολυαμιδικού (PA) 6.6 υφάσματος έλαβε χώρα με χρήση της εμπορικής πρωτεάσης Alcalase 2.4 L σε βέλτιστες συνθήκες, όπως αυτές ορίζονται σύμφωνα με το πρωτόκολλο της εταιρίας Νovozymes. Αρχικά εξετάστηκε και επιβεβαιώθηκε η δυνατότητα ενζυμικής υδρόλυσης ενός μοντέλου υποστρώματος, του αδιπικού δις-εξυλαμιδίου, που μιμείται την πολυαμιδική επιφάνεια, με ποσοτικοποίηση των αμινομάδων που απελευθερώνονται στο υπερκείμενο της αντίδρασης. Στη συνέχεια τα τροποποιημένα ΡΑ υφάσματα μελετήθηκαν μέσω βαφής και αξιολόγησης της έντασης χρώματος K/S και διαφοράς χρώματος ΔE. Με εφαρμογή θερμοκρασιών από 40 έως 60 oC και pH 8.0 επιτεύχθηκε ΔE ίσο με 14 και 1.24-φορές αύξηση του K/S. Η ενζυμική υδρόλυση παράλληλα αύξησε την απορροφητικότητα σε νερό κατά 2.7 φορές, ενώ διατηρήθηκαν οι θερμικές και μηχανικές ιδιότητες της κύριας μάζας του συνθετικού υλικού. Η ελεγχόμενη ενζυμική τροποποίηση των PET και PA υφασμάτων εξετάστηκε και μέσω φασματοσκοπικών μεθόδων, όπως FTIR-ATR και XPS. Επιπρόσθετα, στην παρούσα διατριβή μελετήθηκε η παραγωγή της χρωστικής βιολασεΐνης από το βακτήριο Janthinobacterium lividum και η χρήση της για την βαφή πολυαμιδικών υφασμάτων, τα οποία απέκτησαν αντιμικροβιακές ιδιότητες. Οι βέλτιστες συνθήκες για μέγιστη παραγωγή βιομάζας και συνεκδοχικά βιολασεΐνης βρέθηκαν να είναι οι 25 oC, pH 7.0, ενώ η προσθήκη αμπικιλλίνης 0.2 mg/mL οδήγησε σε 1.3 φορές αύξηση της βιολασεΐνης. Σε μεγαλύτερη κλίμακα η προσθήκη 1 % (v/v) γλυκερόλης στη λογαριθμική φάση ανάπτυξης σε βιοαντιδραστήρα ημιδιαλείποντος έργου οδήγησε σε πενταπλάσια παραγωγή εκχυλισμένης ακατέργαστης βιολασεΐνης συγκέντρωσης 1.83 g/L. ΡΑ 6.6 υφάσματα βάφτηκαν μέσω τριών διεργασιών: μέσω παράλληλης ζύμωσης και βαφής του υφάσματος (SFD), μέσω επώασης του υφάσματος σε βακτηριακή καλλιέργεια μετά τη ζύμωση και ύστερα από εφαρμογή υπερήχων και τέλος με χρήση της εκχυλισμένης βιολασεΐνης από το εσωκυτταρικό. Οι μέγιστες τιμές ΔΕ και K/S που σημειώθηκαν ήταν 74.81 και 22.01, αντίστοιχα, για υφάσματα που βάφτηκαν μέσω της διεργασίας SFD. Ακόμη τα SFD βαμμένα δείγματα δεν επέδειξαν υποβάθμιση της αντοχής του χρώματος στον όξινο και αλκαλικό ιδρώτα και στο νερό. Με στόχο την μελέτη της αντιμικροβιακής ιδιότητας των βαμμένων με βιολασεΐνη υφασμάτων, εξετάστηκε η παρεμποδιστική τους δράση στην ανάπτυξη διάφορων παθογόνων μικροοργανισμών. Tα βαμμένα υφάσματα παρουσίασαν σημαντική αντιμικροβιακή δράση κατά των μυκήτων Candida albicans, Candida parapsilosis και Candida krusei, όπως επίσης και κατά των βακτηριακών στελεχών Escherichia coli και Staphylococcus aureus και του υπερβακτηρίου S. aureus MRSA.Αναφορικά με τα φυσικά πολυμερή, οι ακυλιωμένοι πολυσακχαρίτες ελκύουν το ενδιαφέρον, καθώς βρίσκουν εφαρμογή σε πολλούς τομείς ως βιοσυμβατές και βιοαποικοδομήσιμες ενώσεις. Στην παρούσα διατριβή, μελετήθηκε η δυνατότητα μιας εστεράσης του οξικού oξέος, που ανήκει στην οικογένεια υδατανθρακικών εστερασών CE2 από τον Clostridium thermocellum, να καταλύει την σύνδεση ακυλομάδων σε γλυκάνη και μαννο-πολυσακχαρίτες. Αρχικά πραγματοποιήθηκαν αντιδράσεις μετεστεροποίησης μονοσακχαριτών και δισακχαριτών αλδοεξόζων, παρουσιάζοντας ενζυμική τοποεκλεκτικότητα στη θέση O-6 των σακχάρων, όπως επιβεβαιώθηκε μέσω NMR και ESI-MS. Οι τροποποιημένοι μονοσακχαρίτες παρουσίασαν αποδόσεις ακυλίωσης από 11 έως 65 %, με προτίμηση σε ακυλοδότες βραχείας αλύσου, ενώ οι δισακχαρίτες επέδειξαν αποδόσεις από 23 έως 58 %, με προτίμηση στην μονοακυλίωση. Οι αντιδράσεις μετεστεροποίησης των εν λόγω πολυσακχαριτών έλαβαν χώρα για πρώτη φορά σε συστήματα δύο φάσεων νερού/βινυλεστέρων, καθώς, όπως διαπιστώθηκε, δεν υπάρχει αντίστοιχη αναφορά στη βιβλιογραφία. Η μετεστεροποίηση των πολυσακχαριτών επιβεβαιώθηκε με TLC και FTIR, ενώ ο βαθμός ακυλίωσης προσδιορίστηκε, ύστερα από μεθανόλυση των πολυσακχαριτών και ποσοτικοποίηση των σχηματιζόμενων μεθυλεστέρων με HPLC, από 0.022 έως 1.083 mmol ακυλομάδας ανά g πολυσακχαρίτη, ανάλογα τη δομή και την σύσταση του πολυσακχαρίτη-στόχου

Enzymatic Synthesis of Aliphatic Polyesters

152 σ.Στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η σύνθεση αλειφατικών βιοδιασπώμενων πολυεστέρων με ενζυμικά καταλυόμενο πολυμερισμό συμπύκνωσης τύπου Α-Α+Β-Β. Ως αρχικά μονομερή χρησιμοποιήθηκαν η 1,8-οκτανοδιόλη (C8) και τα ακόλουθα δικαρβοξυλικά οξέα: το σεβακικό οξύ (C10), το δωδεκανοδιϊκό οξύ (C12) και το τετραδεκανοδιϊκό οξύ (C14), οδηγώντας αντίστοιχα στον πολυ(σεβακικό οκτυλεστέρα) (ΡΕ 8,10), στον πολυ(δωδεκανοδιϊκό οκτυλεστέρα) (ΡΕ 8,12) και στον πολυ(τετραδεκανοδιϊκό οκτυλεστέρα) (ΡΕ 8,14). Για τον ενζυμικό πολυμερισμό ακολουθήθηκε τεχνική αιωρήματος/διαλύματος, με διαλύτη το διφαινυλαιθέρα. Ως βιοκαταλύτης χρησιμοποιήθηκε η ακινητοποιημένη λιπάση Νovozym 435 σε ποσότητα 10 % w/w ως προς τη μάζα των μονομερών (Candida antartica lipase B, CALB 1 % w/w). Η αντίδραση διήρκησε τέσσερις ώρες και έλαβε χώρα στους 75 oC υπό κενό, ώστε να πραγματοποιείται απομάκρυνση του παραγόμενου παραπροϊόντος. Οι προαναφερόμενες συνθήκες διαπιστώθηκε πως οδήγησαν σε πολυεστέρες μεγαλύτερου μοριακού βάρους σε σύγκριση με την τεχνική αιωρήματος/διαλύματος σε τολουόλιο και τη χρήση μοριακών κοσκίνων για την απομάκρυνση του νερού που εκπονήθηκε σε προηγούμενη διπλωματική εργασία. Επιπρόσθετα, πραγματοποιήθηκε δοκιμή παραγωγής πολυεστέρα με διπλάσια ποσότητα βιοκαταλύτη, όπως επίσης και δοκιμή παραγωγής πολυεστέρα σε ακραίες συνθήκες (υψηλότερη θερμοκρασία αντίδρασης 90 οC, διπλάσια ποσότητα ενζύμου και μεγαλύτερη συγκέντρωση διαλύματος). Τέλος, έγινε δοκιμή παραγωγής του συμπολυεστέρα πολυ(δωδεκανο-co-ηλεκτρικού οκτυλεστέρα) (CO-PE 8,12/4) υπό τις ίδιες ακριβώς συνθήκες με αρχικά μονομερή οκτανοδιόλη, δωδεκανοδιϊκό οξύ και ηλεκτρικό οξύ. Για κάθε ποιότητα πολυεστέρα που συντέθηκε πραγματοποιήθηκε ταυτοποίηση της χημικής δομής και υπολογισμός του μέσου-αριθμού μοριακού βάρους μέσω Φασματοσκοπίας Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού (NMR), καθώς και χαρακτηρισμός του υλικού με προσδιορισμό του οριακού αριθμού ιξώδους μέσω ιξωδομετρίας και της συγκέντρωσης των ακραίων καρβοξυλομάδων, μέσω ποτενσιομετρικής τιτλοδότησης. Επιπρόσθετα έγινε ανάλυση των θερμικών ιδιοτήτων των παραγόμενων πολυεστέρων μέσω διαφορικής θερμιδομετρίας σάρωσης (DSC) για τον προσδιορισμό των σημείων τήξης και κρυστάλλωσης και των αντίστοιχων ενθαλπιών των παραγόμενων πολυεστέρων. Τέλος μέσω θερμοσταθμικής ανάλυσης (TGA) μελετήθηκε η πορεία της θερμικής αποικοδόμησης των εν λόγω πολυεστέρων. Σε επόμενο στάδιο, έγινε δοκιμή αύξησης του μοριακού βάρους των αλειφατικών πολυεστέρων με μεταπολυμερισμό μάζας (τήγματος και στερεάς κατάστασης). Οι παραγόμενοι πολυεστέρες ΡΕ 8,12 και ΡΕ 8,14 χρησιμοποιήθηκαν ως προπολυμερή σε μεταπολυμερισμούς στερεάς κατάστασης για 10 ώρες, υπό κενό σε τρεις θερμοκρασίες με θερμοκρασιακή διαφορά από το σημείο τήξης κάθε πολυεστέρα 4, 9 και 14οC αντίστοιχα (Τm-Τμεταπολ.=4 έως 14 οC). Ακόμη ο πολυεστέρας ΡΕ 8,12 υπέστη μεταπολυμερισμό στερεάς κατάστασης για 20 ώρες στους 70 οC, υπό κενό και για 48 ώρες στην ίδια θερμοκρασία υπό συνεχή ροή αζώτου, αλλά και μεταπολυμερισμό τήγματος στους 100 οC χωρίς και με φωσφίτη, ο οποίος εξετάστηκε για την καταλυτική του δράση. Ο μεταπολυμερισμός του ΡΕ 8,12 για Τm-Τμεταπολ. 4 έως 14 οC (στους 70–60 oC αντίστοιχα) για 10 ώρες οδήγησε σε μικρές αυξήσεις του οριακού αριθμού ιξώδους, Ο μεταπολυμερισμός του ΡΕ 8,14 ήταν αποτυχής, πιθανώς λόγω υδρολυτικής ή θερμικής αποικοδόμησης των δειγμάτων. Τέλος, οι μεταπολυμερισμοί δεν επηρέασαν σημαντικά τις θερμικές ιδιότητες των πολυεστέρων.Μαρία Χ. Κανελλ

A Middle-Aged Enzyme Still in Its Prime: Recent Advances in the Field of Cutinases

Cutinases are α/β hydrolases, and their role in nature is the degradation of cutin. Such enzymes are usually produced by phytopathogenic microorganisms in order to penetrate their hosts. The first focused studies on cutinases started around 50 years ago. Since then, numerous cutinases have been isolated and characterized, aiming at the elucidation of their structure⁻function relations. Our deeper understanding of cutinases determines the applications by which they could be utilized; from food processing and detergents, to ester synthesis and polymerizations. However, cutinases are mainly efficient in the degradation of polyesters, a natural function. Therefore, these enzymes have been successfully applied for the biodegradation of plastics, as well as for the delicate superficial hydrolysis of polymeric materials prior to their functionalization. Even though research on this family of enzymes essentially began five decades ago, they are still involved in many reports; novel enzymes are being discovered, and new fields of applications arise, leading to numerous related publications per year. Perhaps the future of cutinases lies in their evolved descendants, such as polyesterases, and particularly PETases. The present article reviews the biochemical and structural characteristics of cutinases and cutinase-like hydrolases, and their applications in the field of bioremediation and biocatalysis

Parameters that affect the photodegradation of dyes and pigments in solution and on substrate – An overview

It has been known for many years that dyes and pigments are subject to light-induced degradation, or photodegradation, when exposed to light. It is the very reason why some beverages or medicines are wrapped in light-tight packaging materials, and why museums cover their windows with UV-blocking filters. The exact chemistry of light-induced degradation can be quite complex. Why and how are these dyes and colorants affected by light? How fast do these processes occur? Are there ways to prevent this from happening in a straight-forward and durable way? These were and still are questions that are relevant to the many fields where colorants are applied. In order to support these questions, we have tried to provide a broad overview of the research that has already been conducted on photodegradation of dyes and pigments and the analysis of photodegradation products. In those papers, the most important parameters that were discussed are the influence of the irradiation source, intensity and time, the presence or absence of oxygen, temperature, the effects that catalysts have, as well as the dye or pigment concentration. Additionally, we have investigated the differences found for photodegradation in solution and on substrates and specific parameters that may affect the processes in these media

Data_Sheet_1_Microbial Production of Violacein and Process Optimization for Dyeing Polyamide Fabrics With Acquired Antimicrobial Properties.PDF

<p>In the present study, crude bacterial extract containing violacein is investigated for the preparation of antimicrobial polyamide fabrics. The optimal culture conditions of Janthinobacterium lividum (JL) for maximum biomass and violacein production were found to be 25°C, pH 7.0, while the addition of ampicillin of 0.2 mg mL^-1 in the small scale increased violacein production 1.3-fold. In scale-up trials, the addition of 1% (v/v) glycerol in a fed-batch bioreactor, resulted in fivefold extracted crude violacein increase with final concentration of 1.828 g L^-1. Polyamide 6.6 fabrics were dyed following three different processes; through simultaneous fermentation and dyeing (SFD), by incubating the fabric in the sonicated bacterial culture after fermentation and by using cell-free extract containing violacein. Maximum color change (ΔE) and color strength (K/S) obtained for SFD fabrics were 74.81 and 22.01, respectively, while no alteration of fastness and staining of dye at acid and alkaline perspiration or at water was indicated. The dyed fabrics presented significant antifungal activity against Candida albicans, C. parapsilosis, and C. krusei, as well as antibacterial properties against Escherichia coli, Staphylococcus aureus, and the S. aureus MRSA. We have shown that J. lividum cultures can be successfully used for violacein production and for simultaneous dying of fabrics resulting in dyed fabrics with antimicrobial properties without utilization of organic solvents.</p

Microbial Production of Violacein and Process Optimization for Dyeing Polyamide Fabrics With Acquired Antimicrobial Properties

In the present study, crude bacterial extract containing violacein is investigated for the preparation of antimicrobial polyamide fabrics. The optimal culture conditions of Janthinobacterium lividum (JL) for maximum biomass and violacein production were found to be 25°C, pH 7.0, while the addition of ampicillin of 0.2 mg mL-1 in the small scale increased violacein production 1.3-fold. In scale-up trials, the addition of 1% (v/v) glycerol in a fed-batch bioreactor, resulted in fivefold extracted crude violacein increase with final concentration of 1.828 g L-1. Polyamide 6.6 fabrics were dyed following three different processes; through simultaneous fermentation and dyeing (SFD), by incubating the fabric in the sonicated bacterial culture after fermentation and by using cell-free extract containing violacein. Maximum color change (ΔE) and color strength (K/S) obtained for SFD fabrics were 74.81 and 22.01, respectively, while no alteration of fastness and staining of dye at acid and alkaline perspiration or at water was indicated. The dyed fabrics presented significant antifungal activity against Candida albicans, C. parapsilosis, and C. krusei, as well as antibacterial properties against Escherichia coli, Staphylococcus aureus, and the S. aureus MRSA. We have shown that J. lividum cultures can be successfully used for violacein production and for simultaneous dying of fabrics resulting in dyed fabrics with antimicrobial properties without utilization of organic solvents

Engineering a naturally derived hemostatic sealant for sealing internal organs.

Controlling bleeding from a raptured tissue, especially during the surgeries, is essentially important. Particularly for soft and dynamic internal organs where use of sutures, staples, or wires is limited, treatments with hemostatic adhesives have proven to be beneficial. However, major drawbacks with clinically used hemostats include lack of adhesion to wet tissue and poor mechanics. In view of these, herein, we engineered a double-crosslinked sealant which showed excellent hemostasis (comparable to existing commercial hemostat) without compromising its wet tissue adhesion. Mechanistically, the engineered hydrogel controlled the bleeding through its wound-sealing capability and inherent chemical activity. This mussel-inspired hemostatic adhesive hydrogel, named gelatin methacryloyl-catechol (GelMAC), contained covalently functionalized catechol and methacrylate moieties and showed excellent biocompatibility both in vitro and in vivo. Hemostatic property of GelMAC hydrogel was initially demonstrated with an in vitro blood clotting assay, which showed significantly reduced clotting time compared to the clinically used hemostat, Surgicel®. This was further assessed with an in vivo liver bleeding test in rats where GelMAC hydrogel closed the incision rapidly and initiated blood coagulation even faster than Surgicel®. The engineered GelMAC hydrogel-based seaalant with excellent hemostatic property and tissue adhesion can be utilized for controlling bleeding and sealing of soft internal organs

Experimental and computational understanding of pulsatile release mechanism from biodegradable core-shell microparticles

Next-generation therapeutics require advanced drug delivery platforms with precise control over morphology and release kinetics. A recently developed microfabrication technique enables fabrication of a new class of injectable microparticles with a hollow core-shell structure that displays pulsatile release kinetics, providing such capabilities. Here, we study this technology and the resulting core-shell microstructures. We demonstrated that pulsatile release is governed by a sudden increase in porosity of the polymeric matrix, leading to the formation of a porous path connecting the core to the environment. Moreover, the release kinetics within the range studied remained primarily independent of the particle geometry but highly dependent on its composition. A qualitative technique was developed to study the pattern of pH evolution in the particles. A computational model successfully modeled deformations, indicating sudden expansion of the particle before onset of release. Results of this study contribute to the understanding and design of advanced drug delivery systems.</jats:p