Desarrollo de nuevos materiales poliméricos nanocompuestos con capacidad antimicrobiana

Abstract

This Thesis, entitled "Development of new polymeric nanocomposite materials with antimicrobial activity" represents a comprehensive effort to develop novel antimicrobial nanomaterials, focusing on the incorporation of bioactive compounds into polymeric matrices and eco-friendly synthesis techniques. The research spans several interconnected studies that explore both natural and synthetic antimicrobial agents, advancing our understanding of their applications in materials science and biomedicine. This work begins by investigating fish skin mucus as an untapped resource for antimicrobial agents, highlighting the presence of antimicrobial peptides (AMPs) and other bioactive compounds within the mucus that exhibit potent activity against a range of pathogens. The research assesses various extraction methods to isolate these compounds and discusses their activity. The initial findings underscore the potential of marine-derived compounds for their use in antimicrobial applications, contributing valuable insights to the field. Following this, the synthesis of protein-based nanofibers using bovine serum albumin (BSA) and lysozyme (LYZ) is explored as a strategy for encapsulating bioactive agents. The electrospun nanofibers, featuring proteins with different molecular weights, serve as biocompatible carriers for bioactive agents, including an AMP and an antibody. The study confirms that these proteins maintain their structural integrity post-electrospinning and that the bioactive agents embedded within them retain partial to full activity, indicating the promise of protein nanofibers for bioactive drug administration and protection. In a move toward real-world applications, the third section of this Thesis assesses thermoplastic polyurethane (TPU) materials embedded with silver nanoparticles (AgNPs) for antiviral efficacy. Collaborating with an industry partner, the study evaluates the viricidal properties of AgNP-TPU materials against pathogens such as SARS-CoV-2 and SVCV, showing a substantial reduction in viral infectivity without cytotoxic effects in cell culture models. These results position AgNP-TPU composites as promising candidates for antiviral surface coatings in various settings. The Thesis then transitions to greener synthesis approaches, using phytochemical-based methods to produce antibacterial nanomaterials. A review of plant-derived compounds and their applications reveals how natural extracts, rich in antioxidants and other bioactive compounds, can serve as both antimicrobial agents and reducing agents for NP synthesis. This study encourages sustainable production practices that reduce reliance on synthetic chemicals, aligning with global goals for environmentally responsible material development. Finally, the research culminates in the synthesis of AgNPs using pomegranate peel extract, a byproduct of Mediterranean agriculture. Employing the Box-Behnken response surface model, the synthesis is optimized for particle stability and antibacterial efficacy. When incorporated into the protein-based nanofibers developed earlier in the Thesis, these AgNPs demonstrate effective, antibacterial properties, paving the way for their application in novel and greener antimicrobial materials. These studies collectively push the boundaries of antimicrobial nanomaterials, offering practical strategies to tackle urgent global health issues like antibiotic resistance and viral infections. In turn, by focusing on cutting-edge nanomaterials and sustainable approaches, this research provides important insights for developing safer, more effective, and eco-friendly solutions.

Esta Tesis, titulada “Desarrollo de nuevos materiales poliméricos nanocompuestos con capacidad antimicrobiana” representa un esfuerzo exhaustivo para desarrollar nuevos nanomateriales antimicrobianos, centrándose en la incorporación de compuestos bioactivos en matrices poliméricas y en técnicas de síntesis ecológicas. La investigación abarca varios estudios interrelacionados que exploran tantos agentes antimicrobianos naturales como sintéticos, avanzando en la comprensión de sus aplicaciones en ciencia de materiales y biomedicina. Este trabajo comienza investigando el moco de la piel de peces como un recurso inexplorado para agentes antimicrobianos, destacando la presencia de péptidos antimicrobianos (AMPs) y otros compuestos bioactivos dentro del moco que muestran una actividad potente contra una variedad de patógenos. La investigación evalúa varios métodos de extracción para aislar estos compuestos y analiza su actividad. Los hallazgos iniciales subrayan el potencial de los compuestos de origen marino para su utilización en aplicaciones antimicrobianas, aportando conocimientos valiosos a este campo. A continuación, se explora la síntesis de nanofibras a base de proteínas utilizando albúmina de suero bovina (BSA) y lisozima (LYZ) como estrategia para encapsular agentes bioactivos. Las nanofibras electrohiladas sirven como portadoras biocompatibles de agentes bioactivos, incluidos un AMP y un anticuerpo. El estudio confirma que estas proteínas mantienen su integridad estructural después del proceso de electrohilado y que los agentes bioactivos cargados dentro de ellas retienen su actividad parcial o total, indicando el potencial de las nanofibras de proteínas para la administración y protección de fármacos bioactivos. En una orientación hacia aplicaciones en el mundo real, la tercera sección de esta tesis evalúa la eficacia antiviral de materiales de poliuretano termoplástico (TPU) con nanopartículas de plata (AgNPs). En colaboración con un socio industrial, el estudio evalúa las propiedades viricidas de los materiales AgNP-TPU contra patógenos como el SARS-CoV-2 y el SVCV, mostrando una reducción sustancial en la infectividad viral sin efectos citotóxicos en modelos de cultivo celular. Estos resultados posicionan a los compuestos AgNP-TPU como candidatos potenciales para recubrimientos antivirales en diversas apliaciones. La Tesis transita más adelante hacia enfoques de síntesis más ecológicos, utilizando métodos basados en fitoquímicos para producir nanomateriales antibacterianos. Una revisión de los compuestos derivados de plantas y sus aplicaciones revela cómo los extractos naturales, ricos en antioxidantes y otros compuestos bioactivos, pueden servir tanto como agentes antimicrobianos como agentes reductores para la síntesis de nanopartículas. Este estudio fomenta prácticas de producción sostenible que reducen la dependencia de productos químicos sintéticos, alineándose con los objetivos globales para el desarrollo responsable de materiales. Finalmente, la investigación culmina en la síntesis de AgNPs utilizando extracto de piel de granada, un subproducto de la agricultura mediterránea. Empleando el modelo de superficie de respuesta de Box-Behnken, se optimiza la síntesis para lograr estabilidad de partículas y eficacia antibacteriana. Cuando se incorporan en las nanofibras a base de proteínas desarrolladas anteriormente en la Tesis, estas AgNPs demuestran propiedades antibacterianas efectivas, abriendo el camino para su aplicación en materiales antimicrobianos novedosos y más ecológicos. Estos estudios amplían colectivamente los límites de los nanomateriales antimicrobianos, ofreciendo estrategias prácticas para abordar problemas urgentes de salud global, como la resistencia a los antibióticos y las infecciones virales. A su vez, al centrarse en nanomateriales innovadores y enfoques sostenibles, esta investigación aporta conocimientos importantes para desarrollar soluciones más seguras, eficaces y respetuosas con el medio ambiente.