Cellulose derived carbon dots : From synthesis to evaluation as multifunctional building blocks in biomedical scaffolds

• The implementation of biobased and biodegradable polymeric materials in biomedical applications is often coupled with issues related to their insufficient mechanical properties or limited bioactivity. In this thesis, a perspective on valorization of biomass is presented, demonstrating the transformation of cellulose into biobased carbon nanomaterials with the potential to serve as multifunctional property enhancers in polycaprolactone (PCL) scaffold materials for tissue engineering.Firstly, nanographene oxide (nGO) type of carbon dots were produced through a microwave assisted hydrothermal carbonization of cellulose and subsequent oxidation in an acidic environment. The carbon dots demonstrated zero-dimensional (0D) character, ample amount of oxygen functionalities and fluorescence properties. Furthermore, a green reduction process in superheated water was developed to reduce the nGO carbon dots with and without the aid of a green reducing agent, caffeic acid (CA). The resulting r-nGO and r-nGO-CA showed in contrast to nGO decreased oxygen content and enhanced thermal stability. r-nGO-CA, in addition, maintained good cell viability towards osteoblast-like cells at a higher concentration than nGO.Secondly, incorporation of r-nGO or r-nGO-CA in PCL nanocomposites induced great enhancement in mineralization capability and creep resistance. nGO carbon dots could also due to their oxygen-rich content, be utilized to modify 3D scaffolds through surface functionalization and blending. The nGO on the surface of the PCL scaffolds, produced through optimized solvent casting particulate leaching (SCPL) techniques, could act as anchor sites for antibiotic loading and induce mineralization. It was also shown that incorporation of nGO in PCL scaffolds fabricated through high internal phase emulsion (HIPE) templating influenced the macrostructure of the scaffolds further manifesting the versatility and potential of the fabricated biobased carbon dots in biomedical applications.

• Användandet av biobaserade eller bionedbrytbara polymera material i biomedicinska applikationer är ofta förknippat med problem relaterat till otillräckliga mekaniska egenskaper och begränsad bioaktivitet hos polymererna. I denna avhandling presenteras en förädlingsstrategi av biomassa, som demonstrerar omvandlingen av cellulosa till biobaserade nanomaterial med potential som multifunktionella förstärkare i polykaprolakton (PCL)-baserade stödmatriser för vävnadsregenerering. I den första delen av avhandlingen producerades nanografenoxid (nGO)-liknande kolnanopartiklar genom mikrovågsassisterad hydrotermisk karbonisering av cellulosa följt av en oxidering i sur miljö. Kolnanopartiklarna uppvisade noll-dimensionell (0D) storlek, hög syrehalt samt fluorescens. För att modifiera nGO-kolnanopartiklarna utvecklades även en grön mikrovågsassisterad reduceringsprocess i överhettat vatten. De reducerade kolnanopartiklarna, r-nGO och r-nGO-CA, producerades i enbart överhettat vatten eller i överhettat vatten tillsammans med ett gröntreduceringsmedel koffeinsyra (CA). I jämförelse med nGO, uppvisade de reducerade kolnanopartiklarna en minskad syrehalt, ökad termisk stabilitet och förbättrad cellöverlevnad gentemot osteoblastliknande celler även vidhögre koncentrationer. I nästa steg inkorporerades r-nGO och r-nGO-CA iPCL-nanokompositer, vilket resulterade i en avsevärd förbättring av mineraliseringsförmåga och krypmotstånd hos nanokompositerna. På grund av sin höga syrehalt kunde nGO även användas till att modifiera 3D-stödmatriser genom ytfunktionalisering och blandning. nGO som fästs på ytan av porösa PCL-baserade stödmatriser, antibiotika samt inducerade mineralisering. nGO som inkorporerats imöjliggjorde adsorption av syntesen av PCL-baserade stödmatriser hade dessutom inverkan på makrostrukturen av stödmatriserna, vilket ytterligare visar på mångsidighet och potential hos dessa biobaserade kolnanopartiklar i biomedicinska applikationer.

Ämnesord

TEKNIK OCH TEKNOLOGIER  -- Kemiteknik -- Polymerteknologi (hsv//swe)

ENGINEERING AND TECHNOLOGY  -- Chemical Engineering -- Polymer Technologies (hsv//eng)

Nyckelord

cellulose

microwave

carbon dots

polycaprolactone

scaffold

mineralization

drug loading

cellulosa

mikrovågor

kolnanopartiklar

polykaprolakton

stödmatris för vävnadsregenerering

mineralisering

läkemedelsbärare

Fiber- och polymervetenskap

Fibre and Polymer Science

Publikations- och innehållstyp

vet (ämneskategori)

dok (ämneskategori)