Dissertation/ Thesis
Fundamentals of calcium phosphate nanotopographies as antibacterial surfaces : proof of concept, bacteria-substrate interaction, and mechanism of antimicrobial action
| Τίτλος: | Fundamentals of calcium phosphate nanotopographies as antibacterial surfaces : proof of concept, bacteria-substrate interaction, and mechanism of antimicrobial action |
|---|---|
| Συγγραφείς: | Iglesias Fernández, Marc |
| Συνεισφορές: | University/Department: Universitat Politècnica de Catalunya. Departament de Ciència i Enginyeria de Materials |
| Thesis Advisors: | Español Pons, Montserrat, Ginebra Molins, Maria Pau |
| Πηγή: | TDX (Tesis Doctorals en Xarxa) |
| Στοιχεία εκδότη: | Universitat Politècnica de Catalunya, 2026. |
| Έτος έκδοσης: | 2026 |
| Φυσική περιγραφή: | 153 p. |
| Θεματικοί όροι: | Calcium-deficient hydroxyapatite (CDHA), Gram-positive bacteria (Bacillus subtilis), Cryo-soft X-ray microscopy (Cryo-SXT), XANES spectromicroscopy, Transcriptomics, Intracellular calcium, Bacterial persistence, Lipid peroxidation, Àrees temàtiques de la UPC::Enginyeria dels materials, Àrees temàtiques de la UPC::Enginyeria biomèdica, 620 - Assaig de materials. Material comercials. Economia de l'energia, 616. 7 - Patologia dels òrgans de la locomoció. Sistema locomotor i esquelètic |
| Περιγραφή: | Tesi amb menció de Doctorat Internacional |
| Description (Translated): | (English) Bone defects exceeding a critical size require grafts that provide structural support while promoting bone regeneration. However, surgical implantation of these grafts carries a significant risk of infection, which can compromise graft integration and lead to host bone degradation. This challenge is exacerbated by the increasing prevalence of antibiotic resistance, underscoring the need for alternative antimicrobial strategies. Consequently, the development of synthetic bone grafts that combine osteogenic capacity with intrinsic antimicrobial functionality represents a major clinical and scientific priority. This thesis focuses on the development of synthetic calcium phosphate bone grafts featuring bactericidal nanotopographies effective against both Gram-negative and Gram-positive bacteria, and on elucidating the mechanisms underlying their antimicrobial action. Chapter 1 introduces the clinical motivation and scientific background of the study, providing an overview of implant-associated infections and a critical review of bactericidal nanotopographies reported in the literature, with emphasis on their key design parameters. Chapter 2 focuses on the synthesis, physicochemical characterization, and antimicrobial evaluation of two calcium-deficient hydroxyapatite (CDHA) nanotopographies obtained by hydrolysis of α-tricalcium phosphate under biomimetic and hydrothermal conditions. Both surfaces exhibit nanopillar-like architectures but differ in pillar size and interpillar spacing. The hydrothermally synthesized nanotopography, characterized by larger interpillar spacing, demonstrated superior bactericidal activity against the Gram-negative bacterium Pseudomonas aeruginosa. Ionic-exchange experiments showed that the released ionic species were not toxic to planktonic bacteria, indicating that surface nanotopography, rather than ionic release, is the dominant factor driving bacterial mortality. Chapter 3 investigates the interaction between CDHA nanotopographies and the Gram-positive bacterium Bacillus subtilis using synchrotron-based cryo–soft X-ray microscopy. Cryo-SXT revealed membrane rupture, cytosolic leakage, and multivesicular body formation in bacteria adhering to nanopillars. XANES spectromicroscopy identified a bacterial subpopulation with elevated intracellular calcium associated with substrate-derived ion release; however, this did not affect cell viability, consistent with the halotolerant nature of B. subtilis. Quantitative calcium estimation using linear absorption coefficients provided new insights into mechanochemical bacterial responses. Finally, Chapter 4 presents a time-resolved investigation of the bactericidal mechanisms exerted by CDHA nanotopographies against P. aeruginosa, integrating real-time multiplexed kinetic assays with sequential transcriptomic analyses. The kinetic data revealed four distinct phases: an initial adaptation period, metabolic activation without mortality, an abrupt metabolic collapse accompanied by a sharp increase in cell death, and a persistence phase in the surviving population. Transcriptomic profiling supported this progression, revealing early cell envelope stress and oxidative imbalance (2 h), followed by lipid peroxidation, glutathione depletion, iron dysregulation, and programmed cell death associated with mechanical membrane damage (5 h). At 7 h, global repression of metabolism and translation indicated entry into a persistence-like state, while at 24 h the surviving subpopulation showed partial metabolic reactivation and preparation for regrowth. Altogether, this chapter provides the first sequential genetic framework describing how calcium phosphate nanotopographies trigger mechano-induced oxidative damage leading to bacterial death and persistence. (Català) Els defectes ossis que superen una mida crítica requereixen empelts capaços de proporcionar suport estructural i afavorir la regeneració òssia. Tanmateix, la seva implantació quirúrgica comporta un risc elevat d’infecció, que pot comprometre greument la integració de l’empelt i provocar la destrucció de l’os receptor. Aquesta problemàtica es veu accentuada per l’augment de la resistència als antibiòtics, fet que limita l’eficàcia dels tractaments convencionals. En aquest context, esdevé prioritari el desenvolupament d’empelts ossis sintètics que combinin propietats osteogèniques amb funcionalitats antimicrobianes intrínseques, reduint la dependència dels antibiòtics tradicionals. L’objectiu d’aquesta tesi és desenvolupar empelts ossis sintètics basats en fosfats de calci amb nanotopografies bactericides, efectives tant contra bacteris Gram-positius com Gram-negatius, i caracteritzar els mecanismes responsables de la seva activitat antimicrobiana. El Capítol 1 estableix el marc clínic i científic del treball i presenta una revisió crítica de la literatura sobre nanotopografies bactericides, destacant els principals paràmetres geomètrics i fisicoquímics que en determinen l’eficàcia. El Capítol 2 descriu la síntesi, caracterització i avaluació antimicrobiana de dues nanotopografies d’hidroxiapatita deficient en calci (CDHA), obtingudes mitjançant la hidròlisi de fosfat tricàlcic α en condicions biomimètiques i hidrotèrmiques. Ambdues superfícies presenten nanoestructures en forma de nanopilars, però amb diferències en el seu tamany i espaiat. La nanotopografia generada per via hidrotèrmica, amb un major espaiat interpilar, va mostrar una activitat bactericida superior contra Pseudomonas aeruginosa. Els estudis d’intercanvi iònic van demostrar que les espècies alliberades no eren tòxiques per a bacteris planctònics, indicant que la nanotopografia, i no l’alliberament iònic, és el principal determinant de l’activitat antimicrobiana. El Capítol 3 analitza la interacció de les nanotopografies de CDHA amb el bacteri Gram-positiu Bacillus subtilis mitjançant criomicroscòpia de raigs X tous amb llum de sincrotró (Cryo-SXT). Aquesta tècnica va permetre la visualització tridimensional de bacteris en estat completament hidratat amb resolució subcel·lular. Les anàlisis van revelar ruptures de membrana, pèrdua de contingut citosòlic i formació de cossos multivesiculars. Paral·lelament, l’espectromicroscòpia XANES va identificar una subpoblació bacteriana amb concentracions intracel·lulars elevades de calci associades a l’alliberament d’aquest ió des del substrat, sense afectar la viabilitat cel·lular, en coherència amb la naturalesa halotolerant de B. subtilis. La quantificació del calci citosòlic va aportar noves perspectives sobre el paper combinat de la química superficial i la nanotopografia. Finalment, el Capítol 4 presenta un estudi cinètic dels mecanismes bactericides de les nanotopografies de CDHA contra P. aeruginosa, integrant assajos cinètics en temps real amb transcriptòmica seqüencial. Es van identificar quatre fases diferenciades: adaptació inicial, activació metabòlica sense mortalitat, col·lapse metabòlic amb elevada mortalitat i una fase de persistència en la població supervivient. L’anàlisi transcriptòmica va revelar estrès de la paret cel·lular i desequilibri oxidatiu inicial, seguit de peroxidació lipídica, esgotament de glutatió, desregulació del ferro, dany mecànic de la membrana i mort cel·lular programada, culminant en un estat persistent i una reactivació metabòlica parcial. En conjunt, aquest treball aporta el primer estudi genètic seqüencial que descriu una cascada de dany oxidatiu induït mecànicament en bacteris exposats a superfícies nanoestructurades de fosfat de calci. (Español) Los defectos óseos que superan un tamaño crítico requieren injertos capaces de proporcionar soporte estructural y favorecer la regeneración ósea. Sin embargo, los procedimientos quirúrgicos necesarios para su implantación conllevan un elevado riesgo de infección, lo que puede comprometer la integración del injerto y provocar la destrucción del hueso receptor. Esta problemática se ve agravada por el aumento de la resistencia a los antibióticos, que limita la eficacia de los tratamientos convencionales. En este contexto, resulta prioritario desarrollar injertos óseos sintéticos que combinen propiedades osteogénicas con funciones antimicrobianas intrínsecas, reduciendo la dependencia de los antibióticos tradicionales. El objetivo de esta tesis es desarrollar injertos óseos sintéticos basados en fosfatos cálcicos con nanotopografías bactericidas eficaces frente a bacterias Gram-positivas y Gram-negativas, así como caracterizar los mecanismos responsables de su actividad antimicrobiana. El Capítulo 1 establece el marco clínico y científico del trabajo y presenta una revisión crítica de la literatura sobre nanotopografías bactericidas, destacando los parámetros geométricos y fisicoquímicos más relevantes que determinan su eficacia antimicrobiana. El Capítulo 2 aborda la síntesis, caracterización y evaluación antimicrobiana de dos nanotopografías de hidroxiapatita deficiente en calcio (CDHA), obtenidas mediante la hidrólisis de α-fosfato tricálcico bajo condiciones biomiméticas e hidrotérmicas. Ambas superficies presentan arquitecturas nanoestructuradas en forma de nanopilares, con diferencias en su tamaño y espaciamiento. La nanotopografía generada por vía hidrotérmica, caracterizada por una mayor separación interpilar, mostró una actividad bactericida superior frente a Pseudomonas aeruginosa. Los estudios de intercambio iónico demostraron que las especies liberadas no eran tóxicas para bacterias planctónicas, indicando que la nanotopografía, y no la liberación iónica, constituye el principal determinante del efecto antimicrobiano. El Capítulo 3 analiza la interacción de las nanotopografías de CDHA con la bacteria Gram-positiva Bacillus subtilis mediante criomicroscopía de rayos X blandos con luz sincrotrón (Cryo-SXT). Esta técnica permitió la visualización tridimensional de bacterias en estado hidratado con resolución subcelular. Los análisis revelaron roturas de membrana, pérdida de contenido citosólico y formación de cuerpos multivesiculares. Asimismo, la espectromicroscopía XANES identificó una subpoblación bacteriana con concentraciones intracelulares elevadas de calcio asociadas a la liberación del ion desde el sustrato, sin afectar la viabilidad celular, en consonancia con la naturaleza halotolerante de B. subtilis. La estimación cuantitativa del calcio citosólico aportó nuevas perspectivas sobre la contribución combinada de la nanotopografía y la química superficial en la respuesta bacteriana. Finalmente, el Capítulo 4 presenta un estudio cinético de los mecanismos bactericidas ejercidos por las nanotopografías de CDHA frente a P. aeruginosa, integrando ensayos cinéticos en tiempo real con análisis transcriptómicos secuenciales. Se identificaron cuatro fases diferenciadas: adaptación inicial, activación metabólica sin mortalidad, colapso metabólico con elevada mortalidad y una fase de persistencia en la población superviviente. El análisis transcriptómico reveló estrés de la envoltura celular y desequilibrio oxidativo temprano, seguido de peroxidación lipídica, agotamiento de glutatión, desregulación del hierro, daño mecánico de la membrana y muerte celular programada, culminando en un estado persistente y una posterior reactivación metabólica parcial. En conjunto, este trabajo proporciona el primer estudio genético secuencial que describe una cascada de daño oxidativo inducido mecánicamente en bacterias expuestas a superficies nanostructuradas de fosfato cálcico. DOCTORAT EN CIÈNCIA I ENGINYERIA DELS MATERIALS (Pla 2012) |
| Τύπος εγγράφου: | Dissertation/Thesis |
| Περιγραφή αρχείου: | application/pdf |
| Γλώσσα: | English |
| DOI: | 10.5821/dissertation-2117-457416 |
| Σύνδεσμος πρόσβασης: | https://hdl.handle.net/10803/696976 https://dx.doi.org/10.5821/dissertation-2117-457416 |
| Rights: | L'accés als continguts d'aquesta tesi queda condicionat a l'acceptació de les condicions d'ús establertes per la següent llicència Creative Commons: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ info:eu-repo/semantics/embargoedAccess |
| Αριθμός Καταχώρησης: | edstdx.10803.696976 |
| Βάση Δεδομένων: | TDX |
| FullText | Text: Availability: 0 CustomLinks: – Url: https://hdl.handle.net/10803/696976# Name: EDS - TDX (ns324271) Category: fullText Text: View record in TDX |
|---|---|
| Header | DbId: edstdx DbLabel: TDX An: edstdx.10803.696976 RelevancyScore: 1435 AccessLevel: 3 PubType: Dissertation/ Thesis PubTypeId: dissertation PreciseRelevancyScore: 1435.119140625 |
| IllustrationInfo | |
| Items | – Name: Title Label: Title Group: Ti Data: Fundamentals of calcium phosphate nanotopographies as antibacterial surfaces : proof of concept, bacteria-substrate interaction, and mechanism of antimicrobial action – Name: Author Label: Authors Group: Au Data: <searchLink fieldCode="AR" term="%22Iglesias+Fernández%2C+Marc%22">Iglesias Fernández, Marc</searchLink> – Name: Author Label: Contributors Group: Au Data: University/Department: Universitat Politècnica de Catalunya. Departament de Ciència i Enginyeria de Materials – Name: Author Label: Thesis Advisors Group: Au Data: Español Pons, Montserrat<br />Ginebra Molins, Maria Pau – Name: TitleSource Label: Source Group: Src Data: TDX (Tesis Doctorals en Xarxa) – Name: Publisher Label: Publisher Information Group: PubInfo Data: Universitat Politècnica de Catalunya, 2026. – Name: DatePubCY Label: Publication Year Group: Date Data: 2026 – Name: PhysDesc Label: Physical Description Group: PhysDesc Data: 153 p. – Name: Subject Label: Subject Terms Group: Su Data: <searchLink fieldCode="DE" term="%22Calcium-deficient+hydroxyapatite+%28CDHA%29%22">Calcium-deficient hydroxyapatite (CDHA)</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22Gram-positive+bacteria+%28Bacillus+subtilis%29%22">Gram-positive bacteria (Bacillus subtilis)</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22Cryo-soft+X-ray+microscopy+%28Cryo-SXT%29%22">Cryo-soft X-ray microscopy (Cryo-SXT)</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22XANES+spectromicroscopy%22">XANES spectromicroscopy</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22Transcriptomics%22">Transcriptomics</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22Intracellular+calcium%22">Intracellular calcium</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22Bacterial+persistence%22">Bacterial persistence</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22Lipid+peroxidation%22">Lipid peroxidation</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22Àrees+temàtiques+de+la+UPC%3A%3AEnginyeria+dels+materials%22">Àrees temàtiques de la UPC::Enginyeria dels materials</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22Àrees+temàtiques+de+la+UPC%3A%3AEnginyeria+biomèdica%22">Àrees temàtiques de la UPC::Enginyeria biomèdica</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22620+-+Assaig+de+materials%2E+Material+comercials%2E+Economia+de+l'energia%22">620 - Assaig de materials. Material comercials. Economia de l'energia</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22616%2E+7+-+Patologia+dels+òrgans+de+la+locomoció%2E+Sistema+locomotor+i+esquelètic%22">616. 7 - Patologia dels òrgans de la locomoció. Sistema locomotor i esquelètic</searchLink> – Name: Abstract Label: Description Group: Ab Data: Tesi amb menció de Doctorat Internacional – Name: Abstract Label: Description (Translated) Group: Ab Data: (English) Bone defects exceeding a critical size require grafts that provide structural support while promoting bone regeneration. However, surgical implantation of these grafts carries a significant risk of infection, which can compromise graft integration and lead to host bone degradation. This challenge is exacerbated by the increasing prevalence of antibiotic resistance, underscoring the need for alternative antimicrobial strategies. Consequently, the development of synthetic bone grafts that combine osteogenic capacity with intrinsic antimicrobial functionality represents a major clinical and scientific priority. This thesis focuses on the development of synthetic calcium phosphate bone grafts featuring bactericidal nanotopographies effective against both Gram-negative and Gram-positive bacteria, and on elucidating the mechanisms underlying their antimicrobial action. Chapter 1 introduces the clinical motivation and scientific background of the study, providing an overview of implant-associated infections and a critical review of bactericidal nanotopographies reported in the literature, with emphasis on their key design parameters. Chapter 2 focuses on the synthesis, physicochemical characterization, and antimicrobial evaluation of two calcium-deficient hydroxyapatite (CDHA) nanotopographies obtained by hydrolysis of α-tricalcium phosphate under biomimetic and hydrothermal conditions. Both surfaces exhibit nanopillar-like architectures but differ in pillar size and interpillar spacing. The hydrothermally synthesized nanotopography, characterized by larger interpillar spacing, demonstrated superior bactericidal activity against the Gram-negative bacterium Pseudomonas aeruginosa. Ionic-exchange experiments showed that the released ionic species were not toxic to planktonic bacteria, indicating that surface nanotopography, rather than ionic release, is the dominant factor driving bacterial mortality. Chapter 3 investigates the interaction between CDHA nanotopographies and the Gram-positive bacterium Bacillus subtilis using synchrotron-based cryo–soft X-ray microscopy. Cryo-SXT revealed membrane rupture, cytosolic leakage, and multivesicular body formation in bacteria adhering to nanopillars. XANES spectromicroscopy identified a bacterial subpopulation with elevated intracellular calcium associated with substrate-derived ion release; however, this did not affect cell viability, consistent with the halotolerant nature of B. subtilis. Quantitative calcium estimation using linear absorption coefficients provided new insights into mechanochemical bacterial responses. Finally, Chapter 4 presents a time-resolved investigation of the bactericidal mechanisms exerted by CDHA nanotopographies against P. aeruginosa, integrating real-time multiplexed kinetic assays with sequential transcriptomic analyses. The kinetic data revealed four distinct phases: an initial adaptation period, metabolic activation without mortality, an abrupt metabolic collapse accompanied by a sharp increase in cell death, and a persistence phase in the surviving population. Transcriptomic profiling supported this progression, revealing early cell envelope stress and oxidative imbalance (2 h), followed by lipid peroxidation, glutathione depletion, iron dysregulation, and programmed cell death associated with mechanical membrane damage (5 h). At 7 h, global repression of metabolism and translation indicated entry into a persistence-like state, while at 24 h the surviving subpopulation showed partial metabolic reactivation and preparation for regrowth. Altogether, this chapter provides the first sequential genetic framework describing how calcium phosphate nanotopographies trigger mechano-induced oxidative damage leading to bacterial death and persistence.<br />(Català) Els defectes ossis que superen una mida crítica requereixen empelts capaços de proporcionar suport estructural i afavorir la regeneració òssia. Tanmateix, la seva implantació quirúrgica comporta un risc elevat d’infecció, que pot comprometre greument la integració de l’empelt i provocar la destrucció de l’os receptor. Aquesta problemàtica es veu accentuada per l’augment de la resistència als antibiòtics, fet que limita l’eficàcia dels tractaments convencionals. En aquest context, esdevé prioritari el desenvolupament d’empelts ossis sintètics que combinin propietats osteogèniques amb funcionalitats antimicrobianes intrínseques, reduint la dependència dels antibiòtics tradicionals. L’objectiu d’aquesta tesi és desenvolupar empelts ossis sintètics basats en fosfats de calci amb nanotopografies bactericides, efectives tant contra bacteris Gram-positius com Gram-negatius, i caracteritzar els mecanismes responsables de la seva activitat antimicrobiana. El Capítol 1 estableix el marc clínic i científic del treball i presenta una revisió crítica de la literatura sobre nanotopografies bactericides, destacant els principals paràmetres geomètrics i fisicoquímics que en determinen l’eficàcia. El Capítol 2 descriu la síntesi, caracterització i avaluació antimicrobiana de dues nanotopografies d’hidroxiapatita deficient en calci (CDHA), obtingudes mitjançant la hidròlisi de fosfat tricàlcic α en condicions biomimètiques i hidrotèrmiques. Ambdues superfícies presenten nanoestructures en forma de nanopilars, però amb diferències en el seu tamany i espaiat. La nanotopografia generada per via hidrotèrmica, amb un major espaiat interpilar, va mostrar una activitat bactericida superior contra Pseudomonas aeruginosa. Els estudis d’intercanvi iònic van demostrar que les espècies alliberades no eren tòxiques per a bacteris planctònics, indicant que la nanotopografia, i no l’alliberament iònic, és el principal determinant de l’activitat antimicrobiana. El Capítol 3 analitza la interacció de les nanotopografies de CDHA amb el bacteri Gram-positiu Bacillus subtilis mitjançant criomicroscòpia de raigs X tous amb llum de sincrotró (Cryo-SXT). Aquesta tècnica va permetre la visualització tridimensional de bacteris en estat completament hidratat amb resolució subcel·lular. Les anàlisis van revelar ruptures de membrana, pèrdua de contingut citosòlic i formació de cossos multivesiculars. Paral·lelament, l’espectromicroscòpia XANES va identificar una subpoblació bacteriana amb concentracions intracel·lulars elevades de calci associades a l’alliberament d’aquest ió des del substrat, sense afectar la viabilitat cel·lular, en coherència amb la naturalesa halotolerant de B. subtilis. La quantificació del calci citosòlic va aportar noves perspectives sobre el paper combinat de la química superficial i la nanotopografia. Finalment, el Capítol 4 presenta un estudi cinètic dels mecanismes bactericides de les nanotopografies de CDHA contra P. aeruginosa, integrant assajos cinètics en temps real amb transcriptòmica seqüencial. Es van identificar quatre fases diferenciades: adaptació inicial, activació metabòlica sense mortalitat, col·lapse metabòlic amb elevada mortalitat i una fase de persistència en la població supervivient. L’anàlisi transcriptòmica va revelar estrès de la paret cel·lular i desequilibri oxidatiu inicial, seguit de peroxidació lipídica, esgotament de glutatió, desregulació del ferro, dany mecànic de la membrana i mort cel·lular programada, culminant en un estat persistent i una reactivació metabòlica parcial. En conjunt, aquest treball aporta el primer estudi genètic seqüencial que descriu una cascada de dany oxidatiu induït mecànicament en bacteris exposats a superfícies nanoestructurades de fosfat de calci.<br />(Español) Los defectos óseos que superan un tamaño crítico requieren injertos capaces de proporcionar soporte estructural y favorecer la regeneración ósea. Sin embargo, los procedimientos quirúrgicos necesarios para su implantación conllevan un elevado riesgo de infección, lo que puede comprometer la integración del injerto y provocar la destrucción del hueso receptor. Esta problemática se ve agravada por el aumento de la resistencia a los antibióticos, que limita la eficacia de los tratamientos convencionales. En este contexto, resulta prioritario desarrollar injertos óseos sintéticos que combinen propiedades osteogénicas con funciones antimicrobianas intrínsecas, reduciendo la dependencia de los antibióticos tradicionales. El objetivo de esta tesis es desarrollar injertos óseos sintéticos basados en fosfatos cálcicos con nanotopografías bactericidas eficaces frente a bacterias Gram-positivas y Gram-negativas, así como caracterizar los mecanismos responsables de su actividad antimicrobiana. El Capítulo 1 establece el marco clínico y científico del trabajo y presenta una revisión crítica de la literatura sobre nanotopografías bactericidas, destacando los parámetros geométricos y fisicoquímicos más relevantes que determinan su eficacia antimicrobiana. El Capítulo 2 aborda la síntesis, caracterización y evaluación antimicrobiana de dos nanotopografías de hidroxiapatita deficiente en calcio (CDHA), obtenidas mediante la hidrólisis de α-fosfato tricálcico bajo condiciones biomiméticas e hidrotérmicas. Ambas superficies presentan arquitecturas nanoestructuradas en forma de nanopilares, con diferencias en su tamaño y espaciamiento. La nanotopografía generada por vía hidrotérmica, caracterizada por una mayor separación interpilar, mostró una actividad bactericida superior frente a Pseudomonas aeruginosa. Los estudios de intercambio iónico demostraron que las especies liberadas no eran tóxicas para bacterias planctónicas, indicando que la nanotopografía, y no la liberación iónica, constituye el principal determinante del efecto antimicrobiano. El Capítulo 3 analiza la interacción de las nanotopografías de CDHA con la bacteria Gram-positiva Bacillus subtilis mediante criomicroscopía de rayos X blandos con luz sincrotrón (Cryo-SXT). Esta técnica permitió la visualización tridimensional de bacterias en estado hidratado con resolución subcelular. Los análisis revelaron roturas de membrana, pérdida de contenido citosólico y formación de cuerpos multivesiculares. Asimismo, la espectromicroscopía XANES identificó una subpoblación bacteriana con concentraciones intracelulares elevadas de calcio asociadas a la liberación del ion desde el sustrato, sin afectar la viabilidad celular, en consonancia con la naturaleza halotolerante de B. subtilis. La estimación cuantitativa del calcio citosólico aportó nuevas perspectivas sobre la contribución combinada de la nanotopografía y la química superficial en la respuesta bacteriana. Finalmente, el Capítulo 4 presenta un estudio cinético de los mecanismos bactericidas ejercidos por las nanotopografías de CDHA frente a P. aeruginosa, integrando ensayos cinéticos en tiempo real con análisis transcriptómicos secuenciales. Se identificaron cuatro fases diferenciadas: adaptación inicial, activación metabólica sin mortalidad, colapso metabólico con elevada mortalidad y una fase de persistencia en la población superviviente. El análisis transcriptómico reveló estrés de la envoltura celular y desequilibrio oxidativo temprano, seguido de peroxidación lipídica, agotamiento de glutatión, desregulación del hierro, daño mecánico de la membrana y muerte celular programada, culminando en un estado persistente y una posterior reactivación metabólica parcial. En conjunto, este trabajo proporciona el primer estudio genético secuencial que describe una cascada de daño oxidativo inducido mecánicamente en bacterias expuestas a superficies nanostructuradas de fosfato cálcico.<br />DOCTORAT EN CIÈNCIA I ENGINYERIA DELS MATERIALS (Pla 2012) – Name: TypeDocument Label: Document Type Group: TypDoc Data: Dissertation/Thesis – Name: Format Label: File Description Group: SrcInfo Data: application/pdf – Name: Language Label: Language Group: Lang Data: English – Name: DOI Label: DOI Group: ID Data: 10.5821/dissertation-2117-457416 – Name: URL Label: Access URL Group: URL Data: <link linkTarget="URL" linkTerm="https://hdl.handle.net/10803/696976" linkWindow="_blank">https://hdl.handle.net/10803/696976</link><br /><link linkTarget="URL" linkTerm="https://dx.doi.org/10.5821/dissertation-2117-457416" linkWindow="_blank">https://dx.doi.org/10.5821/dissertation-2117-457416</link> – Name: Copyright Label: Rights Group: Cpyrght Data: L'accés als continguts d'aquesta tesi queda condicionat a l'acceptació de les condicions d'ús establertes per la següent llicència Creative Commons: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/<br />info:eu-repo/semantics/embargoedAccess – Name: AN Label: Accession Number Group: ID Data: edstdx.10803.696976 |
| PLink | https://search.ebscohost.com/login.aspx?direct=true&site=eds-live&db=edstdx&AN=edstdx.10803.696976 |
| RecordInfo | BibRecord: BibEntity: Identifiers: – Type: doi Value: 10.5821/dissertation-2117-457416 Languages: – Text: English PhysicalDescription: Pagination: PageCount: 153 Subjects: – SubjectFull: Calcium-deficient hydroxyapatite (CDHA) Type: general – SubjectFull: Gram-positive bacteria (Bacillus subtilis) Type: general – SubjectFull: Cryo-soft X-ray microscopy (Cryo-SXT) Type: general – SubjectFull: XANES spectromicroscopy Type: general – SubjectFull: Transcriptomics Type: general – SubjectFull: Intracellular calcium Type: general – SubjectFull: Bacterial persistence Type: general – SubjectFull: Lipid peroxidation Type: general – SubjectFull: Àrees temàtiques de la UPC::Enginyeria dels materials Type: general – SubjectFull: Àrees temàtiques de la UPC::Enginyeria biomèdica Type: general – SubjectFull: 620 - Assaig de materials. Material comercials. Economia de l'energia Type: general – SubjectFull: 616. 7 - Patologia dels òrgans de la locomoció. Sistema locomotor i esquelètic Type: general Titles: – TitleFull: Fundamentals of calcium phosphate nanotopographies as antibacterial surfaces : proof of concept, bacteria-substrate interaction, and mechanism of antimicrobial action Type: main BibRelationships: HasContributorRelationships: – PersonEntity: Name: NameFull: Iglesias Fernández, Marc IsPartOfRelationships: – BibEntity: Dates: – D: 04 M: 03 Type: published Y: 2026 |
| ResultId | 1 |