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Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10077/3518

Title: Biomaterials for biotechnological applications: synthesis and activity evaluations
Other Titles: Biomateriali per applicazioni biotecnologiche: sintesi e valutazione della loro attività
Authors: Perin, Danilo
Supervisor/Tutor: Grassi, Mario
Grassi, Mario
Co-supervisor: Grassi, Gabriele
Murano, Erminio
Issue Date: 26-Mar-2010
Publisher: Università degli studi di Trieste
Abstract: A biomaterial was defined as any non-living material used in a medical device that interacts with biological systems. Many different applications involve the use of biomaterials: pharmacology, controlled drug release, extracorporeal devices (contact lens, emodialysis devices, cardiopulmonary bypass oxygenators), artificial prostheses. One of the most interesting biomaterials application regards the release of nucleic acids and their derivatives as therapeutic agents. These molecules, defined as “nucleic acid base drugs” (NABDs), allows highly targeted cellular metabolism modifications. The aim of this research project concerns the characterization of biomaterials for biotechnological applications and evaluation of their activities. In particular, because of the great therapeutics and commercial interest and the delivery problems that are largely unresolved, the attention is focused on the study of new delivery systems for siRNA, proposed as model system as they represent the most common and best characterized NABD. SiRNA proved to be useful for what concerns the in-stent restenosis, pathology implying the re-occlusion of the artery due to the iper-proliferation of smooth muscle cells induced by the presence of the stent, a metal prosthesis that is applied to avoid the elastic recoil of the artery wall after balloon angioplasty. In this system, the siRNA should act as an anti-proliferative of smooth muscle cells without interfering with endothelial cells. In order to design an appropriate delivery system, it is crucial a precise structural and dimensional characterization of polymeric mesh. This purpose was achieved by the use of various techniques such as Rheology, low field NMR and Cryoporometry. Rheology allows the evaluation of the macroscopic mechanical properties of the system under investigation (Young's and shear modulus for example). Low field NMR, instead, allows evaluating the microscopic properties and, coupled to the rheology, provides an estimation of the polymeric mesh size distribution. Cryoporometry is another method to assess the mesh size distribution. In vivo release tests represent the final step of the experimental process. The polymeric system ability to carry and deliver the liposome-siRNA complexes, was tested in culture models of smooth muscle cells and endothelial cells. The attention has been focused on polymeric hydrogels, whose biocompatibility and biodegradability is well known: • Alginate (polymeric concentration 1% - 2% - 3%), crosslinked by Ca2+ or Cu2+ water solution • Pluronic™ F127 18% in water • Dextran 5% or 30% methacrylate (respectively D40MA5% and D500MA30%; polymeric concentration 5%) crosslinked by UV • Gel systems derived from benzofulvene And polymeric blends: • Pluronic™-alginate hydrogels respectively at 18% and 2% in water • Dextran methacrylate-alginate respectively at 5% and 3% in water (A3D40MA5% or A3D500MA30%)
Un biomateriale è definito come qualsiasi materiale non-vivente utilizzato in un dispositivo medico interagente con i sistemi biologici. Diverse applicazioni comportano l'uso di biomateriali: farmacologia, sistemi di controllato rilascio di farmaci, dispositivi extracorporei (lenti a contatto, dispositivi per emodialisi, ossigenatori, bypass cardiopolmonari, ecc.), protesi artificiali. Una delle applicazioni più interessanti dei biomateriali riguarda il rilascio di acidi nucleici e loro derivati come agenti terapeutici. Queste molecole, definite come " nucleic acid base drugs " (NABDs), consentono modifiche altamente mirate del metabolismo cellulare. L'obiettivo di questo progetto di ricerca riguarda la caratterizzazione dei biomateriali per applicazioni biotecnologiche e la valutazione delle loro attività. In particolare, dato il notevole interesse terapeutico e commerciale, oltre ai problemi di delivery tutt’ora in gran parte irrisolti, l'attenzione è stata focalizzata sullo studio di nuovi sistemi di somministrazione di siRNA, proposti come sistema modello in quanto rappresentano il più comune e meglio caratterizzato NABD. I siRNA si sono rivelati utili per il trattamento della ristenosi in-stent, una patologia che comporta la ri-occlusione dell'arteria in seguito alla iper-proliferazione delle cellule muscolari lisce indotta dalla presenza dello stent, una protesi di metallo applicata per evitare la contrazione elastica della parete arteriosa in seguito ad angioplastica con palloncino. In questo sistema, il siRNA dovrebbe agire come un anti-proliferativo delle cellule muscolari lisce, senza interferire con le cellule endoteliali. Al fine di progettare un adeguato sistema di rilascio, è di fondamentale importanza una precisa caratterizzazione strutturale e dimensionale delle maglie polimeriche. Questo scopo è stato raggiunto mediante l’utilizzo di varie discipline quali la Reologia, l’NMR a basso campo e la Crioporimetria. La Reologia permette una valutazione macroscopica delle proprietà meccaniche del sistema in esame (ad esempio attraverso il modulo di Young ed il modulo di taglio). L’NMR a basso campo, invece, permette di valutare le proprietà microscopiche e, accoppiato alla reologia, fornisce una stima della distribuzione dimensionale delle maglie polimeriche. La Crioporimetria è metodo alternativo per la valutazione della distribuzione dimensionale delle maglie. I test di rilascio in vivo rappresentano l'ultima fase del processo sperimentale. La capacità del sistema polimerico di trasportare e rilasciare liposomi complessati a siRNA, è stata valutata in modelli di cellule muscolari lisce e cellule endoteliali in coltura. L’attenzione e stato focalizzata soprattutto su sistemi idrogel polimerici la cui biocompatibilità e biodegradabilità è ben nota: • Alginato (concentrazione polimero 1% - 2% - 3%), reticolato attraverso soluzioni acquose di Ca2+ o Cu2+ • Pluronico F127 al 18% in acqua • Destrano 5% o 30% metacrilato (rispettivamente D40MA5% e D500MA30% ad una concentrazione polimerica pari al 5% in acqua), reticolati tramite UV • Sistemi gel derivati da benzofulvene E le miscele polimeriche costituite da: • Idrogel di pluronico-alginato rispettivamente al 18% e 2% in acqua • Destrano metacrilato-alginato rispettivamente al 5% e 3% in acqua (A3D40MA5% o A3D500MA30%)
PhD cycle: XXII Ciclo
PhD programme: SCUOLA DI DOTTORATO DI RICERCA IN SCIENZE E TECNOLOGIE CHIMICHE E FARMACEUTICHE
Description: 2008/2009
Keywords: nucleic acid based drug
siRNA
rheology
low field NMR
cryoporometry
hydrogel
restenosis
alginate
dextran
pluronic
Main language of document: en
Type: Tesi di dottorato
Doctoral Thesis
Scientific-educational field: ING-IND/24 PRINCIPI DI INGEGNERIA CHIMICA
NBN: urn:nbn:it:units-8857
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