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Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10077/3629

Title: Nanocomposite systems based on metal nanoparticles and polysaccharides for biomedical applications
Authors: Travan, Andrea
Supervisor/Tutor: Paoletti, Sergio
Co-supervisor: Donati, Ivan
Issue Date: 8-Apr-2010
Publisher: Università degli studi di Trieste
Abstract: Questo lavoro riguarda lo sviluppo di materiali nanocompositi per applicazioni biomediche e si configura all’ interno del progetto europeo “Newbone” (EU-FP6); in particolare, lo scopo principale della tesi era realizzare un rivestimento biocompatibile e dotato di proprietà antibatteriche per protesi ortopediche. Sono stati preparati sistemi nanocompositi basati su un polisaccaride derivato dal chitosano (Chitlac) che permette di ottenere soluzioni colloidali di nanoparticelle (argento e oro) con proprietà antibatteriche. Parallelamente, è stato studiato un particolare meccanismo chimico di riduzione degli ioni argento ad opera dei residui di lattitolo del Chitlac; le proprietà ottiche delle nanoparticelle ottenute attraverso questo meccanismo sono state valutate attraverso spettroscopia Raman, evidenziando la possibilità di avere un incremento del segnale grazie al verificarsi dell’ effetto SERS. Essendo state riscontrate migliori proprietà biologiche del sistema a base di argento (Chitlac-nAg) rispetto a quello a base di oro in termini di efficacia antimicrobica e biocompatibilità, Chitlac-nAg è stato scelto per i successivi studi di realizzazione del rivestimento per la protesi. Test sul meccanismo antimicrobico della soluzione ChitlacnAg hanno dimostrato l’interazione tra le nanoparticelle e la membrana batterica. Allo stesso tempo, poiché la mancanza di barriere fisiche può favorire la diffusione delle nanoparticelle all’ interno delle cellule eucariote con rischio di effetti citotossici causati dalla loro internalizzazione, si è voluto realizzare delle strutture tridimensionali a base di Chitlac in grado di intrappolare le nanoparticelle. A questo scopo, sono state sfruttate le proprietà di gelificazione del polisaccaride alginato in modo da ottenere un sistema semi-solido in miscela con Chitlac-nAg; il materiale ottenuto possiede marcate proprietà antibatteriche senza però risultare tossico per le cellule eucariote, come dimostrato da test in vitro e in vivo. Questo risultato è particolarmente importante in relazione allo stato dell’ arte sull’ argomento. Poiché la parte portante della protesi è costituita da un polimero metacrilico, al fine di rivestire questo materiale di substrato è stata messa a punto una tecnica basata sull’ attivazione della superficie e successiva deposizione del rivestimento a base di Chitlac. Questa tecnica permette di ottenere un rivestimento nanocomposito costituito da nanoparticelle di argento incorporate nella matrice di Chitlac. Grazie a questo strato bioattivo la superficie della protesi acquisisce un’ efficace attività antibatterica che si manifesta quando i batteri entrano in diretto contatto con il materiale. Inoltre, test in vitro hanno dimostrato che le cellule eucariote aderiscono e proliferano sul rivestimento nanocomposito, suggerendo quindi una buona integrazione del materiale nei tessuti attorno all’ impianto. La combinazione di tali proprietà ha determinato la scelta di questo rivestimento per il test in vivo su “minipig” a conclusione del progetto europeo: questo test è al momento in via di svolgimento e da esso ci si può attendere una conferma degli incoraggianti risultati ottenuti dagli studi in vitro.
The present work is focused on the development of nanocomposite systems for biomedical applications and has been carried out in the framework of the European Project called “Newbone” (EU-FP6); in particular, the main goal of the thesis was to realize biocompatible coatings for orthopedic prosthesis endowed with antimicrobial properties. Nanocomposite systems based on a chitosan-derived polysaccharide (Chitlac) that stabilizes metal nanoparticles (silver and gold) have been prepared in colloidal solutions which possess broad spectrum antibacterial properties. As a complementary work, it was studied and defined a particular chemical mechanism of silver ions reduction carried out by the lactose moieties of Chitlac; the optical properties of the metallic nanoparticles obtained through this mechanism were tested by means of Raman spectroscopy, thus detecting considerable enhancements of the signal due to the SERS effect (Surface Enhanced Raman Scattering). Given the better biological properties of silver-based systems (Chitlac-nAg) with respect to gold in terms of antimicrobial efficacy and biocompatibility, only the former metal was chosen in the following steps towards the preparation of the nanocomposite coating for the prosthesis. Studies on the biocidal mechanism of the Chitlac-nAg solution ascribed the activity to the interaction metal-bacteria membrane. On the other hand, since the lack of physical barriers to nanoparticle diffusion into eukaryotic cells determines the risk of a massive uptake with cytotoxic outcomes, we focused our attention toward the preparation of Chitlac-based threedimensional structures entrapping silver nanoparticles. To this end, the gel forming properties of the polysaccharide alginate were exploited allowing the production of a semi-solid system in a mixture with Chitlac-nAg: this material displays potent antibacterial properties without showing cytotoxic effects towards eukaryotic cells, as verified by in vitro and in vivo tests. Such result was particularly important in relation to the state of the art in this research field. Since the core material of the prosthesis is made of methacrylic thermosets, in order to coat this substrate material we have devised a technique based on surface activation followed by deposition of the Chitlac-based layer. Such technique allows obtaining a nanocomposite coating where silver nanoparticles are entrapped within the Chitlac matrix. This bioactive layer endows the thermoset surface with considerable antimicrobial properties, as bacteria are rapidly killed upon direct contact with the material. At the same time, in vitro tests proved that eukaryotic cells adhere and proliferate on the nanocomposite coating, which indicates the possibility to have good integration of the material in the tissues surrounding the implant. The combination of these properties determined the choice of our coating for the final in vivo test in a minipig model as a conclusion of the European project; this test is in progress at the moment and it will hopefully confirm the encouraging studies in vitro.
PhD cycle: XXII Ciclo
PhD programme: SCUOLA DI DOTTORATO DI RICERCA IN NANOTECNOLOGIE
Description: 2008/2009
Keywords: Nanocomposites
Nanoparticles
Biomaterials
Silver
Antimicrobial activity
Cytotoxicity
Polysaccharides
Main language of document: en
Type: Tesi di dottorato
Doctoral Thesis
Scientific-educational field: BIO/10 BIOCHIMICA
NBN: urn:nbn:it:units-8876
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