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
Supervisore/Tutore: Paoletti, Sergio
Cosupervisore: 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.
Ciclo di dottorato: XXII Ciclo
metadata.dc.subject.classification: SCUOLA DI DOTTORATO DI RICERCA IN NANOTECNOLOGIE
Description: 
2008/2009
Keywords: Nanocomposites
Nanoparticles
Biomaterials
Silver
Antimicrobial activity
Cytotoxicity
Polysaccharides
Language: en
Type: Doctoral Thesis
Settore scientifico-disciplinare: BIO/10 BIOCHIMICA
NBN: urn:nbn:it:units-8876
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