La terminazione di un solido inorganico cristallino o amorfo, comunemente chiamata superficie, può essere intesa come un esteso difetto, dato che possiede proprietà generalmente molto diverse da quelle del volume del solido stesso. Le proprietà di superficie sono responsabili di molte delle caratteristiche e delle reattività di un solido; fra queste, particolare risalto ha il tipo di interazione cui un solido inorganico può dare origine se messo a contatto con un mezzo biologico. Questo progetto riguarda il contatto col mezzo biologico (biomolecole, cellule, tessuti) da parte di due categorie di materiali inorganici a base di silice: vetri bioattivi, per potenziali applicazioni protesiche e materiali a (meso-)porosità controllata, potenziali trasportatori di molecole farmacologicamente attive. Nel primo dei casi citati, il riconoscimento del solido da parte dei componenti delle cellule può portare all’adesione delle cellule stesse, con conseguente esito favorevole dell’impianto. Nel secondo caso, la possibile e riconoscibile biocompatibilità del solido poroso può preludere ad un suo utilizzo in dispositivi per il rilascio controllato di farmaci. In entrambi i casi, la tappa iniziale dell’evento che si realizza al contatto biomateriale/mezzo biologico è l’interazione delle funzionalità chimiche esposte alla superficie del solido con le biomolecole (o frammenti di esse) presenti nel fluido biologico o nel tessuto. Ne segue che la comprensione di quell’evento passa necessariamente attraverso l’accurata conoscenza delle proprietà di superficie dei materiali, dei relativi processi d’interfaccia e dei meccanismi con cui la superficie dialoga con le cellule tramite messaggi molecolari. In questo progetto ci si propone di studiare le relazioni fra struttura e proprietà chimiche/fisiche di superficie ed attività biologica delle citate famiglie di materiali a base di silice. A tal fine si sono dovute mettere assieme competenze diverse, che vanno dalla chimica inorganica preparativa e strutturale alla chimica-fisica di superficie, dall’ingegneria dei materiali alla valutazione di attività biologica (mediante interazione con biomolecole o modelli cellulari). Saranno sintetizzati secondo diverse metodiche preparative (fusione, sol-gel, impregnazione, scambio ionico,...) alcuni biomateriali, un certo numero di sistemi "di riferimento" (essenzialmente sistemi apatitici) e numerosi sistemi "modello" a composizione e struttura controllate, al fine di correlare metodo di preparazione, composizione e struttura dei sistemi d’interesse con le proprietà di superficie e d’interfaccia verso il mezzo biologico. Per questo, di tutti i sistemi preparati, sia tal quali che dopo l’interazione per tempi dosati con soluzioni fisiologiche, vere o simulate, di opportuna composizione e variabile complessità, verrà fatta la più ampia caratterizzazione relativa alle proprietà di superficie/interfaccia, facendo ricorso sia a molteplici metodiche sperimentali (diffrattometriche, spettroscopiche (FTIR, UV-Vis, Raman, NMR stato-solido, EPR, XPS) e calorimetriche) che a tecniche di modellizzazione teorica (con l’utilizzo di metodi classici e quanto-meccanici ab-initio). I materiali d’interesse, sia prima che dopo l’interazione col mezzo biologico, verranno infine studiati in relazione alla loro biocompatibilità/bioattività/tossicità mediante test biologici su modelli cellulari e tramite adsorbimento di proteine specifiche.

Caratterizzazione chimico-strutturale dell’ interfaccia di Xerogels di silice e di nanocristalli apatitici con biomolecole e tessuti biologici.

FORESTI, ELISABETTA
2006

Abstract

La terminazione di un solido inorganico cristallino o amorfo, comunemente chiamata superficie, può essere intesa come un esteso difetto, dato che possiede proprietà generalmente molto diverse da quelle del volume del solido stesso. Le proprietà di superficie sono responsabili di molte delle caratteristiche e delle reattività di un solido; fra queste, particolare risalto ha il tipo di interazione cui un solido inorganico può dare origine se messo a contatto con un mezzo biologico. Questo progetto riguarda il contatto col mezzo biologico (biomolecole, cellule, tessuti) da parte di due categorie di materiali inorganici a base di silice: vetri bioattivi, per potenziali applicazioni protesiche e materiali a (meso-)porosità controllata, potenziali trasportatori di molecole farmacologicamente attive. Nel primo dei casi citati, il riconoscimento del solido da parte dei componenti delle cellule può portare all’adesione delle cellule stesse, con conseguente esito favorevole dell’impianto. Nel secondo caso, la possibile e riconoscibile biocompatibilità del solido poroso può preludere ad un suo utilizzo in dispositivi per il rilascio controllato di farmaci. In entrambi i casi, la tappa iniziale dell’evento che si realizza al contatto biomateriale/mezzo biologico è l’interazione delle funzionalità chimiche esposte alla superficie del solido con le biomolecole (o frammenti di esse) presenti nel fluido biologico o nel tessuto. Ne segue che la comprensione di quell’evento passa necessariamente attraverso l’accurata conoscenza delle proprietà di superficie dei materiali, dei relativi processi d’interfaccia e dei meccanismi con cui la superficie dialoga con le cellule tramite messaggi molecolari. In questo progetto ci si propone di studiare le relazioni fra struttura e proprietà chimiche/fisiche di superficie ed attività biologica delle citate famiglie di materiali a base di silice. A tal fine si sono dovute mettere assieme competenze diverse, che vanno dalla chimica inorganica preparativa e strutturale alla chimica-fisica di superficie, dall’ingegneria dei materiali alla valutazione di attività biologica (mediante interazione con biomolecole o modelli cellulari). Saranno sintetizzati secondo diverse metodiche preparative (fusione, sol-gel, impregnazione, scambio ionico,...) alcuni biomateriali, un certo numero di sistemi "di riferimento" (essenzialmente sistemi apatitici) e numerosi sistemi "modello" a composizione e struttura controllate, al fine di correlare metodo di preparazione, composizione e struttura dei sistemi d’interesse con le proprietà di superficie e d’interfaccia verso il mezzo biologico. Per questo, di tutti i sistemi preparati, sia tal quali che dopo l’interazione per tempi dosati con soluzioni fisiologiche, vere o simulate, di opportuna composizione e variabile complessità, verrà fatta la più ampia caratterizzazione relativa alle proprietà di superficie/interfaccia, facendo ricorso sia a molteplici metodiche sperimentali (diffrattometriche, spettroscopiche (FTIR, UV-Vis, Raman, NMR stato-solido, EPR, XPS) e calorimetriche) che a tecniche di modellizzazione teorica (con l’utilizzo di metodi classici e quanto-meccanici ab-initio). I materiali d’interesse, sia prima che dopo l’interazione col mezzo biologico, verranno infine studiati in relazione alla loro biocompatibilità/bioattività/tossicità mediante test biologici su modelli cellulari e tramite adsorbimento di proteine specifiche.
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