Riassunto analitico
Un biomateriale è “un materiale destinato a interfacciarsi con il sistema biologico per valutare, trattare, potenziare o sostituire qualsiasi tessuto, organo o funzione del corpo”. I biomateriali si dividono in base alla loro natura in diverse classi: biologici, metallici, polimerici, compositi e ceramici. I vetri bioattivi (BGs), utilizzati in questo progetto, sono biomateriali ceramici. Molti studi dimostrano la capacità dei BGs a base silicatica di formare uno strato di idrossiapatite (HA) sulla loro superficie quando vengono a contatto con un fluido biologico simulato. Ci si aspetta che i vetri a base fosfatica (PGs), oggetto di studio di questo lavoro, abbiano una promozione della rigenerazione ossea ancora maggiore, dato che la composizione dei PGs è più simile alla composizione di ossa e denti rispetto ai BGs silicatici. Come i BGs silicatici, i PGs possono essere utilizzati per la riparazione della rigenerazione dei tessuti duri e molli. I PGs sono un materiale completamente bioriassorbibile, si dissolvono nel tempo e vengono completamente sostituiti dal tessuto rigenerato. I BGs silicatici hanno una solubilità molto lenta, che li rende adatti solo per impianti a lungo termine. La struttura tetraedrica dei vetri fosfatici e silicatici sembra abbastanza simile, ma il loro comportamento chimico è differente. Ciò è dovuto principalmente al doppio legame dell'ossigeno con il fosforo, che gli consente di avere tre ossigeni a ponte invece di quattro nel caso del silicio. La reazione di idrolisi dei fosfati è simile a quella dei silicati; tuttavia, il fosforo è più elettronegativo del silicio, e questo rivela una maggiore carica positiva per il silicio e una velocità di idrolisi molto più lenta. La prima tecnica utilizzata per la sintesi delle PG è stata il melt-quenching (MQ); tuttavia non sempre si ottengono vetri omogenei mediante la tecnica MQ. In questo progetto vengono utilizzate altre possibili tecniche di sintesi: - SOL-GEL, sintesi umida basata sull'idrolisi e policondensazione dei precursori in soluzione; come precursori vengono generalmente utilizzati alcossidi inorganici e cloruri metallici. - COACERVATE, una tecnica water-based che permette di ottenere un gel lavorando a temperatura ambiente. Sono stati sviluppati e studiati i vetri mesoporosi a base fosfatica (MPGs) ottenuti per sintesi sol-gel e successivamente drogati con cerio (Ce-MPGs). Il cerio è uno degli elementi che ha suscitato maggiore interesse, poiché i suoi composti vengono utilizzati come agenti batteriostatici, antibiotici, immunomodulatori e agenti antitumorali. La coesistenza dei suoi due stati di ossidazione Ce3+/Ce4+ conferisce ai Ce-MPGs la capacità di combattere lo stress ossidativo nel corpo, causato dalla rottura dell'equilibrio fisiologico. In questo contesto, il cerio imita l'attività enzimatica di ossidoreduttasi come la catalasi (CAT) e la superossido dismutasi (SOD), enzimi il cui compito è quello di distruggere le specie altamente reattive dell'ossigeno (ROS) o delle specie dell'azoto (RNS). Inoltre, per aumentare le loro proprietà antiossidanti, i Ce-MPGs sono stati caricati con polifenoli. I polifenoli sono una classe di composti organici, naturalmente presenti negli alimenti vegetali, aventi una struttura fenolica di base. Sono conosciuti come antiossidanti e sono usati principalmente per trattare condizioni croniche come il diabete, le malattie cardiovascolari e l’osteoporosi. Sono state sviluppate e studiate anche le polveri e le fibre (PGPs e PGFs), ottenute mediante sintesi coacervate e drogate con manganese. Le Mn-PGPs dovrebbero essere in grado di produrre HA e le Mn-PGFs, ottenute dopo elettrospinning, riproducono la struttura della matrice extracellulare. Data la loro morfologia, le PGFs possono essere utilizzate per la rigenerazione di tessuti molli con elevata anisotropia come legamenti e muscoli o nervi periferici feriti.
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Abstract
A biomaterial is “a material intended to interface with biological system to evaluate, treat, augment or replace any tissue, organ or function of the body” (II International consensus conference on biomaterials, Chester – England). Biomaterials are divided according to their nature into different
classes: biological, metallic, polymeric, composite and ceramic. Bioactive glasses (BGs), used in this project, are ceramic biomaterials. A lot of studies demonstrate the ability of silicate-based BGs to form a hydroxyapatite (HA) layer on their surface when in contact with a simulated body fluid (SBF); an apatitic layer is responsible of the bond with bone. Phosphate-based glasses (PGs), focus of this work, are expected to have an even higher bone regeneration promotion, given that the composition of PGs is more similar to the composition of bone and teeth than the silicate-based BGs. Like silicate-based BGs, PGs can be used for hard and soft tissue regeneration repair. PGs are a completely bioresorbable material, they dissolve over time and are completely replaced by the regenerated tissue. Silicate-based BGs have a very slow solubility, which makes them suitable only for long-term implants. The tetrahedral structure of phosphates and silicates-based glasses look like quite similar, but their chemical behaviour is very different. This is mainly due to the double bond of oxygen with phosphorous, which allows it to have three bridging oxygens as opposed four in the case of silicon. The hydrolysis reaction of phosphates is similar to that of silicates; however, phosphorus is more electronegative than silicon, and this reveals a greater positive charge for silicon and a much slower rate of hydrolysis. The first technique used for the synthesis of PGs was the melt-quenching (MQ); however, not always homogeneous glasses are obtained through the MQ technique.
Other possible synthesis techniques are used in this project:
- SOL-GEL, wet synthesis based on the hydrolysis and polycondensation of the precursors in solution; inorganic alkoxides and metal chlorides are generally used as precursors.
- COACERVATE, a water-based technique that allows to obtain a gel working at room temperature.
The mesoporous phosphate-based glasses (MPGs) obtained by sol-gel synthesis and successively doped with cerium (Ce-MPGs), have been developed and studied. Cerium is one of the elements that has attracted the most interest, since its compounds are used as bacteriostatic agents,
antibiotics, immunomodulators and anticancer agents. The coexistence of its two oxidation states Ce3+/Ce4+ confers to Ce-MPGs the ability to fight oxidative stress in the body, caused by the disruption of physiological equilibrium. In this setting, cerium mimics the enzymatic activity of
oxidoreductases such as catalase (CAT) and superoxide dismutase (SOD), enzymes whose task is to destroy highly reactive oxygen species (ROS) or nitrogen species (RNS). In addition, to increase their antioxidant properties, Ce-MPGs were loaded with polyphenols. Polyphenols are a class of organic compounds, naturally found in plant foods, having a basic phenolic structure. They are known as antioxidants and are mainly used to treat chronic conditions such as diabetes, cardiovascular disease and osteoporosis.
The powders and fibres (PGPs and PGFs), obtained by coacervate synthesis and doped with manganese, have been also developed and studied. Mn-PGPs should be able to produce HA and Mn-PGFs, obtained after electrospinning, reproduce the structure of the extracellular matrix (ECM). Given their morphology, PGFs can be used for the regeneration of soft tissues with high anisotropy such as ligaments and muscles or injured peripheral nerves.
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