The present work has dealt of the study of the proteins adsorption on mesoporous silica nanoparticles and the possible resulting effect on the release of molecules from the pores. The work involved the preparation and characterization of chemical and physical properties of silica materials, the functionalization of their inner and outer surface, the study of the effect of a model protein (bovine serum albumin) and the release of molecules from the pores of the nanoparticles. The choice was inspired by integrating the results of previous individual studies regarding the adsorption of proteins on the surfaces of nanometric materials of biomedical interest, such as hydroxyapatite and titanium dioxide, and the release of ibuprofebe to mesoporous silica nanoparticles, which are potential pharmaceutical carriers. In particular, the lack of data in the literature regarding the release of molecules from mesoporous nanosystems in the presence of serum proteins was an impulse to obtain data that will help to fill that gap. The mesoporous silica nanoparticles (MSNs) used were synthesized by the sol-gel method and subsequently functionalized with aminopropyl and octyl groups via grafting post-synthesis. By integration of multiple techniques have been evaluated and confirmed the structure and the surface properties of the three materials obtained including: uniform size, high surface area, ordered mesoporous structure and success of the functionalization method, in agreement with data present in the literature. The interaction of the MSNs with bovine serum albumin (BSA), has been studied to investigate which parameters influence the adsorption process. All the data collected, includes an assessment of chemical and physical parameters of the systems at a physiological pH and their state of dispersion/agglomeration. In these conditions, it is done also a quantitative estimate of the protein coating of the agglomerates surfaces. The results showed that the presence of protein adsorbed on the nanoparticles surface has a dispersing effect of the agglomerates and a modification of the surface charge due to overlapping surfaces; moreover, the exposure of different functional groups on the surface of MSNs induces a different modification of the secondary structure of the proteins adsorbed. As the MSNs are of potential pharmaceutical carriers, it was evaluated the effect of the adsorption of BSA on the release of a molecule model, such as Rhodamine B (RoB), compared to a control devoid of protein. Following preliminary tests was chosen the optimal ratio by mass of MSN: RoB (1: 1.5) to an acceptable loading of molecule in nanoparticles. The results obtained show different release kinetics for the three materials synthesized; furthermore, the presence of BSA on the nanoparticles surface, has increased in quantitative terms the kinetics of release of RoB from MSNs. The data collected in this thesis, can be helpful for the development of future studies on the kinetics of release of molecules/drugs model from mesoporous nanoparticles systems in the presence of serum proteins, allow us to understand in more detail how really act these inorganic systems in a biological environment.
Il presente lavoro di tesi ha affrontato lo studio dell'adsorbimento di proteine su sistemi nanoparticellari mesoporosi di silice e il possibile conseguente effetto sul rilascio di molecole contenute nei pori. Il lavoro ha riguardato la preparazione e la caratterizzazione di proprietà chimico fisiche dei materiali silicei, la funzionalizzazione della loro superficie interna ed esterna, lo studio dell'effetto dell'interazione con una proteina modello (l'albumina sierica bovina) e il rilascio di molecole dai pori delle nanoparticelle. La scelta è stata ispirata integrando i risultati di singoli studi precedenti riguardo l'adsorbimento di proteine su superfici di materiali nanometrici di interesse biomedico, quali idrossiapatite e biossido di titanio, e il rilascio di ibuprofene da nanoparticelle di silice mesoporose, che rappresentano potenziali carrier farmaceutici. In particolare, la carenza di dati di letteratura riguardo il rilascio di molecole da nanosistemi mesoporosi in presenza di proteine del siero è stata d'impulso per l'ottenimento di dati che aiutino a colmare tale lacuna. Le nanoparticelle di silice mesoporose (MSNs) utilizzate sono state sintetizzate mediante il metodo sol-gel e successivamente funzionalizzate con gruppi propilamminici e ottilici tramite grafting post-sintesi. Dall'integrazione di molteplici tecniche sono state valutate e confermate la struttura e le proprietà superficiali dei tre materiali ottenuti tra cui: dimensioni omogenee, elevata area superficiale, struttura mesoporosa ordinata e successo del metodo di funzionalizzazione, in accordo con i dati presenti in letteratura. L'interazione delle MSNs con l'albumina sierica bovina (BSA), è stata studiata per indagare quali parametri influenzano il processo di adsorbimento. L'insieme dei dati raccolti, comprende una valutazione di parametri chimico fisici dei sistemi ad un pH fisiologico e del loro stato di dispersione/agglomerazione. In queste condizioni, è stata fatta inoltre una stima quantitativa del ricoprimento proteico delle superfici degli agglomerati. Dai risultati è emerso che la presenza di proteina adsorbita sulla superficie delle nanoparticelle presenta un effetto disperdente degli agglomerati e una modificazione della carica superficiale dovuta al ricoprimento delle superfici; inoltre, l'esposizione di differenti gruppi funzionali sulla superficie delle MSNs induce una diversa modificazione della struttura secondaria delle proteine adsorbite. Poiché le MSNs sono dei potenziali carrier farmaceutici, è stato valutato l'effetto dell'adsorbimento di BSA sul rilascio di una molecola modello, come la Rodamina B (RoB), rispetto ad un controllo privo di proteina. A seguito di prove preliminari è stato scelto il rapporto in massa ottimale di MSN : RoB (1:1.5) per un caricamento accettabile di molecola nelle nanoparticelle. I risultati ottenuti mostrano cinetiche di rilascio differenti per i tre materiali sintetizzati; inoltre, la presenza della BSA sulla superficie delle nanoparticelle, ha incrementato in termini quantitativi la cinetica di rilascio di RoB dalle MSNs. I dati raccolti nel presente lavoro di tesi, possono essere d'aiuto per lo sviluppo di studi futuri sulle cinetiche di rilascio di molecole/farmaci modello da sistemi nanoparticellari mesoporosi in presenza di proteine del siero, permettono di capire in modo più approfondito come agiscono realmente tali sistemi inorganici in ambiente biologico.
Adsorbimento di proteine su nanoparticelle porose per drug delivery: effetto sul rilascio di molecole modello.
ALLEGREZZA, CECILIA
2014/2015
Abstract
Il presente lavoro di tesi ha affrontato lo studio dell'adsorbimento di proteine su sistemi nanoparticellari mesoporosi di silice e il possibile conseguente effetto sul rilascio di molecole contenute nei pori. Il lavoro ha riguardato la preparazione e la caratterizzazione di proprietà chimico fisiche dei materiali silicei, la funzionalizzazione della loro superficie interna ed esterna, lo studio dell'effetto dell'interazione con una proteina modello (l'albumina sierica bovina) e il rilascio di molecole dai pori delle nanoparticelle. La scelta è stata ispirata integrando i risultati di singoli studi precedenti riguardo l'adsorbimento di proteine su superfici di materiali nanometrici di interesse biomedico, quali idrossiapatite e biossido di titanio, e il rilascio di ibuprofene da nanoparticelle di silice mesoporose, che rappresentano potenziali carrier farmaceutici. In particolare, la carenza di dati di letteratura riguardo il rilascio di molecole da nanosistemi mesoporosi in presenza di proteine del siero è stata d'impulso per l'ottenimento di dati che aiutino a colmare tale lacuna. Le nanoparticelle di silice mesoporose (MSNs) utilizzate sono state sintetizzate mediante il metodo sol-gel e successivamente funzionalizzate con gruppi propilamminici e ottilici tramite grafting post-sintesi. Dall'integrazione di molteplici tecniche sono state valutate e confermate la struttura e le proprietà superficiali dei tre materiali ottenuti tra cui: dimensioni omogenee, elevata area superficiale, struttura mesoporosa ordinata e successo del metodo di funzionalizzazione, in accordo con i dati presenti in letteratura. L'interazione delle MSNs con l'albumina sierica bovina (BSA), è stata studiata per indagare quali parametri influenzano il processo di adsorbimento. L'insieme dei dati raccolti, comprende una valutazione di parametri chimico fisici dei sistemi ad un pH fisiologico e del loro stato di dispersione/agglomerazione. In queste condizioni, è stata fatta inoltre una stima quantitativa del ricoprimento proteico delle superfici degli agglomerati. Dai risultati è emerso che la presenza di proteina adsorbita sulla superficie delle nanoparticelle presenta un effetto disperdente degli agglomerati e una modificazione della carica superficiale dovuta al ricoprimento delle superfici; inoltre, l'esposizione di differenti gruppi funzionali sulla superficie delle MSNs induce una diversa modificazione della struttura secondaria delle proteine adsorbite. Poiché le MSNs sono dei potenziali carrier farmaceutici, è stato valutato l'effetto dell'adsorbimento di BSA sul rilascio di una molecola modello, come la Rodamina B (RoB), rispetto ad un controllo privo di proteina. A seguito di prove preliminari è stato scelto il rapporto in massa ottimale di MSN : RoB (1:1.5) per un caricamento accettabile di molecola nelle nanoparticelle. I risultati ottenuti mostrano cinetiche di rilascio differenti per i tre materiali sintetizzati; inoltre, la presenza della BSA sulla superficie delle nanoparticelle, ha incrementato in termini quantitativi la cinetica di rilascio di RoB dalle MSNs. I dati raccolti nel presente lavoro di tesi, possono essere d'aiuto per lo sviluppo di studi futuri sulle cinetiche di rilascio di molecole/farmaci modello da sistemi nanoparticellari mesoporosi in presenza di proteine del siero, permettono di capire in modo più approfondito come agiscono realmente tali sistemi inorganici in ambiente biologico.| File | Dimensione | Formato | |
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