Interazione biomolecole/biomateriali: studio IR dell'adsorbimento in condizioni modello di glicina su idrossiapatite TiO2

This thesis has been devoted to the study of the adsorption of an amino acid, glycine (Gly), on the surface of different nanomaterials representative of inorganic biomaterials. In particular, a kind of calcium phosphate, hydroxyapatite, that is considered as a synthetic model of the main mineral constituent of human bones, and a commercial kind of titanium dioxide (P25 produced by Degussa), considered in its pristine and fluorinated forms; actually titanium oxide layers, often with a nanostructured texture, are found at the surface of Ti-alloy orthopaedic/dental implants. The knowledge of the behaviour of the surface of these materials toward biomolecules, is of interest for optimizing their performances when used in prosthetics implants. In particular, the considered materials were of interest mainly due to their nanostructure, because such dimensional features are known to increase the biomimetic/bioactive character, leading to more favourable interactions with the biological environment. Moreover, the investigation at a molecular level of the interaction of materials and biomolecules, usually dissolved in aqueous medium with a rich chemical composition, is a really difficult task. Furthermore, the role, nature and structure, at an atomic level, of the sites exposed at the surface of biomaterials entered only quite recently in the pool of factors to be known to rationalize/optimize the behaviour of such materials towards biomolecules. In this respect, also the achievement of new insights with a fundamental character about materials-biomolecules interactions, even actually in model conditions, is of interest. Thus, the experimental work carried out in this thesis started from a model condition: the glycine adsorption from the vapour phase, and then moved to a more realistic system, where the absorption of glycine was carried out from aqueous solutions, where the interaction with the materials surface is mediated by the solvent. This dissertation is structured in a first chapter to introduce the subject of the ¿Biomaterials¿, which represent the ¿applicative scenario¿ of the subject of the results obtained in the present work, with a particular attention to the ¿biological surface science¿ the scientific sector dealing with the processes that occur at the interface between a solid and a biological environment. On the basis of this considerations the target of this thesis was defined, the next two chapters are devoted to the presentation of the studied materials and the employed techniques. Due to the central role of glycine in this research, in the fourth chapter, literature and experimental data dealing with the physical-chemical features of this aminoacid, have been reported. Special attention was devoted to the IR spectra of glycine in different forms, as IR spectroscopy was the method used to investigate the Gly/materials interactions. The experimental results obtained for glycine adsorption from the vapour phase are reported in chapter five, considering separately, in different section, the investigation dealing with each specific material. In particular, for hydroxyapatite, also a supporting comparison with computational data is reported as landmark for the interpretation of experimental data. Finally, in the last chapter (the sixth) preliminary results of the study of glycine interaction, with hydroxyapatite and TiO2 P25, in an aqueous environment, are reported.

Questa tesi ha avuto come oggetto lo studio dell'adsorbimento di un amino acido, la glicina (Gly), sulla superficie di differenti nanomateriali, rappresentativi di biomateriali inorganici. La conoscenza del comportamento della superficie di questi materiali rispetto alle biomolecole, riveste un notevole interesse per l'ottimizzazione delle loro performance, in ragione delle applicazioni in campo biomedico per realizzazione di impianti protesici. In particolare, sono stati considerati un tipo di fosfato di calcio, l'idrossiapatite (HA), che è considerata un modello sintetico del principale minerale costituente il tessuto osseo umano, e una varietà commerciale di biossido di titanio (P25 prodotta dalla Degussa), sia in forma naturale che fluorurata. Strati di ossido di titanio sono, infatti, ritrovati, spesso in forma nanostrutturata, sulla superficie di impianti ortopedici e dentari realizzati in leghe di titanio. Tuttavia, l'indagine ad un livello molecolare dell'interazione tra materiali e biomolecole, tipicamente disciolte in mezzi acquosi con composizioni chimiche molto ricche e complesse, è un obiettivo molto arduo da raggiungere. A questo proposito, consci delle limitazioni imposte dall'adozione di condizioni modello, è stato considerato un approccio sperimentale altamente semplificato, basato sull'adsorbimento di molecole di glicina in forma neutra sulle superfici dei materiali d'interesse attraverso la fase vapore, e sono state impiegate tecniche FTIR per valutare la presenza e la natura di interazioni biomolecola/biomateriale. Tale approccio ha portato inoltre allo sviluppo di una specifica procedura sperimentale. Il tipo di ricerca svolto ha evidenziato che, nel caso dell'HA, le molecole di glicina sono in grado di andare in contro a deprotonazione per interazioni con i siti di superficie, e grazie al supporto di modelli computazionali forniti da una collaborazione interdipartimentale, è stato possibile giungere ad una completa interpretazione del fenomeno di adsorbimento della glicina su questo materiale. Gli esiti dello studio condotto sull'HA sono stati utilizzati come riferimento per l'interpretazione dei risultati ottenuti dall'indagine portata avanti sulla TiO2 P25, tenendo comunque in considerazione la diversa natura delle due superfici. La principale differenza osservata è stata la presenza di una frazione di molecole di glicina adsorbite per interazione attraverso la porzione carbossilica in forma protonata. Inoltre, sono stati evidenziati alcuni risultati compatibili con la formazione di un legame amidico, che ha permesso di avanzare l'ipotesi di una possibile reazione tra le molecole di glicina adsorbite sulla superficie di questo materiale che porta alla formazione di specie di tipo peptidico. Dopo lo studio dell'adsorbimento di glicina in condizioni modello, attraverso la fase vapore, è stato considerato un ambiente più realistico: le polveri di HA e TiO2 P25 sono state incubate in soluzioni acquose di glicina, con l'obiettivo di valutare se un interazione favorevole può avere luogo anche in presenza del solvente. Per entrambi i sistemi, è emerso che l'interazione tra glicina e la superficie, mediata dal mezzo acquoso è completamente irreversibile.