UNITesi

Bioactive glasses and bioactive glass-ceramics are very attractive materials for bone-tissue replacement. The experimental work carried out during this thesis was devoted to the study of the physical-chemical features relevant to biocompatibility and toxicity of two bioglasses − SC-45 and CEL2 − functionalized with phenolic (gallic acid, GA) and polyphenolic molecules (tea and grape poliphenols, TPH and GPH) in order to modulate surface reactivity. Synthesis and functionalization of such materials were carried out at the Department of Applied Science and Technology (DISAT) Polytechnic of Turin. SC-45 is a ferrimagnetic glass-ceramic characterized by an amorphous phase of oxides and a crystalline phase of magnetite. Thanks to the presence of magnetite, this material can be used for cancer treatment by exploiting hyperthermia. The presence of iron (II) could play some role in the reactivity and the potential toxicity of such materials towards cells and tissues. The functionalization with gallic acid (GA) was aimed to modulate the surface reactivity of SC-45, particularly as far as the antioxidant/prooxidant properties are concerned. The bioglass functionalized with gallic acid (SC-45-GA) was thoroughly characterized and compared to the original SC-45. Specific surface area (BET), thermal stability (TGA-FTIR), surface chemical bonds (FTIR, XPS) and solubility in body fluids (ICP/AES) were assessed in order to well characterize the material. Bioactivity was evaluated by the formation of Hydroxy Carbonate Apatite at the surface of the material upon contact with simulated body fluids. The results obtained indicate that such material is bioactive. This may improve the biocompatibility and enhance tissue regeneration. The reactivity of SC-45 GA was measured by means of well-assessed in vitro cell-free tests largely employed at the Toxicity and Biocompatibility of Materials group (Department of Chemistry). By means of EPR/spin trapping was evaluated the capability of SC-45-GA to produce HO¿ radical in the presence of H2O2 via a Fenton-like mechanism and to cause the homolytic rupture of a C-H bond, employing the formate ion as a target molecule. By means of UV-vis spectrophotometry (TBA assay) the capability of SC-45-GA to oxidize linoleic acid - chosen as a model of membrane fatty acid - was also measured. The results obtained evidenced that the functionalization with gallic acid increased the Fenton-like reactivity and thus the oxidative properties of SC-45. This pro-oxidant role of gallic acid can be exploited to kill cancer cells. The enhancement of the reactivity observed was attributed to the increase of iron (II) at the surface of SC-45 upon contact with gallic acid. The other bioglass studied (CEL2) is characterized by an amorphous phase of oxides. CEL2 was functionalized with gallic acid or with phenolic compounds from green tea or grape. The effect of functionalization with antioxidant molecules was assessed measuring by means of the EPR/spin trapping technique the potential of the functionalized bioglasses to act as a scavenger of HO¿ produced by a Fenton-like system and by H2O2 photolysis. The results highlighted that CEL2 is intrinsically able to act as a scavenger of HO¿. Moreover among the antioxidant molecules employed for the functionalization of CEL-2, the tea polyphenols resulted to be the more effective in enhancing the scavenging properties of this bioglass.

I vetri e i vetroceramici bioattivi sono materiali molto interessanti, che trovano impiego come protesi. Il lavoro si è rivolto allo studio delle proprietà chimico-fisiche legate alla biocompatibilità e alla tossicità dei due biovetri (SC-45 e CEL2) funzionalizzati con composti fenolici quali acido gallico (GA) e polifenoli di tè verde (TPH, Tea Polyphenols) e uva (GPH, Grape Polyphenols), al fine di modularne la reattività superficiale. La sintesi e la funzionalizzazione di questi materiali sono state fatte presso il dipartimento di Scienza Applicata e Tecnologia (DISAT) del Politecnico di Torino. SC-45 è una vetroceramico ferrimagnetico caratterizzato da una fase amorfa a base di ossidi e una fase cristallina di magnetite. Grazie alla presenza di magnetite, il materiale può essere utilizzato per trattare i tumori mediante ipertermia. La presenza de ferro (II) potrebbe avere qualche ruolo sulla reattività e sulla tossicità di questi materiali nei confronti di cellule e tessuti. La funzionalizzazione con l'acido gallico ha avuto come scopo quello di modulare la reattività superficiale di SC-45. SC-45 GA (SC-45 funzionalizzato con GA) è stato caratterizzato e confrontato con SC-45 H2O (SC-45 non funzionalizzato). In particolare sono state determinate l'area superficiale specifica (BET), la stabilità termica (TGA-FTIR), le specie chimiche esposte in superficie (FTIR e XPS) e la solubilità in fluido corporeo simulato (ICP/AES). La bioattività è stata valutata attraverso la formazione di idrossiapatite alla superficie del materiale in seguito a contatto con fluido corporeo simulato. I risultati ottenuti indicano che il materiale è altamente bioattivo. È stata misurata la reattività di SC-45 GA, indice di potenziale tossicità, per mezzo di un test in vitro, largamente impiegato a questo scopo dal gruppo di Tossicità e Biocompatibilità dei Materiali (Dipartimento di Chimica). Per mezzo dei test di EPR/spin trapping è stata valutata la capacità di SC-45 GA di produrre radicali HO¿ in presenza di H2O2, mediante reattività di tipo Fenton e la capacità di causare la rottura del legame C-H di biomolecole, utilizzando lo ione formiato come molecola bersaglio. Con la spettrofotometria UV/vis (saggio TBA) è stata inoltre misurata la capacità di SC-45 GA di ossidare l'acido linoleico, modello di acido grasso di membrana. I risultati ottenuti hanno messo in luce che la funzionalizzazione con l'acido gallico aumenta la reattività di tipo Fenton e quindi le proprietà ossidanti di SC-45. Il ruolo proossidante dell'acido gallico può essere sfruttato per uccidere le cellule tumorali. L'aumento della reattività osservata è stata attribuita all'aumento del ferro (II) alla superficie di SC-45, a causa della presenza dell'acido gallico, che agisce da riducente. Il biovetro (CEL2) invece è formato da una fase amorfa composta da ossidi. CEL2 è stato funzionalizzato con l'acido gallico o con i composti fenolici di tè verde e di uva. L'effetto della funzionalizzazione con molecole antiossidanti è stato stabilito misurando con EPR/spin trapping la capacità dei campioni di agire come scavenger dei radicali HO¿, prodotti mediante reazione di Fenton e mediante fotolisi dell'H2O2. I risultati hanno messo in luce che CEL2 è dotato di un'attività intrinseca come scavenger di radicali HO¿. Inoltre tra le molecole antiossidanti impiegate per la funzionalizzazione di CEL2, i polifenoli del tè sono risultati essere i più efficaci nell'aumentare le proprietà di scavenger.

Caratterizzazione chimico-fisica e studio del ruolo antiossidante e proossidante esercitato da biovetri funzionalizzati con composti fenolici

ORSI, MICAELA
2013/2014

Abstract

I vetri e i vetroceramici bioattivi sono materiali molto interessanti, che trovano impiego come protesi. Il lavoro si è rivolto allo studio delle proprietà chimico-fisiche legate alla biocompatibilità e alla tossicità dei due biovetri (SC-45 e CEL2) funzionalizzati con composti fenolici quali acido gallico (GA) e polifenoli di tè verde (TPH, Tea Polyphenols) e uva (GPH, Grape Polyphenols), al fine di modularne la reattività superficiale. La sintesi e la funzionalizzazione di questi materiali sono state fatte presso il dipartimento di Scienza Applicata e Tecnologia (DISAT) del Politecnico di Torino. SC-45 è una vetroceramico ferrimagnetico caratterizzato da una fase amorfa a base di ossidi e una fase cristallina di magnetite. Grazie alla presenza di magnetite, il materiale può essere utilizzato per trattare i tumori mediante ipertermia. La presenza de ferro (II) potrebbe avere qualche ruolo sulla reattività e sulla tossicità di questi materiali nei confronti di cellule e tessuti. La funzionalizzazione con l'acido gallico ha avuto come scopo quello di modulare la reattività superficiale di SC-45. SC-45 GA (SC-45 funzionalizzato con GA) è stato caratterizzato e confrontato con SC-45 H2O (SC-45 non funzionalizzato). In particolare sono state determinate l'area superficiale specifica (BET), la stabilità termica (TGA-FTIR), le specie chimiche esposte in superficie (FTIR e XPS) e la solubilità in fluido corporeo simulato (ICP/AES). La bioattività è stata valutata attraverso la formazione di idrossiapatite alla superficie del materiale in seguito a contatto con fluido corporeo simulato. I risultati ottenuti indicano che il materiale è altamente bioattivo. È stata misurata la reattività di SC-45 GA, indice di potenziale tossicità, per mezzo di un test in vitro, largamente impiegato a questo scopo dal gruppo di Tossicità e Biocompatibilità dei Materiali (Dipartimento di Chimica). Per mezzo dei test di EPR/spin trapping è stata valutata la capacità di SC-45 GA di produrre radicali HO¿ in presenza di H2O2, mediante reattività di tipo Fenton e la capacità di causare la rottura del legame C-H di biomolecole, utilizzando lo ione formiato come molecola bersaglio. Con la spettrofotometria UV/vis (saggio TBA) è stata inoltre misurata la capacità di SC-45 GA di ossidare l'acido linoleico, modello di acido grasso di membrana. I risultati ottenuti hanno messo in luce che la funzionalizzazione con l'acido gallico aumenta la reattività di tipo Fenton e quindi le proprietà ossidanti di SC-45. Il ruolo proossidante dell'acido gallico può essere sfruttato per uccidere le cellule tumorali. L'aumento della reattività osservata è stata attribuita all'aumento del ferro (II) alla superficie di SC-45, a causa della presenza dell'acido gallico, che agisce da riducente. Il biovetro (CEL2) invece è formato da una fase amorfa composta da ossidi. CEL2 è stato funzionalizzato con l'acido gallico o con i composti fenolici di tè verde e di uva. L'effetto della funzionalizzazione con molecole antiossidanti è stato stabilito misurando con EPR/spin trapping la capacità dei campioni di agire come scavenger dei radicali HO¿, prodotti mediante reazione di Fenton e mediante fotolisi dell'H2O2. I risultati hanno messo in luce che CEL2 è dotato di un'attività intrinseca come scavenger di radicali HO¿. Inoltre tra le molecole antiossidanti impiegate per la funzionalizzazione di CEL2, i polifenoli del tè sono risultati essere i più efficaci nell'aumentare le proprietà di scavenger.
BIOTECNOLOGIE INDUSTRIALI
ITA
Bioactive glasses and bioactive glass-ceramics are very attractive materials for bone-tissue replacement. The experimental work carried out during this thesis was devoted to the study of the physical-chemical features relevant to biocompatibility and toxicity of two bioglasses − SC-45 and CEL2 − functionalized with phenolic (gallic acid, GA) and polyphenolic molecules (tea and grape poliphenols, TPH and GPH) in order to modulate surface reactivity. Synthesis and functionalization of such materials were carried out at the Department of Applied Science and Technology (DISAT) Polytechnic of Turin. SC-45 is a ferrimagnetic glass-ceramic characterized by an amorphous phase of oxides and a crystalline phase of magnetite. Thanks to the presence of magnetite, this material can be used for cancer treatment by exploiting hyperthermia. The presence of iron (II) could play some role in the reactivity and the potential toxicity of such materials towards cells and tissues. The functionalization with gallic acid (GA) was aimed to modulate the surface reactivity of SC-45, particularly as far as the antioxidant/prooxidant properties are concerned. The bioglass functionalized with gallic acid (SC-45-GA) was thoroughly characterized and compared to the original SC-45. Specific surface area (BET), thermal stability (TGA-FTIR), surface chemical bonds (FTIR, XPS) and solubility in body fluids (ICP/AES) were assessed in order to well characterize the material. Bioactivity was evaluated by the formation of Hydroxy Carbonate Apatite at the surface of the material upon contact with simulated body fluids. The results obtained indicate that such material is bioactive. This may improve the biocompatibility and enhance tissue regeneration. The reactivity of SC-45 GA was measured by means of well-assessed in vitro cell-free tests largely employed at the Toxicity and Biocompatibility of Materials group (Department of Chemistry). By means of EPR/spin trapping was evaluated the capability of SC-45-GA to produce HO¿ radical in the presence of H2O2 via a Fenton-like mechanism and to cause the homolytic rupture of a C-H bond, employing the formate ion as a target molecule. By means of UV-vis spectrophotometry (TBA assay) the capability of SC-45-GA to oxidize linoleic acid - chosen as a model of membrane fatty acid - was also measured. The results obtained evidenced that the functionalization with gallic acid increased the Fenton-like reactivity and thus the oxidative properties of SC-45. This pro-oxidant role of gallic acid can be exploited to kill cancer cells. The enhancement of the reactivity observed was attributed to the increase of iron (II) at the surface of SC-45 upon contact with gallic acid. The other bioglass studied (CEL2) is characterized by an amorphous phase of oxides. CEL2 was functionalized with gallic acid or with phenolic compounds from green tea or grape. The effect of functionalization with antioxidant molecules was assessed measuring by means of the EPR/spin trapping technique the potential of the functionalized bioglasses to act as a scavenger of HO¿ produced by a Fenton-like system and by H2O2 photolysis. The results highlighted that CEL2 is intrinsically able to act as a scavenger of HO¿. Moreover among the antioxidant molecules employed for the functionalization of CEL-2, the tea polyphenols resulted to be the more effective in enhancing the scavenging properties of this bioglass.
FUBINI, Bice
IMPORT DA TESIONLINE
Corso di Laurea Magistrale
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