Materiali bioattivi contenenti cerio: sintesi, funzionalizzazione, valutazione in-vitro

This project focuses on cerium-doped mesoporous bioactive glasses (Ce-MBGs), optimized for hard tissue regeneration, and seeks to extend their applications while maintaining the antioxidant benefits of cerium. This has led to develop new compositions that include biologically useful elements, to load the samples with beneficial molecules, to investigate new morphologies and composite materials. In this way it is possible to obtain in situ drug and ions delivery systems with tissue regenerating abilities, applicable also in soft tissue regeneration. The sol-gel EISA method was exploited to synthesize Ce-MBGs (0-3.6-5.3%mol of CeO2) and double-doped Ce/Cu, Ce/Ag and Ce/Zn-MBGs (0-2.6-3.6-5.3%mol of doping oxides). Ce-MBGs loading was quantified and optimized with different interesting molecules, such as natural antioxidants (polyphenols), antibiotics (amoxicillin), anti-osteoporotic (alendronate) and anti-inflammatory drugs (ibuprofen, paracetamol), ensuring bioactivity retention. Ce/Cu and Ce/Ag-MBGs were optimized to avoid significant secondary phase formation, maintain their bioactivity and CAT-like antioxidant activity, and were successfully loaded with a mixture of antioxidant SOD-like polyphenols. Unfortunately, doping with Zn caused a sensible decrease in hydroxyapatite (HA) formation ability, so Ce/Zn-MBGs were discarded. Ce-MBGs were incorporated in composite injectable alginate/agarose hydrogels for chronic wound healing. The hydrogel matrix did not impede the release of Si, Ca and P ions, and did not compromise the antioxidant properties of the system. On the other hand, the HA formation was strongly slowed, decreasing the risk of wound calcination. To fabricate Ce-MBGs scaffolds with multiscale porosity to enhance cell colonization and vascularization at the implant site, the sol-gel EISA method was paired with the foam replica method. The retention of bioactivity, loading ability with natural polyphenols, CAT-like and SOD-like antioxidant activities were verified. Finally, the synthesis of Ce-doped mesoporous bioactive glass nanoparticles (Ce-MBGNs) was investigated, tuning the synthesis parameters to obtain a Ca-rich system, which composition closely matched Ce-MBGs one. These nanoparticles retained a high HA forming ability, a porous morphology that was exploited for polyphenols loading, and fast antioxidant activity. With size around 100-150 nm, they could penetrate biological barriers and elicit specific biological responses, offering new drug and ion delivery applications. Overall, these findings highlighted the versatility of Ce-MBG based materials to meet critical needs of both hard and soft tissue engineering field, working as tunable drug and ion in situ delivery systems.

Questo studio si concentra sui vetri bioattivi mesoporosi drogati con cerio (Ce-MBG), ottimizzati per la rigenerazione dei tessuti duri, e mira ad ampliarne le applicazioni mantenendo i benefici antiossidanti del dopaggio con cerio. Il progetto ha portato allo sviluppo di nuove composizioni contenenti ioni inorganici terapeutici, al caricamento dei campioni con molecole di interesse biologico, e all'indagine su nuove morfologie e materiali compositi. In questo modo è possibile ottenere sistemi di rilascio in situ di farmaci e ioni con capacità rigenerative dei tessuti, applicabili anche alla rigenerazione dei tessuti molli. Il metodo sol-gel EISA è stato utilizzato per sintetizzare Ce-MBG (0-3.6-5.3%mol di CeO2) e Ce-MBG dopati contemporaneamente con Ce/Cu, Ce/Ag e Ce/Zn (0-2.6-3.6-5.3%mol di ossidi dopanti). Il caricamento dei Ce-MBG è stato quantificato e ottimizzato con diverse molecole di interesse, come antiossidanti naturali (polifenoli), antibiotici (amoxicillina), farmaci anti-osteoporosi (alendronato) e antinfiammatori (ibuprofene, paracetamolo), garantendo il mantenimento della bioattività dei campioni ottenuti. Le composizioni degli MBG contenenti Ce/Cu e Ce/Ag sono state ottimizzate per evitare la formazione di fasi secondarie significative, mantenere la bioattività e l'attività antiossidante CAT-mimetica, inoltre sono stati caricati con successo con una miscela di polifenoli antiossidanti aggiungendo attività antiossidante SOD-mimetica. Purtroppo, il dopaggio con Ce/Zn ha causato una riduzione significativa della capacità di formazione di idrossiapatite (HA), quindi i Ce/Zn-MBG sono stati scartati. I Ce-MBG sono stati anche incorporati in idrogel compositi iniettabili di alginato/agarosio studiati per la guarigione delle ferite croniche. La matrice dell'idrogel non ha impedito il rilascio di ioni di Si, Ca e P, né ha compromesso le proprietà antiossidanti del sistema. D'altra parte, la formazione di HA è stata fortemente rallentata, riducendo il rischio di calcificazione della ferita. Per fabbricare scaffold a base Ce-MBG con porosità su più livelli per migliorare la colonizzazione cellulare e la vascolarizzazione nel sito d'impianto, il metodo sol-gel EISA è stato combinato con il metodo foam replica. È stata poi verificata la conservazione della bioattività, la capacità di caricamento con polifenoli naturali e le attività antiossidanti CAT-mimetica e SOD-mimetica degli scaffold ottenuti. Infine, è stata investigata la sintesi di nanoparticelle di vetro bioattivo mesoporoso dopato con cerio (Ce-MBGN), regolando i parametri di sintesi per ottenere un sistema ricco di CaO, la cui composizione fosse simile a quella dei Ce-MBG. Queste nanoparticelle hanno mantenuto un'elevata capacità di formazione di HA, una morfologia porosa sfruttata per il caricamento di polifenoli, e una rapida attività antiossidante. Con dimensioni di circa 100-150 nm, queste nanoparticelle hanno l’abilità di penetrare le barriere biologiche ed provocare risposte biologiche specifiche, offrendo nuove applicazioni come sistemi di rilascio di farmaci e ioni. Nel complesso, questi risultati hanno evidenziato la versatilità dei materiali a base di Ce-MBG nel rispondere ai bisogni critici nel campo dell'ingegneria dei tessuti duri e molli, fungendo da sistemi di rilascio in situ di farmaci e ioni.