Design, preparation, and characterisation of complex nanomaterials for biomedical applications

The purpose of the work is to develop complex nanosystems, whether inorganic (iron oxide nanoparticles with organic coating) or organic (nanocellulose fibrils) for applications towards human health in a direct (drug delivery and diagnostics) or indirect way (water remediation of pharmaceutical pollutants mediated by nanocellulose or wound dressing). Starting from a rational design, which involves the usage of biocompatible materials like iron salts and cellulose, the study proceeded with the synthesis of iron oxide nanoparticles with an organic heparinic coating and nanocellulose through simple and cost-effective procedures. Both systems were characterised in terms of morphology (TEM, SEM), stability in aqueous media (DLS), and chemical structure (ftIR, NMR). Biological and relaxivity tests such as cytotoxicity on HeLa cells, heparanase inhibition assays (a novel chemotherapeutic target), and TD-NMR were carried out on iron oxide nanoparticles to ensure the in-vitro biocompatibility and the ability to act towards the desired scope (theranostics). A chemotherapeutic agent, paclitaxel, was successfully included in the nanoparticles systems increasing its water solubility and its potency probably by mediating cellular uptake. The final systems were proved to be non-toxic, effective in inhibiting heparanase enzyme, and capable of being used as contrast agents given the relaxivity values in line with commercial preparations. Moreover hydrolysed and oxidised nanocellulose fibrils functionalised with glycidyl methacrylate or allyl group were shown to adsorb amoxicillin (AM), vancomycin (VC), ciprofloxacin (CP), and chlorhexidine (CHX) and effectively act as an antibacterial substrate. This latter nanosystem could, for the aforementioned reasons, be exploited in water remediation of hospital or domestic wastewater and wound dressing. Those results highlight how the application of nanotechnology could deliver exceptional benefits to society (more specifically human health) and how it could effectively broaden the tools, knowledge, and therapies currently available to clinicians. Even though nanomedicine is still commercially a niche application of nanotechnology, this thesis aims to prove the potentiality of this approach by presenting two different complex nanosystems and their characteristics.

Lo scopo del lavoro è quello di sviluppare nanosistemi complessi, di natura inorganica (nanoparticelle di ossido di ferro con coating organico) oppure organica (fibrille di nanocellulosa) per applicazioni volte alla salute dell'uomo in maniera diretta (drug delivery e diagnostica) o indiretta (trattamento delle acque e wound dressing). Partendo da un design razionale basato sull’utilizzo di materiali biocompatibili come sali di ferro e cellulosa, lo studio ha coinvolto la sintesi di nanoparticelle di ferro ossido con coating organico eparinico e nanocellulosa con procedure semplici ed economiche. Entrambi i sistemi sono stati caratterizzati in termini morfologici (TEM, SEM), di stabilità in ambiente acquoso (DLS) e struttura chimica (ftIR, NMR). Alcuni test biologici e di relassività come la citotossicità su cellule HeLa, test di inibizione dell’enzima eparanasi (un nuovo target per la chemioterapia) e TD-NMR sono stati svolti per confermare la biocompatibilità in-vitro e la capacità dei sistemi di agire per lo scopo desiderato (teranostico). Un farmaco chemioterapico, il paclitaxel, è stato incluso con successo nel nanosistema aumentando drasticamente la sua solubilità in acqua e la sua potenza, probabilmente attraverso la mediazione del suo uptake cellulare. I sistemi finali sono risultati quindi non tossici, efficaci nell’inibire l’enzima eparanasi e dotati di attività come agenti di contrasto (con valori di relassività in linea con composti commerciali). Infine, le neosintetizzate fibrille di nanocellulosa ossidata o idrolizzata funzionalizzate con glicidil metacrilato o gruppi allilici hanno dimostrato di essere attive nell’assorbire Amoxicillina (AM), Vancomicina (VC), Ciprofloxacina (CP) e clorexidina e di essere altrettanto attive come substrato antibatterico. Questo ultimo sistema, per i suddetti motivi, può essere sfruttato per il trattamento di acque reflue domestiche o ospedaliere e wound dressing. Questi risultati sottolineano come l’applicazione della nanotecnologia possa portare benefici eccezionali alla società (e più specificatamente alla slaute dell’uomo) e come possa perciò aumentare il numero di strumenti, conoscenza e terapie attualmente disponibili ai medici. Anche se la nanomedicina è ancora commercialmente una applicazione di nicchia della nanotecnologia, questa tesi mira a provare il potenziale di questo approccio attraverso la presentazione di due nanosistemi complessi e le loro caratteristiche.