Bioactive and antimicrobial matrices for the treatment of infected tissues: administering local and personalized therapies and promoting tissue regeneration

In recent years, bacterial infections have again become a critical threat to human health, largely due to antibiotic resistance stemming from overuse and misuse of antibiotics. With few new antibiotics discovered since the 1990s, there is an urgent need for innovative antimicrobial solutions to prevent a return to pre-antibiotic era infection mortality. Tissue engineering offers promising pathways to address this challenge by combining new antimicrobial drugs that are less likely to develop resistance with bioactive biomaterials, able to offer a localized, controlled drug delivery and a support for tissue regeneration. Whitin this context, his thesis explores the development of antimicrobial biomaterials for the treatment of skin and bone infections, particularly chronic wounds and osteomyelitis. With more cases predicted in the upcoming years, these conditions are known to lower life quality and increase mortality risks. The objective is to overcome the shortcomings of existing treatments by utilising the regenerative qualities of biomaterials in conjunction with modern antibacterial techniques. In order to develop and advanced solution for chronic wounds healing, we first created a three-layer polymeric patch loaded with the antimicrobial peptide LTX-109. Each layer was designed to maintain the effectiveness of LTX-109 and offer a slow release on-site, facilitating tissue healing and disinfection. A second strategy, aimed at chronic wounds as well, focused on enhancing tissue regeneration through a biohybrid patch containing magnesium-doped hydroxyapatite (GelMgHA) in a bilayer structure. Inspired by skin’s natural layers, the patch includes an external barrier for protection and an inner, bioresorbable layer that supports cell adhesion and tissue growth. Antibiotics can also be added to this patch right before application and being released directly on the site of the infections in a controlled manner, enabling customised, patient-specific care. Lastly, we address osteomyelitis treatment by developing a copper-doped, bone-like scaffold made of hydroxyapatite nanocrystals grown on collagen. Strong antibacterial activity is provided by the copper ions, but in order to preserve cytocompatibility and promote tissue regeneration, their cytotoxicity must be carefully balanced. This study highlighted the scaffold’s regeneration potential alongside its antibacterial effectiveness by examining many strategies to control antimicrobial release and promote bone tissue regeneration.

Negli ultimi anni, le infezioni batteriche sono tornate a rappresentare una minaccia critica per la salute umana, principalmente a causa della resistenza agli antibiotici derivante dall’abuso e dall’uso improprio di questi farmaci. Con poche nuove classi di antibiotici scoperte dagli anni ’90, è necessario sviluppare soluzioni antimicrobiche alternative per evitare un ritorno alla mortalità da infezione dell’era pre-antibiotica. Per affrontare questa sfida, l’ingegneria tissutale (Tissue engineering) offre molte promettenti opportunità, tra cui la possibilità di combinare nuovi farmaci antimicrobici che hanno meno probabilità di sviluppare resistenza, con biomateriali bioattivi, in grado di offrire una somministrazione localizzata e controllata di farmaci e un supporto per la rigenerazione dei tessuti. In questo contesto, questa tesi esplora lo sviluppo di biomateriali antimicrobici per il trattamento di infezioni cutanee e ossee, in particolare delle ferite croniche e dell’osteomielite. Con previsioni di aumento dei casi nei prossimi anni, queste patologie sono associate con una riduzione della qualità della vita e un aumento dei rischi di mortalità. L’obiettivo è superare le limitazioni dei trattamenti attualmente disponibili, sfruttando la coniugazione delle capacità rigenerative dei biomateriali con antibatterici di nuova generazione. Prima di tutto, per sviluppare una soluzione avanzata per la guarigione delle ferite croniche, abbiamo creato un patch polimerico a tre strati caricato con il peptide antimicrobico LTX-109. Ogni strato è stato progettato per mantenere l’efficacia di LTX-109 e per garantire un rilascio graduale sul sito della ferita, facilitando sia la disinfezione che la guarigione dei tessuti. Una seconda strategia, anch’essa rivolta alla guarigione delle ferite croniche, ma con un focus più dettagliato sulla rigenerazione dei tessuti, si concentra sullo sviluppo di un patch bioibrido contenente idrossiapatite dopata con magnesio (GelMgHA) assemblato in una struttura bilayer. Ispirata alla struttura naturale della pelle, questo patch presenta uno strato esterno protettivo e uno strato interno, bio- riassorbibile, che favorisce l’adesione cellulare e la rigenerazione tissutale. Inoltre, è stata studiata la possibilità di caricare il bi-layer con antibiotici, subito prima dell’applicazione del patch sulla ferita, permettendo una cura personalizzata e specifica per ogni paziente e garantendo un rilascio controllato direttamente nel sito d’infezione. Infine, scaffolds composti da nanocristalli di idrossiapatite cresciuti su fibre di collagene, biomimetici del tessuto osseo, sono stati sviluppati e dopati con ioni rame per il trattamento delle osteomieliti. L’attività antibatterica degli scaffold è assicurata dagli ioni rame, ma la loro citotossicità deve essere accuratamente bilanciata per preservare la citocompatibilità e favorire la rigenerazione dei tessuti. Questo studio ha evidenziato sia il potenziale rigenerativo degli scaffolds sia la loro efficacia antibatterica, valutando diverse strategie per controllare il rilascio antimicrobico e permettere la rigenerazione del tessuto osseo.