Development of nanostructured inorganic materials for biomedical applications [Sviluppo di materiali inorganici nanostrutturati per applicazioni biomediche]

This PhD thesis investigates the application of nanostructured inorganic materials, specifically Metal-Organic Frameworks (MOFs), for biomedical applications in diagnostics and therapy. Inorganic nanoparticulate materials have demonstrated significant potential in various biomedical fields due to their tunable interactions with biological systems. By modifying their composition, shape, size, or surface properties with organic materials, these nanoparticles can achieve enhanced biocompatibility, mobility, selectivity, and reactivity. The research particularly emphasizes the unique characteristics of MOFs, which possess a porous and tunable crystalline structure, allowing for controlled release of metal ions and enhanced functionalities. The thesis details the synthesis and characterization of several novel MOFs, demonstrating their utility in both diagnostic and therapeutic applications. In the diagnostic field, the research has led to the development of a silicon-based biosensor for Alzheimer’s disease (AD) diagnosis. This biosensor features a functionalized silicon surface with a protein G layer that selectively captures immunoglobulin G (IgG) antibodies. The transducer component utilizes PPAD phages to recognize Aβ-autoantibodies in serum samples. Functionalization was confirmed through Atomic Force Microscopy (AFM) and X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS), revealing distinct morphological changes. Testing showed that the biosensor could significantly distinguish between healthy individuals and AD patients, supporting its potential for Point-of-Care (PoC) diagnostics. Additionally, the thesis highlights the development of bismuth-based Metal-Organic Frameworks (MOF) as electrochemical sensor for histamine detection. These sensors offer significant advantages over traditional methods, particularly in terms of sensitivity and selectivity. Bismuth MOFs were synthesized using a rapid synthesis with a simple controlled modification to obtain a bimetallic MOF. Electrochemical analyses demonstrated outstanding limits of detection and quantification, along with high sensitivity. Importantly, a copper-doped bismuth MOF was able to selectively identify histamine amidst potential interferences and in real-world samples, confirming its robustness and reliability, thereby positioning it as a promising candidate for applications in clinical diagnostics and food safety monitoring. In the therapeutic context, the thesis introduces a novel and less toxic synthetic method for a silver-based MOF which allow to control its morphology along with tunable and remarkable antibacterial properties. This innovative approach employs non-toxic solvent mixtures to control the 4 crystallization. The antibacterial efficacy of the synthesized silver-based MOF is highlighted, demonstrating exceptional capabilities against both Gram-positive and Gram-negative bacteria and their biofilms. This characteristic is attributed to its function as a reservoir for silver ions, ensuring sustained and effective release that enhances its antimicrobial action. Continuing in the same line of research, the thesis explores the use of a different silver-based MOF as a coating for titanium implants, in combination with graphene oxide. This strategy addresses the challenge of balancing antibacterial properties with biocompatibility. The study reveals that the coating significantly enhances the antibacterial efficacy of the titanium surface against common pathogens while minimizing potential toxicity, thus improving the overall safety and effectiveness of titanium implants in biomedical applications. Moreover, the research investigates the use of functionalized bismuth MOFs for controlled drug delivery in anticancer therapy. These functionalized MOFs are designed to enhance biocompatibility and increase drug-loading capacities. Extensive analyses demonstrate that the functionalized bismuth MOFs exhibit effective adsorption and controlled release properties for anticancer agents. Importantly, these materials are shown to be biocompatible with healthy cells while displaying significant cytotoxic effects against cancer cells. This dual functionality underscores the potential of functionalized bismuth MOFs as promising platforms for targeted and effective cancer therapies, paving the way for drug delivery systems that prioritize both efficacy and safety in clinical applications. By synthesizing and characterizing these innovative materials through various techniques, this work confirms that MOFs exhibit remarkable versatility and potential for a wide range of biomedical applications. The findings pave the way for future developments in decentralized diagnostics and targeted therapies, emphasizing the importance of MOFs as promising candidates for advancing biomedical research and applications.

Questa tesi di dottorato indaga l'applicazione di materiali inorganici nanostrutturati, in particolare i Metal-Organic Frameworks (MOFs), per applicazioni biomediche nella diagnostica e nella terapia. I nanomateriali inorganici hanno dimostrato un notevole potenziale in vari campi biomedici grazie alle loro modulabili interazioni con i sistemi biologici. Modificando la loro composizione, forma, dimensione o superficie (ad esempio con materiali organici), le nanoparticelle possono ottenere incrementate proprietà di biocompatibilità, mobilità, selettività e reattività. La letteratura scientifica pone particolare enfasi sulle caratteristiche uniche dei MOF, i quali possiedono una struttura cristallina porosa e regolabile. Tale struttura permette di avere proprietà di rilascio controllato di ioni metallici e funzionalità avanzate e per questo hanno attirato l'attenzione scientifica. La seguente tesi di dottorato si concentra sulla sintesi e la caratterizzazione di diversi MOF, dimostrando la loro utilità sia nelle applicazioni diagnostiche che terapeutiche. Nel campo della diagnostica, questa tesi ha portato allo sviluppo di un biosensore a base di silicio per la diagnosi della malattia dell'Alzheimer (AD). Questo biosensore presenta una superficie di silicio funzionalizzata con uno strato di proteina G che cattura selettivamente gli anticorpi immunoglobulina G (IgG). Il componente trasduttore utilizza fagi PPAD per riconoscere autoanticorpi Aβ nei campioni di siero. La funzionalizzazione è stata confermata mediante Microscopia a Forza Atomica (AFM) e Spettroscopia Fotoelettronica a Raggi X (XPS), rivelando cambiamenti morfologici. I test ELISA hanno poi dimostrato come il biosensore sia in grado di distinguere significativamente tra individui sani e pazienti con AD, supportando il suo potenziale per la diagnostica Point-of-Care (PoC). Inoltre, sempre in ambito diagnostico, nella tesi è stato messo in risalto lo sviluppo di Metal-Organic Frameworks (MOF) a base di bismuto come sensori elettrochimici per la rilevazione dell'istamina. Questi sensori offrono significativi vantaggi rispetto ai metodi tradizionali, in particolare in termini di sensibilità e selettività. I MOF a base di bismuto sono stati sintetizzati utilizzando una sintesi rapida che con una semplice modifica ha permesso di ottenere un MOF bimetallico. Le analisi elettrochimiche hanno dimostrato limiti di rilevazione e quantificazione eccezionali, insieme a un'elevata sensibilità. È importante sottolineare che il MOF bimetallico è stato in grado di identificare selettivamente l'istamina tra i potenziali interferenti ed ha fornito ottimi risultati anche effettuando analisi su campioni reali, confermandone la robustezza, l'affidabilità e posizionandosi come un promettente candidato per applicazioni nella diagnostica clinica e nel monitoraggio della sicurezza alimentare. Nel contesto terapeutico, la tesi introduce un metodo di sintesi innovativo per un MOF a base di argento che consente di controllarne la morfologia insieme alle proprietà antibatteriche rendendole regolabili in unzione della morfologia del MOF ottenuto. Questo approccio innovativo impiega miscele di solventi non tossici per controllarne la cristallizzazione. L'efficacia antibatterica del MOF a base di argento sintetizzato è stata evidenziata, dimostrando le sue capacità eccezionali contro batteri Gram-positivi e Gram-negativi e i loro biofilm. Queste proprietà sono attribuite alla sua struttura chimica che agisce da riserva di ioni argento, garantendo un rilascio sostenuto nel tempo ed efficace. Tali proprietà sono alla base della sua azione antimicrobica. Continuando nella stessa linea di ricerca della terapia, la tesi esplora l'uso di un altro MOF a base di argento per rivestimento di impianti chirurgici a base di leghe di titanio, in combinazione con l'ossido di grafene. Questa strategia affronta la sfida di bilanciare le proprietà antibatteriche con la biocompatibilità di questi device medici. Lo studio rivela come il rivestimento migliori significativamente l'efficacia antibatterica della superficie dello scaffold di titanio studiato contro alcuni comuni patogeni. Questo rivestimento ha mostrato ottime proprietà antibatteriche minimizzando al contempo la tossicità. Questo approccio potrebbe quindi migliorare la sicurezza e l'efficacia complessive degli impianti in titanio nelle applicazioni biomediche. Inoltre, viene indagato l'utilizzo di MOF a base di bismuto funzionalizzati per il rilascio controllato di farmaci nella terapia antitumorale. Questi MOF funzionalizzati sono progettati per migliorare la biocompatibilità e aumentare le capacità di carico di farmaci. Analisi approfondite dimostrano che i MOF a base di bismuto funzionalizzati, esibiscono proprietà di assorbimento e rilascio controllato di molecole organiche. È importante notare che questi materiali si sono dimostrati biocompatibili con le cellule sane, mostrando al contempo effetti citotossici significativi contro le cellule tumorali anche in assenza di un farmaco antitumorale. Questa duplice funzionalità sottolinea il potenziale dei MOF a base di bismuto come promettenti agenti terapeutici antitumorali con azione mirata ed efficace. Sintetizzando e caratterizzando questi materiali innovativi attraverso varie tecniche, questo lavoro di tesi permette di confermare che i MOF mostrano una notevole versatilità e potenziale per una vasta gamma di applicazioni biomediche. I risultati aprono la strada a futuri sviluppi nella diagnostica decentralizzata e nelle terapie mirate, enfatizzando l'importanza dei MOF come candidati promettenti per il progresso della ricerca e delle applicazioni biomediche.