Search

Aim: Cell microenvironment contains a plethora of information that influences cell modulation. Indeed, the extracellular matrix plays a central role in tissue development. Reproducing the cell–extracellular matrix crosstalk able to recapitulate both physical and biochemical signals is crucial to obtain functional tissue models or regenerative strategies. Materials & methods: Here, a combined method is proposed to easily functionalize collagen surface films, tailoring morphological properties. Oxygen nonthermal plasma treatment and glyco-conjugation with chondroitin sulfate are used to modify surface properties. Results: It results in higher adhesion, proliferation and morphological organization of U87 glioblastoma cells. Conclusion: Our finding suggests new promising strategies for the development of collagen-based biomaterials, which can be employed for advanced in vitro models.

Lo sviluppo di tessuti biologici 3D artificiali richiede che cellule specifiche siano ospitate da uno scaffold sintetico che imita al meglio la matrice extracellulare (ECM) del tessuto, contenente specifiche molecole di segnalazione bioattive, che svolgono un ruolo importante nell'omeostasi cellulare. Più un modello ECM 3D in vitro replica queste condizioni, più le cellule all'interno replicheranno i comportamenti e i segnali delle cellule in vivo. Infatti, il microambiente cellulare è specifico per ogni organo e tessuto e svolge un ruolo fondamentale nella crescita cellulare, nel differenziamento e nella comunicazione tra cellule ed è coinvolto nella patogenesi. Lo scopo del progetto di dottorato è la progettazione, la sintesi, la caratterizzazione e la reticolazione di polimeri biocompatibili impiegabili come matrice cellula-specifica per lo sviluppo di modelli 3D tissutali in vitro utili per la validazione di farmaci e nuove terapie. A questo scopo sono state studiate reazioni chemoselettive per funzionalizzare e reticolare biomateriali polimerici al fine di generare "bioinchiostri" adatti per la biostampa 3D di ECM artificiale. Considerando il ruolo rilevante degli zuccheri come molecole di segnalazione in ECM, in grado di indurre anche eventi patologici, abbiamo deciso di generare ECM artificiali coniugati covalentemente con diversi zuccheri opportunamente selezionati. In questa tesi vengono descritti tre diversi approcci sintetici per generare modelli tissutali con caratteristiche diverse: (i) idrogel coniugato con zuccheri ottenuto dalla reticolazione di glico-gelatine e acido ialuronico strain – promoted azide-alkyne cycloaddition (SPAAC); (ii) elastina – acido ialuronico reticolato tramite la reazione di addizione di Michael; (iii) alginato – idrogel di gelatina ottenuto mediante doppia reticolazione statico-dinamica (tramite HRP e acido boronico). Gli idrogel glicoconiugati sono stati testati come modello tissutale in vitro di cancro al colon in colla, The production of artificial 3D biological tissues requires that specific cells are hosted by a synthetic scaffold mimicking at the best the extracellular matrix (ECM) of the tissue, containing specific bioactive signaling molecules, which play an important role in the cellular homeostasis. The more closely a 3D in vitro ECM model replicates those conditions, the more closely the cells inside will replicate the behaviours and responses of cells in vivo. Indeed, the cell microenvironment is tissue and organ specific and play a fundamental role in cell growth, cell differentiation and communication, and is involved in pathogenesis. Aim of the PhD project is the design, the synthesis, the characterization and crosslinking of biocompatible polymers employable as cell-specific matrix for the development of 3D tissue in vitro models useful for drug and new therapies validation. To this purpose chemoselective reactions have been investigated to functionalize and crosslink polymeric biomaterials in order to generate suitable “bioinks” for 3D bioprinting of artificial ECM. Considering the relevant role of glycans as signalling molecules in ECM, able to also induce pathological event, we decided to generate artificial ECMs covalently conjugated with different, properly selected glycans. In this thesis three different synthetic approaches are described to generate tissue models with different characteristics: (i) glycol-conjugate hydrogel obtained by the crosslinking of glyco-gelatins and hyaluronic acid via strain – promoted azide-alkyne cycloaddition (SPAAC); (ii) elastin – hyaluronic acid crosslinked via Michael addition reaction; (iii) alginate – gelatin hydrogel obtained by dual static-dynamic crosslinking (via HRP and boronic acid). The glycoconjugate hydrogels have been tested as colon cancer in vitro tissue model in collaboration with San Gerardo Hospital (Monza, Italy) and as gastric cancer in vitro tissue model in collaboration with i3S - Institute for Research and I

Negli ultimi anni, la ricerca sui biomateriali in grado di imitare la matrice extracellulare ha portato numerosi progressi nel campo dell’ingegneria tissutale, così come nella chimica dei polimeri e della conoscenza dell’interazioni cellula-materiale. Le nuove piattaforme di biomateriali 3D possono fornire informazioni fondamentali per la bioingegneria, consentendo lo studio del destino cellulare, della somministrazione di farmaci e di nuove applicazioni traslazionali nella medicina rigenerativa. Recentemente, gli idrogel sono stati oggetto di notevole interesse: a causa delle loro somiglianze compositive e strutturali con la matrice extracellulare naturale, sono i candidati principali per lo sviluppo di scaffold tissutali ingegnerizzati. In questa tesi viene riportata la funzionalizzazione di gelatina e chitosano con metilfurano. I polimeri ottenuti sono stati combinati con un PEG maleimmidico per formulare GelChiDA, una nuova piattaforma ibrida di idrogel. La reazione di crosslinking avviene tramite reazione di click chemistry, si verifica in condizioni blande, non necessita di ulteriori purificazioni e avviene spontaneamente senza l'uso di catalizzatori o irradiazione UV. I materiali di partenza e il biomateriale ibrido risultante sono stati caratterizzati in termini di proprietà fisico-chimiche. La strategia analitica proposta garantisce una visione globale delle complesse proprietà dei biomateriali e può essere applicata per caratterizzare tutte le piattaforme di questa natura. GelChiDA ha mostrato interessanti proprietà reologiche, comprese capacità di autoriparazione, e promettenti test preliminari di biocompatibilità. GelChiDa è stato formulato come bioinchiostro e il protocollo è stato ottimizzato valutando la tempistica ottimale per eseguire la biostampa a bassa pressione in modo da non influire sulla vitalità cellulare. Inoltre, GelChiDA è stato impiegato per lo studio di modelli tumorali in vitro con sferoidi, rivelandosi una piattaforma stabi, ECM-mimicking biomaterial research has driven numerous advances in tissue engineering in recent years, bringing novelties in polymer chemistry and cell-material interactions. New 3D biomaterial platforms can provide pivotal insights for bioengineering, allowing the investigation of cell fate, drug delivery, or novel translational applications in regenerative medicine. Recently, hydrogels have received a considerable interest as leading candidates for engineered tissue scaffolds due to their unique compositional and structural similarities to the natural extracellular matrix. This research topic aims to implement recent advances in the areas that focus on developing next-generation biomaterials and biotechnologies with controlled material composition, defined structural architectures, dynamic functionality, and biological complexity targeted toward various applications in regenerative engineering and translational medicine. In this thesis the functionalization of gelatin and chitosan with methylfuran is reported. The obtained polymers were combined with a maleimide PEG formulating GelChiDA, an enhanced 3D hybrid hydrogel platform. The click chemistry-based hydrogel is formed spontaneously by mixing reactive compounds, and occurs in mild conditions without further purifications, catalysts or UV irradiation. The starting materials and the resulting hybrid biomaterial were characterized in terms of physical-chemical properties. The proposed analytical strategy guarantees a global view of the complex biomaterials properties and can be applied to characterize all platforms of this nature. GelChiDA showed interesting rheological properties, including self-healing characteristics and promising preliminary biocompatibility tests. GelChiDa was formulized as bioink to be used with pneumatic 3D bioprinters, and the protocol was optimized by assessing the optimal timing to perform bioprinting at low pressure into grid-like structure, without affecting cell viability. Moreover Ge

I biomateriali per applicazioni di ingegneria dei tessuti devono soddisfare diversi requisiti, come sicurezza, biocompatibilità e caratteristiche meccaniche appropriate. Il processo di sviluppo di questi biomateriali comprende diversi approcci scientifici, che vanno dall' in-silico all'in-vivo. L'ottimizzazione in silico delle caratteristiche dei biomateriali sta attirando un'attenzione sempre maggiore. Infatti, il miglioramento di questo approccio consentirà di ridurre i costi aggiuntivi nel processo di sviluppo dei biomateriali, a causa di caratterizzazioni sperimentali non necessarie. Secondo questo punto di vista, in questa tesi viene presentato un approccio di dinamica molecolare per la caratterizzazione dei biomateriali. Più in dettaglio, gli scaffold degli idrogel di peptidi autoassemblanti (SAP) sono stati studiati su nanoscala e microscala, al fine di chiarire le loro relazioni intrinseche struttura-proprietà-funzione. Le dinamiche molecolari atomistiche a grana grossa (CG-MD) sono state utilizzate per studiare i meccanismi di auto-assemblamento che portano alla formazione di scaffold peptidici. A causa della mancanza di informazioni strutturali cruciali nelle simulazioni CG-MD, l'innovativa suite software, denominata Morphoscanner, è stata impiegata per la classificazione dei modelli di aggregazione conformazionale dei SAP. Quindi, le proprietà meccaniche e i meccanismi di rottura delle nanostrutture SAP sono stati studiati attraverso le simulazioni MD vincolate. Queste evidenze hanno portato allo sviluppo di un approccio CG-MD che mira a chiarire la complessa interazione tra membrane cellulari e nanofibrille SAP. In particolare, le simulazioni MARTINI CG-MD sono state utilizzate per comprendere gli effetti della nanofibrille peptidiche sulla dinamica dei domini lipidici nelle membrane neurali. Tali risultati aprono nuove dimensioni nel campo della biomateriomica, consentendo di comprendere ed eventualmente controllare i complessi fenomeni che influe, Biomaterials for tissue engineering applications have to comply with several requirements, such as safety, biocompatibility and appropriate mechanical features. The development process of these biomaterials encompasses several scientific approaches, ranging from in-silico to in-vivo. The in-silico optimization of biomaterials features is attracting even larger attention. Indeed, the improvement of this approach will allow to reduce additional costs int the biomaterials development process, due to unnecessary experimental characterizations. According to this point-of-view, in this thesis is presented a molecular dynamics approach for biomaterial characterization. More in details, self-assembling peptides (SAPs) hydrogels scaffolds have been investigated at the nano-scale and micro-scale, to elucidate their intrinsic structure-property-function relationships. The atomistic and coarse-grained molecular dynamics (CG-MD) have been used for the elucidation of self-assembling pathways of peptide-based scaffolds. Due to the lack of crucial structural information in CG-MD simulations, the innovative software suite, dubbed Morphoscanner, has been employed for the elucidation of conformational aggregation patterns of SAPs. Then, the mechanical properties and failure mechanisms of SAPs nanostructures have been investigated through the steered MD simulations. These evidences led the development of a CG-MD approach aiming to elucidate the complex interplay between cell membranes and SAPs nanofibrils. In particular, MARTINI CG-MD simulations have been used for understanding the effects of SAPS nanofibril on dynamics of lipid domains in neural membranes. Such achievements open up new dimensions in the field of biomateriomics, allowing to understand and eventually orchestrate the complex phenomena which affect the mechanical properties and biocompatibility of SAPs biomaterials for tissue engineering applications.

The development of 3D printable hydrogels based on the crosslinking between chitosan and gelatin is proposed. Chitosan and gelatin were both functionalized with methyl furan groups. Chemical modification was performed by reductive amination with methyl furfural involving the lysine residues of gelatin and the amino groups of chitosan to generate hydrogels with tailored properties. The methyl furan residues present in both polymers were exploited for efficient crosslinking via Diels-Alder ligation with PEG-Star-maleimide under cell-compatible conditions. The obtained chitosan-gelatin hybrid was employed to formulate hydrogels and 3D printable biopolymers and its processability and biocompatibility were preliminarily investigated.

By functionalizing the surface of PEG-liposomes with linkers bearing quaternary ammonium compounds (QACs), we generated novel bacteria disruptors with anti-adhesive properties and reduced cytotoxicity compared to free QACs. Furthermore, QAC-functionalized liposomes are a promising platform for future drug encapsulation. The QAC (11-mercaptoundecyl)-N,N,N-trimethylammonium bromide (MTAB) was attached to maleimide-functionalized liposomes (DSPE-PEG) via thiol linker. The MTAB-functionalized liposomes were physicochemically characterized and their biological activity, in terms of anti-adherence activity and biofilm prevention in Escherichia coli were assessed. The results showed that MTAB-functionalized liposomes inhibit bacterial adherence and biofilm formation while reducing MTAB toxicity.