Study of interaction between Si(O,C) nanowires and the biological system

Nanomedicine is a new branch of medicine, based on the potentiality and intrinsic properties of nanomaterials. Indeed, the nanomaterials ( i.e. the materials with nano and under micron size) can be suitable to different applications in biomedicine. The nanostructures can be used by taking advantage of their properties (for example superparamagnetic nanoparticles) or functionalized to deliver the drug in a specific target, thanks the ability to cross biological barriers. The size and the shape of 1D-nanostructures (nanotubes and nanowires) have an important role on the cell fate: their morphology plays a key role on the interaction between nanostructure and the biological system. For this reason the 1D nanostructure are interesting for their ability to mime the biological system. An implantable material or device must therefore integrate with the surrounding extracellular matrix (ECM), a complex network of proteins with structural and signaling properties. Innovative techniques allow the generation of complex surface patterns that can resemble the structure of the ECM, such as 1D nanostructures. NWs based on cubic silicon carbide (3C-SiC), either bare (3C-SiC NWs) or surrounded by an amorphous shell (3C-SiC/SiO2 core/shell NWs), and silicon oxycarbide nanowires (SiOxCy NWs) can meet the chemical, mechanical and electrical requirements for tissue engineering and have a strong potential to pave the way for the development of a novel generation of implantable nano-devices. Silicon oxycarbide shows promising physical and chemical properties as elastic modulus, bending strength and hardness, chemical durability superior to conventional silicate glasses in aggressive environments and high temperature stability up to 1300 °C. Moreover, it can easily be engineered through functionalization and decoration with macro-molecules and nanoparticles. Silicon carbide has been extensively studied for applications in harsh conditions, as chemical environment, high electric field and high and low temperature, owing to its high hardness, high thermal conductivity, chemical inertness and high electron mobility. Also, its cubic polytype (3C) is highly biocompatible and hemocompatible, and some prototypes of biomedical applications and biomedical devices have been already realized starting from 3C-SiC thin films. Cubic SiC-based NWs can be used as a biomimetic biomaterial, providing a robust and novel biocompatible biological interface . We cultured in vitro A549 human lung adenocarcinoma epithelial cells and L929 murine fibroblast cells over core/shell SiC/SiO2, SiOxCy and bare 3C-SiC nanowire platforms, and analysed the cytotoxicity, by indirect and direct contact tests, the cell adhesion, and the cell proliferation. These studies showed that all the nanowires are biocompatible according to ISO 10993 standards. We evaluated the blood compatibility through the interaction of the nanowires with platelet rich plasma. The adhesion and activation of platelets on the nanowire bundles, assessed via SEM imaging and soluble P-selectin quantification, indicated that a higher platelet activation is induced by the core/shell structures compared to the bare ones. Further, platelet activation is higher with 3C-SiC/SiO2 NWs and SiOxCyNWs, which therefore appear suitable in view of possible tissue regeneration. On the contrary, bare 3C-SiC NWs show a lower platelet activation and are therefore promising in view of implantable bioelectronics devices, as cardiovascular implantable devices. The NWs properties are suitable to allow the design of a novel subretinal Micro Device (MD). This devices is based on Si NWs and PEDOT:PSS, though the well know principle of the hybrid ordered bulk heterojunction (OBHJ). The aim is to develop a device based on a well-established photovoltaic technology and to adapt this know-how to the prosthetic field. The hybrid OBHJ allows to form a radial p–n junction on a nanowire/organic structure. In addition, the nanowires increase the light absorption by means of light scattering effects: a nanowires based p-n junction increases the light absorption up to the 80%, as previously demonstrated, overcoming the Shockley-Queisser limit of 30 % of a bulk p-n junction. Another interesting employment of these NWs is to design of a SiC based epicardial-interacting patch based on teflon that include SiC nanowires. . Such contact patch can bridge the electric conduction across the cardiac infarct as nanowires can ‘sense’ the direction of the wavefront propagation on the survival cardiac tissue and transmit it to the downstream surivived regions without discontinuity. The SiC NWs are tested in terms of toxicology, biocompatibility and conductance among cardiomyocytes and myofibroblasts.

Interazione di nanoparticelle metalliche con menbrane biologiche: risultati di studi in vitro su cute, mucosa del cavo orale e meningi ed implicazioni per la salute

L’utilizzo di nanomateriali, ovvero una nuova classe di sostanze composte da particelle ultrafini con dimensioni comprese fra 1 e 100 nm (American Society for Testing Materials - ASTM), è in costante aumento a livello globale. La particolarità di tali sostanze è rappresentata da un alto rapporto tra la superficie e il volume delle particelle, che determina caratteristiche chimico-fisiche completamente differenti rispetto alle omologhe macrosostanze di riferimento. Tali caratteristiche sono tali da imporre una loro classificazione come nuovi agenti chimici (Royal Society & Royal Academy of Engineering report 2004). Gli impieghi attuali dei nanomateriali risultano in continua evoluzione, spaziando in diversi ambiti, dall’industria farmaceutica e cosmetica, all’industria tessile, elettronica, aerospaziale ed informatica. Diversi sono anche gli impieghi in campo biomedico; tra questi la diagnostica e la farmacoterapia. È quindi prevedibile che in futuro una quota sempre maggiore di lavoratori e consumatori risulteranno esposti a tali sostanze. Allo stato attuale non vi è una completa conoscenza degli effetti tossicologici ed ambientali di queste sostanze, pertanto, al fine di un loro utilizzo in totale sicurezza, risulta necessario capirne meglio l’impatto sulla salute, le vie di penetrazione nel corpo umano e il rischio per i lavoratori conseguente al loro utilizzo o lavorazione. La cute rappresenta la prima barriera nei confronti delle sostanze tossiche che possono entrare in contatto con l’organismo umano. Successivamente agli anni ‘60, quando si riteneva che la cute rappresentasse una barriera totalmente impermeabile, è stato dimostrato come essa presenti differenti gradi di permeabilità nei confronti di alcuni xenobiotici, dipendente dalle caratteristiche delle sostanze in esame, dal sito anatomico di penetrazione, dal grado di integrità della barriera stessa e dall’eventuale presenza di patologie della cute. La mucosa del cavo orale funge da primo filtro nei confronti delle sostanze che entrano in contatto con il tratto digestivo e può venir coinvolta in contaminazioni di superficie determinate da esposizioni occupazionali e/o ambientali. È noto che, rispetto alla cute, presenti una permeabilità all’acqua quattro volte maggiore, e, per tale motivo, è stata studiata come via di somministrazione di farmaci, ma, ad oggi, pochi sono gli studi che ne hanno valutato le caratteristiche di permeazione nei confronti delle nanoparticelle (NPs). Una terza importante barriera biologica è quella che ricopre il sistema nervoso centrale, essa è rappresentata da tre foglietti di tessuto connettivo, che assieme costituiscono le meningi. Questi tre foglietti rivestono completamente l’encefalo permettendone un isolamento, tradizionalmente ritenuto completo, nei confronti degli xenobiotici. L’unica via di assorbimento diretto, in questo contesto, è rappresentata dalla via intranasale. Essa permette un passaggio diretto di sostanze dall’epitelio olfattivo all’encefalo, eludendo la selettiva barriera emato-encefalica. Negli ultimi anni la letteratura scientifica si è arricchita di studi che hanno indagato le caratteristiche di assorbimento di farmaci attraverso questa via, ma pochissimi sono gli studi che hanno indagato la possibile penetrazione di nanoparticelle attraverso questa via, e nessuno, in particolar modo, ha indagato le caratteristiche di permeazione delle meningi. L’attività di ricerca svolta nell’ambito del presente dottorato ha avuto per finalità l’indagine delle caratteristiche di permeabilità e di assorbimento della cute, della mucosa del cavo orale e delle meningi nei confronti di alcune nanoparticelle, scelte fra quelle più rappresentative in relazione alla diffusione d’utilizzo a livello globale. I risultati degli esperimenti condotti hanno dimostrato, in vitro, che l’esposizione cutanea a Pt, Rh, Co3O4 e Ni NPs determinano permeazione in tracce dei medesimi metalli attraverso la cute, mentre per le TiO2 NPs tale permeazione non è stata dimostrata. È stato riscontrato, inoltre, che la mucosa del cavo orale e le meningi sono permeabili nei confronti dell’Ag in forma nanoparticellare.