Progettazione e sviluppo di nanofibre elettrofilate a base di polisaccaridi e proteine/peptidi per la rigenerazione tissutale

The present thesis work describes the development of electrospun nanofibers based on alginate (ALG), whey protein isolate (WPI), and pullulan (PUL), crosslinked through the Maillard reaction and intended for skin wound treatment. Since the materials used are water-soluble, a thermal cross-linking process was investigated to obtain biodegradable and structurally stable nanofibers through the formation of covalent bonds (Schiff bases) between the amino groups of WPI and the aldehydic groups of PUL. In the preliminary phase, the interaction between ALG and WPI was studied, confirming the formation of a new polymeric phase and leading to the selection of the mixture with the highest protein content to maximize reactivity toward PUL. The resulting solutions were successfully electrospun, producing uniform nanofibers (approximately 300 nm in diameter) that were initially water-soluble. Thermal treatment enabled their insolubilization, identifying 140 °C for 2 h and 160 °C for 1 h as the optimal conditions. Morphological analyses (SEM, AFM) showed that the fibrous structure remained substantially unchanged, while mechanical tests revealed improved performance, particularly for the sample treated at 160 °C for 1 h. The thermally treated nanofibers also exhibited a high swelling capacity (around 1000%) and good stability in humid environments, with more pronounced biodegradation observed for the 140 °C for 2 h sample. In vitro tests confirmed the absence of cytotoxicity and demonstrated promising cell proliferation, while in vivo experiments revealed a more advanced reparative state in lesions treated with both samples, with enhanced tissue regeneration and neoangiogenesis compared to the control. Overall, thermal treatment proved to be an effective strategy for imparting stability, mechanical strength, and biocompatibility to the nanofibers, with the 160 °C for 1 h condition showing particularly high effectiveness. Ongoing studies are aimed at a more in-depth chemical–physical characterization (NMR, TGA) and at developing functionalized systems for the controlled release of bioactive agents.

Il presente lavoro di tesi descrive lo sviluppo di nanofibre elettrofilate a base di alginato (ALG), proteine del siero del latte (WPI) e pullulano (PUL), reticolate tramite reazione di Maillard e destinate al trattamento delle ferite cutanee. Poiché i materiali impiegati sono solubili in acqua, è stato studiato un processo di cross-linking termico volto a ottenere nanofibre biodegradabili e strutturalmente stabili grazie alla formazione di legami covalenti (basi di Schiff) tra i gruppi amminici delle WPI e i gruppi aldeidici del PUL. Nella fase preliminare è stata indagata l’interazione ALG–WPI, confermando la formazione di una nuova fase polimerica e selezionando la miscela a più alto contenuto proteico per massimizzare la reattività verso il PUL. Le soluzioni ottenute sono state elettrofilate con successo, producendo nanofibre uniformi (diametro di circa 300 nm) inizialmente solubili in acqua. Il trattamento termico ha portato alla loro insolubilizzazione, identificando come condizioni ottimali 140 °C per 2 h e 160 °C per 1 h. Le analisi morfologiche (SEM, AFM) hanno mostrato che la struttura fibrosa rimane sostanzialmente invariata, mentre le prove meccaniche hanno evidenziato un miglioramento delle prestazioni, soprattutto per il campione trattato a 160 °C per 1 h. Le nanofibre termotrattate hanno inoltre mostrato elevata capacità di rigonfiamento (circa 1000%) e buona stabilità in ambiente umido, con una biodegradazione più marcata per il campione 140 °C per 2 h. I test in vitro hanno confermato l’assenza di citotossicità e una promettente proliferazione cellulare, mentre la sperimentazione in vivo ha evidenziato un avanzato stato riparativo delle lesioni trattate con entrambi i campioni, con una rigenerazione tissutale e una neoangiogenesi superiori al controllo. Nel complesso, il trattamento termico si è dimostrato una strategia efficace per conferire stabilità, resistenza meccanica e biocompatibilità alle nanofibre, con particolare efficacia per il trattamento a 160 °C per 1 h. Studi in corso sono orientati a una caratterizzazione chimico-fisica più approfondita (NMR, TGA) e allo sviluppo di sistemi funzionalizzati per il rilascio controllato di agenti bioattivi.