Impiego di cheratina come materia prima seconda per la produzione di materiali innovativi in ambito biomedicale ed industriale

Nell’ambito dei biomateriali la cheratina rappresenta una delle proteine non alimentari più abbondanti, essendo il componente principale di capelli, lana, piume, corna, unghie di mammiferi, rettili e uccelli. Può essere facilmente estratta da rifiuti reperibili a basso costo, come lana di tosa degli ovini allevati per l’industria casearia, non adatta alla filatura, piume da macelleria e sottoprodotti dell'industria tessile laniera. I materiali cheratinosi sono caratterizzati da un alto contenuto di cisteina (7-13%) e da processi di dissoluzione ed estrazione maggiormente complessi rispetto ad altri biopolimeri. La processabilità della cheratina rappresenta un suo punto di forza, infatti può essere lavorata in ambiente acquoso sotto forma di film, nanofibre, nanoparticelle, idrogel, e spugne. Inoltre, la coniugazione con biomateriali, nanoparticelle e molecole bioattive consente la modulazione delle proprietà del materiale conferendone funzionalità specifiche. Grazie alle proprietà di biodegradabilità, biocompatibilità e bioattività, la maggior parte della ricerca sulla cheratina si è incentrata su applicazioni biomedicali, come scaffold porosi nel campo dell'ingegneria tissutale o come substrati per studi in vitro. Grazie alla sua struttura polipeptidica, può essere opportunamente funzionalizzata e impiegata nel campo del drug delivery soddisfacendo i requisiti di rilascio del farmaco e biodegradabilità richiesti [1].

In questo contesto si inserisce il presente progetto di ricerca che ha come obiettivo la valorizzazione di cheratina derivante da prodotti di scarto industriale attraverso lo studio di nuovi processi di produzione di nanofibre e lo sviluppo di strategie di funzionalizzazione per applicazioni in campo biomedico ed industriale. La sintesi di nanofibre di cheratina è un processo ampiamente studiato, impiegato in campo biomedico (rigenerazione di tessuti) e industriale (filtri anti particolato, catalizzatori supportati). Ad oggi, la tecnica maggiormente impiegata è l’elettrofilatura, che consente la produzione di fibre dal diametro ridotto (tra 40 nm e 2 μm), rappresentando l’unico potenziale processo industriale. Nonostante ciò, la bassa efficienza produttiva, l’impiego di un esiguo numero di solventi e l’applicazione di un campo elettrico ad elevata intensità rappresentano evidenti limiti di questa tecnica. Una valida alternativa è rappresentata dal “solution blow spinning” (SBS). Il SBS è un processo di produzione di nanofibre che sfrutta due flussi di fluido concentrici: un polimero disciolto in un solvente volatile e un gas pressurizzato che scorre intorno alla soluzione polimerica, creando fibre che si depositano nella direzione del flusso gassoso [2]. Un dispositivo strumentale per SBS è costituito da una sorgente di gas compresso che incontra la soluzione polimerica, veicolata attraverso un premi-siringa. I due flussi possono essere facilmente integrati in un dispositivo dal semplice assemblaggio o mediante l’impiego di un aerografo disponibile in commercio. In SBS, il solvente evapora rapidamente prima che le fibre polimeriche si depositino sulla superficie di raccolta. I principali vantaggi di SBS risiedono, oltre nel che nel semplice set-up strumentale, nella possibilità di depositare fibre direttamente su superfici piane e curve, con una velocità di deposizione approssimativamente 10 volte maggiore rispetto all’elettrofilatura. Questi aspetti risultano convenienti per applicazioni che prevedono una rapida produzione di nanofibre in-situ su superfici di diversa natura e morfologia. Il SBS è stato impiegato per diversi polimeri di interesse industriale [3] ma non per la cheratina, e sarà oggetto di studio del presente progetto. L’attività di ricerca partirà dalla fabbricazione di un semplice apparato strumentale, e proseguirà con l’ottimizzazione di processo, considerando parametri quali concentrazione, viscosità e portata della soluzione polimerica e pressione e natura del gas. La seconda parte del progetto riguarderà lo sviluppo di metodologie per la funzionalizzazione di cheratina: in campo industriale attraverso l’immobilizzazione di catalizzatori e la modulazione della solubilità mediante cross-linking e in campo biomedico attraverso coniugazione con molecole ad attività biologica per drug delivery.

L’attività partirà dalla sintesi di sistemi nanoparticellari di cheratina, considerando i diversi approcci sintetici presenti in letteratura [4]. La funzionalizzazione potrà avvenire in fase di assemblaggio della nanoparticella, inglobando la molecola “ospite” (applicazioni in drug delivery) o in seguito alla fase di assemblaggio, sfruttando la reattività dei gruppi terminali sulla superficie sferica (ancoraggio di catalizzatori). Successivamente verrà studiata una strategia innovativa per la funzionalizzazione di cheratina in soluzione. Generalmente la coniugazione di cheratina viene effettuata mediante processi di adsorbimento e blending che non prevedono la formazione di legami covalenti, comportando spesso bassi livelli di funzionalizzazione e rilascio graduale indesiderato. Al contrario, obiettivo del presente progetto sarà lo sviluppo di una metodologia solida per la funzionalizzazione mediante formazione di legami covalenti. La strategia proposta pone le basi su un recente lavoro di letteratura [5] e prevede l’impiego di isocianati azido-terminali come agenti funzionalizzanti. Il passaggio chiave di questa strategia sintetica consiste nella reazione tra i gruppi ossidrilici presenti sulla cheratina e i gruppi isocianati, con la formazione di legami uretanici. La reazione verrà condotta in dimetilsolfossido anidro, minimizzando reazioni di idrolisi indesiderate. Una volta formati i legami, le terminazioni azidiche potranno essere sfruttate per introdurre differenti specie come catalizzatori, farmaci e molecole fotosensibili mediante reazioni di cicloaddizione click azide-alchino. Il grado di funzionalizzazione del polipeptide potrà essere valutato mediante analisi elementare del materiale. Una strategia simile verrà infine impiegata nel cross-linking della cheratina, al fine di diminuirne la solubilità in ambiente acquoso. A tal fine verrà utilizzato un isocianato bifunzionale, consentendo la formazione di ponti uretanici tra i diversi gruppi OH presenti sulla cheratina, ovviando all’impiego dei classici substrati dialdeidici comunemente utilizzati.

[1] A. Shavandi, T. H. Silva, A. A. Bekhit, A. E. A. Bekhit, Biomater. Sci.,
2017, 5, 1699-1735.
[2] J. L. Daristotle, A. M. Behrens, A. D. Sandler, P. Kofinas, ACS Appl.
Mater. Interfaces, 2016, 8, 34951-34963.
[3] E. S. Medeiros, G. M. Glenn, A. P. Klamczynski, W. J. Orts, L. H. C.
Mattoso, J. App. Polym Sci., 2009, 113, 2322-2330.
[4] H. Xu, Z. Shi, N. Reddy, Y. Yang, J. Agric. Food Chem., 2014, 62, 9145-
9150.
[5] S. Zhu, W. Zeng, Z. Meng, W. Luo, L. Ma, Y. Li, C. Lin, Q. Huang, Y.
Lin, X. Y. Liu, Adv. Mater., 2019, 31, 1900870.

Kerline S.r.l.- spin off company (BO)

Periodo: 6 mesi

Il progetto è coerente con i seguenti Ambiti di Ricerca e Innovazione del PNR 2021-2027:

5.6.1 Green Technologies
Articolazione 1. Biochemicals, bioprodotti e processi chimici sostenibili in sinergia con biofuels, bioenergy e agroenergie