Development of Novel Bioactive Glass Nanoparticles for Applications in Bone Cancer Treatment

Iron-doped bioactive glass nanoparticles (Fe-BGNPs) offer a promising approach in biomedical applications, particularly for bone regeneration and localized cancer treatment. This thesis explores the synthesis, characterization, and therapeutic potential of Fe-BGNPs, emphasizing their ability to enhance bone regeneration and provide targeted cancer therapy through magnetic hyperthermia. Using a sol-gel method, Fe-BGNPs were synthesized with different iron precursors to investigate whether they would lead to the formation of magnetite or remain in a glassy (amorphous) form. . Characterization techniques such as X-ray diffraction (XRD), Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), scanning electron microscopy (SEM) and magnetic hyperthermia test were employed to assess the physicochemical and magnetic properties of the nanoparticles. The bone regeneration capability of Fe-BGNPs is due to their bioactivity, biocompatibility, and osteoconductivity. Upon implantation, these nanoparticles interact with physiological fluids, forming a silica-rich gel layer on their surface. This layer serves as a scaffold for hydroxyapatite (HA) precipitation, which mimics the mineral phase of bone. The HA layer facilitates the attachment, proliferation, and differentiation of osteoblasts, essential for new bone formation. Additionally, the interconnected porous structure of Fe-BGNPs supports osteoconduction by allowing bone ingrowth throughout the material. Reactive oxygen species (ROS) analysis is critical in evaluating the cancer treatment potential of Fe-BGNPs. ROS, including hydroxyl radicals and superoxide anions, can induce oxidative stress in cancer cells, leading to cell death. In this work we estimate the iron ions’ role in the catalyze Fenton-like reactions, converting hydrogen peroxide into highly reactive hydroxyl radicals. This mechanism specifically targets cancer cells while minimizing damage to surrounding healthy tissues. In vitro studies are conducted to demonstrate the support of Fe-BGNPs in cellular adhesion, proliferation, and differentiation, indicating their suitability as scaffolds for bone regeneration. Moreover, magnetic hyperthermia tests are used to show the effectively generation of heat under an alternating magnetic field, achieving temperatures sufficient to induce hyperthermia in cancer cells without harming healthy tissue. The multifunctionality of Fe-BGNPs, combining bone regeneration, magnetic hyperthermia, and ROS-mediated cancer therapy, underscores their potential as versatile biomaterials in clinical applications. This research advances the field of biomaterials, offering innovative strategies for bone cancer treatment and tissue engineering. Future studies should focus on in vivo assessments to further validate the efficacy and safety of Fe-BGNPs in clinical settings.

Le nanoparticelle di vetro bioattivo dopato con ferro (Fe-BGNPs) offrono un approccio promettente nelle applicazioni biomediche, in particolare per la rigenerazione ossea e il trattamento localizzato del cancro. Questa tesi esplora la sintesi, la caratterizzazione e il potenziale terapeutico delle Fe-BGNPs, enfatizzando la loro capacità di migliorare la rigenerazione ossea e fornire una terapia mirata al cancro attraverso l'ipertermia magnetica. Utilizzando un metodo sol-gel, le Fe-BGNPs sono state sintetizzate con diversi precursori di ferro per investigare se portassero alla formazione di magnetite o rimanessero in forma vetrosa (amorfa). Tecniche di caratterizzazione come la diffrazione dei raggi X (XRD), la spettroscopia infrarossa a trasformata di Fourier (FTIR), la microscopia elettronica a scansione (SEM) e i test di ipertermia magnetica sono state impiegate per valutare le proprietà fisico-chimiche e magnetiche delle nanoparticelle. La capacità di rigenerazione ossea delle Fe-BGNPs è dovuta alla loro bioattività, biocompatibilità e osteoconducibilità. Dopo l'impianto, queste nanoparticelle interagiscono con i fluidi fisiologici, formando uno strato di gel ricco di silice sulla loro superficie. Questo strato funge da scaffold per la precipitazione dell'idrossiapatite (HA), che imita la fase minerale dell'osso. Lo strato di HA facilita l'attacco, la proliferazione e la differenziazione degli osteoblasti, essenziali per la formazione di nuovo tessuto osseo. Inoltre, la struttura porosa interconnessa delle Fe-BGNPs supporta l'osteoconduzione permettendo la crescita ossea all'interno del materiale. L'analisi delle specie reattive dell'ossigeno (ROS) è fondamentale per valutare il potenziale terapeutico delle Fe-BGNPs nel trattamento del cancro. Le ROS, inclusi i radicali idrossilici e gli anioni superossido, possono indurre stress ossidativo nelle cellule cancerose, portando alla morte cellulare. In questo lavoro stimiamo il ruolo degli ioni ferro nel catalizzare reazioni simili a quelle di Fenton, convertendo il perossido di idrogeno in radicali idrossilici altamente reattivi. Questo meccanismo prende di mira specificamente le cellule cancerose, minimizzando al contempo i danni ai tessuti sani circostanti. Studi in vitro sono condotti per dimostrare il supporto delle Fe-BGNPs nell'adesione, proliferazione e differenziazione cellulare, indicando la loro idoneità come scaffold per la rigenerazione ossea. Inoltre, i test di ipertermia magnetica sono utilizzati per mostrare l'efficace generazione di calore sotto un campo magnetico alternato, raggiungendo temperature sufficienti a indurre ipertermia nelle cellule cancerose senza danneggiare i tessuti sani. La multifunzionalità delle Fe-BGNPs, combinando rigenerazione ossea, ipertermia magnetica e terapia del cancro mediata da ROS, sottolinea il loro potenziale come biomateriali versatili nelle applicazioni cliniche. Questa ricerca avanza il campo dei biomateriali, offrendo strategie innovative per il trattamento del cancro osseo e l'ingegneria tissutale. Studi futuri dovrebbero concentrarsi su valutazioni in vivo per convalidare ulteriormente l'efficacia e la sicurezza delle Fe-BGNPs in ambito clinico.