Synthesis and Characterization of Nanostructured Calcium Phosphate Matrices for Biomedical and Environmental Applications

Abstract

Calcium phosphates (CaPs) is a class of material that constitute the inorganic component of hard tissues in vertebrates and they are widely present in nature as vertebrate bones, mammalian teeth, and fish scales or in milk and blood as the principal calcium source. The main application of CaPs is in medicine, where they are used as biomaterials in orthopedics for the regeneration or substitution of bone tissue or as drug delivery systems. However, the high tunability of this material and their excellent properties made CaPs a versatile material that can also be useful in other fields. In this thesis, CaPs were prepared with synthetic methods or extracted by biogenic materials and the obtained materials were characterized for biomedical and “non-conventional” applications such as cosmetics or agriculture. Starting from the biomedical field, CaPs were used as porous scaffold for hard tissue engineering or as drug delivery system. Regarding the innovative and less conventional fields, CaPs were prepared to be an innovative ingredient for sunscreen formulations for the cosmetic field, and a controlled-release fertilizer and thus as a natural phosphorous source for the agriculture field. The results obtained in this Ph.D thesis demonstrated the high tunability of properties and thus the final applications of CaPs. In addition, these results have proved that fish-industries by-products can constitute an interesting sustainable source for the development of high added value CaP-based systems for biomedical, cosmetic and agriculture applications. In the future, the use of these by-products as a source to produce CaPs for several kinds of applications could represent an innovative approach for both economic and environmental point of view.

I fosfati di calcio (CaP) sono una classe di materiali che costituisce la componente inorganica dei tessuti duri nei vertebrati e sono ampiamente presenti in natura come ossa di vertebrati, denti di mammiferi e scaglie di pesce. Si possono, inoltre, trovare nel latte e nel sangue come principale fonte di calcio. Il più comune campo di applicazione dei CaP è la medicina, in cui trovano impiego come biomateriali in ortopedia per la rigenerazione o sostituzione di tessuto osseo, oppure come sistemi di rilascio di farmaci. Tuttavia, l'elevata possibilità di modificare questo materiale mediante la variazione di parametri di sintesi e le loro eccellenti proprietà hanno reso i CaP un materiale versatile che può essere utile anche in altri campi. In questa tesi, i CaP sono stati preparati con metodi di sintesi convenzionali o estratti da fonti biogeniche. Successivamente, i materiali ottenuti sono stati utilizzati sia per applicazioni biomediche che per applicazioni "non convenzionali" come la cosmetica o l'agricoltura. Partendo dal campo biomedico, i CaP sono stati utilizzati come scaffold porosi per la rigenerazione ossea o come sistema di rilascio di farmaci. Per quanto riguarda i campi di applicazione più innovativi e meno convenzionali, i CaP sono stati preparati per essere applicati in cosmetica come ingrediente in per la protezione solare, e in campo agricolo come fertilizzante a rilascio controllato di fosforo. I risultati ottenuti in questa tesi di dottorato hanno dimostrato che i CaP sono dei materiali promettenti per essere utilizzati non solo in campo biomedico, ma anche in altre applicazioni. Inoltre, si è dimostrato come i sottoprodotti dell’industria ittica possono costituire un'interessante fonte sostenibile per lo sviluppo di sistemi a base di CaP ad alto valore aggiunto per applicazioni biomediche, cosmetiche e agricole. In futuro, l'uso di questi sottoprodotti come fonte per produrre CaP per diversi tipi di applicazioni potrebbe rappresentare un approccio innovativo sia dal punto di vista economico che ambientale.