Characterization of peptide gels obtained through enzymatic gelation

The present Thesis work aims to illustrate the synthesis and characterization of a particular gel system composed by self-assembling peptides hydrogels, namely macromolecules that, in particular pH and ionic strength conditions, are able to self-aggregate in complex structures. The system was obtained through an enzymatic gelation process, in which the controlled pH evolution over time, due to the hydrolysis reaction of urea by means of urease, acts as the driving force for obtaining an homogeneous gel structure, both from a morphological and gelation point of view. In the first part of the experimental trial, various concentrations of SAPs were investigated. Due to the fact that the gel structures obtained were highly disordered and the gelation processes were different from one sample to another, the preparation methodology was modified in order to obtain a homogeneous system and gelation process. Once a suitable gelation process was found, the systems were investigated with two different scattering techniques: Photon Correlation Imaging (PCI) and Dynamic Light Scattering (DLS). The results obtained through these approaches demonstrated that the two techniques can be exploited in order to characterize the systems in different time ranges and delays. In particular, while the PCI returns meaningful informations about the dynamics of the system even after the gelation point, the DLS is able to determine its dynamics behaviour when it is still in a liquid phase. Thus, we were able to characterize the peptides gels in terms of their microscopic dynamics, structure and, even if qualitatively, mechanical properties in every time range of the gelation process. In the series investigated in the second trial, different behaviours with respect to the various SAPs concentrations investigated were observed: while more concentrated samples presented a slower initial increase in the pH curve with respect to the more diluted ones, once the suitable pH condition for the gelation was reached the process rapidly took place and the gel structure was formed. For the more diluted ones, the pH condition was achieved in a shorter time, but the aggregation happened to be weaker with respect to the other samples, hence suggesting that the lower the number of peptides involved, the feebler the matrix structure. The difference in the behaviour of the samples was studied exploiting, in addition to the pH curves, quantities as the Intensity Correlation Function and the Normalized Correlation Index, thanks to which the spatial and temporal correlations in the samples were investigated and conclusions on the arrested (or not) structures formed could be drawn.

Il presente lavoro di tesi è volto ad illustrate la sintesi e caratterizzazione di un particolare tipo di gel composto da peptidi auto-assemblanti, ovvero macromolecole che, in determinate condizioni di pH e forza ionica, sono in grado di auto-aggregarsi in strutture complesse. Il sistema è ottenuto tramite un processo di gelazione enzimatica, in cui l'evoluzione controllata nel tempo del pH, dovuta alla reazione di idrolisi dell'urea grazie all'azione dell'urease, agisce come motore per il raggiungimento di un gel omogeneo, sia morfologicamente che in termini di modalità di gelazione. Nella prima parte del trial sperimentale, diverse concentrazioni di SAPs sono state studiate. Siccome i gel ottenuti risultavano molto disordinati da un punto di vista strutturale e il processo di gelazione era differente da campione a campione, la metodologia di preparazione è stata modificata in modo ta ottenere un sistema e un processo di gelazione più omogenei possibili. Una volta che è stato trovato un adatto processo di gelazione, il sistema è stato studiato con due differenti tecniche di scattering: Photon Correlation Imaging (PCI) e Dynamic Light Scattering (DLS). I risultati ottenuti attraverso questi approcci hanno dimostrato che le due tecniche possono essere sfruttate per caratterizzare i sistemi in diversi intervalli di tempo e ritardi. In particolare, mentre la PCI restituisce informazioni significative sulla dinamica del sistema anche dopo il punto di gelazione e permette di osservare una porzione estesa del campione, la DLS è in grado di determinarne il comportamento dinamico quando è ancora in fase liquida (ovvero a piccoli ritardi) e si concentra su un'unica speckle. Siamo quindi stati in grado di caratterizzare il sistema in ogni momento della gelazione, in termini di dinamica microscopica, morfologia e proprietà meccaniche. Nella serie di concentrazioni studiata nel secondo trial sperimentale, sono stati osservati diversi comportamenti a seconda della concentrazione di peptidi: mentre i più concentrati presentano un lento aumento iniziale nelle curve di pH rispetto ai più diluiti, una volta che le condizioni di pH richieste dalla gelazione vengono raggiunte, il processo avviene molto velocemente e il gel è formato. Per i più diluiti, invece, le condizioni necessarie alla gelazione vengono raggiunte in tempi più brevi, ma l'aggregazione risulta più debole rispetto agli altri campioni, suggerendo quindi che più il numero di peptidi nel sistema è basso, più la struttura formata è debole. I differenti comportamenti sono stati studiati, oltre che tramite le curve di pH, grazie a quantità come le funzioni di correlazione di intensità e gli indici di correlazione normalizzati, grazie ai quali le correlazioni spaziali e temporali nei campioni sono state investigate ed è stato quindi possibile sviluppare delle conclusioni sulle strutture ottenute.