Biocomposites based on fibrillated nanocellulose and amyloidogenic peptides

In recent years, the emerging global environmental awareness has raised the need for the design of green, renewable and sustainable materials from natural sources, in order to reduce the widespread dependence on fossil fuels and offer a viable alternative to ever-depleting non-renewable sources. In this context, cellulose has revealed to be a promising candidate thanks to its abundant availability, biodegradability, renewability, ease of chemical functionalization and its ability to assume different morphologies. In particular, cellulose nanofibers (CNFs) are promising nanoscale building blocks to produce high-performance functional hydrogels. Nowadays, the preparation of hydrogels mainly based on CNFs is an established procedure, which however still faces several challenges. Complex preparation methods, the need to use toxic or environmentally impacting chemical crosslinking agents and solvents, and difficulty in obtaining mechanical properties suitable for practical applications are among the most noteworthy limitations. Specifically, the latter issue becomes extremely relevant when CNFs are used as native, meaning that the no chemical functionalization is performed. In this context, the aim of this thesis is to investigate fully biobased hybrid hydrogels obtained by the combination of native cellulose nanofibrils and an amyloidogenic pentapeptide, with the ultimate goal of developing a method to improve rheological properties of cellulose-based hydrogels. The first stage of the research was dedicated to the full characterization of nanocellulose and the evaluation of the impact of an external treatment, i.e. ultrasounds, on CNFs morphological features, assessed via microscopic and spectroscopic techniques. Subsequently, a relatively simple, fast and easily reproducible procedure was developed for the preparation of the hybrid hydrogels, in which ultrasounds triggered a sol-gel transition. The rheological properties of several hydrogel formulations were tested, investigating the impact of the system parameters such as CNFs and peptide concentrations, peptide sequence and the application of sonication treatments. Finally, structural and morphological characterization of the bio-composites was performed, providing relevant insight on the interaction between the two components. Taken together, the achieved results suggest that the incorporation of amyloidogenic peptides into nanocellulose-based materials is an effective method to reinforce native CNFs networks, simultaneously adding new functionalities to the system. In future research, the fully biobased hybrid hydrogels described in this thesis may represent promising steppingstones for the development of advanced materials based on unfunctionalized cellulose nanofibrils.

Negli ultimi anni, l'emergente consapevolezza ambientale ha sollevato globalmente la necessità di progettare materiali ecologici, rinnovabili e sostenibili da fonti naturali, al fine di ridurre la diffusa dipendenza dai combustibili fossili e offrire una valida alternativa alle fonti non rinnovabili in continuo esaurimento. In questo contesto, la cellulosa risulta essere un candidato promettente grazie alla sua abbondante disponibilità, biodegradabilità, rinnovabilità, facilità di funzionalizzazione chimica e la sua capacità di assumere diverse morfologie. In particolare, le nanofibre di cellulosa (CNFs) risultano essere promettenti per lo sviluppo di idrogeli funzionali ad alte prestazioni. Attualmente, la preparazione di idrogeli basati principalmente su CNFs è una procedura consolidata, che tuttavia deve ancora affrontare diverse sfide. Metodi di preparazione complessi, la necessità di utilizzare agenti chimici reticolanti e solventi tossici o impattanti per l'ambiente, e la difficoltà di ottenere proprietà meccaniche adatte alle applicazioni pratiche sono tra le limitazioni più degne di nota. In particolare, quest'ultimo problema diventa estremamente rilevante quando le CNFs vengono utilizzate come native, ovvero che non viene eseguita alcuna funzionalizzazione chimica. In questo contesto, lo scopo di questa tesi è quello di studiare idrogeli ibridi ottenuti dalla combinazione di nanofibre di cellulosa nativa e un pentapeptide amiloidogenico, con l'obiettivo finale di sviluppare un metodo per migliorare le proprietà reologiche degli idrogeli a base di cellulosa. La prima fase della ricerca è stata dedicata alla caratterizzazione della nanocellulosa e alla valutazione dell'impatto di un trattamento esterno, cioè gli ultrasuoni, sulle caratteristiche morfologiche delle CNFs, valutate tramite tecniche microscopiche e spettroscopiche. Successivamente, è stata sviluppata una procedura relativamente semplice, veloce e facilmente riproducibile per la preparazione degli idrogeli ibridi, in cui l’utilizzo degli ultrasuoni ha favorito la transizione sol-gel. Le proprietà reologiche di diverse formulazioni di idrogeli sono state quindi testate, studiando l'impatto di parametri come le concentrazioni di CNFs e peptidi, la sequenza peptidica e l'applicazione di trattamenti di sonicazione. Infine, è stata eseguita una caratterizzazione strutturale e morfologica dei biocompositi, ottenendo informazioni sull'interazione tra i due componenti. Nel complesso, i risultati ottenuti suggeriscono che l'incorporazione di peptidi amiloidogenici in materiali a base di nanocellulosa risulta essere un metodo efficace per rinforzare i network a base di CNFs native, arricchendoli allo stesso tempo di nuovi siti funzionali. In ricerche future, gli idrogeli ibridi descritti in questa tesi possono rappresentare un promettente punto di partenza per lo sviluppo di materiali avanzati basati su nanofibre di cellulosa non funzionalizzate.