ETD

• biomaterials design
• computational modeling
• density functional theory
• functional characterization
• mechanical characterization
• metal oxide nanoparticles
• metal-organic frameworks
• molecular dynamics
• myocardial tissue engineering
• physico-chemical characterization

This thesis details the rational design and validation of innovative biomaterials for therapeutic applications by integrating multi-scale methodologies across three systems: zinc oxide (ZnO) nanoparticles, flexible metal-organic frameworks (MOFs), and bioartificial scaffolds for myocardial tissue engineering.
Initial computational investigations using Density Functional Theory (DFT) and reactive molecular dynamics (ReaxFF) predicted the assembly, drug-release, and degradation pathways of functionalized ZnO nanocarriers. These insights enabled the successful synthesis of carriers with validated efficacy in multiple myeloma cell lines. Further simulations elucidated the “gate-opening” diffusion mechanism in the F4_MIL-140A (Ce) framework and provided atomic-level interpretations of NMR relaxometry data for water interactions in MIL-101(Cr).
The research culminated in the development of a multifunctional cardiac patch. This scaffold demonstrated biomimetic mechanical properties and therapeutic efficacy in a preclinical rat model of ischemia/reperfusion, highlighting the role of a self-assembling peptide in providing electroconductivity and structural stability. By utilizing complementary techniques, this work reduces empiricism in material design and moves cardiac patch technology toward commercialization via the spin-off Impavid, establishing a clear pathway from laboratory concept to preclinical proof-of-concept.

Questa tesi presenta il design razionale e lo sviluppo di biomateriali innovativi principalmente per applicazioni terapeutiche, integrando metodologie multiscala su tre sistemi: nanoparticelle di ossido di zinco (ZnO), metal-organic frameworks (MOF) e scaffold bioartificiali per l’ingegneria del tessuto miocardico.
Le indagini computazionali iniziali, basate sulla Teoria del Funzionale della Densità (DFT) e sulla dinamica molecolare reattiva (ReaxFF), hanno previsto l’assemblaggio e il rilascio di farmaci in nanocarrier di ZnO. Tali risultati hanno guidato la sintesi di vettori efficaci contro il mieloma multiplo. Ulteriori simulazioni hanno chiarito il meccanismo di diffusione “gate-opening” nel framework F4_MIL-140A (Ce) e fornito interpretazioni atomistiche dei dati di rilassometria NMR per il sistema MIL-101(Cr).
La ricerca è culminata nello sviluppo di un patch cardiaco multifunzionale. Lo scaffold ha mostrato proprietà biomimetiche ed efficacia terapeutica in un modello preclinico di ischemia/riperfusione, evidenziando il ruolo di un peptide autoassemblante nel garantire elettroconduttività e stabilità strutturale. Usando tecniche complementari, si riduce l’empirismo nel design dei materiali proiettando tecnologie come il patch verso la commercializzazione tramite lo spin-off Impavid, definendo un percorso rigoroso dal concetto di laboratorio al proof-of-concept preclinico.