Effect of Silica Surface Properties on the Formation of Multilayer or Submonolayer Protein Hard Corona: Albumin Adsorption on Pyrolytic and Colloidal SiO₂ Nanoparticles

The adsorption of bovine serum albumin (BSA) on two types of silica nanoparticles (NPs), one pyrolytic (P-SiO₂; namely, AOX50 by Evonik) and the other colloidal (lab-made by using inverse micelles microemulsion, M-SiO₂), is studied. Both materials are characterized in terms of size of primary particles (by transmission electron microscopy); amounts (by thermogravimetry) and distribution of silanols (infrared spectroscopy in controlled atmosphere, augmented by H/D isotopic exchange and reaction with VOCl₃, to distinguish silanols actually located at the surface of nanoparticles); water contact angle; ζ-potential; and dispersion state in water, PBS buffer, and BSA solutions in PBS (by dynamic light scattering, DLS). Proteins are found to act as dispersing agent toward the large aggregates formed by both types of NPs in PBS buffer, although monodispersion was not attained in the conditions investigated. The problem of the determination of the silica surface actually available in NP agglomerates for protein adsorption is addressed, and a model based on the external area of the agglomerates determined by DLS is proposed, supported by the trend of ζ-potential dependent on the amount of adsorbed BSA and by the ultraviolet circular dichroism spectra of adsorbed proteins. The spectra reveal the occurrence of protein–protein interactions for BSA on P-SiO₂, where multilayers of irreversibly adsorbed BSA molecules (i.e., a so-called protein hard corona) are proposed to be formed. Conversely, the model indicates the formation of a submonolayer protein hard corona on M-SiO₂. The difference in protein coverage appears to be related to differences in the distribution of surface silanols more than to differences in ζ-potential

Теоретичне обґрунтування ефективності застосування біополімерів при експериментальній черепно-мозковій травмі (огляд літератури та власні результати)

Objective: based on the analysis of literary sources, to justify the feasibility of using collagen-based biopolymer films for dura mater, to analyze experimentally the ability of this material to biodegrade and form a new dura mater using light optical microscopy and IR spectroscopy, and to investigate the possibility of application of biopolymer collagen-based films as a substitute for the dura mater.Materials and methods. Thirteen rats weighing 200–250 g under general anesthesia were operated. Craniotomies were performed. The dura mater was incised crosswise from the middle to its corners. The surface of the cerebral cortex was exposed and was penetrated with a G18 needle to a depth of 2 mm. Dura mater flaps were not sutured with diastasis between the edges. A small piece of collagen film was placed over dissected dura and the bone flap was removed. The basic group consisted of 10 animals and the control group without collagen film included 3 animals. Three weeks after the intervention, all animals were euthanized and operating sites, including skull and cortical tissue, were explanted for histological, macroscopic examination and molecular analysis by infrared spectroscopy.Results. According to the results of macroscopic and histological examination, collagen substitute for the dura mater does not lead to severe inflammatory complications and excessive scar adhesions, prevents cerebrospinal fluid outflow, is capable of biodegradation with the replacement of connective tissue resembling a newly formed dura mater.Conclusions. 1. The experiment confirmed the ability of collagen-based films to biodegrade in 3 weeks after penetration trauma in rats. 2. The data of both infrared spectroscopy and morphological study indicate that at the border of the collagen implant and the native dura mater the regeneration processes prevail over the formation of scar tissue. 3. The data obtained confirm the collagen-based substitute to be used for dura mater plastics.Цель: на основе анализа литературных источников обосновать целесообразность применения биополимерных пленок на основе коллагена для пластики твердой мозговой оболочки (ТМО), выявить и проанализировать в эксперименте способность указанного материала к биодеградации с помощью методов светооптической микроскопии и инфракрасной спектроскопии, изучить возможность применения биополимерных пленок на основе коллагена для пластики ТМО в условиях эксперимента.Материалы и методы. Прооперированы под общим наркозом 13 крыс с массой тела 200–250 г. Проведена краниотомия. Рассекали крестообразно ТМО от середины отверстия к его углам. Обнажали поверхность коры мозга и проводили пенетрацию коры иглой размером G 18 на глубину 2 мм. Лоскуты ТМО не ушивали, они оставались с диастазом между краями. Сверху укладывали кусочек коллагеновой пленки. Костный лоскут удаляли. Основную группу составили 10 животных, контрольную (без применения коллагеновой пленки) – 3. Через 3 нед после операции все животные были выведены из эксперимента. Место операции, включая череп и корковую ткань, извлекали для макроскопического и гистологического исследования и молекулярного анализа с помощью инфракрасной спектроскопии.Результаты. По результатам макроскопического и гистологического исследования выявлено, что коллагеновый заменитель ТМО не приводит к выраженным воспалительным осложнениям и чрезмерному рубцово-спаечному процессу, предупреждает истечение ликвора, способен к биодеградации с замещением пленки собственной соединительной тканью.Выводы. Подтверджена способность коллагеновых пленок к биодеградации через 3 нед после пенетрационной травмы у крыс в эксперименте. Данные инфракрасной спектроскопии и морфологические данные свидетельствуют о том, что на границе между коллагеновым имплантатом и нативной ТМО происходят процессы регенерации ТМО, а не формирование рубцовой ткани. Полученные данные теоретически обосновывают возможность применения коллагеновых заменителей для пластики дефектов ТМО.Мета: на основі аналізу літературних джерел обґрунтувати доцільність застосування біополімерних плівок на основі колагену для пластики твердої мозкової оболонки (ТМО), виявити і проаналізувати в експерименті здатність зазначеного матеріалу до біодеградації за допомогою методів світлооптичної мікроскопії та інфрачервоної спектроскопії, вивчити можливість застосування біополімерних плівок на основі колагену для пластики ТМО в умовах експерименту.Матеріали і методи. Прооперовано під загальним наркозом 13 щурів з масою тіла 200–250 г. Проведено краніотомію. Розсікали хрестоподібно ТМО від середини отвору до його кутів. Оголювали поверхню кори мозку і проводили пенетрацію кори голкою розміром G 18 на глибину 2 мм. Клапті ТМО не ушивали, вони залишалися із диастазом між краями. Зверху вкладали шматочок колагенової плівки. Кістковий клапоть видаляли. Основну групу утворили 10 тварин, контрольну (без застосування колагенової плівки) – 3. Через 3 тиж після операції всіх тварин вивели з експерименту. Місце операції, зокрема череп та кірковую тканину, вилучили для макроскопічного і гістологічного дослідження та молекулярного аналізу за допомогою інфрачервоної спектроскопії.Результати. За результатами макроскопічного і гістологічного дослідження виявлено, що колагеновий замінник ТМО не призводить до виражених запальних ускладнень і надмірного рубцево-спайкового процесу, запобігає ліквореї, здатний до біодеградації із заміщенням плівки власною сполучною тканиною.Висновки. Підтверджено здатність колагенових плівок до біодеградації через 3 тиж після пенетраційної травми у щурів в експерименті. Дані інфрачервоної спектроскопії і морфологічні дані свідчать про те, що на межі між колагеновим імплантатом і нативною ТМО відбуваються процеси регенерації ТМО, а не формування рубцевої тканини. Отримані дані теоретично обґрунтовують можливість застосування колагенових замінників для пластики дефектів ТМО