Innovative nano-biotechnology applications in pharmaceutical, cosmeceutical and advanced biomaterial sciences

Abstract

This study focused on novel nano-biotechnology applications in the context of green chemistry and circular economy, with a primary attention to valorisation of natural polyphenols, such as lignin as sustainable nanomaterials and carriers for the immobilization of enzymes in biocatalysis. Three main topics have been discussed, each addressing different aspects of lignin nanoparticles utilization: I) nanofillers for biodegradable and home-compostable plastic blends; II) protective nanocarriers in cosmetic formulations; and III) nano-biocatalysts for green organic synthesis. In the first section of the thesis, innovative lignin nanoparticles enriched with saccharides from fishery wastes, such as chitosan and chito-oligosaccharides, are developed as versatile bio-filler for advanced bioplastic formulation. These nanoparticles showed remarkable physical, chemical, and biological properties. In particular, they demonstrate UV-shielding, antioxidant, and antimicrobial activities, with the added benefits of a synergistic antioxidant effect between lignin and chito-oligosaccharides. Next, the study explores the application of lignin nanoparticles in cosmetic and cosmeceutical formulations, with a particular focus on sunscreen products. In this latter case, lignin nanoparticles have been applied as carriers for commercially available UV chemical filters, such as avobenzone and octyl methoxycinnamate, enhancing their stability and photoprotective properties. Furthermore, lignin nanoparticles were used as capsules for the protection of ascorbic acid esters from degradation, contributing to the development of sustainable and effective cosmetic formulations. Finally, sustainable bio-catalysts have been developed for biotechnology applications by functionalization of lignin nanoparticles with enzymatic cascades. They comprised the co-immobilization of lipase M and tyrosinase on lignin-chitosan nanoparticles by layer-by-layer (LbL) deposition technique. The enzymatic cascade retained high catalytic activity over numerous cycles in the one-pot synthesis of a large panel of bioactive lipophilic esters of natural hydroxytyrosol, starting from tyrosol and long chain carboxylic acids, under environmentally friendly experimental conditions. Detailed description of the activity parameters and kinetic properties of these novel catalysts are described in detail. Notably, the co-immobilization of the enzymes was facilitated by the use of natural concanavalin A as molecular spacer, ensuring the correct orientation and appropriate spatial distance between the two enzymes. In a subsequent investigation, the integration of multicomponent chemistry with previously described multienzymes cascade was reported in order to synthesized bioactive 1,4-benzoxazines under favourable heterogeneous conditions. Benzoxazines represent an important privileged scaffolds in medicinal chemistry due to their pharmacological properties. The synthetic approach 3 involved the selective oxidative functionalization of tyrosol esters via nucleophilic 1,6-Michael addiction of selected −amino acid methyl esters, followed by consecutive intramolecular lactonization and aromatization processes. In summary, this study significantly contributed to green chemistry and circular economy applications by showcasing the versatility of lignin nanoparticles. They were used as a versatile nanoplatform for the design of sustainable materials and biocatalysts, offering promising entries for environmentally friendly industrial processes. This work underscores the potential of lignin nanoparticles to play a pivotal role in advancing sustainable and eco-conscious technologies.

Questo studio indaga le applicazioni delle nanoparticelle di lignina nel contesto della chimica verde e dell’economia circolare, concentrandosi sul loro utilizzo come nanomateriali sostenibili e trasportatori di enzimi nella biocatalisi. Verranno affrontati tre temi principali: I) nanoriempitivi per miscele plastiche biodegradabili e home-compostabili; II) nanocarrier protettivi in formulazioni cosmetiche; e III) nano-biocatalizzatori per la sintesi organica verde. Nella prima sezione della tesi, nanoparticelle di lignina innovative arricchite con saccaridi provenienti da scarti della pesca, come chitosano e chito-oligosaccaridi, sono sviluppate come bioriempitivo per formulazioni bioplastiche. Hanno mostrato attività UV-schermante, antiossidante e antimicrobica, con l’ulteriore effetto sinergico antiossidante tra lignina e chito-oligosaccaridi. La seconda sezione esplora le nanoparticelle di lignina nelle formulazioni cosmeceutiche, con particolare attenzione ai prodotti per la protezione solare. In questo caso, le nanoparticelle di lignina sono state applicate come carrier per filtri chimici UV commerciali, come avobenzone e ottilmetossicinnamato, migliorandone la stabilità e le proprietà fotoprotettive. Queste nanoparticelle proteggono anche gli esteri dell’acido ascorbico dalla degradazione, contribuendo allo sviluppo di formulazioni cosmetiche sostenibili. Infine, sono stati sviluppati biocatalizzatori sostenibili funzionalizzando nanoparticelle di lignina con cascate enzimatiche. La lipasi M e la tirosinasi vengono co-immobilizzate su nanoparticelle di lignina-chitosano mediante la tecnica di deposizione strato su strato (LbL). La cascata enzimatica ha mantenuto un'elevata attività catalitica nella sintesi one-pot di esteri lipofili bioattivi dell'idrossitirosolo, a partire da tirosolo e acidi carbossilici, in condizioni sperimentali rispettose dell'ambiente. In particolare, la co-immobilizzazione degli enzimi è stata facilitata utilizzando la concanavalina A come distanziatore molecolare, garantendo il corretto orientamento e l'appropriata distanza spaziale tra i due enzimi. In un'indagine successiva, è stata riportata la cascata multienzimica precedentemente descritta per la sintesi di 1,4-benzossazine bioattive in condizioni eterogenee favorevoli. L'approccio sintetico prevedeva la funzionalizzazione ossidativa degli esteri del tirosolo tramite l'addizione nucleofila 1,6-Michael di esteri metilici di selezionati-amminoacidi, seguita da successivi processi di lattonizzazione intramolecolare e aromatizzazione. In sintesi, questo studio dimostra la versatilità delle nanoparticelle di lignina come nanopiattaforme per la progettazione di materiali e biocatalizzatori sostenibili, offrendo voci promettenti per processi industriali ecocompatibili che contribuiscono alla chimica verde e all’economia circolare.