Littérature scientifique sur le sujet « Nanoparticella »

Nanoparticelle biomimetiche di idrossiapatite drogate con ioni metallici (Cu, Fe, Mg, Zn, K) sono state utilizzate in formulazioni contenenti basse concentrazioni di rame (Cu) e zolfo (S) per controllare la peronospora (plasmopara viticola) e l'oidio (erysiphe necator) della vite. I formulati sono stati testati in campo sulla varietà di vino "Dolcetto" coltivata secondo tecniche di agricoltura biologica, e la loro efficacia è stata confrontata con prodotti commerciali contenenti miscela bordolese e zolfo. I dati indicano che le formulazioni contenenti bassi dosaggi di rame e zolfo possono essere trasportati in modo efficiente dalle nanoparticelle di idrossiapatite biomimetica e possono ridurre la presenza di micota sulle foglie della vite. Nessun residuo di rame e zolfo è stato rilevato in campioni di vino ottenuti da viti in cui è stata utilizzata l'idrossiapatite biomimetica. Il drogaggio di nanoparticelle di idrossiapatite biomimetica con metalli di transizione è un modo efficiente per fornire micro e macro-elementi alle piante a basso livello di dosaggio. Le formulazioni contenenti idrossiapatite funzionano anche come supporti a lento rilascio di macronutrienti come elementi di calcio e fosforo.

Background: Funcionalized multi-walled carbon nanotubes (ox-MWCNTs) were used for the preparation of therapeutic nanoparticles for delivery of some bioactive compounds. Consequently, this work deals with the preparation of grafted MWCNTs with n-vinyl caprolactam in the presence of pomegranate peel extract (P. granatum), titanium dioxide (TiO2) and/or silver nanoparticeles and their toxic effects on male mice using in vivo biological examination (liver and kidney dysfunction biomarkers) and the histopathological analysis. Methods: P. granatum extract was immobilized onto functionalized MWCNTs using simple adsorption technique. Moreover, The prepared materials were analyzed by Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), scanning electron microscope (SEM). In vivo examination using liver and kidney dysfunction biomarkers was investigated. In addition, the histopathological study was carried out. Results: The ox-MWCNTs induced significant elevation in the liver enzymes including AST, ALT and ALP relative to the control group. While, the treatment with P. granatum extract only did not induce any change in the liver and kidney biomarkers. In other words, P. granatum extract loaded onto functionalized MWCNTs showed low effects on liver enzymes and kidney function biomarkers in the treated mice in comparison with ox-MWCNTs and extract separately. Moreover, histopathological analysis revealed that the P. granatum extract functionalized MWCNTs exhibited normal renal tissue with no histopathological alteration. Conclusion: The grafted MWCNTs with n-vinyl caprolactam in the presence of pomegranate peel extract (P. granatum), titanium dioxide (TiO2) and/or silver nanoparticeles were successfully prepared. SEM-micrographs showed complete coating of MWCNTs fiber with the extract. The prepared materials resulted in no toxic effects and the histopathological findings were confirmed by inflammation of the liver and kidney tissues.

This study was to prepare polycaprolactone (PCL) nanoparticles. The biodegradable PCL was used as the carrier, and Azithromycin (AZM) was used as the model drug. AZM-PCL nanoparticles (AZM-PCL-NPS) were prepared by desolvation method. The effect of preparation condition: concentration of PCL, molecular weight of PCL, organic solvents, dosage ratio and so on, were specially noted and compared. A homogeneous size distribution and good dispersion were observed, the average diameter was around 70~400 nm, and the distribution index was 0.036~0.136. The drug loading reached 27.69 %, and the efficiency of encapsulation reached as high as 93.25%. The results were better than the other similar researches, this preparation way was successful.

Silver nanoparticles were prepared by sodium borohydride reduction method for analyzing metal-enhanced fluorescence property. Some variables including the dosage of reagent, reacting temperature and pH value had been investigated. Subsequently, a comparison of metal-enhanced fluorescence efficiency was made between two kinds of fluorescent dyes, namely fluorescein and 6-carboxyfluorescein at different silver concentrations. The experimental results show that the fluorescence of both dyes are remarkably enhanced. It is interesting to note that the increase of emission intensity is stronger than that of their corresponding excitation ones. Furthermore, a 5.038-fold increase in fluorescence for 6-carboxyfluorescein while a 2.506-fold increase for fluorescein are observed. This may attribute to the interaction between dyes and silver nanoparticels.

È noto che su scala nanometrica l'interazione luce-materia produce un'ampia varietà di fenomeni, le cui origini sono intimamente legate alle dimensioni molto piccole dei sistemi. La comprensione di questi effetti all'interno di un paradigma completo e unitario rappresenta una delle principali sfide della moderna nanoscienza ed è fondamentale per lo sviluppo di nuove tecnologie. Sebbene la fisica alla base di questi fenomeni sia ben caratterizzata sulla base dei processi fondamentali, esiste ancora un dibattito aperto sul modo in cui queste interazioni influenzano le molecole quando queste interagiscono con nanosistemi. Gli approcci teorici proposti interpretano queste evidenze sulla base di singoli fenomeni come il trasferimento di carica o l'eccitazione di portatori, trascurando il ruolo che altri processi possono avere. Questo naturalmente limita il potere predittivo ed esplicativo delle teorie che dovrebbero rendere conto non solo di tutti gli effetti che si possono verificare, ma anche della loro reciproca interazione. Questa tesi mira a proporre nuove prospettive sul trattamento teorico dell'interazione luce-materia su scala nanometrica, dimostrando il ruolo fondamentale che alcuni meccanismi solitamente trascurati possono giocare in sistemi ibridi composti da molecole e nanoparticelle. Queste evidenze sono state ottenute applicando metodi atomistici classici e ab-initio, su sistemi tecnologicamente rilevanti, come aggregati metallici atomicamente precisi e superfici di nanoparticelle interagenti con specie atomiche o molecolari. Le nuove prospettive proposte hanno permesso (o almeno gettato le basi per) una analisi a livello atomistico di fenomeni rilevanti come la riduzione fotostimolata dell'anidride carbonica, l'emissione stimolata da parte di ioni lantanidi, le reazioni mediate dai portatori caldi e la fotochimica delle nanoleghe. In particolare, i principali risultati di questa tesi includono: scoperte sulla natura del trasferimento di energia tra piccoli nanocluster metallici e ioni lantanidi, una caratterizzazione precisa dello step limitante della riduzione dell'anidride carbonica catalizzata da rodio, evidenze sulla capacità dei portatori caldi di trasferire energia alle molecole assorbite sulla superficie delle nanoparticelle stimolando selettivamente particolari modi vibrazionali; un'analisi rigorosa degli aggregati oro-rodio le cui dimensioni variano tra 20-150 atomi. La novità e la qualità dei risultati raccolti in questa tesi, per lo più corroborati da osservazioni sperimentali, forniscono nuove prospettive sulla fisica soggiacente processi fotostimolati supportati dalle nanoparticelle e costituiscono una solida base per futuri studi sull'interazione luce-materia a questa scala.
Light-matter interaction at the nanoscale is known to produces a wide variety of unique phenomena, whose origins are intimately connected to the ultra-small dimensions of the systems. Understanding those effects within a comprehensive and unitary paradigm represent one of the main challenges of modern nanoscience and is pivotal for the development of future effective technologies. Although the physics behind these phenomena are generally well characterized on the basis of fundamental processes, there is still an open debate about the way these light-matter interactions affect molecules when they are interacting with nanosystems. The proposed theoretical approaches usually interpret these evidences on the basis of single phenomenon such as charge-transfer or carriers excitation, neglecting the role the other processes can play. This naturally limits the predictive and explanatory power of the theories which should account not only for all the effects occurring, but also for their mutual interplay. This thesis aims to propose new perspectives on the theoretical treatment of light-matter interaction at the nanoscale, demonstrating the pivotal role some mechanisms usually neglected can play in hybrid molecule-nanoparticle devices. These evidences were achieved applying atomistic methods based on classical and ab-initio computational approaches on technologically relevant nanosystems such as atomically precise metal aggregates and nanoparticle surfaces, interacting with atomic or molecular species. The new perspectives proposed allowed (or at least laid the foundations) for atomistic inspections of relevant phenomena like photo-driven carbon dioxide reduction, enhanced lanthanide ions emission, hot-carriers mediated reactions, and nanoalloys photochemistry. Specifically, the main outcomes of this thesis include: findings on the nature of the energy transfer occurring when small metallic nanoclusters enhances lanthanide ions luminescence, a precise characterization of the Rh-catalysed carbon dioxide reduction rate-determining step, evidences about the hot-carriers capability to effectively transfer energy to molecules absorbed on the nanoparticle surface selectively stimulating particular vibrational modes; a rigorous analysis of gold-rhodium aggregates which sizes ranges between 20-150 atoms. The novelty and the quality of the results collected in this thesis, mostly corroborated with experimental observations, provide new rationale on the physics behind nano-supported photo-stimulated processes and constitute a solid base for future inspections on light-matter interaction at this scale.

I glicani sono strutture composte da diversi monosaccaridi che formano la porzione di carboidrati tipica delle glicoproteine, dei glicolipidi o dei proteoglicani e sono coinvolti in diverse funzioni fisiologiche. I glicani che sono esposti sulla superficie dei patogeni (pathogen-associated molecular patterns, PAMP) rappresentano un segnale riconosciuto dalle lectine del sistema del complemento, una componente importante del sistema immunitario, tra cui ci sono le ficoline e mannose-binding lectin (MBL). Studi condotti in modelli sperimentali di ictus ischemico e studi clinici nei pazienti hanno dimostrato che MBL contribuisce al danno cerebrale endoteliale attivando cascate di tipo trombo-infiammatorio. Il riconoscimento di segnali di danno (damage-associated molecular patterns, DAMP) esposti sulle cellule endoteliali ischemiche è l’evento che scatena queste cascate tossiche. L’ictus è una delle maggiori cause di mortalità e disabilità permanente nel mondo e dipende dalla rottura (ictus emorragico) o dall’occlusione (ictus ischemico) di un vaso cerebrale. L’ictus ischemico rappresenta il tipo più frequente e si verifica in circa 88% dei casi. Nonostante alcuni progressi nella cura, come l’introduzione della trombectomia meccanica, e nella prevenzione, la patologia rimane un problema medico irrisolto. Sarebbe quindi auspicabile l’identificazione di nuovi target terapeutici. In questo contesto MBL rappresenta un potenziale bersaglio farmacologico. L’obiettivo principale di questa tesi è stato di identificare potenziali inibitori di MBL sviluppando ed utilizzando una robusta sequenza di test in vitro e in vivo. Inizialmente abbiamo utilizzato un approccio in vitro mettendo a punto un saggio con Surface Plasmon Resonance (SPR) che ci ha permesso di identificare i ligandi zuccherini con miglior affinità di legame a MBL. Abbiamo dimostrato che l’aumento della multivalenza dei leganti disponibili, ottenuta avvalendoci di nanoparticelle d’oro funzionalizzate con residui di mannosio (Man-GNP), permette un’efficace targeting di MBL in vitro. Abbiamo quindi utilizzato cellule immortalizzate in coltura derivate da microvasi cerebrali umani (ihBMEC), dimostrando, con tecnica Quartz Crystal Microbalance (QCM), che le glicoproteine esposte sulla loro superficie cambiano se sottoposte ad uno stimolo ipossico, aumentando l’esposizione di residui di mannosio, il target principale di MBL. Abbiamo osservato che le ihBMEC ipossiche trattate con 20 μg/mL di Man-GNP hanno ridotto il loro profilo infiammatorio, con particolare riferimento all’espressione di ICAM-1 e MMP-2, due marcatori infiammatori vascolari. Questo effetto è stato accompagnato dalla riduzione della deposizione di MBL sulla superficie vascolare. Nell’ultima parte del progetto abbiamo testato l’efficacia del trattamento con Man-GNP in un modello murino di ictus ischemico, sfruttando un ceppo animale umanizzato, quindi deleto per le due isoforme murine di MBL e knock-in per quella umana. Il trattamento, quando confrontato con quello con GNP coniugate al glucosio, che non legano MBL, non ha però dimostrato un effetto neuroprotettivo sui deficit sensorimotori dopo ischemia. In ogni caso la somministrazione sistemica delle Man-GNP si è dimostrata sicura e futuri esperimenti permetteranno di definire una strategia di trattamento migliore, volta ad aumentare la biodisponibilità della molecola. In conclusione, questa tesi ha descritto una pipeline sperimentale per screenare diverse molecole con il potenziale di agire come inibitori di MBL, partendo da un approccio in vitro su chip (SPR), fino ad approcci in vitro su modelli cellulari ed in vivo su modelli animali di patologia. Gli studi in vitro indicano che le Man-GNP inibiscono MBL, ma la loro efficacia in vivo resta da dimostrare.
Glycans are chain-like structures of many monosaccharides which create the carbohydrate portion of glycoconjugates such as a glycoproteins, glycolipids, or proteoglycans, and are involved in many physiological functions. Glycans exposed on the surface of pathogens (pathogen-associated molecular patterns, PAMPs) are recognized by the lectin pathway of the complement system, one of the key components of innate immune system, through carbohydrate-binding lectins, such as mannose binding lectin (MBL) or ficolins. Experimental and clinical evidences indicate that MBL also drives secondary pathogenic thrombo-inflammation on the ischemic vasculature. MBL-mediated pathogenesis is initiated by its binding to the sugar moieties exposed on endothelial cell membranes after brain ischemia (damage-associated molecular patterns, DAMPs), e.g. induced by stroke. Stroke is a major cause of disabilities and death worldwide and occurs by blockage or rupture of a brain artery (ischemic or hemorrhagic stroke), with lack of oxygen supply to brain tissues and sudden death of brain cells. Ischemic stroke is the most common type, i.e. 88% of all the cases. Pathological events on the ischemic vessels include the activation of coagulation, contact/kinin, and complement cascades. However, despite recent substantial progress in prevention and management, stroke still remains a large unmet medical need. Therefore, novel therapeutic strategies are needed and MBL inhibitors have been proposed as potential neuroprotective agents. The main goal of this thesis was to identify potential MBL inhibitors, by developing and exploiting a robust pipeline of preclinical studies. At first, an in vitro Surface Plasmon Resonance (SPR)-based assay was developed to identify MBL ligands/inhibitors and determine their affinities for MBL. The novel assay was extensively characterized and proved to be reliable and convenient. The results obtained with different ligands (e.g. monomeric mannose, a new glycan carrying nine mannose residues and mannose-coated gold nanoparticles (Man-GNPs)) confirmed that multivalency markedly increases the affinity. Accordingly, Man-GNPs were selected as the best MBL-binding ligand for the following studies, which were carried out in a cell model mimicking the ischemic injury. i.e. immortalized human brain vascular endothelial cells (i-hBMECs) subjected to hypoxia and re-oxygenated in the presence of MBL. At first, a novel Quartz Crystal Microbalance (QCM)-based biosensor assay was developed which showed that mannose and N-acetylglucosamine —i.e. target sugars of MBL— are actually overexpressed by cells following hypoxic conditions. Consistently, it was observed that deposition of MBL on the cell surface is increased by hypoxia and this effect is counteracted by Man-GNPs, at non- toxic concentrations (20 ug/mL). Further studies showed that hypoxic cells overexpress inflammatory genes, in particular ICAM-1, in a MBL-dependent manner and this effect was prevented by Man-GNPs. These results prompted to test Man-GNPs in vivo, in mice expressing human MBL (hMBL KI) and subjected to transient cerebral arterial occlusion, to have a mice model of stroke. The administration of Man-GNPs to these mice did not result in toxic effects but also did not protect from the MBL-dependent stroke effects. In conclusion, the work described in this thesis provides a full and robust pipeline for the preclinical studies of MBL inhibitors, with potential anti-stroke activities. Among MBL inhibitors, Man-GNPs were identified in vitro as the most promising one, and cell studies confirmed their ability to prevent MBL targeting to hypoxia-induced DAMPs, and the following inflammatory profile. However, the initial studies did not confirm efficacy in vivo, possibly for pharmacokinetic reasons which need to be further clarified.

Fluorescence plays a key role in a growing number of disciplines, from molecular biology, to analytical chemistry, to optoelectronics. Its high spatial and temporal resolution and excellent signal-to-noise ratio make fluorescence an ideal tool for studying the structure and dynamics of matter and living systems on a molecular and nanometric scale. The most common fluorophores, organic molecules or metal complexes, are plagued by low brightness and photostability. These limitations can be overcome by embedding in ceramic or polymeric nanoparticles. Inclusion of organic fluorophores in silica nanoparticles, in particular, offers several advantages. Silica is an ideal matrix, transparent to visible light and relatively inert to photophysical processes. The embedded fluorophores, protected from the environment, enjoy a high resistance to photobleaching, while their presence in large numbers inside each nanoparticle makes for a much higher brightness. Silica nanoparticles are also extremely versatile. The ease of synthesis allows for the creation of complex structures through core-shell architectures with multiple layers, each doped with a different species. The surface can in turn be functionalized with molecules or macromolecules, which can control the chemical interactions of the nanoparticels with the environment and their colloidal stability in various solvents, or act as multivalent scaffold for the realization of supramolecular systems. These systems find application especially in the fields of drug delivery, intracellular imaging and sensing. Their intense and stable emission allows for the trafficking of nanoparticles in the intracellular environment to be easily tracked by fluorescence microscopy. Dye-doped silica nanoparticles are therefore ideally suited as vehicles for the delivery of therapeutic payloads, acting at the same time as tracers for in vivo imaging, or as fluorescent probes for in vitro imaging applied to fundamental biological problems. This thesis, in particular, deals with the development of vehicles for the delivery of an antitumor drug and with novel synthetic strategies paving the way for the realization of more complex vehicles. Chapter 1 presents the properties, synthesis and some applications of dye-doped silica nanoparticles. Special attention is given to biological applications. Chapter 2 briefly introduces photodynamic therapy (PDT), a non-invasive modality for the treatment of various diseases. Its clinical potential has been known for more than a century, but its use in oncological therapy is relatively recent. The treatment is administered in two stages: administration of a photoactive drug (a photosensitizer) which accumulates in the target tissues, and selective irradiation of the target area with focalized light. The photoactivation of the drug triggers a cascade of events leading to the destruction of the irradiated tissues. Chapter 3 describes the synthesis and characterization of silica-based carriers for covalently-linked photosensitizers. Conjugation with molecules capable of endowing the carrier with the desired functionality is one of the key advantages of using nanoparticels in photodynamic therapy. In order to make this kind of modification easier and more versatile, a modular carrier was conceived, its surface decorated with grafting sites for molecules bearing a complementary functionality. This functionalization strategy was tested by coating the nanoparticles with a poly(ethylene glycol) derivative. Chapter 4 reports the preparation of organically modified silica nanoparticles (ORMOSIL) doped non-covalently with meta-tetra(hydroxyphenyl)chlorin (mTHPC), a second generation photosensitizer. The investigation of the fate of these nanocarriers and of the embedded molecule after exposure to biological fluids and living cells yielded unexpected results. These results suggest that the delivery of drugs embedded in nanosystems may be more complex than it seems. A fluorimetric assay is presented, based on intraparticle energy trasfer processes, which can be used to tell unambiguously whether a physically embedded drug is delivered into living cells still associated with the nanosystem or follows a different path. Chapter 5 presents some peculiar features of mesoporous silica nanoparticles and the problems associated with their synthesis. Some ingenuous applications in the fields of controlled release and sensing are also shown. Chapter 6 describes an alternative carrier, based on mesoporous silica nanoparticles. A novel synthetic route was conceived, where the templating agent is a hydrolytically unstable inorganic phase, and the template removal treatment is a simple solvent exchange with water at room temperature. The proposed synthesis is an adaptation on a nanometric scale of a process that has been known for decades: the production of silica glasses with nanometric pores starting from borosilicates melts, obtained by inducing a phase separation and hydrolytically removing the boron-rich phase. Chapter 7 collects the experimental procedures related to the research reported in this thesis.
Le applicazioni della fluorescenza rivestono un ruolo chiave in un numero crescente di discipline, dalla biologia molecolare, alla chimica analitica, all'optoelettronica. L'elevata risoluzione spaziale e temporale, insieme a un eccellente rapporto segnale-rumore, rendono la fluorescenza un metodo ideale per lo studio della struttura e della dinamica della materia e dei sistemi viventi su scala molecolare e nanometrica. I fluorofori più comunemente usati, molecole organiche o complessi metallici, presentano di frequente problemi di luminosità e fotostabilità. Questi limiti possono essere superati attraverso l’incapsulazione in nanoparticelle ceramiche o polimeriche. L'inclusione di fluorofori organici in nanoparticelle di silice, in particolare, offre numerosi vantaggi. La silice rappresenta una matrice ideale, trasparente alla luce visibile e relativamente inerte rispetto ai processi fotofisici. I fluorofori, protetti dall’ambiente esterno, godono di una elevata resistenza al photobleaching, mentre la loro presenza in numero elevato all'interno di ogni particella conferisce a queste un’elevata luminosità. Le nanoparticelle di silice sono anche sistemi estremamente versatili. La facilità della sintesi consente la realizzazione di strutture complesse attraverso architetture core-shell a strati multipli, ciascuno drogato con una specie diversa. La superficie, a sua volta, può essere funzionalizzata con molecole o macromolecole che ne controllino l'interazione chimica con l'ambiente e la stabilità colloidale in diversi solventi, o fungere da piattaforma multivalente per la realizzazione di sistemi supramolecolari. Questi sistemi trovano applicazione soprattutto nei campi del drug delivery, dell’imaging cellulare e della sensoristica. L’emissione di fluorescenza intensa e stabile consente infatti di seguire il movimento delle nanoparticelle nell'ambiente intracellulare tramite microscopia ottica. Queste si prestano quindi ad essere sfruttate, ad esempio, come vettori per il trasporto di carichi terapeutici che fungano allo stesso tempo da traccianti per l'imaging dei tessuti malati, oppure come sonde fluorescenti per l’imaging cellulare in vitro, applicato allo studio di problemi biologici di base. Questo lavoro di tesi tratta, in particolare, dello sviluppo di vettori per un farmaco antitumorale e di nuove strategie sintetiche che aprono la strada alla realizzazione di vettori più complessi. Nel capitolo 1 sono illustrate le proprietà, i metodi di sintesi e alcune applicazioni delle nanoparticelle di silice drogate con specie fluorescenti. Particolare attenzione è dedicata alle applicazioni biologiche. Nel capitolo 2 viene introdotta la terapia fotodinamica (o PDT, acronimo di photodynamic therapy), un trattamento non invasivo per la cura di una varietà di malattie tumorali e di altra natura. Le sue potenzialità cliniche sono note da più di un secolo, ma l’uso in terapia oncologica è relativamente recente. Il trattamento si articola in due fasi: la somministrazione di un farmaco fotoattivo (un fotosensibilizzatore) che si accumula nei tessuti malati, e l’irraggiamento selettivo di questi con luce focalizzata. La fotoattivazione del farmaco innesca una cascata di eventi che conduce alla distruzione dei tessuti irraggiati. Nel capitolo 3 vengono descritti la sintesi e la caratterizzazione di vettori per fotosensibilizzatori basati su nanoparticelle di silice nelle quali il farmaco è legato covalentemente alla matrice. La coniugazione con molecole che conferiscano al vettore le funzionalità desiderate è uno dei vantaggi chiave dell’uso di nanoparticelle in terapia fotodinamica. Per facilitare queste modifiche e renderle il più possibile versatili, è stato progettato un vettore modulare la cui superficie fosse decorata con siti di ancoraggio per molecole recanti una funzionalità complementare. Questa strategia di funzionalizzazione è stata messa alla prova funzionalizzando le nanoparticelle con un derivato del polietilenglicole. Nel capitolo 4 viene descritta la preparazione di nanoparticelle di silice modificate con gruppi organici (ORMOSIL) drogate con meta-tetra(idrossifenil)clorina (mTHPC), un fotosensibilizzatore di seconda generazione. Lo studio del destino di questi nanovettori e della molecola incapsulata al loro interno in seguito all’esposizione a fluidi biologici e cellule viventi ha fornito risultati inattesi. I risultati ottenuti suggeriscono che il trasporto di farmaci incapsulati in nanosistemi possa essere più complesso di come appare. Viene presentato un saggio fluorimetrico basato sul trasferimento energetico che può essere utile per determinare senza ambiguità se un farmaco intrappolato fisicamente venga trasportato nelle cellule ancora associato al nanosistema o segua una strada diversa. Nel capitolo 5 vengono illustrate le caratteristiche salienti delle nanoparticelle di silice mesoporose e i problemi legati alla loro sintesi. Vengono inoltre presentate alcune applicazioni nel campo del drug delivery e della sensoristica. Nel capitolo 6 viene presentato un vettore alternativo, basato su nanoparticelle di silice mesoporose. È stata concepita una strategia sintetica innovativa, nella quale l’agente templante è una fase inorganica idroliticamente instabile, e il trattamento di rimozione del templante consiste nel semplice scambio di solvente con acqua a temperatura ambiente. La sintesi proposta è la trasposizione su scala nanometrica di un processo noto da decenni: la produzione di vetri di silice con pori di dimensioni nanometriche a partire da vetri borosilicati, ottenuta inducendo una separazione di fase e rimuovendo selettivamente la fase ricca di boro per idrolisi. Nel capitolo 7 sono raccolte le procedure sperimentali relative all’attività di ricerca descritta in questo lavoro di tesi.

La prospettiva della teranostica è quella di effettuare contemporaneamente diagnosi e cura, individuando le singole particelle tumorali. Questo è possibile grazie a nanoparticelle magnetiche, entità multifunzionali rivestite da un polimero, accompagnate nel luogo di interesse mediante un campo magnetico esterno. Per quanto riguarda la diagnosi possono essere utilizzate come agenti nella risonanza magnetica nucleare per aumentare il contrasto dell’immagine e consentire una migliore rivelazione del tumore. Per quanto riguarda la terapia esse sono utilizzate per l’ipertermia magnetica, tecnica basata sul riscaldamento mediante l’applicazione di un debole campo magnetico alternato dotato di un’opportuna frequenza. In questo modo le cellule tumorali, essendo più sensibili al calore rispetto a quelle sane, vengono distrutte, una volta raggiunta una temperatura locale tra i 41 e i 46°C. Un’altra grande applicazione terapeutica è il rilascio controllato e mirato dei farmaci (drug target delivery). Infatti un opportuno rivestimento polimerico consente di coniugare alla particella dei medicinali chemioterapici che, una volta raggiunta la zona tumorale, possono essere rilasciati nel tempo, permettendo dunque la somministrazione di una minor dose e un’azione più mirata rispetto ai classici trattamenti. I materiali maggiormente utilizzati per la sintesi delle nanoparticelle sono gli ossidi di ferro (come la magnetite Fe3O4 e la maghemite γ − Fe2O3) e l’oro. Tuttavia, nonostante i possibili vantaggi, questi trattamenti presentano degli effetti collaterali. Trattandosi infatti di particelle ultrafini, dell’ordine dei nanometri, possono migrare all’interno del corpo umano raggiungendo organi bersaglio e comprometterne il loro funzionamento. La teranostica, però, è una disciplina molto studiata e in via di sviluppo; si spera che da qui a breve sia possibile un utilizzo concreto di questi nuovi metodi, riducendo al minimo la tossicità per il corpo umano.

L’idrossiapatite (Ca10(PO4)6(OH)2 o HA) è un materiale a base di calcio fosfato molto utilizzato in campo biomedico per sostituire o riparare ossa poiché la sua fase minerale è simile alla fase inorganica delle ossa e dei denti. Per questo motivo è un materiale biocompatibile che presenta caratteristiche bioattive e osteoinduttive. Le proprietà finali del materiale possono essere modificate supportando la superficie con diverse molecole, farmaci, proteine o ioni metallici. Queste molecole vengono rilasciate nel sito di impianto dell’HA favorendo la crescita ossea e stimolando specifiche risposte cellulari a livello molecolare grazie al rilascio delle molecole attive. In questo lavoro è stata sintetizzata l’HA tal quale e HA funzionalizzata con due diversi polielettroliti e successivamente è stato studiato il metodo migliore per supportare le nanoparticelle di platino sul substrato inorganico. Queste particelle metalliche donano al materiale delle proprietà antitumorali e antiossidanti che possono essere sfruttate in ambito biomedico per la lotta ai tumori ossei.

Con questo lavoro di tesi si è cercato da un lato di dare un contributo al settore dei sensori chimici, caratterizzando e sviluppando diversi sistemi che presentano promettenti proprietà per l’utilizzo nella realizzazione di sensori luminescenti, e dall’altro di studiare sistemi di nanoparticelle di oro per identificarne e caratterizzarne i processi che portano all’interazione con un’unità fluorescente di riferimento, il pirene. Quest’ultima parte della tesi, sviluppata nel capitolo 4, sebbene possa apparire “slegata” dall’ambito della sensoristica, in realtà non lo è in quanto il lavoro di ricerca svolto rappresenta una buona base di partenza per lo sviluppo di sistemi di nanoparticelle metalliche con un possibile impiego in campo biomedico e diagnostico. Tutte le specie studiate, seppur molto diverse tra loro, posseggono quindi buone caratteristiche di luminescenza ed interessanti capacità di riconoscimento, più o meno selettivo, di specie in soluzione o allo stato gassoso. L’approccio generale che è stato adottato comporta una iniziale caratterizzazione in soluzione ed una susseguente ottimizzazione del sistema mirata a passare al fissaggio su supporti solidi in vista di possibili applicazioni pratiche. A tal proposito, nel capitolo 3 è stato possibile ottenere un monostrato organico costituito da un recettore (un cavitando), dotato di una parte fluorescente le cui proprietà di luminescenza sono sensibili alla presenza di una funzione chimica che caratterizza una classe di analiti, gli alcoli. E’ interessante sottolineare come lo stesso sistema in soluzione si comporti in maniera sostanzialmente differente, mostrando una capacità di segnalare l’analita molto meno efficiente, anche in funzione di una diversa orientazione della parte fluorescente. All’interfaccia solido-gas invece, l’orientamento del fluoroforo gioca un ruolo chiave nel processo di riconoscimento, e ottimizzando ulteriormente il setup sperimentale e la composizione dello strato, sarà possibile arrivare a segnalare quantità di analita sempre più basse. Nel capitolo 5 invece, è stato preso in esame un sistema le cui potenzialità, per un utilizzo come sonda fluorescente nel campo delle superfici di silicio, sembra promettere molto bene. A tal proposito sono stati discussi anche i risultati del lavoro che ha fornito l’idea per la concezione di questo sistema che, a breve, verrà implementato a sua volta su superficie solida. In conclusione, le ricerche descritte in questa tesi hanno quindi contribuito allo sviluppo di nuovi chemosensori, cercando di migliorare sia le proprietà fotofisiche dell’unità attiva, sia quelle dell’unità recettrice, sia, infine, l’efficienza del processo di traduzione del segnale. I risultati ottenuti hanno inoltre permesso di realizzare alcuni prototipi di dispositivi sensoriali aventi caratteristiche molto promettenti e di ottenere informazioni utili per la progettazione di nuovi dispositivi (ora in fase di sviluppo nei laboratori di ricerca) sempre più efficienti, rispondendo in tal modo alle aspettative con cui questo lavoro di dottorato era stato intrapreso.

Con questo lavoro di tesi si è cercato da un lato di dare un contributo al settore dei sensori chimici, caratterizzando e sviluppando diversi sistemi che presentano promettenti proprietà per l’utilizzo nella realizzazione di sensori luminescenti, e dall’altro di studiare sistemi di nanoparticelle di oro per identificarne e caratterizzarne i processi che portano all’interazione con un’unità fluorescente di riferimento, il pirene. Quest’ultima parte della tesi, sviluppata nel capitolo 4, sebbene possa apparire “slegata” dall’ambito della sensoristica, in realtà non lo è in quanto il lavoro di ricerca svolto rappresenta una buona base di partenza per lo sviluppo di sistemi di nanoparticelle metalliche con un possibile impiego in campo biomedico e diagnostico. Tutte le specie studiate, seppur molto diverse tra loro, posseggono quindi buone caratteristiche di luminescenza ed interessanti capacità di riconoscimento, più o meno selettivo, di specie in soluzione o allo stato gassoso. L’approccio generale che è stato adottato comporta una iniziale caratterizzazione in soluzione ed una susseguente ottimizzazione del sistema mirata a passare al fissaggio su supporti solidi in vista di possibili applicazioni pratiche. A tal proposito, nel capitolo 3 è stato possibile ottenere un monostrato organico costituito da un recettore (un cavitando), dotato di una parte fluorescente le cui proprietà di luminescenza sono sensibili alla presenza di una funzione chimica che caratterizza una classe di analiti, gli alcoli. E’ interessante sottolineare come lo stesso sistema in soluzione si comporti in maniera sostanzialmente differente, mostrando una capacità di segnalare l’analita molto meno efficiente, anche in funzione di una diversa orientazione della parte fluorescente. All’interfaccia solido-gas invece, l’orientamento del fluoroforo gioca un ruolo chiave nel processo di riconoscimento, e ottimizzando ulteriormente il setup sperimentale e la composizione dello strato, sarà possibile arrivare a segnalare quantità di analita sempre più basse. Nel capitolo 5 invece, è stato preso in esame un sistema le cui potenzialità, per un utilizzo come sonda fluorescente nel campo delle superfici di silicio, sembra promettere molto bene. A tal proposito sono stati discussi anche i risultati del lavoro che ha fornito l’idea per la concezione di questo sistema che, a breve, verrà implementato a sua volta su superficie solida. In conclusione, le ricerche descritte in questa tesi hanno quindi contribuito allo sviluppo di nuovi chemosensori, cercando di migliorare sia le proprietà fotofisiche dell’unità attiva, sia quelle dell’unità recettrice, sia, infine, l’efficienza del processo di traduzione del segnale. I risultati ottenuti hanno inoltre permesso di realizzare alcuni prototipi di dispositivi sensoriali aventi caratteristiche molto promettenti e di ottenere informazioni utili per la progettazione di nuovi dispositivi (ora in fase di sviluppo nei laboratori di ricerca) sempre più efficienti, rispondendo in tal modo alle aspettative con cui questo lavoro di dottorato era stato intrapreso.

The ever-increasing interest in nanotechnologies has led to a strong push towards the production of these products, although there is still much to understand and investigate about the characteristics and mechanisms of action of nanomaterials. Numerous indications on the toxicity of nanoparticles are emerging from the literature, linked above all to the large number of variables that influence it: dimensions, chemical composition, shape, structure and surface charge. Because of this it must be emphasized that each nanoparticle is a case in itself and as such it must be studied individually. Relevant are the possible applications in the biomedical field, which range from innovative and more effective drug delivery systems, especially in the field of oncology, to biosensors, to molecular nanotechnology. The purpose of this work is to characterize paramagnetic Fe2O3 nanoparticles to be used in drug delivery. In particular we wanted to characterize PEGylate magnetite nanoparticles to ascertain their possible toxicity on human somatic and tumor cells. Secondly, we wanted to tackle the problems due to cancer therapies to try to lengthen the periods without disease and improve the quality of life of patients. In this context we wanted to combine our nanoparticles with the chemotherapy drug Taxol Paclitaxel or Taxotere to try to obtain a reduction in the dose applied and applicable during cancer therapy and the consequent chronic degenerative pathologies related to it (eg cardiomyopathies).

Lo scopo della seguente tesi è quello di illustrare la disposizione dei campioni di sistemi binari Mg Pd e di deposizioni singole di Ti, nell’abito di due progetti di ricerca, l’SSHS, Solide State Hydrogen Storage nell’ambito dell’Azione COST, e la produzione di titania (TiO2) per la fotocatalisi, sintetizzati in differenti reggimi di flusso di gas d’He, realizzando la crescita con il metodo IGC. Sono state illustrate le nuove proprietà e i metodi di formazione dei materiali nanostrutturati, per poi passare alla descrizione dell’apparato dove sono stati prodotti i campioni, con la conseguente spiegazione della progettazione del controllore di flusso dei sistemi di alimentazione e interfacciamento di quest’ultimo. Dopo un’accurata analisi al microscopio elettronico, `e stata descritta la morfologia dei campioni a due diversi reggimi di flusso di gas He, per i campioni di Mg Pd non sono state apprezzate differenze al variare del flusso, per il Ti, invece, si può notare una variazione morfologica legata alle dimensioni.

Le nanoparticelle sono particelle contenenti sostanze di dimensione che varia tra 1 e 100 nm. Secondo i dati riportati dalla Nanotechnology Consumer Products Inventory, negli ultimi anni si è assistito ad un aumento esponenziale nella produzione di sostanze contenti nanomateriali, passando da 54 prodotti nel 2009 a 1814 nel 2014. Dai dati riportati in letteratura i metalli in forma “nano” sono presenti nel 37% dei prodotti. Tra questi spicca l’argento che si può ritrovare in 438 prodotti (24% rispetto al totale della produzione) (1) . Conseguentemente all’incremento produttivo risulta fondamentale lo sviluppo della nanotossicologia, ovvero l’interesse per lo studio della tossicità di queste sostanze ormai in uso nella quotidianità. Con il presente lavoro si è studiata la citotossicità e l’assorbimento delle nanoparticelle di Argento (AgNPs) nelle cellule del tessuto polmonare (linea A549). La scelta delle AgNPs è stata fatta in virtù del loro largo utilizzo, mentre per quanto riguarda il tipo di cellule si è scelto quelle polmonari in quanto, per trattamenti in vivo prolungati (90 giorni), l’argento si ritrova principalmente nel fegato e nei polmoni (2) . Si è indagato l’effetto delle nano stabilizzate in citrato di differenti dimensioni (10 e 20 nm), in diversi incubanti (salina e cisteina), in un range di concentrazioni comprese tra 2 e 0.02 ppm. L’assorbimento è stato realizzato lisando le cellule mentre la citotossicità è stata stimata attraverso l’MTT TEST ed entrambi sono stati valutati per applicazioni di 48 ore. Dai dati ottenuti si può affermare che l’assorbimento delle AgNPs da parte delle cellule risulta maggiore a concentrazioni minori, mentre la citotossicità aumenta proporzionalmente. 1.Vance ME, Kuiken T, Vejerano EP, McGinnis SP, Hochella MF, Jr., Rejeski D, et al. Nanotechnology in the real world: Redeveloping the nanomaterial consumer products inventory. Beilstein Journal of Nanotechnology. 2015;6:1769-80. 2.Arai Y, Miyayama T, Hirano S. Difference in the toxicity mechanism between ion and nanoparticle forms of silver in the mouse lung and in macrophages. Toxicology. 2015 2/3/;328(0):84-92.