Thèses sur le sujet « Nanoparticella »

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.

This project is carried out within the context of nano medicine, which is the branch of research that tries to implement nanotechnology for therapeutic applications. The specific target of this project was the development of artificial multivalent systems for the selective recognition of liver cancer cells. Multivalency, which is very common in nature, relies on the ability of a system to develop multiple interactions with a target, resulting in a very high overall binding strength. Among various synthetic multivalent systems available (dendrimers, micelles, liposomes, …) it was chosen to use gold nanoparticles as a multivalent scaffold. These are small cluster of gold atoms with dimensions that typically vary between 1 and 20 nanometers, which can be covered with a monolayer of organic molecules. The monolayer is spontaneously formed upon the addition of molecules able to form a stable bond with the gold surface. Terminal functional groups on these molecules are exposed to the solvent and can be used for recognition or catalytic purposes. For the formation of the monolayer, it was relied on the gold-sulfur interaction, which is sufficiently strong to provide for stability under physiologically relevant conditions. The particular research target of this project was the development of ‘universal’ nanoparticles, which are intended as a class of monolayer protected Au nanoparticles that can be further functionalized after their synthesis and purification. Here, the key issue is the development of a post-functionalization reaction compatible with the stability of the nanoparticles. For this purpose the liver cancer cells form an attractive biological target as it is known that multiple copies of the preS1 peptide bind strongly to the transmembrane protein SCCA localized on the surface of the cells. A first approach was aimed at obtaining monolayer protected gold nanoparticles that could be further functionalized through covalent bond formation. For that purpose, gold nanoparticles coated with aldehyde-terminating thiols were investigated, since the aldehyde-group is perfectly suited for covalent imine-bond formation with amines. As the aldehyde group is prone to nucleophilic attack by thiols, this approach critically relies on the use of appropriate protecting groups. At first, aromatic aldehydes, protected as dimethyl acetal, were studied, since these form particularly stable imines. Regrettably, after monolayer formation it appeared impossible to remove the aldehyde protecting group without destroying the nanoparticle system. This problem found its origin in the excessive stability of the protecting group owing to the presence of a nitro-group in para-position. However, removal of the nitro-group created the opposite problem of a protecting group with too low stability unable to protect the aldehyde against nucleophilic attack. Subsequently, it was tried to synthesize nanoparticles containing aliphatic aldehydes as end groups, but in this case only insoluble products were obtained. Identical problems were obtained when it was tried to oxidize vicinal diols to aldehydes. Abandoning the aldehyde pathway, it was tried to perform post-functionalization reactions through a nucleophilic attack of amines on gold nanoparticles coated with brominated thiols. Also these attempts yielded exclusively insolubile products. Finally, also the use of carboxylic acid as a reactive group proved unsuccessful for the same reason, independent whether the carboxylic acid was used in a mixed monolayer or not. The low success of the covalent post-functionalization approach led us to consider a noncovalent alternative, relying on the use of electrostatic interactions between small oligoanions and a cationic monolayer. For this purpose, gold nanoparticles coated with a cationic monolayer composed of thiols terminating with ammonium of TACN∙Zn(II) groups were used. The interaction between oligoanionic peptide sequences was studied using fluorescence, taking advantage of the fact that gold nanoparticles quench the fluorescence of bound fluorophores. In order to study the possibility of forming a heterofunctionalized surface on top of the monolayer, two probes were prepared consisting of either coumarin 343 or coumarin 2 linked to an oligopeptide composed of three aspartic acids. These fluorophores were chosen for their ability to give fluorescence resonance energy transfer (FRET) when in close proximity. In the experiments, the fluorescence emission of the receiver (cum 343) was measured upon exciting the donor (cum2). This was done for various ratios of the probes at a constant surface saturation concentration of the monolayer surface. From these studies it emerged that, when anchored on the cationic surface, the probes are able to communicate with each other. In the absence of gold nanoparticles, or in the presence of a large excess of ATP, a strong competitor for binding, FRET was not detected. This provides unequivocal evidence for the possibility of creating a multivalent heterofunctionalized surfaces relying on a double self-assembly strategy. The final part of the research project was then dedicated to the development of a peptide-nanoparticle conjugate using the developed strategy. The peptide pre S1 (21-47) is known for its ability to recognize specifically SCCA, a transmembrane protein overexpressed in cancerous hepatocytes. The first studies were aimed at studying the possibility of ligating multiple copies of the preS1 peptide to the surface of cationic gold nanoparticles. The difference in binding affinity of preS1 and preS1 equipped with an anionic triAsp tail were studied by a series of experiments, relying on direct fluorescence titrations (λexcitation = 280, λemission = 360), fluorescence displacement studies (λeccitazione = 305, λemissione = 370), and inhibition studies of TACN∙Zn(II) catalysed hydrolysis (measuring the release of p-nitrophenate, absorbance 400 nm). Alll these studies not only confirmed the possibility of forming a multivalent peptide-nanoparticle structure through self-assembly, but also pointed to a slight stabilizing effect of the triAsp anionic tail. Next the ability of the system to interact with SCCA was investigated.From literature studies it is known that the preS1 peptide in tetrameric form has a higher affinity for SCCA compared to the single peptide. It was thus hypothesized that the presence of SCCA would cause an enhanced stabilization of the nanoparticle-peptide complex. Regrettably, from fluorescence displacement studies it was impossible to obtain evidence that this was indeed the case. No difference in stability was observed for the same system in the presence or absence of SCCA. Since the assay was not conclusive, the stability of the system was studied using a series of other analytical techniques. DLS measurements provided the increase of hydrodynamic radius of the system as consequence of complex formation, but aggregation phenomena made these data difficult to interpret. SPR analysis was used to quantify the strength of interaction using the variation of the surface plasmon resonance band of a functionalized gold chip. In this case, unspecific binding interactions of the nanoparticles and the dextran layer of the gold chip prevented an analysis of the binding event. In conclusion, the research described in this thesis has led towards the development of multivalent peptide-nanoparticle conjugates that can be obtained through a hierarchical self-assembly process. In the first step, an organic monolayer is spontaneously formed on the surface of gold nanoparticles. Subsequently, oligoanionic peptide sequences spontaneously cover the surface through electrostatic interactions with the monolayer. The formation of multivalent peptide surfaces has been demonstrated, but their effective application in multivalent recognition has proven difficult for the lack of an appropriate analytical readout system
Questo progetto si inquadra nell’ambito della nanomedicina. Sfruttando sistemi multivalenti esso si propone di ottenere nanostrutture che siano in grado di riconoscere specificatamente le cellule tumorali epatiche. La multivalenza, molto frequente in natura, si basa sulla capacità di un sistema di instaurare molteplici interazioni deboli, ottenendo un’interazione complessiva superiore rispetto al singolo legame forte. Essa si presta ad essere utilizzata in applicazioni pratiche come il riconoscimento molecolare e la catalisi. Tra i vari sistemi multivalenti artificiali utilizzabili (dendrimeri, micelle, liposomi …), la scelta è ricaduta sulle nanoparticelle d’oro: esse sono piccoli nuclei di atomi d'oro con diametri che tipicamente variano da 1 a 20 nanometri, che possono facilmente essere funzionalizzate tramite l'autoassemblaggio di un monostrato di molecole sulla superficie. Tale monostrato può portare sulla superficie esterna gruppi funzionali di interesse, dotati di capacità catalitica o di riconoscimento. Per legare le molecole del monostrato organico ai nuclei d’oro è stata utilizzata l’interazione oro-zolfo; lo zolfo, infatti, lega l’oro con un legame più forte rispetto alla maggior parte degli altri elementi, come azoto e fosforo. La ricerca descritta in questa tesi si è focalizzata sull’ottenimento di un sistema nanoparticellare “universale”, cioè un sistema che si presta ad una post-funzionalizzazione dopo la sintesi e la purificazione. Tale post-funzionalizzabile deve essere compatibile con la sopravvivenza delle nanoparticelle stesse, permettendo di assemblanrvi un monostrato misto sulla sua superficie. L’ottenimento di un metodo di riconoscimento per le cellule tumorali epatiche sarebbe stato un ottimo campo di prova per verificare in tal senso le capacità del sistema. Innanzitutto è stata verificata la possibilità di ottenere nanoparticelle funzionalizzabili tramite legami covalenti. Per farlo, sono state sintetizzate AuNPs ricoperte con tioli dotati di gruppi aldeidici all’estremità, in grado di reagire in modo quantitativo con ammine tramite la formazione di legami imminici.. I gruppi aldeidici, però, sono facilmente soggetti agli attacchi nucleofili da parte dei tioli a livello del loro carbonile elettrofilo. È stato quindi necessario trovare un sistema di protezione delle aldeidi da rimuovere dopo la sintesi. Le prime aldeidi erano aromatiche, protette in forma di acetale metilico, scelte per la loro capacità di formare immine con alta stabilità termodinamica. Purtroppo non sono stati superati gli ostacoli della deprotezione del gruppo protettore dovuto ad un’eccessivamente stabilità. Questa alta stabilità era in parte dovuta alla presenza di un gruppo nitro in posizione para rispetto all’aldeide, inserito per aumentarne la reattività. Rinunciando a tale gruppo frunzionale, invece, la protezione stessa è risultata troppo labile, incapace di impedire la polimerizzazione dei tioli prima dell’ottenimento delle NPs. Si è quindi passati all’utilizzo di aldeidi alifatiche. Si è provato a sintetizzare nanoparticelle ricoperte con tioli la cui aldeide terminale fosse protetta come dietilacetale, ma si è andati incontro a numerosi problemi di insolubilità. L’utilizzo di dioli ossidabili ad aldeidi non ha dato migliori risultati. Cambiando approccio, si è cercato di sfruttare la sostituzione nucleofila su AuNPs ricoperte con tioli bromurati. Purtroppo, la post-funzionalizzazione con ammine ha avuto come risultati la sola formazione di prodotti insolubili. Infine, la sintesi di nanoparticelle ricoperte con tioli aventi, nell’estremità esterna del monostrato, acidi carbossilici ha dato ulteriori problemi di solubilità, fossero essi in monostrati misti con tioli alchilici oppure no. Visto l’insuccesso della via covalente ci si è successivamente concentrati sull’utilizzo di interazioni elettrostatiche per la funzionalizzazione di AuNPs. Sono state sintetizzate nanoparticelle ricoperte con un monostrato cationico, composto da tioli dotati di gruppi ammonici oppure di gruppi TACN∙Zn(II). Esse sono state usate come AuNPs “universali”, per poi essere coperte con molecole oligoanioniche tramite la formazione di complessi ad alta affinitá. Il metodo scelto per la rilevazione della formazione di questi complessi è stata la fluorescenza, sfruttando il principio secondo il quale una sonda fluorescente vede smorzata la propria emissione in prossimità di una nanoparticelle d'oro. Come sonde sono state scelte cumarina 343 (λeccitazione 450, λemissione 492) e cumarina 2 (λeccitazione 353, λemissione 450), entrambe legate a un oligopeptide anionico formato da tre acidi aspartici (TriAsp-Cum343 e TriAsp-Cum2). Con esse è stata studiata la possibilità di formare un secondo monostrato eterofunzionalizzato, sfruttando il fenomeno FRET. Esso si basa sulla capacità di due fluorofori di comunicare tra loro quando si trovano vicini. Negli esperimenti effettuati, è stata registrata l’emissione della ricevente (cum343) eccitando solamente la donatrice (cum2). Questo è stato fatto in presenza di diversi rapporti percentuali tra le due molecole, alla concentrazione di saturazione del monostrato. Gli esperimenti sono stati condotti anche in presenza di un grande eccesso di ATP, oppure in assenza di nanoparticelle cationiche. Da queste prove è emerso che, quando co-localizzate sullo stesso monostrato, le due sonde fluorescenti sono in grado di generare un segnale FRET. Quando invece sono libere in soluzione, per assenza di nanoparticelle o perché in presenza di un eccesso del competitore ATP, non è stato osservato il medesimo effetto. Il risultato ottenuto ha mostrato che, tramite interazioni elettrostatiche, è possibile assemblare un monostrato eterofunzionalizzato su nanoparticelle “universali” pre-sintetizzate. A questo punto si è proceduto allo sviluppo di un sistema nanoparticellare coperto con il peptide preS1 per il riconoscimento della proteina SCCA. Il peptide preS1 è noto per la capacità di riconoscere specificatamente SCCA, una proteina di membrana sovraespressa negli epatociti cancerosi. Innanzitutto è stato verificato quale fosse la diversa affinità per le AuNPs-TACN∙Zn(II) da parte del peptide tal quale piuttosto che legato all’ancora anionica TriAsp4-. Sono state effettuate prove di fluorescenza diretta (λeccitazione = 280, λemissione = 360, smorzamento del triptofano), fluorescenza indiretta (λeccitazione = 305, λemissione = 370, spiazzamento F-ATP) e di inibizione della catalisi di HPNP operata dai gruppi TACN∙Zn(II) (con liberazione di p-nitro-fenato, assorbanza 400 nm). Tutti e tre gli esperimenti hanno dimostrato la capacità di TriAsp-preS1 di formare un complesso polivalente con le nanoparticelle. È stato osservato che la presenza della sequenza TriAsp ha causato un piccolo miglioramento dell’affinità rispetto al peptide privo dell’ancora anionica. Successivamente è stato verificato il legame del sistema nanoparticella-peptide con la proteina SCCA. Il peptide preS1, quando si trova in forma tetramerica, è in grado di legare con maggiore affinità la proteina SCCA. È stato quindi teorizzato che la presenza della proteina SCCA dovesse stabilizzare il nanosistema composto da nanoparticelle e preS1. Purtroppo non sono state rilevate grandi differenze di stabilità in presenza o in assenza di SCCA, sia per il peptide preS1 che per TriAsp-preS1. Il metodo di analisi basato su studi di spiazzamento è stato quindi accantonato, poiché non garantiva una valida valutazione dell’interazione. Sono stati usati altri metodi per verificare l’interazione del sistema nanoparticella-peptide con la proteina. Tramite analisi DLS è stato visualizzato l’aumento di volume delle nanoparticelle a seguito del legame col peptide prima e con la proteina poi, ma fenomeni di aggregazione hanno reso poco attendibili le misurazioni. Analisi SPR, invece, miravano a quantificare l’intensità dell’interazione tra il sistema nanoparticella-peptide e la proteina SCCA sfruttando la variazione della banda plasmonica superficiale. Questo non è stato possibile a causa di interazioni aspecifiche tra le nanoparticelle e il supporto di destrano del sistema di analisi. Il tempo a disposizione non ha poi permesso di mettere a punto un protocollo di analisi adeguato

Sono stati sintetizzati catalizzatori eterogenei di oro supportati su silice funzionalizzata. Le specifiche funzionalità condensate sulla superficie del supporto sono in grado di ridurre HAuCl4, producendo nanoparticelle d’oro metalliche sferiche e stabilizzate sulla superficie, senza l’aggiunta di agenti riducenti e stabilizzanti. I catalizzatori sono attivi per la reazione di riduzione del 4-nitrofenolo (4-NP) a 4-amminofenolo (4-AP).

Per limitare gli effetti tossici delle Ag-NPs, si è pensato che esse possano essere utilizzate in forma di microincapsulati, in quanto le microcapsule possono avere una certa velocità di rilascio sotto specifiche condizioni. Incapsulando quindi le Ag-NPs, posso ottenere un rilascio controllato di esse, in modo da ottenere una concentrazione di esse utile allo scopo per cui vengono impiegate, evitando un sovradosaggio che non porterebbe alcun beneficio ma solo a una maggior probabilità di causare effetti tossici.

The study of the combined reforming (CR) process to produce synthesis gas (CO + H2) feeding Clean Biogas (CB, biogas in which the main pollutants have been removed) has been performed on Ni-based bimetallic catalysts promoted by small amounts of Rh or Cu, prepared by incipient wetness impregnation or coprecipitation of different precursors on mixed oxides Mg/Al/O obtained by calcination of hydrotalcite-type (Ht) coprecipitates. It has been observed as the formation of bimetallic particles promoted the catalytic activity and limited the deactivation phenomena, allowing to operate at lower temperature and feeding lower amounts of steam. By this way, it was possible to define the best promoter, to tune its amount and the formation of the bimetallic nanoparticles. Finally, it has been simulated the scale-up of the CR process to industrial level, evaluating the feasibility and economic degree by comparison with the industrially exploited Autothermal reforming (ATR) process, evidencing the possible scalability and the advantages at environmental and energetic level in comparison to the current reforming processes.

In the past decade the study of superparamagnetic nanoparticles has been intensively developed for many biomedical applications such as magnetically assisted drug delivery, MRI contrast agents, cells separation and hyperthermia therapy. All of these applications require nanoparticles with high magnetization, equipped also with a suitable surface coating which has to be non-toxic and biocompatible. In this master thesis, the silica coating of commercially available magnetic nanoparticles was investigated. Silica is a versatile material with many intrinsic features, such as hydrophilicity, low toxicity, proper design and derivatization yields particularly stable colloids even in physiological conditions. The coating process was applied to commercial magnetite particles dispersed in an aqueous solution. The formation of silica coated magnetite nanoparticles was performed following two main strategies: the Stöber process, in which the silica coating of the nanoparticle was directly formed by hydrolysis and condensation of suitable precursor in water-alcoholic mixtures; and the reverse microemulsions method in which inverse micelles were used to confine the hydrolysis and condensation reactions that bring to the nanoparticles formation. Between these two methods, the reverse microemulsions one resulted the most versatile and reliable because of the high control level upon monodispersity, silica shell thickness and overall particle size. Moving from low to high concentration, within the microemulsion region a gradual shift from larger particles to smaller one was detected. By increasing the amount of silica precursor the silica shell can also be tuned. Fluorescent dyes have also been incorporated within the silica shell by linking with the silica matrix. The structure of studied nanoparticles was investigated by using transmission electron microscope (TEM) and dynamic light scattering (DLS). These techniques have been used to monitor the syntetic procedures and for the final characterization of silica coated and silica dye doped nanoparticles. Finally, field dependent magnetization measurements showed the magnetic properties of core-shell nanoparticles were preserved. Due to a very well defined structure that combines magnetic and luminescent properties together with the possibility of further functionalization, these multifunctional nanoparticles are potentially useful platforms in biomedical fields such as labeling and imaging.

In the last years, new materials have been developed in the broad area of nanoscience. Among them, an emergent class characterized by excellent electrical conductivity properties as well as high optical transmittance in the visible region are TCOs (Transparent Conducting Oxides). Due to their versatile properties, they have found many applications in a lot of optoelectronic devices, such as solar cells, liquid crystal displays, touch-panel displays, gas sensors, to cite a few examples. Different research groups have studied and characterized the TCOs. In this context, a new synthetic method has been developed to produce FTO nanocrystals (Fluorine-doped Tin Oxide NCs) in Prof. Pinna’s lab at the Humboldt University in Berlin. FTO belongs to the TCO category, and they have been studied as a promising alternative to ITO NCs (Indium Tin Oxide) which represent the standard TCO material in terms of properties and performances. In this work, FTO NCs have been synthesized using the “benzyl alcohol route” (a non-aqueous sol-gel method) via microwave, which permits to produce FTO particles with good properties as revealed by the characterizations performed, employing a cheap, fast and clean method.

Il progetto di dottorato “Interazione di Nanoparticelle di Cerium Oxide con sistemi biologici” si è svolto presso il Laboratorio di Fisiologia (Unità di Fisiologia Umana, Dipartimento di Medicina Molecolare, Università di Pavia). Questo progetto mirava a comprendere come nanoparticelle, in particolare nanoparticelle di ossido di cerio (CNP), interagiscono con i sistemi biologici. In particolare, la prima parte del progetto è stata focalizzata sullo studio dell'adesione e internalizzazione delle CNP, e sulla caratterizzazione dell'interazione specifica con i microvilli come primo step per l'internalizzazione cellulare (MMA). A tale scopo sono stati utilizzati CNP caricate negativamente con una dimensione del nucleo di 6 nm e un diametro idrodinamico complessivo di 14,8 nm, funzionalizzate con acido poliacrilico (PAA). Dati i risultati ottenuti, l'MMA può essere considerato un percorso alternativo per l'internalizzazione delle NP che non dipende dalla natura chimica delle NP o dai tipi cellulari, ma è influenzato dalle dimensioni e dalla funzionalizzazione superficiale delle NP. Soprattutto la carica negativa data dal PAA è stata fondamentale per l'adesione con un componente specifico della membrana dei microvilli. L'MMA potrebbe rappresentare un'interessante via alternativa per la somministrazione di farmaci nel caso di cellule epiteliali che abbondano di microvilli, come gli epiteli gastrici e intestinali. In cellule come le HeLa, in cui la densità e la distribuzione dei microvilli sono correlate al ciclo cellulare, questa specifica adesione potrebbe essere sfruttata per ottenere un rilascio controllato dallo stato della cellula. La seconda parte del progetto mirava a comprendere l'interazione, la tossicità e la biodistribuzione delle nanoparticelle in un organismo complesso. Nello specifico è stato scelto Drosophila melanogaster come animale modello, vista la lunga esperienza nel suo utilizzo nella ricerca. Il primo obiettivo era trovare le condizioni giuste per indagare se le CNP potessero diffondersi a diversi tessuti/organi della mosca e successivamente monitorare lo stato di ossidazione del Ce e valutare l'effetto antiossidante in base alla loro distribuzione. Sebbene con molte limitazioni, lo studio in vivo dell'interazione CNPs-cellule utilizzando Drosophila melanogaster ha offerto un livello di complessità più elevato rispetto alla coltura cellulare, che imita la diffusione delle NP nel corpo umano.
The PhD project “Interaction of Cerium Oxide Nanoparticles with Biological systems” took place at the Physiology Lab (Human Physiology Unit, Department of Molecular Medicine, University of Pavia). This project aimed to understand how super-small nanoparticles, specifically Cerium Oxide (CNPs), interact with biological systems. In particular, the first part of the project was focused on the studying of the CNPs adhesion and internalization, and on the characterization of the specific interaction with microvilli as the first step for cellular internalization (MMA). For this purpose, negatively charged CNPs with a core size of 6 nm and an overall hydrodynamic diameter of 14.8 nm, functionalized with Polyacrylic acid (PAA), were used. Given the results obtained, MMA can be considered an alternative pathway for NPs internalization that does not depend on the chemical nature of the NPs or the cell types but is influenced by the size and surface functionalization of the NPs. Especially the negative charge given by PAA seemed fundamental for the adhesion with a specific component of microvilli membrane, possibly involving lipid rafts. MMA might represent an interesting alternative route for drug delivery in the case of epithelial cells that abound in microvilli, such as gastric and intestinal epithelia. In cells such as HeLa, in which the density and distribution of microvilli correlate with the cell cycle, this specific adhesion could be exploited to obtain delivery controlled by the status of the cell. The second part of the project aimed to understand the interaction, toxicity, and biodistributions of the nanoparticles in a whole organism. Specifically, Drosophila melanogaster was chosen, due to the long-existing experience of its use. The first goal was to find the right conditions to investigate whether CNPs could diffuse to different fly tissues/organs and to subsequently monitor the Ce oxidation state and evaluate the antioxidant effect based on their distribution. Although with many limitations, the in vivo CNPs–cell interaction study using Drosophila, offered a higher level of complexity compared to the cell culture, mimicking the NPs diffusion in the human body.

Il progetto di tesi è stato incentrato sullo studio degli effetti che le nanoparticelle di silice mesoporosa da 30nm caricate con doxorubicina hanno su cellule tumorali. La sintesi di silice mesoporosa avviene tramite l’utilizzo di un surfattante. Tale classe di reagenti è citotossica perché capace di causare il riarrangiamento delle membrane biologiche e indurre il rilascio degli enzimi intracellulari. È necessario definire dapprima la tossicità del solo vettore in modo da definire il materiale neosintetizzato biocompatibile e delineare i soli effetti del farmaco coniugato al vettore. Pertanto, è stata definita dapprima la tossicità delle nanoparticelle sulle cellule. In seguito la citotossicità delle nanoparticelle intercalate con Doxorubicina è stata testata sulle seguenti linee cellulari tumorali: MDA-MB-231 (breast cancer cells), LOVO e DLD1 (colon cancer cells) di queste ultime due linee son state saggiate sia le linee sensibili che quelle resistenti al farmaco. Ad oggi, una delle difficoltà legata all'impiego di nanovettori riguarda il destino metabolico dopo la somministrazione. Il processo di opsonizzazione conduce alla rapida eliminazione del sistema dall'organismo, spesso ancor prima che riesca a liberare il principio attivo che incorpora a causa dell’interazione con delle diverse proteine presenti nel flusso ematico. Sono stati,dunque, eseguiti test in vitro per definire l’interazione tra le NPs e le proteine del siero. Per la terapia oncologica è essenziale, come accennato in precedenza, avere un rilascio controllato del farmaco nel liquido interstiziale, sulla superficie del tumore o direttamente nello spazio intracellulare. Quando, il rilascio dei farmaci deve avvenire direttamente nel citoplasma cellulare, è importante che avvenga un processo di endocitosi direttamente dalla membrana cellulare ai lisosomi, dove le particelle sono degradate e possono rilasciare il loro contenuto. Per comprendere la risposta delle cellule alle nanoparticelle, è cruciale comprendere i meccanismi di uptake cellulare e il traffico intracellulare. La membrana cellulare è un sistema molto complesso, e quindi il potenziale di superficie del vettore è rilevante nell’uptake cellulare. Inoltre, a seconda delle dimensioni delle particelle vi è un diverso meccanismo di internalizzazione. Al microscopio confocale è stato possibile definire se la silice mesoporosa veniva internalizzata, il tempo di internalizzazione e la distribuzione subcellulare Infine, il sistema caratterizzato in vitro è impiegato per la sperimentazione in vivo. Nel nostro caso è stato impiegato il modello murino al fine di definire la biodistribuzione e l’efficienza delle DoxoNPs sulla crescita tumorale rispetto alla doxo libera.

Lo scopo principale di questo lavoro consiste nell’analisi morfologica e strutturale di nanopartcelle depositate in presenza di liquidi ionici tramite caratterizzazione al SEM e successiva microanalisi eseguita sui campioni.

The work of this doctoral thesis can be mainly divided in three parts. In the first part, the synthesis and characterization of different types of inorganic nanoparticles (NP) is described. The full protocol to prepare NP-GS, NP-Si)GS, and NP-Si)Au was found in literature. Stöber method-synthesized NP-Si were used as a platform to create NP-Si)GS, and NP-Si)Au. A novel method to conjugate antitumor drugs (s-Azl 6 and s-Azl 38) to Au-NP was also developed. Studies on Azl 6 and Azl 38 showed that they are highly hydrophobic, but when conjugated with Au-NPs, in the presence of an amphiphilic molecule (C), the complex (DNPC) passed through water. NP-Si, NP-GS, NP-Si)GS, and NP-Si)Au were characterized with electron microscopy, x-ray diffraction (EDS), and DLS. Although synthesis appeared to be easy to perform, results showed that NP-Si)Au did not form, while NP-GS and NP-Si)GS were obtained. NP-GS have a small diameter (2-3 nm on average), while for NP-Si and NP-Si)GS a diameter of 178-205,52 nm, and 164,80-178,66 nm respectively was calculated. TEM and SEM microscopy also indicated that NP-Si)Au corroded, and the gold envelope, that was supposed to coat the whole particule, was observed detached from the silica NP and in the form of small spheres. The reason why the synthesis of NP-Si)Au did not succeed, maybe relies on the particular type of Si-NP used. Further studies will deepen this aspect. The culture of three different types of human cell phenotypes is accurately described in the second part. For our experiments, we decided to cultivate human melanocytes, a human melanoma cell line, and human keratinocytes. Melanocytes appeared characterized by a dendritic-like morphology, and they showed a very slow growth rate. On the contrary, we observed that their corresponding tumor cells (melanoma) grew quickly and, although they were sold as adherent cells, floating living cells were also found in cultures. Finally, in human keratinocytes two morphotypes were observed. The first (the most diffused) had the typical “cobblestone shape” of keratinocytes, while the second appeared bigger than the first, flattened, and with a jagged contour. Finally, in the third part of this work, the toxicity of inorganic NP (i.e., NP-Si, NP-GS, and NP-Si)GS), DNPC, inorganic rhodaminated NP conjugated with heparin, and lipid NP containing paclitaxel (NC-Pacli), was tested on the cell phenotypes mentioned above. CellTiter Blue reagent was selected to quantify cell viability, and it was chosen among other dyes and assays for its non-toxicity and easiness of use. It was shown that among inorganic NP, only Si-NP have toxic effect, especially on healthy cells. NC-Pacli, on the contrary, caused the decrease of cell viability on healthy and tumor cells.

The noticeable discoveries in the field of nanotechnologies of the last years emphasized the versatility of nanoscience in many fields. New evidences demonstrated that physical and chemical properties of nanomaterials can be tuned to reduce safety issues of nanotechnology applied in food industry. In this context, and inspired by the increasing interest of industry toward nanotechnology, a novel iron oxide magnetic nanoparticle, whose synthesis was developed in our laboratory, was used in association with polyphenols to elaborate hybrid nanomaterials with interesting applications in the food industry field. The magnetic nanoparticles, presenting a size around 10 nm and constituted of stoichiometric maghemite (γ-Fe2O3), were called Surface Active Maghemite Nanoparticles (SAMNs). SAMNs show a peculiar surface chemical behavior, which is highlighted by their high water stability as colloidal suspensions, without any superficial modification or coating derivatization. In addition, SAMN production is cost-effective and eco-friendly, and these nanoparticles can be advantageously reutilized. SAMNs are able to immobilize various biomolecules and the availability of iron (III) atoms on the particle surface provides to the nanomaterial the ability to selectively bind selected molecules. Thereby, upon molecule immobilization, a core-shell complex is formed, combining the magnetism of SAMNs (the core) and the function provided by the chosen molecule (the shell). Among several other biomolecules, phenolic compounds have a high affinity for maghemite nanoparticles. This occurs because the phenolic compounds have chelating groups that react with the iron (III) sites available on the surface of SAMNs. The immobilization of phenolic compounds on the surface of SAMNs is very stable and conserved upon binding, making it possible to use the resulting complex for various purposes, such as magnetic purification, drug delivery, etc. Thus, this study proposes the development of two hybrid nanostructure by coating SAMNs with tannic acid (TA) and curcumin (CUR). Both core-shell nanostructures, SAMN@TA and SAMN@CUR, presented high stability and were deeply characterized with different techniques. SAMN@TA was successfully applied for the creation of an electrochemical sensor for the detection of polyphenol content in blueberries by square wave voltammetry. Furthermore, the antimicrobial properties of SAMN@TA were successfully tested on Listeria monocytogenes. Due to the effectiveness on reducing bacterial growth and easy removal from the system, SAMN@TA represents a possible alternative to antibiotic methods for the elimination of foodborne pathogens. Finally, the use of SAMN@CUR was proposed as a purification method to improve the extraction of pure curcumin from biological samples. The results demonstrated a sustainable and highly efficient magnetic purification process for curcumin as well as an outstanding yield of 90% and a purity > 98%. In conclusion, the reported multiple uses of SAMNs, ranging from biomolecule purification to foodborne pathogen control, offer valuable insights into the versatility of the nanomaterial and its potential applications in the food industry.
Le notevoli scoperte nel campo delle nanotecnologie degli ultimi anni hanno enfatizzato la versatilità della nanoscienza in molti campi. Nuove prove hanno dimostrato che le proprietà fisiche e chimiche dei nanomateriali possono essere regolate per ridurre i problemi di sicurezza delle nanotecnologie applicate nell'industria alimentare. In questo contesto, e ispirato dal crescente interesse dell'industria verso la nanotecnologia, una nuova nanoparticella di ossido di ferro, la cui sintesi è stata sviluppata nel nostro laboratorio, è stata utilizzata in associazione con i polifenoli per elaborare nanomateriali ibridi con interessanti applicazioni nel campo dell'industria alimentare. Le nanoparticelle magnetiche, che presentavano una dimensione di circa 10 nm e costituite da maghemite stechiometrica (γ-Fe2O3), erano chiamate nanoparticelle di magnesio attivo superficiale (SAMN). I SAMN mostrano un comportamento chimico superficiale peculiare, che è evidenziato dalla loro elevata stabilità idrica come sospensioni colloidali, senza alcuna modifica superficiale o derivatizzazione del rivestimento. Inoltre, la produzione di SAMN è economica ed eco-compatibile, e queste nanoparticelle possono essere vantaggiosamente riutilizzate. I SAMN sono in grado di immobilizzare varie biomolecole e la disponibilità di atomi di ferro (III) sulla superficie delle particelle fornisce al nanomateriale la capacità di legare selettivamente molecole selezionate. In tal modo, dopo l'immobilizzazione della molecola, viene formato il complesso nucleo-guscio, combinando il magnetismo dei SAMN (il nucleo) e la funzione fornita dalla molecola scelta (il guscio). Tra molte altre biomolecole, i composti fenolici hanno un'alta affinità per le nanoparticelle di magnetite. Ciò si verifica perché i composti fenolici hanno gruppi chelanti che reagiscono con i siti di ferro (III) disponibili sulla superficie dei SAMN. L'immobilizzazione dei composti fenolici sulla superficie dei SAMN è molto stabile e conservativa al momento del legame, rendendo possibile l'uso del complesso risultante per vari scopi, come la purificazione magnetica, il rilascio di farmaci, ecc. Pertanto, questo studio propone lo sviluppo di due nanostrutture ibride rivestendo SAMN con acido tannico (TA) e curcumina (CUR). Sia le nanostrutture core-shell, SAMN @ TA e SAMN @ CUR, hanno presentato un'elevata stabilità e sono state profondamente caratterizzate da diverse tecniche. SAMN @ TA è stato applicato con successo per la creazione di un sensore elettrochimico per il rilevamento del contenuto di polifenoli nei mirtilli mediante voltammetria ad onda quadra. Inoltre, le proprietà antimicrobiche di SAMN @ TA sono state testate con successo su Listeria monocytogenes. A causa dell'efficacia nel ridurre la crescita batterica e la facile rimozione dal sistema, SAMN @ TA rappresenta una possibile alternativa ai metodi antibiotici per l'eliminazione dei patogeni di origine alimentare. Infine, l'uso di SAMN @ CUR è stato proposto come metodo di purificazione per migliorare l'estrazione di curcumina pura da campioni biologici. I risultati hanno dimostrato un processo di purificazione magnetica sostenibile ed estremamente efficace per la curcumina, nonché una resa eccezionale del 90% e una purezza> 98%. In conclusione, gli usi multipli segnalati di SAMN, che vanno dalla purificazione della biomolecola al controllo dei patogeni di origine alimentare, offrono preziose informazioni sulla versatilità del nanomateriale e le sue potenziali applicazioni nell'industria alimentare.

I nanomateriali presentano proprietà molto differenti dai corrispondenti materiali bulk; per questo motivo, negli ultimi anni, se ne è sempre più diffuso l’utilizzo. In particolare, recentemente ha suscitato grande interesse l’impiego di nanoparticelle bimetalliche, le cui proprietà ottiche, morfologiche e dimensionali possono essere modulate sulla base della composizione. L’interesse del mondo industriale allo studio di materiali con dimensioni nano-metriche deriva principalmente dalle loro possibili applicazioni su grande scala ed è quindi di fondamentale importanza la messa a punto di metodologie di sintesi versatili, facilmente scalabili ed a basso impatto ambientale. L’ottimizzazione della sintesi è un aspetto molto importante in quanto deve assicurare un accurato controllo di forma, dimensioni e composizione. A tale scopo è stata sviluppata una sintesi a basso impatto ambientale, in acqua, basata sull’azione riducente del sistema glucosio – NaOH, che permette di ottenere nanoparticelle stabili e con dimensioni omogenee. Nel corso dello studio il riscaldamento è stato effettuato mediante un sistema a microonde: una tecnologia affidabile e sicura che permette un riscaldamento rapido ed omogeneo. La tesi ha come scopo:• l’ottimizzazione e la caratterizzazione di nanosospensioni monometalliche di Pd mediante la sintesi già ottimizzata in lavori precedenti per i metalli: Au, Ag e Cu; •lo studio di sistemi bimetallici Pd/Cu e Pd/Au con morfologia di lega, ottenuti per co-riduzione dei sali precursori; •lo studio dell’attività catalitica delle nanoparticelle sintetizzate nella reazione di riduzione del 4-nitrofenolo a 4-amminofenolo mediante NaBH4; •lo studio della supportazione su carbone di Pd/Au per applicazioni elettrocatalitiche. Per poter studiare e valutare l’eventuale presenza di effetti sinergici tra i metalli coinvolti nella sintesi sono stati confrontati sistemi monometallici con sistemi bimetallici a differenti composizioni (Pd/Cu e Pd/Au). In particolare è stato possibile apprezzare un miglioramento delle prestazioni catalitiche per i sistemi bimetallici Pd/Au rispetto ai metalli di partenza, al contrario i sistemi bimetallici Pd/Cu mostrano un peggioramento dell’attività catalitica all’aumentare del contenuto di rame. La nanosospensione Pd/Au risultata con le maggiori prestazioni catalitiche, è stata supportata su carbone per applicazioni nel campo dell’elettrocatalisi. Da uno studio preliminare sulle tecniche di supportazione è emerso che il metodo migliore per depositare le nanoparticelle sul carbone è l’impregnazione fisica.

La maggiore richiesta energetica di questi anni, associata alla diminuzione delle riserve di combustibile fossile e ai problemi di inquinamento ambientale hanno spinto il settore scientifico verso la ricerca di nuovi dispositivi che presentino elevata efficienza e quantità di emissioni ridotta. Tra questi, le celle a combustibile (fuel cells) alimentate con idrogeno o molecole organiche come etanolo, acido formico e metanolo, hanno particolare rilevanza anche se attualmente risultano particolarmente costose. Una delle principali sfide di questi ultimi anni è ridurne i costi e aumentarne l'efficienza di conversione in energia. Per questo scopo molti sforzi vengono condotti verso l'ottimizzazione dei catalizzatori a base di Pt spostando l’attenzione verso sistemi nanostrutturati ad elevata attività catalitica e buona stabilità. Durante questo lavoro di tesi si è affrontato lo studio relativo alla preparazione di elettrodi modificati con PtNPs ottenute per elettrodeposizione, un metodo semplice ed efficace per poterne controllare i parametri di deposizione e crescita e per ottenere direttamente le nanoparticelle sulla superficie dell’elettrodo. Come materiale elettroattivo si è utilizzato un foglio di grafite, denominato (Pure Graphite Sheet = PGS). Tale superficie elettrodica, meno costosa e più conduttiva rispetto all’ITO, si presenta sotto forma di fogli flessibili resistenti ad alte temperature e ad ambienti corrosivi e quindi risulta conveniente qualora si pensi ad un suo utilizzo su scala industriale. In particolare è stato studiato come la variazione di alcuni parametri sperimentali quali: i) il tempo di elettrodeposizione e ii) la presenza di stabilizzanti tipo: KI, acido dodecil benzene sulfonico (DBSA), poli vinil pirrolidone (PVP) o poliossietilene ottilfenil etere (Triton-X100) e iii) la concentrazione degli stessi stabilizzanti, potessero influire sulle dimensioni ed eventualmente sulla morfologia delle PtNPs. in fase di elettrodeposizione. L’elettrosintesi è stata effettuata per via cronoamperometria. I film di PtNPs sono stati caratterizzati utilizzando tecniche di superficie quali microscopia a scansione elettronica (SEM) e Voltammetria Ciclica (CV). Al fine di valutare le capacità elettrocatalitiche delle diverse PtNPs ottenute si è studiata la reazione di ossidazione del metanolo in ambiente acido.

Questo lavoro di tesi si occupa della sintesi, caratterizzazione e applicazione in catalisi di nanoparticelle d’oro (AuNPs) supportate su silice o allumina funzionalizzate con PPTEOS. L’attività catalitica di Au/OS@Yne (OS= SiO2, Al2O3), insieme a quella del catalizzatore commerciale AUROlite™ è investigata per la reazione di ossidazione dell’acido oleico (raw material) a prodotti a più alto valore aggiunto, come l’acido azelaico e l’acido pelargonico. Sono inoltre sintetizzati i catalizzatori Au/SiO2@Yne-TMS (modificato con trimetilsilossano) e Au/SiO2@Yne-NEt3 (modificato con trietilammina), per studiare sulla stessa reazione di ossidazione l’effetto dell’acidità del supporto di SiO2. Tutti i catalizzatori sintetizzati vengono caratterizzati per mezzo di diverse tecniche complementari quali la spettroscopia di assorbimento atomico (AAS), la microscopia a trasmissione elettronica (TEM), l’analisi termogravimetrica (TGA), la spettroscopia fotoelettronica a raggi X (XPS) in modo da determinarne le caratteristiche chimiche e strutturali quali il contenuto percentuale in peso di Au(0) e il diametro delle nanoparticelle. Inoltre, sono stati condotti preliminari studi di catalisi per la reazione di scissione ossidativa dell’acido oleico tramite nanomateriali basati su film di ossidi di manganese (MnO2 e Mn3O4) sintetizzati tramite Chemical Vapor Deposition (CVD). I vari test catalitici sono stati eseguiti al fine di ricercare un’alternativa sostenibile al processo industriale di ozonolisi dell’acido oleico sfruttando ossidanti organici come il tert-butilidroperossido e inorganici come l’H2O2. Per tutti i catalizzatori sono variate diverse condizioni di reazione, quali il solvente, la temperatura, i tempi di reazione e gli equivalenti di ossidante, focalizzandosi sull’ottimizzazione della reazione di scissione ossidativa. Infine è eseguito uno studio accurato sulla migliore metodologia per la caratterizzazione dei prodotti di reazione, attraverso analisi NMR, GC-MS e GPC.

L’obiettivo del presente lavoro è la creazione di un modello di diffusione dell’idrogeno in nanoparticelle bifase magnesio-titanio. Dopo aver presentato le motivazioni alla base dell’interesse nello sfruttamento dell’idrogeno come vettore energetico alternativo e aver introdotto le fasi principali in cui si articola il suo utilizzo, viene presentata nel dettaglio la formazione di idruri, sia dal punto di vista termodinamico che cinetico, ponendo in particolare l’attenzione sull’idruro di magnesio e il possibile utilizzo del titanio come catalizzatore. In seguito si discute della teoria della diffusione, introducendo in primo luogo il coefficiente di diffusione e in secondo luogo l’equazione di diffusione e questioni relative alla sua risoluzione; a questo proposito si presenta il metodo degli elementi finiti per la soluzione di equazioni differenziali alle derivate parziali. Infine si presenta un modello di diffusione basato su un coefficiente dipendente dalla concentrazione che permette la descrizione dell’effetto del blocking layer che si crea nel magnesio a seguito della sua idrurazione. Utilizzando tale modello sono proposte e studiate diverse strutture composte da magnesio e titanio. Le cinetiche sono analizzate attraverso l’equazione di nucleazione e crescita.

L'utilizzo dell'idrogeno come vettore energetico è uno dei temi, riguardanti la sostenibilità energetica, di maggior rilievo degli ultimi anni. Tuttavia ad oggi è ancora in corso la ricerca di un sistema che ne permetta un immagazzinamento efficiente. Il MgH2 costituisce un valido candidato per la produzione di sistemi per lo stoccaggio di idrogeno allo stato solido. In questa tesi, per migliorare le proprietà cinetiche e termodinamiche di cui questo sistema, sono stati sintetizzati dei campioni nanostrutturati composti da Mg-Ti attraverso la tecnica Inert Gas Condensation. I campioni così ottenuti sono stati analizzati dal punto di vista morfologico e composizionale, mediante la microscopia elettronica a scansione, la microanalisi e la diffrazione di raggi X. Tali analisi hanno mostrato che le dimensioni delle nanoparticelle sono comprese tra i 10-30 nm e che la tecnica IGC permette una distribuzione uniforme del titanio all'interno della matrice Mg. Le misure di caratterizzazione per l'assorbimento reversibile di idrogeno sono state effettuate attraverso il metodo volumetrico, Sievert. I campioni sono stati analizzati a varie temperature (473K-573K). Cineticamente la presenza di titanio ha provocato un aumento della velocità delle cinetiche sia per i processi di desorbimento che per quelli di assorbimento ed ha contribuito ad una diminuzione consistente delle energie di attivazione di entrambi i processi rispetto a quelle note in letteratura per il composto MgH2. Dal punto di vista termodinamico, sia le pressioni di equilibrio ottenute dalle analisi PCT a diverse temperature, che l'entalpia e l'entropia di formazione risultano essere in accordo con i valori conosciuti per il sistema MgH2. All'interno di questo lavoro di tesi è inoltre presentata un'analisi preliminare di un campione analizzato con la tecnica Synchrotron Radiation-Powder X Ray Diffraction in situ, presso la facility MAX-lab (Svezia), all’interno dell’azione COST, MP1103 per la ricerca di sistemi per lo stoccaggio di idrogeno allo stato solido.

With the advent of nanotechnology, great interest is being dedicated to the interactions of nanomaterials/nanoparticles with human beings. All the interactions occurring due to an intentional exposure are investigated by a new research field named Nanomedicine. As this name may suggest, the use of drug delivery systems, sized in the nanometric scale, may favor overcoming anatomical barriers to reach, passively or by a targeting design, the body area to be pharmacologically treated. In this thesis, we focused our attention to the morphological and dimensional characterization of pharmaceutical lipidic nanoparticles (NP). These carriers were selected because we hypothesized that they could be good candidates for potent but lipophilic drugs that cannot be systemically administered with conventional formulations (e.g., solutions, dispersions). In addition, we focused on their preparation and characterization to evaluate potential therapeutic applications based on shape and size. Specifically, we prepared two types of NP named nanocapsules (NC) and nanoemulsions (NE); the former differs from the latter for a polysaccharidic capsule. Several drugs (ibuprofen and its sodium salt, transretinoic acid, paclitaxel, AZL 6 and 38) and two fluorescently-labeled lipids (i.e.,FITC-PE, NBD) have been entrapped within both NP. We found that lipophilic molecules were completely encapsulated in both NP. In contrast, in the case of the hydrophilic drug, the polysaccharidic capsule causes ibuprofen sodium salt to be entrapped with a greater efficiency in NC than NE (i.e. 92.6 % IE in NC vs. 20.4 % IE in NE). Morphological analysis has been carried out on NP, that were not subjected to a purification treatment, by TEM, and in a few cases also by Cryo-TEM. Although the sample drying step showed to be very critical in producing artifacts, we arrived to the conclusion that particles were spherical. Dimensional analysis has been carried out with TEM and DLS on NP subjected or not-subjected to two different purification methods (i.e., centrifugal filtration, dialysis). The rational of purifica- tion is to remove molecules that, potentially, were not assembled in the NP. The DLS analyses allowed to measure dimensions (Z-Ave) at both 25° and 37°C, and to obtain the polydispersity index(PDI) and superficial charge (ZP). Results showed that NC are positively charged (ca. 45.7 mV) and sized averagely 185-230 nm at 25°C. Their PDI range is 0.145-0.198. In contrast, NE are negatively charged (ca. -58.5 mV) and sized averagely 142-153 nm at 25°C. Their PDI range is 0.111-0.135. By increasing temperature to 37°C, NC and NE dimensions are affected up to a - 10% and + 3 %, respectively. Ranges of PDI change a little, and become 0.131-0.178 and 0.120-0.133 respectively for NC and NE. It seems that temperature might give energy for a better ar- rangement of molecules and drugs. Hence, also ZP changes: in NC it was possible to observe, in almost all cases, a decrease up to 23%. In NE, we observed a correlation between PDI and ZP: e.g.,if PDI increases ZP decreases; in any case, values are not larger than +-17%. Purification by centrifugation differently affects NP. In the case of NC dimensions increase (22-53%) as well as PDI (15-108% = 0.210-0.342), whereas ZP might increase or decrease depend- ing on the entrapped drug (+- 12%). In the case of NE, dimensions stay stable (≤ 1%) but their PDI might change significantly (-2 - +64% = 0.110-0.221), and ZP decreases (0.4-20%). Dialysis is not indifferent either, and results also vary with dialysis time. After 48 h we observed the followings. In the case of NC, dimensions increase (17-52%), PDI decreases (5-46%) and ZP may increase or decrease (-8 - +17%). In the case of NE, dimensions slightly decrease (3-5%), PDI decreases (3-27%), and ZP increases (19-32%). In conclusion, these NP are suitable candidates for further developments on pharmaceutical ap- plications, however their characterization should be accurately set-up to mimic body fluids and conditions at the area to be pharmacologically treated.

The development of nanosystems or so-called "molecular machines" is a great challenge for modern chemistry. This acute scientific effort stems from the multiplicity and significance of the potential application fields, which could range from analytes sensing and biomedicine, to the design of "artificial enzymes", rationally designed supramolecules which possess intrinsic catalytic activity. A top-down approach implies the complete understanding of the mechanisms that govern the processes of formation, assembly and rearrangement of these supramolecules, in order to control and steer them in the desired direction. Metal nanoclusters stabilized by an organic monolayer (SAM, Self-Assembled Monolayers) stand out into the varied review of nanomaterials, because of their particular features, which address them as one of the main platforms on which to shape the concept of molecular machine. The SAM which stabilize the metallic nucleus is nothing more than a supramolecular structure formed by molecules displaying special functional groups, which self-assemble upon the metallic surface, potentially reaching an high spatial organization. The possibility to change at will the chemical structure of adsorbates implies a considerable flexibility in modulating the physicochemical properties of these nanomaterials: to date gold nanoparticles (AuNPs) stabilized by alkyl and functionalized thiols, such as nucleic acids, oligopeptides, polysaccharides have been synthesized. Moreover, mixed SAM AuNPs synthesis has been reported in literature: in this case the properties of different types of adsorbates could be mediated, or possess synergistic activity. In this Ph.D. Thesis several research projects have been developed, each one relating to specific properties and applications of omoligand and mixed monolayer AuNPs. Several experimental evidences reported in literature suggest that in mixed monolayer AuNPs, adsorbates could undergo phase segregation processes: in the first part, mixed monolayer gold nanoparticles stabilized by photoresponsive groups containing derivatives (azobenzene and pyrene) have been synthesized and characterized, in order to correlate the optical properties of the samples with the topological arrangement of adsorbates into the monolayer. In the second part, the exposition focus upon nanoparticle gold core packing and monolayer’s self-assembly mechanisms in Peng-Scrimin synthetic process, the one commonly used in our laboratory. This study has been considered useful in order to increase accuracy of mixed monolayers synthesis and to explain the occurrence of "sorting" phenomena (asymmetric distribution of adsorbates onto metallic nuclei into the sample). The properties of some functionalized monolayers have also been investigated through exchange experiments, initially monitored by means of fluorescence emission spectroscopy and then by 1H- NMR, in order to justify experimental evidences of phase segregation recently published by the research group in which I spent the Doctorate . In the third part, supramolecular interaction between mixed monolayer AuNPs (stabilized by a pyrene derivative co-adsorbed with a phosphorylcholine one) and single-walled carbon nanotubes (SWNTs), pristine (non-functionalized) and PEG-ylated (conjugated with polyoxyethylene chains), has been investigated, and a protocol for their complexation to the obtaining of nanocomposites has been developed
La costruzione di nanosistemi o cosiddette “macchine molecolari” rappresenta una grande sfida per la chimica moderna. L’intenso sforzo scientifico per il raggiungimento di questo obiettivo deriva dalla molteplicità e rilevanza dei potenziali campi applicativi, che potrebbero spaziare dal sensing di analiti, alla biomedicina, alla progettazione di “enzimi artificiali”, supramolecole progettate razionalmente in modo da possedere attività catalitica intrinseca. Un design a tavolino implica tuttavia la totale comprensione dei meccanismi che governano i processi di formazione, assemblaggio e riarrangiamento di queste supramolecole, in modo da poterli controllare e indirizzare nella direzione voluta. I nanoclusters metallici passivati da monolayers organici (SAM, Self Assembled Monolayers) presentano peculiari caratteristiche che li individuano, nel variegato panorama dei nanomateriali, come una delle principali piattaforme sulle quali plasmare il concetto di macchina molecolare. I SAM che stabilizzano i nuclei metallici non sono altro che strutture supramolecolari costituite da molecole dotate di particolari gruppi funzionali affini alla superficie del nanocluster, che si autoassemblano raggiungendo potenzialmente un'elevata organizzazione spaziale. La possibilità di modificare a piacimento la struttura chimica degli adsorbati comporta una notevole elasticità nel modulare le proprietà fisico chimiche di questi nanomateriali: sono ad oggi state sintetizzate nanoparticelle d’oro (AuNPs) stabilizzate da tiolati alchilici e funzionalizzati, acidi nucleici, oligopeptidi, polisaccaridi. E’ stata inoltre ampiamente riportata in letteratura la sintesi di AuNPs con SAM a composizione mista, in cui le proprietà dei differenti tipi di adsorbati vengono tra loro mediate, o possiedono attività sinergica. In questa Tesi di Dottorato vengono sviluppati diversi progetti di ricerca che riguardano specifiche proprietà e applicazioni di AuNPs stabilizzate da monostrati a composizione unitaria e mista. Numerose evidenze sperimentali riportate in letteratura inducono a supporre che in SAM a composizione mista siano possibili processi di segregazione di fase degli adsorbati. Nella prima parte sono state perciò sintetizzate e caratterizzate AuNPs stabilizzate da derivati tiolici contenenti gruppi fotoresponsivi (azobenzenico e pirenilico) in monostrati a composizione mista, nel tentativo di correlare le proprietà ottiche dei campioni con le modalità di impaccamento del monostrato. Nella seconda parte sono state approfondite le modalità di formazione del SAM nel processo sintetico Peng-Scrimin, al fine di aumentare il livello di accuratezza nella sintesi di monostrati misti e di spiegare l’occorrenza dei fenomeni di “sorting” (distribuzione asimmetrica degli adsorbati sui nuclei metallici in fase di sintesi). Sono state inoltre investigare le proprietà di alcuni monostrati funzionalizzati, tramite esperimenti di scambio monitorati tramite spettroscopia di emissione di Fluorescenza e 1H-NMR, al fine di giustificare alcune evidenze sperimentali di segregazione di fase recentemente pubblicate dal gruppo di ricerca nel quale ho svolto il Dottorato. Nella terza parte è stata investigata l’interazione supramolecolare che si verifica tra AuNPs a monostrato misto stabilizzate da un derivato tiolico del pirene co-adsorbito con un derivato tiolico della fosforilcolina, e nanotubi di carbonio a parete singola (SWNTs) pristini (non funzionalizzati) e PEGilati (coniugati con catene poliossietilenglicole), ed è stato messo a punto un protocollo per la loro complessazione e l’ottenimento di nanocompositi

Il lavoro di questa tesi è incentrato sulla crescita e lo studio delle proprietà strutturali di sistemi nanostrutturati di titanio e ossido di titanio, prodotti mediante la tecnica della condensazione in gas inerte. Lo studio è finalizzato in particolare ad ottenere un materiale idoneo per la produzione di idrogeno tramite la foto-elettrolisi. Nel primo capitolo viene descritto a livello teorico il processo di scissione dell’acqua all’interno di celle foto-elettrochimiche, in cui viene impiegato il TiO2 (titania) come foto-anodo. Nel secondo capitolo viene introdotta la tecnica di crescita, viene descritta la macchina utilizzata illustrandone vantaggi e limitazioni. Inoltre viene fornita una descrizione teorica del tipo di crescita che avviene all’interno della camera di evaporazione. Allo scopo di comprendere meglio questi processi, vengono riportati nel capitolo 3 alcuni studi, basati su principi primi, riguardanti la stabilità di fase e le trasformazioni di fase per i tre principali polimorfi del TiO2. Nel capitolo 4 sono illustrate le tecniche impiegate per l’indagine strutturale: diffrazione e assorbimento di raggi X con relativa analisi dati, microscopia elettronica a scansione. Prima di misurare l’attività fotocatalitica dei campioni di nanoparticelle di titania, è necessario condurre delle misure di fotocorrente in una cella foto-elettrochimica, i risultati di queste analisi di tipo funzionale sono presentati nel capitolo 5. Nel capitolo 6 sono riportate le conclusioni del lavoro di tesi.

I progressi nella ricerca di nuovi detector più efficaci per la rivelazione del segnale e di sorgenti più efficienti di elettroni rendono la microscopia elettronica a scansione uno degli strumenti più utili e versatili d'indagine microscopica e microanalitica. Attualmente, trova impiego in svariati settori di ricerca, dalla biologia, alla medicina, alla chimica. Per quanto riguarda la fisica, risulta essere uno strumento particolarmente adeguato alla analisi della struttura della materia. Il presente lavoro analizza, da un lato, i principi fisici grazie ai quali funziona il microscopio elettronico a scansione e, dall'altro, attraverso l'analisi di alcuni campioni costituiti da nanoparticelle, le informazioni di tipo morfologico e strutturale che si possono desumere.

Dopo una premessa preliminare sulla bioraffineria, si passa alla descrizione in dettaglio della carboxylate platform e dei suoi possibili sviluppi, fra cui vi è quello dello studio di sistemi bioelettrochimici, nello specifico elettrosintetici catodici. A questo punto si passa per una breve descrizione del metabolismo di un fango da digestione anaerobica, prima di arrivare all'obiettivo della tesi. L'obiettivo è udi fare una valutazione dell'influenza di nanoparticelle di magnetite sull'attività di alcuni sistemi bioelettrosintetici microbici (inoculati con fango da digestione anaerobica): un sistema batch a celle e uno con configurazione reattoristica in continuo, passando per un sistema di controllo di verifica abiotico. L'attenzione è focalizzata sulla cinetica e sulla produttività di questi sistemi in termini di prodotti di sintesi utili (VFA e metano), a partire da anidride carbonica come unica fonte di carbonio e un potenziale esterno, fra i comparti catodico e anodico, imposto e fisso come fonte di potere riducente per l'inoculo biotico catodico

Among various nanoparticles, noble metal nanoparticles have attracted considerable attention due to their optical, catalytic and conducting properties. This work has been focused on the development of an innovative method of synthesis for the preparation of metal nanosuspensions of Au, Ag, Cu, in order to achieve stable sols, showing suitable features to allow an industrial scale up of the processes. The research was developed in collaboration with a company interested in the large scale production of the studied nanosuspensions. In order to develop a commercial process, high solid concentration, long time colloidal stability and particle size control, are required. Two synthesis routes, differing by the used solvents, have been implemented: polyol based and water based synthesis. In order to achieve a process intensification the microwave heating has been applied. As a result, colloidal nanosuspensions with suitable dimensions, good optical properties, very high solid content and good stability, have been synthesized by simple and environmental friendly methods. Particularly, due to some interesting results an optimized synthesis process has been patented. Both water and polyol based synthesis, developed in the presence of a reducing agent and of a chelating polymer, allowed to obtain particle size-control and colloidal stability by tuning the different parameters. Furthermore, it has been verified that microwave device, due to its rapid and homogeneous heating, provides some advantages over conventional method. In order to optimize the final suspensions properties, for each synthesis it has been studied the effect of different parameters (temperature, time, precursors concentrations, etc) and throughout a specific optimization action a right control on nucleation and growth processes has been achieved. The achieved nanoparticles were confirmed by XRD analysis to be the desired metal phases, even at the lowest synthesis temperatures. The particles showed a diameter, measured by STEM and dynamic light scattering technique (DLS), ranging from 10 to 60 nm. Surface plasmon resonance (SPR) was monitored by UV-VIS spectroscopy confirming its dependence by nanoparticles size and shape. Moreover the reaction yield has been assessed by ICP analysis performed on the unreacted metal cations. Finally, thermal conductivity and antibacterial activity characterizations of copper and silver sols respectively are now ongoing in order to check their application as nanofluid in heat transfer processes and as antibacterial agent.

Among various nanoparticles, noble metal nanoparticles have attracted considerable attention due to their optical, catalytic and conducting properties. This work has been focused on the development of an innovative method of synthesis for the preparation of metal nanosuspensions of Au, Ag, Cu, in order to achieve stable sols, showing suitable features to allow an industrial scale up of the processes. The research was developed in collaboration with a company interested in the large scale production of the studied nanosuspensions. In order to develop a commercial process, high solid concentration, long time colloidal stability and particle size control, are required. Two synthesis routes, differing by the used solvents, have been implemented: polyol based and water based synthesis. In order to achieve a process intensification the microwave heating has been applied. As a result, colloidal nanosuspensions with suitable dimensions, good optical properties, very high solid content and good stability, have been synthesized by simple and environmental friendly methods. Particularly, due to some interesting results an optimized synthesis process has been patented. Both water and polyol based synthesis, developed in the presence of a reducing agent and of a chelating polymer, allowed to obtain particle size-control and colloidal stability by tuning the different parameters. Furthermore, it has been verified that microwave device, due to its rapid and homogeneous heating, provides some advantages over conventional method. In order to optimize the final suspensions properties, for each synthesis it has been studied the effect of different parameters (temperature, time, precursors concentrations, etc) and throughout a specific optimization action a right control on nucleation and growth processes has been achieved. The achieved nanoparticles were confirmed by XRD analysis to be the desired metal phases, even at the lowest synthesis temperatures. The particles showed a diameter, measured by STEM and dynamic light scattering technique (DLS), ranging from 10 to 60 nm. Surface plasmon resonance (SPR) was monitored by UV-VIS spectroscopy confirming its dependence by nanoparticles size and shape. Moreover the reaction yield has been assessed by ICP analysis performed on the unreacted metal cations. Finally, thermal conductivity and antibacterial activity characterizations of copper and silver sols respectively are now ongoing in order to check their application as nanofluid in heat transfer processes and as antibacterial agent.

During the last decades gold nanoparticles have proven to be an attractive scaffold for the realization of inorganic-organic hybrid systems. This occurs by exploiting the stable interaction between gold surfaces and different classes of functional groups (like amines, phosphonates and -in particular- thiols) in order to prepare self-assembled monolayers.[1] This kind of system has been used in a wide range of applications in nanomedicine, diagnostics and nanotechnology. It has also become an attractive platform for the development of innovative, nanoparticle-based catalysts. This is motivated by different features of the gold nanoparticles, such as the ease and versatility of preparation, the possibility to retrieve the catalyst from solution and the high surface to volume ratio of gold colloids.[2] In a recent contribution by Prins et al.[3] a model of artificial nuclease, based on TACN-Zn(II)-bearing 2 nm diameter nanoparticles, initially developed by Scrimin et al.[4], has been exploited as a sensing tool for the detection of proteolytic enzymes in solution. The sensing mechanism relies on the inhibition of the transphosphorylation reaction of the substrate HPNP (2-hydroxypropyl-4-nitrophenyl phosphate), which can be followed spectrophotometrically as the reporter molecule p-nitrophenate is released, due to the interaction between the nanoparticles and a negatively charged oligopeptide. The oligopeptide plays a double role in the system by acting both as a nanoparticle inhibitor (by blocking access to the substrate to the catalytic sites on the surface of the monolayer) and an enzymatic substrate. The cleavage of the oligopeptide allows for the regulation of the catalytic behavior of the system, depending on the presence of the specific enzyme, since the lesser charged fragments are not good inhibitors of the catalyst. The interest towards the improvement of this system has directed the research presented in this thesis, in particular focusing on the role and stability of the monolayer. These studies relied on the analysis of the catalytic parameters and the binding of oligoanions of structurally related monolayers supported on gold nanoparticles. The first step of this research project was aimed at the synthesis of three organic building blocks, in which the thiol moiety and the macrocycle are separated by alkyl chains of different lengths (6, 9, 12 carbon atoms). The preparation and characterization of three batches of gold nanoparticles, each coated with one of the thiols, demonstrated a similar behaviour for Au NPs C9TACN and Au NPs C12TACN, whereas Au NPs C6TACN showed a denser monolayer presumably due to a more efficient lateral interaction between thiols. The evaluation of the catalytic activity in this model reaction mediated by the three systems showed the similarity between Au NPs C9TACN and Au NPs C12TACN in terms of intrinsic catalytic activity (kcat) and interaction with the substrate (KM), in good agreement with published data referred to a monolayer composed of longer thiols.[5] Au NPs C6TACN exhibited a similar value of kcat, but displaying a KM value that was 3-fold higher, indicative of the weaker interaction between the nanoparticles and the substrate. In order to study this phenomenon in more detail, the interaction between gold nanoparticles and fluorescent oligoanion was studied. Exploiting the quenching of luminescence mediated by the gold cores, it was possible to observe differences in the saturation concentration of the monolayer for different fluorescent probes. A first probe (fATP), known for a predominantly electrostatic interaction with the surface of the monolayer[6], gave hardly any differences between the three nanosystems. However a different probe (MANT-AMP), that binds the monolayer as a result of both electrostatic and hydrophobic interaction[7], clear differences were observed between Au NPs C6TACN and Au NPs C9TACN. By working in absence of Zn(II) at basic pH, in order to keep the monolayer uncharged, we were able to observe the lack of interaction between MANT-AMP and Au NPs C6TACN, confirming that for this system the apolar part of the monolayer does not participate to the binding process as we observed in the binding to the catalytic substrate. This is in agreement with the higher KM values observed in the catalysis experiments. Nonetheless these experiments do not reveal whether this is a consequence of the different thickness of the monolayer or whether it’s due to the peculiar density of the Au NPs C6TACN’s monolayer. Next, the binding and catalytic performances of the three systems were assessed over a time span of four months in order to understand their long term stability. So far few studies have appreared in the literature that address this important issue. All the systems resulted stable in time, without displaying aggregation or a radical deterioration of the catalytic parameters. Au NPs C9TACN was the only system that shown no variation at all in the catalytic and binding behavior, thus emerging as as the most robust system for applications. Finally, the effect of the nanoparticle dimensions on the catalytic activity was investigated by studying 13 nm gold nanoparticles passivated with thiol C9TACN. The catalytic parameters were then confronted with those obtained for Au NPs C9TACN (2 nm). The results showed that the system retains catalytic activity, but with a neat loss both in kcat and KM, probably imputable to the uniformity of the monolayer and the lack of “hot catalytic spots” that may occur in small nanoparticles with extreme curvatures.
Nel corso dei decenni le nanoparticelle dâ€'oro si sono dimostrate supporti estremamente attraenti per la realizzazione di sistemi ibridi inorganici-organici, sfruttando l'€™interazione stabile che si crea tra superfici d'€™oro e particolari classi di molecole organiche (come ammine, fosfonati o tioli) per formare monostrati autoassemblati.[1] Questo tipo di sistemi è stato sfruttato ampiamente per una vasta gamma di applicazioni, tra cui spicca la realizzazione di catalizzatori organici nano-supportati. La motivazione dietro l’interesse verso le nanoparticelle d'€™oro per applicazioni catalitiche risiede nella versatilità  della realizzazione del monostrato, virtualmente applicabile ad ogni tipo di reazione catalizzata da molecole organiche, e dall'€™enorme rapporto superficie/volume dei colloidi d'™oro.[2] In un recente lavoro di Prins et al.[3], impiegando un sistema catalitico ideato da Scrimin et al. per l’idrolisi di fosfodiesteri[4], si utilizzano nanoparticelle d'oro di 2 nm di diametro che espongono complessi di 1,4,7-triazaciclononano-Zn(II) come effettori di uno strumento di sensing per enzimi proteolitici. Tale sistema si basa sull’inibizione della reazione di transfosforilazione di HPNP (2-idrossipropil-4-nitrofenil fosfato) promossa dalle nanoparticelle ed osservabile per via spettrofotometrica seguendo la liberazione della molecola reporter p-nitrofenato, dovuta all'€™interazione tra la nanoparticella d'€™oro e oligopeptidi carichi negativamente. L'oligopeptide agisce nel doppio ruolo di inibitore della nanoparticella e di substrato enzimatico, regolando il sistema dipendentemente dalla presenza o meno di un enzima in grado di degradarlo in frammenti a carica inferiore che non inibiscono efficacemente la nanoparticella. L’interesse verso il perfezionamento di tale sistema ha spinto allo studio discusso in questo elaborato di tesi, utilizzando la catalisi della transfosforilazione di HPNP e la capacità  di interazione con oligoanioni come strumenti diagnostici di monostrati organici analoghi. Lo studio ha portato alla sintesi di tre building blocks organici, in cui il residuo tiolico e il macrociclo sono separati da catene alchiliche di diverse lunghezze (6, 9, 12 atomi di carbonio). In prima analisi viene discussa la sintesi e caratterizzazione di nanoparticelle d’oro passivate con i tre tioli (C6TACN, C9TACN, C12TACN), in cui si evidenziano poche differenze in termini qualitativi tra Au NPs C9TACN e Au NPs C12TACN. Au NPs C6TACN dimostrano un monostrato più¹ densamente popolato, probabilmente dovuto ad interazione laterali reciproche più efficenti tra i tioli all'€™interno del monostrato. La valutazione della catalisi dei tre sistemi sulla reazione modello ha evidenziato una similitudine tra Au NPs C9TACN e Au NPs C12TACN in termini di attività  catalitica (kcat) ed interazione con il substrato (KM), senza discostarsi in maniera rilevante dai sistemi studiati nei lavori precedenti, dotati di un tiolo più lungo.[5] Au NPs C6TACN, nonostante mantenga pressochè inalterato kcat rispetto ai due sistemi analoghi, presenta un KM di circa tre volte più elevato, indice di interazione più debole del sistema col substrato. Al fine di studiare il processo di binding tra nanoparticella e oligoanione in maniera più ampia si è ricorso allo studio dell'™interazione delle nanoparticelle sintetizzate con oligoanioni fluorescenti, sfruttando il peculiare quenching della luminescenza mediato dai core d'€™oro per determinare la concentrazione di saturazione del monostrato.[6] L'€™utilizzo di un primo probe fluorescente (fATP), in cui l'interazione con la nanoparticella è mediato in larga misura da carica elettrostatica, ha evidenziato differenze minime tra i tre diversi campioni. Utilizzando un probe (MANT-AMP) in cui vi è un bilancio tra interazione elettrostatica (con la superfice del monostrato) ed idrofobica[7] (con la parte alchilica interna del monostrato) si sono evidenziate differenze sostanziali tra Au NPs C6TACN e Au NPs C9TACN. Tale esperimento è risultato in una assenza di quenching per Au NPs C12TACN, verificando l'™avvenuto binding con un esperimento di displacement indipendente. Il fenomeno è ritenuto imputabile ad un orientamento sfavorevole al quenching del probe nel monostrato. Lavorando in assenza di Zn(II) e a pH nettamente basico al fine di mantenere il monostrato privo di carica, si è potuto osservare una totale assenza di interazione tra MANT-AMP e Au NPs C6TACN, confermando come la differente natura del monostrato giochi un ruolo nell'€™interazione con molecole organiche che va al di là  dell'€™interazione elettrostatica, riscontrabile anche nell'interazione con il substrato catalitico. Questo effetto, seppur sicuramente attribuibile a differenze nella struttura del building block componente il monostrato, può essere dovuto sia al diverso spessore del monostrato sia alla particolare densità  del monostrato stesso per Au NPs C6TACN. Le performances catalitiche e di binding per oligoanioni dei tre sistemi sono state testate in un arco di tempo di 4 mesi per stabilire quale sistema mantenesse tali parametri nel tempo, allo scopo di ottenere informazioni sulla stabilità  dei tre sistemi. Tutti i sistemi si sono rivelati relativamente ben stabili nel tempo, senza dimostrare aggregazione o deterioramento consistente dei parametri osservati. Au NPs C9TACN, contrariamente ai sistemi analoghi, non ha dimostrato alcuna variazione apprezzabile nei valori osservati, confermandosi il sistema più robusto. In ultima analisi è stato preso in considerazione il ruolo delle dimensioni della nanoparticella nell'€™evento catalitico. La sintesi e caratterizzazione di un sistema composto da nanoparticelle di 13 nm di diametro e passivato da tiolo C9TACN ha permesso di confrontarne le performance catalitiche con quelle del sistema analogo utilizzato nello studio precedente. I risultati dimostrano come il sistema sia ancora cataliticamente attivo, con un netto peggioramento dell'attività  catalitica e del binding del substrato rispetto all'analogo supportato su nanoparticelle di diametro 2 nm. Questi risultati possono essere imputati alla mancanza di "œhot spot" catalitici presenti in nanoparticelle piccole e con curvature accentuate.

Le nanoparticelle polimeriche offrono grandi vantaggi nella nanomedicina in quanto fungono da carrier per il Drug Delivery e possono essere molto utili per le malattie ancor oggi difficili da trattare quali le neurodegenerative come l’Alzheimer. In questo progetto di tesi sono stati creati nanocarrier polimerici utilizzando come polimero un copolimero a blocchi anfifilico noto come PLGA-b-PEG: con varie tecniche si sono ottenute micelle polimeriche nelle quali sono stati intrappolati come principi attivi sia un farmaco, il liraglutide, sia nanoparticelle di magnesio; il primo può ridurre le placche β-amiloidee, tipiche cause dell’Alzheimer, mentre le seconde possono aumentare la plasticità sinaptica anch’essa legata all’Alzheimer. Inoltre è stato sintetizzato e intrappolato anche un promettente agente diagnostico, ovvero nanoparticelle di ferro, utile per aumentare la sensibilità di tecniche di imaging quali MRI e per la rivelazione precoce di malattie. Tutti i sistemi sono stati caratterizzati con tecniche specifiche per valutare i parametri chiave quali dimensione, polidispersità, carica superficiale e concentrazione dei componenti e successivamente sono state utilizzate per studi biologici effettuati da collaboratori esterni. Tutto questo ha come obiettivo futuro la creazione di un carrier teranostico che racchiuderà al suo interno l’agente terapeutico e l’agente diagnostico per combinare i due effetti principali in un unico carrier.

Il TiO2 è probabilmente il fotocatalizzatore maggiormente studiato in letteratura a partire già dagli anni settanta. Le applicazioni più rilevanti dei dispositivi fotocatalitici sono in campo ambientale (depurazione delle acque da inquinanti quali coloranti, microbatteri e residui metallici) e nella produzione di "solar fuel" (combustibili solari), fra questi l'idrogeno. L'idrogeno come vettore energetico è eco-compatibile e può essere utilizzato come carburante il cui prodotto di scarto è vapor d'acqua. Il biossido di titanio è uno dei materiali più promettenti per la costruzione di celle fotocatalitiche, grazie alla sua biocompatibilità e resistenza alla corrosione in ambiente acquoso. Il limite principale di questo materiale è legato allo scarso assorbimento nel visibile dovuto al band gap troppo elevato (circa 3.2 eV). Fra le varie strategie per superare questo problema, è stato mostrato che opportuni droganti permettono di incrementare la "Visible Light Activity", portando ai cosiddetti fotocatalizzatori di 2a generazione. I droganti più promettenti sono il vanadio e l'azoto che possono essere utilizzati singolarmente o in co-doping. L'inserimento di questi materiali nella matrice di TiO2 porta a un notevole miglioramento dei dispositivi abbassando il valore di band gap e permettendo un maggiore assorbimento nello spettro solare. Scopo di questa tesi è lo studio dei processi di crescita di film nanoparticellari di TiO2 drogato con vanadio. La tecnica di crescita usata è la Condensazione in Gas Inerte (IGC), mentre per l'indagine di morfologia e composizione ci si è serviti della microscopia elettronica. Con l'ausilio della diffrazione di raggi X è stato possibile controllare lo stato di cristallizzazione e determinare a quali temperature di trattamento in atmosfera ossidante avviene quest'ultima. Tramite le misure micro-Raman effettuate presso i laboratori dell'Università di Trento è stato possibile monitorare l'andamento della cristallizzazione di campioni depositati con parametri di evaporazione differenti (presenza di ossigeno o meno nell'atmosfera di evaporazione), evidenziando un maggior controllo sulla fase cristallina ottenuta per i campioni cresciuti in atmosfera ricca di ossigeno. Sono state effettuate analisi strutturali avanzate presso i laboratori ESRF di Grenoble, dove sono state portate avanti misure di assorbimento di raggi X di tipo EXAFS e XANES sulla soglia del titanio e del vanadio, evidenziando il carattere sostituzionale del vanadio all'interno della matrice di TiO2 e le diverse fasi di cristallizzazione.

Nel capitolo 1 si definisce la condizione mesoscopica e sono descritte le tecnologie utilizzate per la produzione e il deposito di particelle. Inoltre si discute come l’organizzazione dei gruppi di particelle sia influenzata dalla loro superficie e dalla loro reciproca interazione. Nel capitolo 2 si presenta un software per l'analisi di micrografie elettroniche, come è stato sviluppato, la sua portata, i limiti. Si descrivono gli algoritmi di base utilizzati per processare l’immagine e ottenere aree e perimetri delle nanoparticelle campionate. Infine il capitolo 3 contiene i risultati dell’analisi immagine e le relative conclusioni fisiche.

L'utilizzo dell'idrogeno come vettore energetico �è negli ultimi anni uno dei temi in maggior rilievo riguardo la sostenibilit�à energetica, questo per via della sua abbondanza in natura, della sua elevata energia chimica per unità di massa, e della non tossicità dei prodotti della sua combustione. Tuttavia non si conosce ancora una maniera e�fficiente di immagazzinarlo per poterlo utilizzare per applicazioni mobili. In questo lavoro di tesi sono state cresciute, e analizzate mediante microscopia elettronica, nanoparticelle di magnesio decorate con metalli di transizione (Pd e Ti), che si collocano tra i candidati più promettenti per lo stoccaggio di idrogeno a stato solido.

The ability to control the self-assembly of a gold nanoparticle monolayer made of organic molecules is an important goal in nanoscience research. To achieve the control, it is necessary to understand both the monolayer structure and the monolayer formation process and its evolution in time. In this PhD thesis are reported the results obtained from a study of the monolayer formation process in the presence of a couple of thiols. Exploiting the Peng1 synthesis protocol and its implementation by Scrimin2 (that allows the formation of the gold colloid to be separated from the passivation of the surface) mixed monolayer gold nanoparticles have been synthesized and studied concerning their composition, morphology and function. In particular, the synthesis, the purification steps and the studies have been finely tuned relying on the gold nanoparticles solubility. A Phosphorylcholine, zwitterionic thiol 2 and an Alkyl, neutral thiol 24 have been selected (Fig. A1). The resulting nanoparticles have intrinsic chemical and physical properties that are different from those shown by the relative mono-thiol protected nanoparticles. Figure A1: Representation of the thiols passivating the nanoparticles. The different mixed monolayer populations are separated relaying on their solubility and analyzed by NMR spectroscopy coupled with lanthanides ions. In the experimental protocol, the selected thiols are added onto a solution of gold nanoparticles stabilized with dioctylamine and the reaction mixture is immediately splitted. The first portion is allowed stirring for 24 hours, while the second portion is readily analyzed (t=0). In this way it is possible to obtain information about the early monolayer composition that is the kinetic product of the reaction. Moreover allowing the system stirring for 24 hours it is possible to obtain information about the thermodynamic product of the reaction too. Purification requires two steps: 1) water is added to the reaction mixture and the hydrophilic nanoparticles are extracted; 2) the remaining reaction mixture (toluene) is evaporated and the residue is washed to eliminate the reagent excess (dioctylamine and tetraoctylamonium) and to isolate the hydrophobic nanoparticles (Fig. A2). Figure A2: Separation protocol of the nanoparticles relying on their solubility. When the thiols are simultaneously added, what happens is a total segregation on different nanoparticles. This situation changes if the thiols are added within a 24 hours delay: in this case mixed monolayer nanoparticles are obtained. The process seems to be very complex: the Alkyl 24 thiol (the first thiol to be added) rapidly and completely covers some nanoparticles and equally redistributes in a longer time. The following thiol Phosphorylcholine freeze the system allowing the analysis. The monolayer composition is hence driven by the velocity of the involved processes. NMR titrations with Gd3+ ions marked the tendency of this couple of thiols to randomly cover the nanoparticle surface, indicating the probable formation of a kinetic product. On the other hand, if the mixed monolayer is obtained by thiol exchange, the results show the formation of patches monolayer, indicating the probable formation of a thermodynamic product.3 Beside the monolayer formation studies, the PhD focused also on the creation of a NMR sensor basing on gold nanoparticles for the identification of interacting molecules. One of the biggest problem with molecular sensors is the univocal identification of the molecules in a complex mixture; in fact what is normally detected is a variation of a property of the sensor and not a property of the analyte. This may lead to false positive/negative results because even and interfering molecules could give the same results as the analyte. A new protocol based on NMR spectroscopy that allows the identification and the quantification of complex mixtures is shown.4, 5 Previous studies marked that organic monolayer protected nanoparticles act as a supramolecular sensor. The first experimental protocol exploits the NOE-pumping technique6 (Fig. A3), the Overhauser nuclear effect assisted diffusion. The principle is to discriminate little interacting molecules from non-interacting molecules by magnetic transfer of the nanoparticle to the interacting analytes. The experiment is divided in two steps: the first features a diffusion filter that eliminates all the coherences of little molecules (not the nanoparticles') basing of their fast diffusion coefficients; the second features a NOE experiment where the signals come from the polarization transfer from the nanoparticle, that survived the diffusion filter, to the interacting mlecules. Hence, gold nanoparticles are polarization storages and selectively transfer it to the interacting analytes. The resulting signals directly come from the analytes and not from the sensor. Figure A3: Schema riguardante l'esperimento di NMR chemosensing. When interaction is selective and the analyte rapidly exchanges with nanoparticles in the diffusion time scale, nanoparticles can serve as magnetization source that can be selectively transferred to the interacting molecule. In this way, only the signals of the interacting molecules will appear on the final NMR spectrum demonstrating that NOE-pumping is a useful technique to discriminate analytes basing on their affinity for the nanoparticles. Interacting molecules can also be detected by diffusion coefficient perturbation exploiting DOSY technique. Furthermore, experiments performed on diazobenzene,7 showed that these techniques can be exploited to study system with responsive behaviours. * Bibliografia (1) Jana, N. R.; Peng, X. J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 14280. (2) Manea, F.; Bindoli, C.; Polizzi, S.; Lay, L.; Scrimin, P. Langmuir 2008, 24, 4120. (3) Guarino, G.; Rastrelli, F.; Scrimin, P.; Mancin, F. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 7200. (4) Perrone, B.; Springhetti, S.; Ramadori, F.; Rastrelli, F.; Mancin, F. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 11768. (5) Salvia, M.-V.; Rarnadori, F.; Springhetti, S.; Diez-Castellnou, M.; Perrone, B.; Rastrelli, F.; Mancin, F. Journal of the American Chemical Society 2015, 137, 886. (6) Chen, A.; Shapiro, M. J. J. Am. Chem. Soc. 1998, 120, 10258. (7) Bandara, H. M. D.; Burdette, S. C. Chemical Society Reviews 2012, 41, 1809.
L'abilità  di controllare l'autoassemblaggio di un monostrato organico di molecole che ricopre una nanoparticella dìoro è un'importante meta della ricerca nell'ambito delle nanoscienze. Per guadagnare questa abilità è necessario comprendere non solo la struttura ma anche il processo di formazione del monostrato e la sua evoluzione nel tempo. In questa tesi di dottorato sono stati riportati i risultati ottenuti dallo studio del processo di formazione del monostrato in presenza di coppie di tioli diverse. Utilizzando la sintesi proposta da Peng1 e successivamente modificata da Scrimin2, che permette di gestire in maniera separata la formazione del nucleo d'oro da quella del monostrato di tioli che passiva le nanoparticelle, sono state sintetizzate nanoparticelle d'oro con monostrato misto e ne sono state studiate composizione, morfologia e funzioni. In particolare, nell'ambito di questo progetto di dottorato è stato messo a punto un protocollo per la sintesi, l'isolamento e lo studio di nanoparticelle passivate da differenti coppie di tioli, basato sulla loro solubilità . Sono stati selezionati un tiolo a carattere zwitterionico 2 Fosforilcolina e un tipo di tiolo neutro a carattere Alchilico 24 (Fig. A1). Le nanoparticelle che si ottengono hanno delle intrinseche proprietà  chimiche e di solubilità  che sono diverse dalle proprietà  che manifestano le nanoparticelle ricoperte dai singoli tioli. Figura A1: Rappresentazione dei tioli che passivano le nanoparticelle. Le varie popolazioni ottenute vengono separate in base alla loro solubilità  e analizzate mediante l'utilizzo della spettroscopia NMR accoppiata con l'uso di ioni lantanidi. In questi esperimenti, i tioli selezionati vengono aggiunti ad una soluzione di particelle stabilizzate con diottilammina e la miscela di reazione viene immediatamente divisa in due porzioni. Una delle due viene lasciata sotto agitazione per 24 h, mentre la seconda viene immediatamente interrotta e analizzata (t=0). In questo modo, è possibile ottenere informazioni sulla composizione dei monostrati appena formati che corrispondono al prodotto cinetico della reazione, e dopo un tempo sufficientemente lungo a far evolvere il sistema verso una situazione termodinamicamente più stabile. L'analisi prevede due passaggi: 1) viene aggiunta acqua e separata la frazione di particelle idrofile; 2) la miscela di reazione (toluene) viene evaporata ed il residuo purificato per eliminare i reagenti in eccesso (diotilammina e tetraottilammonio) e isolare le particelle (Fig. A2). Figura A2: Schema di separazione delle nanoparticelle in base alla loro solubilità . Quando i due tioli vengono aggiunti simultaneamente quello che si verifica è una segregazione totale su diverse nanoparticelle, situazione che tende a mutare muovendosi verso la formazione di nanoparticelle miste se i due tioli vengono aggiunti a 24 h di distanza l'uno dall'altro. Quello che sembra verificarsi è un processo complesso: il tiolo 24 Alchilico, il primo ad essere aggiunto, ricopre velocemente alcune particelle per poi ridistribuirsi sulle altre in un tempo relativamente lungo, la successiva aggiunta del tiolo 2 Fosforilcolina congela la situazione permettendo l'analisi. La composizione del monostrato è quindi controllata da un sottile bilancio tra la velocità dei processi coinvolti. Titolazioni NMR con ioni Gd3+ hanno sottolineato come questa coppia di tioli tenda a disporsi in maniera casuale sul nucleo d'oro, indicando, probabilmente, la formazione di un prodotto cinetico. Se il monostrato misto è invece ottenuto mediante scambio di tioli ciò che emerge è una distribuzione a piccole isole, indicando probabilmente la formazione di un prodotto termodinamico.3 Parallelamente, agli studi sulla formazione del monostrato questo progetto di dottorato si è incentrato anche sull'ideazione di un sensore NMR basato su nanoparticelle d'oro, per l'identificazione di molecole interagenti. Un problema ancora irrisolto nell'ambito dei sensori molecolari è quello di identificare in maniera univoca le molecole rilevate dal sensore in una miscela complessa; infatti spesso ciò che viene rilevato fa parte di una proprietà  intrinseca del sensore stesso, ma non fornisce nessuna informazione certa sulla natura dell'analita. è, quindi, facile immaginare, come anche un interferente possa generare la medesima risposta in un sensore. Nel laboratorio dove è stato svolto questo progetto di dottorato è stato messo a punto un nuovo protocollo basato sulla spettroscopia NMR, che permette l'identificazione e la quantificazione di miscele complesse. Infatti, studi precedenti hanno messo in evidenza come le nanoparticelle ricoperte da un monostrato di molecole organiche siano in grado di agire come recettori supramolecolari.4, 5 Il primo esperimento utilizzato è stata la tecnica NOE-pumping6 (Fig. A3), che utilizza l'effetto nucleare Overhauser di diffusione assistita. Il concetto è quello di riuscire a identificare le piccole molecole interagenti da tutte le molecole che non si legano alla nanoparticella attraverso il trasferimento della magnetizzazione da questa agli analiti. L'esperimento è suddiviso in due parti: la prima è composta da un filtro di diffusione in cui tutte le coerenze delle piccole molecole, ma non delle nanoparticelle, vengono eliminate causando, di fatto, una cancellazione dei segnali delle molecole per la loro veloce diffusione; la seconda parte è composta da un esperimento NOE, alla conclusione del quale, i segnali rilevati derivano dal trasferimento di polarizzazione dalle nanoparticelle, sopravvissute al filtro di diffusione, alle specie che interagiscono con esse. Le nanoparticelle d'oro servono, quindi, a immagazzinare la polarizzazione e a trasferirla selettivamente ai soli analiti riconosciuti dalle nanoparticelle stesse. A questo punto, quindi, i segnali rilevati non derivano dal sensore, ma bensì, direttamente dall'analita. Figura A3: Schema riguardante l'esperimento di NMR chemosensing. Quando l'interazione è selettiva e l'analita è in regime di scambio veloce con la nanoparticella nella scala dei tempi della diffusione, la nanoparticella può essere usata come fonte di magnetizzazione che può essere trasferita selettivamente alla molecola interagente sfruttando il NOE. In questo modo, solo i segnali delle specie interagenti saranno visualizzati nello spettro NMR finale, quindi, l'esperimento NOE-pumping permette di discriminare gli analiti per la loro affinità  con le nanoparticelle stesse. Non solo è possibile rilevare molecole interagenti per trasferimento della magnetizzazione, ma anche, per perturbazione dei coefficienti di diffusione, utilizzando la tecnica DOSY. Inoltre, esperimenti condotti su un diazobenzene,7 hanno permesso di stabilire che queste tecniche possono essere utilizzate per studiare sistemi che possiedono comportamenti responsivi. * Bibliografia (1) Jana, N. R.; Peng, X. J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 14280. (2) Manea, F.; Bindoli, C.; Polizzi, S.; Lay, L.; Scrimin, P. Langmuir 2008, 24, 4120. (3) Guarino, G.; Rastrelli, F.; Scrimin, P.; Mancin, F. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 7200. (4) Perrone, B.; Springhetti, S.; Ramadori, F.; Rastrelli, F.; Mancin, F. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 11768. (5) Salvia, M.-V.; Rarnadori, F.; Springhetti, S.; Diez-Castellnou, M.; Perrone, B.; Rastrelli, F.; Mancin, F. Journal of the American Chemical Society 2015, 137, 886. (6) Chen, A.; Shapiro, M. J. J. Am. Chem. Soc. 1998, 120, 10258. (7) Bandara, H. M. D.; Burdette, S. C. Chemical Society Reviews 2012, 41, 1809.

The catalytic efficiency, mechanistic pathways, and structural complexity displayed by enzymes make them a tremendous source of inspiration for chemists involved in catalyst development[1, 2]. Nature has evolved enzymes as large multi-kilodalton complex structures in which even units that are remote from the actual active site may profoundly affect the activity of the enzyme[3]. The much lower complexity of artificial enzyme mimics may be an important reason for their typical modest performances with respect to enzymes. This awareness has led to an interest in catalysts based on multivalent scaffolds, such as dendrimers[4], micelles[5], and nanoparticles[6], with the idea of increasing the structural complexity of the synthetic system. A key challenge is straightforward access to synthetic catalysts that can match up to the size and complexity of enzymes. The necessity for multistep synthesis can be overcome by relying on self-assembly for the formation of the multivalent structure. In particular, the self-assembly of catalytic monolayers on the surface of gold nanoparticles (AuNPs) to give gold monolayer-protected clusters (AuMPCs) is emerging as an attractive strategy[7, 8]. Nonetheless, although they rely on self-assembly, the composition of self-assembled monolayers (SAMs) on Au NPs is typically still of rather low complexity[9]. Varying the surface composition by thiol clustering is a very difficult approach because this does not give a full control over the final composition, requires purification of each single NP system, and suffers from issues related to the characterization of mixed SAMs both in terms of composition and morphology. As a consequence, enormous efforts should be done to purify the different species coming from the synthesis. For that reason, in the recent years a new approach emerged by using nanoparticles not as direct tools, but as scaffolds to bind secondary molecules on. Rotello and coworkers were the first to realize this pioneering idea showing the attractiveness of cationic Au MPCs as a construction element for the development of innovative biosensors[10]. Inspired by those contributions, Prins et al. recently started to study the formation of heterofunctionalized multivalent structures relying on the self-assembly of small anionic peptides on the surface of Au MPCs[11, 12]. The results showed that it is possible to control the peptide surface composition simply exploiting the different affinities for the cationic monolayer. As a consequence, the low complexity of the surface can be overcome. This concept has been further developed during the PhD-project[13]. Based on the self-assembly of oligo-anions on a cationic surface, we went beyond the simple surface composition control and developed a true supramolecular nanoenzymatic system. It is composed by two fundamental elements: 1. Gold nanoparticles functionalized by alkyl thiols featuring a Trimethylammonium group in the Ω-position (8-Trimethylammonium octylthiol  NR4+-AuNPs) thus generating a cationic surface; 2. Anionic oligopeptides that bind the nanoparticles’ surface. These feature a C-terminal tail with three Aspartic acid residues; an N-terminal tail composed by a variable number of Histidines (H0-H3); a central Tryptophane residue linking the two edges (Ac-HnWDDD-OH). The four negative charges coming from the C-terminal tail give an efficient binding, while Histidine and Tryptophane allow, respectively, catalysis and signal output for peptide concentration and binding measurements. Both of these constitutional elements are inefficient catalysts by themselves. Only when the peptides self-assemble on the cationic surface an active system is formed, which is able to accelerate the hydrolysis of N-CBz-(D)Phe-ONP by two orders of magnitude over the background. Importantly, the multivalent surface plays a crucial role in tuning the catalytic activity. The surface not only brings the substrate and catalyst in close proximity but also generates a microenvironment with an enhanced local pH that further activates the catalytic peptide. Given the supramolecular nature of the whole system and considering what has been written about the fine regulation of the surface composition, this system is highly adjustable simply by modulating the concentration of the constitutional elements that self-assemble on the surface. Once we obtained the lead system we started to investigate the intrinsic features that characterized it like the importance of the chemical structure of the substrate, the peptide catalyst and the cationic surface. The sequence of the peptide catalyst is very important for the efficiency of the catalytic system. Mutations on the H1 sequence (Ac-HWDDD-OH) altering its order and length showed that Triptophane has a subsidiary role in binding and its position should be next to the C-terminal tail. Histidine should occupy the N-terminal position because the presence of other residues in such position would reduce the catalytic efficiency of the Imidazole residue. If the sequence is extended by insertion of a Glycine residue between the Tryptophane and the C-terminal tail, we still observe a lower hydolysis rate, but not so drastic as the one observed by flipping the N-terminal sequence (steric hinderance). Like a natural enzyme, this system has specific requirements for the substrate that undergoes hydrolysis. SAR studies have been performed on substrate analogs with different Nα-protecting groups and side chains. The results showed that large and hydrophobic substrates have a higher affinity for the nanoparticles and are hydrolyzed faster. This is presumably due to interactions between those hydrophobic surfaces and the hydrophobic part of the monolayer. The aromatic substrates are favoured respect to the alkyl ones which emerges from the comparison between the kobs of N-CBz-Leu-ONP and N-CBz-(L)Trp-ONP: the latter is hydrolyzed much faster. The Nα-protecting group seems to have a crucial role in the substrate stabilization: diminishing its dimensions, thus diminishing hydrophobicity, results in a fast, spontaneous hydrolysis in simple buffer. A significant effort was made to improve the catalytic performances of the system through a supramolecular approach. In particular a hybrid system was prepared by self-assembling peptide H2 (Ac-HHWDDD-OH) and a library of non-catalytic peptides contemporarily on the monolayer surface (Ac-XXWDDD-OH, where XX are Leu, Phe, Ser and Arg in 42 possible combinations). The idea was that the second peptides would modulate the catalytic efficiency of the system. The results did not match the expectations which is presumably due to the fact that those peptides did not compensate the loss of the pH effect with additional interactions. Mutations on the H1 sequence (Ac-HWDDD-OH) by inserting identical flanking residues beside Histidine (Ac-XHXWDDD-OH) were studied with the scope of generating enantioselectivity. Although the variety of the flanking residues was large, (Leu, Phe, Ser, Tyr) no substrate enatioselectivity was observed. Despite this we had some experimental evidences that suggested that some enantioselectivity could be obtained by exploiting the binding of the substrate on the nanoparticles surface.
L’efficienza catalitica, i meccanismi e la complessità strutturale esibiti dagli enzimi sono da sempre stati un’inesauribile fonte d’ispirazione per i chimici impegnati nello sviluppo di nuovi catalizzatori[1, 2]. Gli enzimi si sono evoluti come grandi e complesse strutture di centinaia di migliaia di Dalton in cui subunità anche lontane dal sito attivo possono profondamente influire sull’attività dell’enzima medesimo[3]. La più bassa complessità strutturale dei sistemi catalitici artificiali basati sulla mimica enzimatica potrebbe essere un’importante ragione della loro efficienza tipicamente modesta. Questa consapevolezza ha diretto l’attenzione verso catalizzatori basati su scaffolds multivalenti come i dendrimeri[4], le micelle[5] e le nanoparticelle[6] con l’intento di aumentare la complessità dei suddetti sistemi sintetici. La sfida fondamentale è rappresentata dalla realizzazione semplice e diretta di catalizzatori sintetici che siano paragonabili in dimensioni e complessità agli enzimi. La necessità di sintesi laboriose può essere superata sfruttando l’auto-assemblaggio per l’ottenimento di strutture multivalenti. In particolare, l’auto-assemblaggio di monostrati catalitici sulla superficie di nanoparticelle d’oro (AuNPs) per dare clusters d’oro protetti da monostrato (Au MPCs) sta emergendo come un’efficacie strategia[7, 8]. Tuttavia, l’eccessiva omogeneità chimica della struttura derivante intrinsecamente dal processo di auto-assemblaggio dei tioli rimane un problema analogo all’eccessiva semplicità dei modelli non nano-derivati[9]. Tentativi di variegare la superficie delle nanoparticelle con tioli diversi mediante processi di clusterizzazione si sono dimostrati di difficile approccio; infatti, poiché la sintesi rimane basata sull’auto-assemblaggio, la composizione finale del sistema risulta troppo eterogenea in termini di decorazione delle superfici nanoparticellari. Ne conseguono enormi sforzi per la separazione e purificazione delle diverse specie. Per questa ragione negli ultimi anni si è fatto largo un nuovo approccio basato sulle nanoparticelle non come tools da impiegare in quanto tali, bensì come scaffolds dalla superficie omogenea ai quali far aderire molecole secondarie per ottenere sinergicamente l’effetto finale desiderato. Rotello e collaboratori sono stati tra i primi pionieri in questo ambito con lo sviluppo di innovativi biosensori basati su nanoparticelle d’oro funzionalizzate con tioli cationici[10]. Inspirandosi a questi lavori, recentemente, Prins et al. hanno sviluppato strutture etero-funzionalizzate, multivalenti basate sull’auto assemblaggio di piccoli ligandi sulla superficie di nanoparticelle d’oro[11, 12]. In questo modo è stato possibile dimostrare, con un approccio supramolecolare, come si possa finemente regolare la composizione della superficie delle nanoparticelle sfruttando le differenti affinità degli oligoanioni. Di conseguenza si è potuto superare in maniera semplice ed efficace il già citato problema dell’eccessiva omogeneità chimica legata ai sistemi supramolecolari e alle nanoparticelle d’oro funzionalizzate. Quest’idea è stata ulteriormente sviluppata durante l’internato di dottorato[13, 14]. Infatti, sfruttando la natura auto-assemblante degli oligo-anioni su sistemi nanoparticellari cationici, si è pensato di andare oltre il semplice controllo della composizione superficiale di ligandi e di realizzare un vero e proprio sistema nano-enzimatico artificiale di natura supramolecolare. Esso è composto da due elementi fondamentali: 1. Nanoparticelle d’oro passivate con tioli alchilici recanti in posizione Ω un gruppo trimetilammonico (8-Trimetilammonio ottiltiolo  NR4+-AuNPs) in modo da generare una superficie cationica; 2. Oligo-peptidi anionici in grado di legarsi alla superficie delle nanoparticelle. Questi si caratterizzano per una coda C-terminale composta di tre residui di acido aspartico, per un’estremità N-terminale composta di un numero variabile d’Istidine (H0-H3), unite da un residuo di Triptofano (Ac-HnWDDD-OH). Le quattro cariche negative dei residui di Acido aspartico garantiscono un binding efficiente alla superficie cationica, mentre i residui d’Istidina e il Triptofano permettono, rispettivamente, la catalisi e la misurabilità del peptide stesso in termini di concentrazione e binding. Ciascuno dei due elementi preso singolarmente non è un efficiente catalizzatore. Infatti, solamente quando i peptidi si assemblano sulla superficie delle nanoparticelle, il sistema che ne scaturisce è in grado di accelerare l’idrolisi di un substrato modello come il p-Nitrofenil estere della N-CBz-(D)Fenilalanina di due ordini di grandezza rispetto al background. Oltretutto, la multivalenza della superficie nanoparticellare gioca un ruolo cruciale nella modulazione dell’attività catalitica non soltanto mantenendo substrato e catalizzatore in stretto contatto, ma generando un micro-ambiente dotato di un proprio pH locale che aumenta ulteriormente l’efficienza del sistema. Data la natura supramolecolare del sistema e ricordando quanto già visto per i lavori di Prins circa la regolazione della composizione della superficie cationica di nanoparticelle con oligoanioni, il sistema creato è finemente regolabile semplicemente dosando la quantità di componenti che si auto-assemblano sulla superficie delle nanoparticelle medesime. Una volta ottenuto il sistema lead si è voluto scendere nel dettaglio per comprendere le intime peculiarità che lo caratterizzavano come importanza della natura del substrato, importanza della natura dell’emi-catalizzatore peptidico ed importanza della natura della superficie cationica. La sequenza dell’emi-catalizzatore peptidico gioca un ruolo fondamentale nell’efficienza della catalisi con dei requisiti molto stringenti per quanto riguarda l’ordine dei singoli amminoacidi. Mutazioni a carico della sequenza H1 (Ac-HWDDD-OH) concernenti l’ordine e alla lunghezza hanno permesso di concludere che il Triptofano ha un ruolo accessorio nel binding e che la sua posizione deve essere adiacente alla coda anionica C-terminale. L’Istidina deve occupare l’estrema posizione N-terminale perché la presenza di amminoacidi in detta posizione ingombrerebbe il residuo imidazolico diminuendo l’efficienza catalitica del sistema. L’allungamento della sequenza, a parità di ordine, si traduce ancora una volta in una diminuzione dell’attività in ragione di un minore effetto del pH locale, ma con ripercussioni molto inferiori rispetto all’ingombro sterico. Analogamente ad un enzima naturale, tale sistema si è dimostrato avere dei precisi requisiti anche per quanto riguarda le caratteristiche dei substrati che ad esso si vanno a legare. Studi SAR sulla natura del substrato sono stati condotti utilizzando analoghi che presentassero modifiche alla natura e dimensioni del gruppo protettore dell’α-ammina e della catena laterale. I risultati ottenuti hanno permesso di concludere che, in generale, substrati più grandi e idrofobici hanno maggiore affinità per le nanoparticelle in ragione di un probabile nascondimento di superfici idrofobiche nel core alchilico. A parità d’idrofobicità le superfici aromatiche presentano una maggiore affinità e subiscono più facilmente idrolisi (si veda il caso di N-CBz-Leu-ONP e N-CBz-(L)Trp-ONP). Il gruppo protettore dell’α-ammina sembra rivestire un ruolo cruciale nella stabilizzazione del substrato: una riduzione delle sue dimensioni, con conseguente diminuzione dell’idrofobicità, si traduce in un’elevata tendenza all’idrolisi spontanea rendendo inutile il catalizzatore. Tentativi di migliorare la catalisi con approccio supramolecolare sono stati condotti auto-assemblando il sistema in maniera mista con il peptide H2 (Ac-HHWDDD-OH) e una libreria di peptidi (Ac-XXWDDD-OH, dove XX sono Leu, Phe, Ser e Arg nelle 42 combinazioni possibili) ritenuti essere modulatori dell’attività catalitica. I risultati ottenuti non sono stati in linea con le attese e questo probabilmente in relazione al fatto che il l’annullamento dell’effetto di pH non viene compensato dalle necessarie interazioni tra il sistema ed il substrato medesimo traducendosi in una diminuzione dell’attività. Mutazioni a carico della sequenza H1 mediante inserzione di coppie d’identici amminoacidi ai lati del residuo istidinico (Ac-XHXWDDD-OH) sono state condotte nel tentativo di ottenere un intorno chirale che permettesse una catalisi enantioselettiva. Nonostante la forte eterogeneità dei residui scelti (Leu, Phe, Ser, Tyr), il sistema non ha dato i risultati attesi. Dunque, a livello catalitico non sembra essere possibile discriminare gli enantiomeri, ma è auspicabile una discriminazione al momento del binding alla superfici cationica come ci hanno suggerito alcune evidenze sperimentali.

Attualmente, l'accoppiamento fra nanoparticelle metalliche (NP) e materiali foto-attivi rappresenta una via promettente per migliorare le efficienze di dispositivi in applicazioni di fotocatalisi ed energia solare. Nella maggior parte dei casi, il miglioramento dell'efficienza dei dispositivi solari mediante funzionalizzazione con NP core-shell è stato ottenuto attraverso metodi chimici sia per la sintesi che per la deposizione delle NP. Questi metodi sono limitati nella combinazione di materiali di core e shell, così come alcuni inconvenienti legati all'uso di solventi. D'altra parte, le sorgenti di aggregazione di NP basate su magnetron-sputtering, rappresentano un approccio versatile per depositare NP su superfici, con controllo preciso sulle quantità e sulle dimensioni medie, consentendo di ottenere strutture core-shell e/o NP metalliche incorporate in una matrice ultrasottile. Durante il mio progetto di dottorato, esploro le potenzialità nell'applicazione di questa tecnica alle celle solari di perovskite (PSC), con l'obiettivo di studiare le proprietà dei substrati funzionalizzati e di migliorarne l’assorbimento della luce e l'efficienza (PCE). In particolare, le NP core-shell Ag@MgO e Au@MgO vengono depositate sullo strato mesoporoso di TiO2, in PSC a triplo catione. Sono stati considerati ricoprimenti diversi di NP che variano tra l'1 e il 25% e le proprietà strutturali e morfologiche dei substrati funzionalizzati sono state caratterizzate combinando informazioni ottenute da HRTEM, EDX, SEM, AFM e XPS. La struttura delle NP di Ag@MgO è studiata mediante HRTEM ed EDXS, mostrando che il core di Ag presenta una struttura icosaedrica multi-dominio e dimostrando che la crescita di MgO è localizzata attorno ai nuclei di Ag, confermando l’ottenimento di una struttura core-shell. Le proprietà morfologiche delle NP, ad es. le dimensioni laterali e l'altezza, sono determinate rispettivamente tramite SEM e AFM. L'altezza media delle NP H è stimata intorno a 4 nm per le NP di Ag@MgO, e intorno a 6 nm per quelle di Au@MgO, mentre per entrambi i sistemi la dimensione laterale media D è di circa 8 nm. Quest'ultima aumenta in funzione del ricoprimento, cosicché le NP sono caratterizzate da un rapporto D/H variabile tra 1 e 2. Sia per le NP di Ag che per quelle di Au, gli esperimenti di stabilità termica fino a 150°C sono stati monitorati mediante XPS e dimostrano il ruolo benefico svolto da MgO nel preservare la stabilità termica delle NP ed evitarne l'ossidazione. Le trasmissività UV-Vis (T) e le riflettività (R) dei substrati e di quelli arricchiti con NP sono misurate con uno spettrofotometro, determinandone la Optical Loss differenziale (ΔL) per diversi ricoprimenti di NP. Gli spettri ottici dei campioni contenenti Ag@MgO rivelano un picco a 430 nm. Le simulazioni di polarizzabilità delle NP basate su Maxwell-Garnett confermano che il picco è correlato all'assorbimento del LSPR di Ag, mentre la sua posizione dipende dal rapporto D/H. Gli spettri ottici di campioni contenenti Au@MgO rivelano un picco più largo, a 520 nm, mostrando - in accordo con la letteratura e con i risultati delle simulazioni - che la banda di LSPR è più grande che nel caso di NP di Ag. Come ultima fase, viene esaminato l’effetto delle NP di Ag@MgO e Au@MgO nelle PSC. Vengono testati dispositivi con diverso ricoprimento superficiale tra 0 e 25% e per diversi spessori nominali della shell tra 2,5 e 0,6 nm. Per le PSC arricchite con NP di Ag@MgO, il ricoprimento ottimale è di 1,5%, che porta ad un aumento dell’efficienza dei dispositivi del 5%, fino al 17,8%, correlato con l’aumento di JSC e di VOC. D'altro canto, le misure preliminari relative all'incorporazione di NP Au@MgO nelle PSC non hanno determinato un aumento dell'efficienza e meritano ulteriori indagini.
Nowadays, coupling of Metal nanoparticles (NPs) with photo-active materials represents a promising route to enhance device performances in photocatalysis and solar energy applications. In most cases, efficiency improvement in photovoltaic devices by core-shell NP functionalization was obtained via chemical wet methods for both core and shell synthesis and deposition. These methods – though readily suitable for scalability – presents some limitations in combining NP and shell materials, as well as some drawbacks related to the use of solvents. On the other hand, nanocluster aggregation sources based on magnetron-sputtering represent a versatile route to deposit NPs on any selected surface, with precise control of both their quantity and average dimension. Moreover, co-deposition techniques allow to obtain core-shell structures and/or metal NPs embedded in ultra-thin host matrix. During my PhD project, I explore the potentialities of applying this methodology to Perovskite Solar Cells (PSCs), aiming to investigate the properties of these functionalized substrates and, ultimately, to improve their light harvesting and power conversion efficiency (PCE). In particular, Ag@MgO and Au@MgO core-shell NPs are deposited on the mesoporous TiO2 surface Electron-Transport Layer of triple-cation PSCs. Different NP coverage varying between 1-25% has been considered, and the structural and morphological properties of the functionalized substrate has been fully characterized by combining complementary information obtained by HRTEM, EDX, SEM, AFM and XPS. The Ag@MgO NP core-shell structure is investigated with HRTEM and EDXS, showing that the Ag core presents a multi-twinned icosahedral structure and proving that the MgO growth is preferentially localized around the metal cores, i.e. that a core-shell structure is obtained. Furthermore, NP morphological properties, i.e. their lateral size and height, are determined via SEM and AFM, respectively. The average NP height H is estimated around 4 nm and 6nm for Ag@MgO NPs and Au@MgO NPs, respectively, while for both systems the average lateral size D is found around 8 nm. The latter slightly increases as a function of coverage, so that the NP spheroidal shape is characterized by an aspect ratio D/H varying between 1 and 2. For both Ag and Au NPs, XPS annealing experiments performed in UHV up to 150°C demonstrate the beneficial role played by the MgO shell in preserving their thermal stability and avoiding oxidation. The UV-Vis Transmittivity (T) and Reflectivity (R) of pristine and NP-enriched substrates are measured with a spectrophotometer, thus determining the Differential Optical Loss (ΔL) spectra for different NP coverages. For Ag@MgO NP-enriched samples, spectra reveal an intense and broad band, peaked at 430 nm. NP polarizability simulations based on Maxwell-Garnett approach confirm that the band maximum is related to Ag LSPR absorption, while its position depends on the NP aspect ratio. Au@MgO NP spectra reveal a broader optical loss band, peaked at 520 nm, showing - in agreement with literature and with the results of simulations - that the plasmonic loss band is larger than the case with Ag NPs. As last step, the incorporation of core–shell Ag@MgO and Au@MgO NPs into PSCs is investigated. Devices with different NP surface coverage between 0 and 25% and for different nominal shell thickness between 2.5 and 0.6 nm are tested. For Ag@MgO NP-enriched PSCs, the optimum coverage is 1.5%, which leads to a relative increase of 5% in terms of device efficiencies up to 17.8%, related to an increase in both JSC and VOC. On the other hand, preliminary measures of the incorporation of Au@MgO core-shell NPs in PSCs did not result in an efficiency increase and deserve further investigation.

Uno dei concetti chiave dell'impiego della nanotecnologia è quello dell'ingegnerizzazione dei materiali alla nano-scala. Si procede così alla realizzazione di materiali aventi morfologia, struttura e composizione ottimizzate per migliorarne specifiche proprietà in maniera controllata. In questo lavoro sono stati realizzati campioni nanoparticellari a base di magnesio con la tecnica (R-)IGC (Reactive or Inert Gas Condensation) allo scopo di studiare come l'atmosfera nella quale vengono sintetizzati ne influenzi le proprietà morfologiche e strutturali, al fine di poterne controllare la crescita per impieghi specifici. In particolare, si sono voluti analizzare i risultati ottenuti in diverse situazioni: nel caso in cui la sintesi avvenga in un'atmosfera contenente una piccola concentrazione di ossigeno e nel caso della coevaporazione di magnesio e titanio in atmosfera inerte o contenente idrogeno. I campioni sono poi stati analizzati dal punto di vista morfologico, composizionale e strutturale mediante microscopia a scansione elettronica e diffrazione a raggi X. E' stato mostrato che la presenza controllata di ossigeno durante la sintesi permette di realizzare strutture core-shell di dimensione media 40nm e che la co-evaporazione di magnesio e titanio permette la sintesi di nanoparticelle di dimensioni medie anche inferiori ai 12nm. La presenza di idrogeno durante l'evaporazione permette inoltre di crescere nanoparticelle contenenti idruro di titanio senza dover ricorrere ad una idrurazione successiva. Le proprietà termodinamiche e cinetiche di (de)-idrurazione dei campioni sintetizzati sono state misurate utilizzando sia un apparato barometrico Sievert, sia effettuando un'analisi direttamente nel sito di crescita. I campioni realizzati non mostrano una termodinamica significativamente diversa da quella del magnesio bulk, mentre le cinetiche dei processi di assorbimento e desorbimento risultano notevolmente più rapide.

This work describes the preparation and characterization of protein nanoparticles loaded with (R)-9-hydroxystearic acid, (R)-9-HSA. This fatty acid is an endogenous product of lipid metabolism that acts as histone deacetylase 1 inhibitor and exerts anti-proliferative activity by arresting colon cancer cells (HT29) growth in G0/G1 phase. The formation of nanoparticles was induced by hydrophobic interactions between (R)-9-HSA and the hydrophobic protein domains, affording water-stable nanoparticles with no need of toxic cross-linking agents. Nanoparticles were characterized in terms of hydrodynamic diameter, surface charge, morphology and thermogravimetric behavior. The controlled release of (R)-9-HSA from nanoparticles was determined at 37°C and at different pH values by internal standard method with quantitative 1H-NMR spectroscopy (qNMR). The in vitro evaluation of nanoparticles uptake and cytoxicity was performed on human colorectal adenocarcinoma cells (HT29). Collected data show that the activity of (R)-9-HSA as free or loaded onto nanoparticles is similar in terms of anti-proliferative effect; however, some significant differences were observed in the cell cycle analysis, showing that while free (R)-9-HSA causes a growth arrest in the G0/G phase, it induces a S phase arrest when loaded on nanoparticles. In summary, protein nanoparticles loaded with (R)-9-HSA, described here for the first time, represent an effective tool against colon cancer cells proliferation. Additional studies are ongoing to better elucidate the underpinning biochemical mechanism of action of our newly developed delivery system.

L’uso di molecole stabilizzanti (polimeri, surfattanti o leganti organici) nel corso della sintesi di nanoparticelle in sospensione è fondamentale per permettere il controllo della dimensione della fase attiva e per evitare l’aggregazione dei colloidi nella fase di sintesi e deposizione del sol metallico sul supporto. Nonostante questo, molto spesso, l’effetto dello stabilizzante non è solo quello di modificare le proprietà morfologiche (ad esempio la dimensione) delle nanoparticelle supportata ma anche di cambiare l’interazione della fase attiva con i reagenti dal punto di vista elettronico e diffusionale. La messa a punto di metodologie di sintesi controllate ed efficaci è molto importante. Le tecniche di sintesi utilizzate per la preparazione di catalizzatori a base di metalli nanostrutturati sono innumerevoli, ma una metodologia particolarmente interessante, che garantisce piccole dimensioni delle nanoparticelle ed un’elevata distribuzione del metallo sul supporto, è la tecnica della sol-immobilization. In questo lavoro di tesi è stato studiato come il tipo e la quantità di stabilizzante influisce sulla dimensione della nanoparticella e sull’attività catalitica del catalizzatore, usando come reazione modello l’ossidazione selettiva dell’5-idrossimetilfurfurale (HMF) ad acido 2,5 furandicarbossilico (FDCA).

Negli ultimi tempi sta assumendo grande importanza la ricerca sulla produzione di idrogeno dall’acqua tramite celle foto-elettrolitiche. In questa tesi vengono descritte le analisi condotte su un materiale che può essere coinvolto in questa applicazione: il TiO2 drogato con atomi di V. In particolare è stato valutato l’effetto del drogaggio sull’energy gap tramite misure di trasmittanza ottica effettuate in laboratorio su campioni con diverse concentrazioni di V e trattati termicamente a varie temperature. Nel primo capitolo vengono descritte le caratteristiche dei semiconduttori legate all’ottica, soffermandosi in particolare sul TiO2. Nel secondo capitolo sono illustrati l’apparato e il metodo sperimentale; viene inoltre fornita una descrizione dettagliata dei campioni analizzati. Nel terzo capitolo vengono esposti i risultati delle analisi dei dati.

Durante il mio progetto di tesi mi sono dedicata alla sintesi di nanoparticelle di silice ottenute attraverso metodo Stober. Alcune delle particelle così ottenute sono state poi peghilate con l’utilizzo di PEG-silano di differenti pesi molecolari. Sono state effettuate caratterizzazioni di tipo chimico-fisico delle nanoparticelle: FE-SEM, IR, DLS ed analisi dei tempi di dissoluzione delle particelle in acqua. Prove preliminari di sintesi ed attacco di PEG-ammino alle nanoparticelle. Sono state inoltre effettuate analisi di tipo biologico: saggi di vitalità su diverse linee cellulari (macrofagi, fibroblasti, cellule tumorali), prove di adsorbimento di BSA. Inoltre sono state eseguite prove preliminari di biodistribuzione delle nanoparticelle in modello animale ed attacco di un anticorpo sulla superficie delle stesse.