Littérature scientifique sur le sujet « Nanostrutture di carbonio »

2006/2007
I nanotubi di carbonio sono stati scoperti nel 1991 da Iijima, che osservò la loro presenza come prodotto secondario durante la produzione dei fullereni. Questi derivati sono considerati forme allotropiche del carbonio e hanno trovato un considerevole impiego nel campo dei materiali grazie alle loro proprietà meccaniche ed elettroniche ma anche in campo biologico per la loro capacità di attraversare agevolmente la membrana cellulare secondo un meccanismo non ancora perfettamente identificato e agire da nanosiringhe per l’introduzione di molecole terapeutiche, farmaci, proteine, geni e antigeni all’interno delle cellule. I CNTs “pristine” contengono particelle di catalizzatore o di carbone amorfo derivanti dal processo industriale di produzione e i loro derivati funzionalizzati presentano a volte sottoprodotti di reazione. Tutte queste impurità potrebbero alterare le proprietà del derivato sintetizzato durante l’analisi o lo studio delle loro applicazioni. Risulta evidente la necessità di ricercare una metodologia adeguata sia per la purificazione che per la funzionalizzazione dei CNTs e poter utilizzare questi composti più agevolmente. La reazione di cicloaddizione 1,3-dipolare si è dimostrata una buona tecnica per l’introduzione di gruppi funzionali sui nanotubi. Derivati delle clorossime e differenti ilidi azometiniche sono state utilizzate in questo processo sintetico. In particolare l’utilizzo di paraformaldeide e dell’α-amminoacido a catena polietilenglicolica, ha portato a un buon grado di funzionalizzazione con la separazione di due frazioni di CNT, i s-CNT e i l-CNT denominati così a seconda della loro lunghezza media. Queste due frazioni sono state completamente caratterizzate mediante microscopia elettronica, spettroscopia Raman, analisi termogravimetrica TGA e spettroscopia UV-Vis-NIR. I s-CNT hanno mostrato un’elevata solubilità e dimensioni ridotte che vanno da 50 nm a un massimo di 300 nm. Grazie al loro elevato grado di funzionalizzazione risultano essere i più interessante a livello biologico ma contengono un’elevata concentrazione di impurità dovute principalmente ai sottoprodotti di reazione della cicloaddizione. In letteratura non esiste un protocollo universale per la purificazione di derivati funzionalizzati dei nanotubi e per questo motivo sono state utilizzate varie metodologie per ricercare la procedura più appropriata. L’inconveniente principale è stato l’interazione irreversibile dei CNTs con la fase stazionaria o il mancato raggiungimento di un accettabile grado di purezza. Tali problematiche sono state superate grazie all’utilizzo di un nuovo tipo di cromatografia liquido-liquido, la Counter Current Chromatography (CCC). Nella CCC sia la fase mobile che la stazionaria sono costituite da un liquido e consente di recuperare completamente il campione iniettato risolvendo il problema dell’adsorbimento irreversibile dell’analita. Inoltre tale tecnica è molto versatile poiché dispone di una vasta gamma di miscela di solventi permettendo il conseguimento di una buona purificazione del campione iniettato. Un secondo aspetto preso in considerazione nell’ambito della presente tesi è stato lo sviluppo di una metodologia sintetica per la funzionalizzazione di CNT “pristine” mediante cicloaddizione 1,3-dipolare con l’impiego delle microonde. L’utilizzo di queste radiazioni elettromagnetiche ha portato a un aumento della resa di reazione, una riduzione dei tempi normalmente richiesti in condizioni classiche e la possibilità di evitare l’impiego di solventi di reazione rendendo tale protocollo non solo ecocompatibile ma risolvendo soprattutto il problema della limitata solubilità del materiale “pristine” nei comuni solventi organici al momento della funzionalizzazione. Inoltre il perfezionamento di questa tecnica ha permesso lo scaling-up che ha portato alla funzionalizzazione, in una sola ora di reazione e senza l’utilizzo di solvente, di un grammo di nanotubi aumentando di 100 volte la quantità di CNT che si è soliti utilizzare durante la funzionalizzazione. Questi risultati, accompagnati da ulteriori studi per la derivatizzazione di una quantità maggiore di CNT, sono promettenti per una possibile applicazione su scala industriale. E’ stato eseguito uno studio preliminare dell’effetto delle microonde sui nanotubi metallici e semiconduttori. Infatti a seconda di come il piano di grafite si avvolge su se stesso è possibile ottenere nanotubi di carbonio con differenti proprietà elettroniche. E’ stata studiata l’influenza di tale radiazione elettromagnetica su questi due tipi di CNT tramite spettroscopia Raman al fine di ottenere una separazione in base alle loro proprietà elettroniche. Si è utilizzato un metodo indiretto per verificare la presenza dell’anello pirrolidinico sulle pareti dei CNT mediante prove chimiche. Si è infatti indotta una retrocicloaddizione dei nanotubi funzionalizzati, intrappolando il dipolo generato con il fullerene. E’ stata inoltre studiata un doppia funzionalizzazione di CNT utilizzando la cicloaddizione 1,3-dipolare e una reazione radicalica detta di “Tour”. Inizialmente sono stati introdotti anelli pirrolidinici mediante cicloaddizione che dovrebbero funzionalizzare principalmente le teste dei nanotubi; successivamente il derivato così ottenuto è stato trattato con p-toluidina nelle condizioni della “Tour” per completare la funzionalizzazione anche della restante parte del tubo. Sono al momento in corso studi di STM per confermare questa ipotesi di distribuzione dei gruppi funzionali. A seguito della cicloaddizione ci si attende le immagini STM mostrino una maggiore densità elettronica concentrata principalmente sulle teste mentre a seguito della “Tour” si suppone ci sia una distribuzione più uniforme lungo tutta la superficie del tubo.
1980

2011/2012
Carbon nanotechnology has evolved into a truly interdisciplinary field, bridging material science with medicine. Fullerenes (C60) play a major role in this field and are currently explored for biomedical applications such as radiopharmaceuticals and contrast agents, gene delivery and as carriers for chemotherapeutics. Five fullerene derivatives (F1, F2, F3, F4 and F5), functionalized by 1,3-dipolar cycloaddition of azomethine ylides to the C60 cage, were studied in vitro for their toxicity in a number of cell types and with different assays. Cell cytotoxicity on human mammary carcinoma cell line (MCF7), evaluated with the MTT and NRU tests and further confirmed by a flow cytometry approach with DiOC6 and PI probes, showed that derivative F2 was free of necrotic or apoptotic effects even after a long lasting cell exposure. F3 (differing from F2 for an additional positive charge obtained by quaternarization of the pyrrolidinic nitrogen by introducing a methyl group) was more toxic compared to the other compounds in all cellular models employed (HCT116, MCF7, MCF7/ADR, HT-29, H460, B16F10 and MDAMB231). Its IC50 is 20 µM after 72 hr of incubation by MTT test, and cell accumulation in the G1 phase and arrest in G0 phase (30%) was also observed. The mechanism of cellular uptake (studied with a fluorescein-bearing derivative of F2, hereafter called derivative F2-FITC), and the intracellular distribution were analyzed on MCF7 cell line. The studies of F2 biological effects have shown that this compound is able to enter the treated cells, probably by passive diffusion, to distribute within the cell cytoplasm, without getting into the nucleoplasm or into organelles such as lysosomes and mitochondria; these processes were evaluated by flow cytometry and confirmed by confocal microscopy. Experiments were performed on a multidrug resistant human mammary carcinoma cell line MCF7/ADR, a sub-line resistant to Doxorubicin because of the overexpression of the P-glycoprotein (P-gp) extrusion pump. The choice of these cells was based on our objective to conjugate the anticancer drug Doxorubicin to the fullerene vector in order to overcome adriamycin resistance. The F2 cellular uptake on MCF7/ADR and its maintenance of a constant concentration into cells seem to be insensitive to the presence of P-gp over-expression. These data suggest the possibility for derivative F2 to be used as carrier for anticancer drugs. The experiments on conjugated F2-DOX were made above all to verify if the activity of the drug linked to the fullerene remained the same as the free drug. Furthermore we studied the cellular uptake of F2-DOX in both MCF7 and MCF/ADR lines. Cytotoxicity tests have shown that F2-DOX has an irrelevant activity compared to free drug because Doxorubicin cannot get into the nucleus to perform its activity as it remains linked to F2. Nevertheless, the internalization of F2-DOX is higher in MCF7/ADR compared to the free drug. Fluorescent microscopy technique suggested that the F2-DOX inactivity might be associated with the stability of the bond between the carrier and the drug, which is not released and so is localized in the cytosol, as we have also observed for F2. Since many studies showed contradictory results and the molecular and cellular mechanisms of the cytotoxicity of this class of nanomaterials are not yet fully understood we performed a whole genome expression analysis, by high throughput RNA sequencing, using Illumina technologies. All together, the RNA-seq expression data confirmed the experimental evidence collected with previous in vitro studies showing that F3 is definitely the derivative causing more alterations on MCF7 cells on both the molecular and the cellular levels. However, also F2 is capable of affecting the same molecular pathways, although to a much lower intensity, since neither cytotoxic effects nor cell cycle arrest could be documented. The most important, and somewhat unexpected, result of our analysis was certainly the lack of molecular evidence concerning the activation of the main cellular pathways leading to cell death and often linked to fullerene toxicity in literature. In fact apoptosis, autophagy and ROS damage does not seem to be included among the most relevant molecular effects of F3, which on the contrary are mainly linked to the arrest of the transcription and protein synthesis machineries, leading to the entry in the G0 cell cycle phase. The RNA-seq analysis was able to identify several additional effects of fullerenes which had not been previously described, offering a complete overview of the gene expression alterations induced by these compounds on a whole-transcriptome level. Therefore the combination of large scale molecular analysis and the main viability assays might represent a valuable tool for a better understanding of the toxicity of fullerenes and other nanomaterials.
L’impiego di nanostrutture di carbonio, come i fullereni, in campo biomedico è di forte interesse, sia per le sue possibili applicazioni terapeutiche che diagnostiche. Un potenziale vantaggio di questi composti è la possibilità di essere strutturati per essere facilmente internalizzati dalle cellule e grazie alla loro ampia area superficiale e volume interno possono agire come sistemi di drug delivery per il trasporto di farmaci. Cinque fullereni funzionalizzati (F1, F2, F3, F4 e F5) sono stati studiati in vitro per la loro tossicità in un certo numero di linee cellulari e con dosaggi e tempi di incubazione diversi con l’obiettivo di valutare se gli effetti tossici o meno di questi composti possano variare a seconda dalla linea cellulare utilizzata. I modelli di studio utilizzati sono linee cellulari neoplastiche di carcinoma mammario umano (MCF7, MCF7/ADR e MDAMB231), di adenocarcinoma umano di colon (HT-29 e HCT116), di adenocarcinoma polmonare umano non a piccole cellule (H460) e di melanoma murino (B16F10). Gli studi di citotossicità hanno permesso di individuare un fullerene che presenta una limitata tossicità (F2) con il quale sono state eseguite prove citofluorimetriche sulla linea MCF7 che hanno dimostrato come sia in grado di attraversare le membrane plasmatiche e di accumularsi nelle cellule già dopo un’ora, aumentando in quantità fino a 12 ore. L’analisi è stata condotta fino alle 72 ore, tempo in cui il valore di fluorescenza del fullerene sembra rimanere stabile. Mediante microscopia a fluorescenza, sono stati condotti studi di distribuzione sub-cellulare, dai quali è emerso che F2 non colocalizza né a livello mitocondriale nè lisosomiale; quest’ultima evidenza lo renderebbe un vettore stabile per farmaci acido-labili. Inoltre, la mancata internalizzazione del fullerene a livello nucleare escluderebbe la possibilità di un danno diretto a carico del materiale genetico. In parallelo sono stati condotti i primi esperimenti sul coniugato F2-DOX ma le prove di citotossicità hanno indicato che il coniugato, nella linea MCF7 ed MCF7/ADR, ha attività irrilevante rispetto alla Doxorubicina libera. Tuttavia risulta che la Doxorubicina trasportata da F2 viene internalizzata maggiormente nella linea MCF7/ADR rispetto alla linea MCF7, contrariamente a quanto avviene con il farmaco libero. È possibile quindi affermare che F2 si potrebbe dimostrare un valido vettore per eludere il problema della multidrug resistence nei confronti di farmaci antitumorali causata dall’attività estrusiva della pompa P-gp. L’ostacolo da superare rimane quindi la scelta del farmaco da coniugare visto che questo ipotetico vettore non entra nel nucleo (e che quindi la Doxorubicina e altri antitumorali ad azione nucleare non potrebbero svolgere le proprie funzioni) nelle linee studiate. In alternativa si potrebbe pensare di legare il farmaco al fullerene attraverso un legame più debole in modo da facilitarne il rilascio citosolico. Dal momento che molti studi di tossicità hanno mostrato risultati contraddittori ed i meccanismi molecolari di questa classe di nanomateriali non sono ancora pienamente compresi abbiamo effettuato un’analisi dell’intero trascrittoma sfruttando la tecnologia Illumina. I dati ottenuti mediante l’utilizzo di questa tecnica di next generation sequencing (RNA-Seq) hanno confermato l'evidenza sperimentale raccolta con i precedenti studi in vitro dimostrando che F3 è sicuramente il derivato che causa più alterazioni sulle MCF7, sia a livello molecolare che cellulare. Tuttavia è stato osservato che F2 è in grado di pregiudicare le stesse vie molecolari, anche se con un'intensità molto più bassa. Il risultato più importante, e inaspettato, emerso dalle nostre analisi è stato certamente la mancanza di prove molecolari riguardanti l'attivazione delle vie principali che portano alla morte cellulare e spesso legati alla tossicità fullerene, come descritto in letteratura. Apoptosi, autofagia o stress da produzione di ROS non sembrano essere inclusi tra gli effetti molecolari più rilevanti di F3, che al contrario sono principalmente legati all'arresto della trascrizione e alla sintesi proteica, fenomeni che conducono all’arresto della divisione e all'entrata in fase G0. L'analisi di RNA-seq è stata in grado di identificare diversi effetti addizionali dei fullereni che non erano state precedentemente descritti, offrendo una panoramica completa delle alterazioni di espressione genica indotte da questi composti sull’intero trascrittoma. Quindi la combinazione di analisi molecolari su larga scala e saggi di vitalità potrebbe rappresentare un valido strumento per una migliore comprensione della tossicità dei fullereni ed altri nanomateriali.
XXV Ciclo
1984

2006/2007
“Funzionalizzazione ed applicazione di carbon nanohorns e di carbon onions” Dalla scoperta della microscopia a scansione a sonda (SPM) nel 1980 a quella del fullerene, molti sono stati i premi Nobel nel campo delle Nanotecnologie. Diverse compagnie, attualmente, hanno investito fondi in questo settore. Ma cosa sono le Nanotecnologie? La parola e’utilizzata per descrivere diversi tipi di ricerca dove le dimensioni caratteristiche sono dell’ordine dei nanometri. I principali approcci impiegati nell’assemblaggio del materiale sono: “top-down” (dal più grande al più piccolo) e “bottom-up” (dal più piccolo al più grande). Il primo consiste nel ridurre le dimensioni della struttura fino alla nanoscala. Il secondo, proposto per la prima volta nel 1959 da Richard Feyman nel congresso dell’American Physical Society, consiste nel partire da strutture nanometriche per realizzare dei sistemi più grandi attraverso assembly o selfassembly. Attualmente, i principali strumenti, per caratterizzare e manipolare nano strutture, sono SEM (Microscopia a Scansione Elettronica) TEM (Microscopia a Trasmissione Elettronica), AFM (Atomic Force Microscopy) e STM (Microscopia a corrente di Tunnelling). Nanotubi, fullerene e recentemente carbon nanohorns (CNHs) e carbon onions (multishell fullerene, CNOs) sono considerati buoni candidati per applicazioni in differenti settori delle nanotecnologie. CNOs e CNHs sono due nuove forme allotropiche di carbonio, scoperte rispettivamente da Ugarte nel 1992 e da Iijima nel 1999, che hanno attratto l’attenzione di molti ricercatori. Negli ultimi tre anni, diversi studi sono stati riportati sui CNHs mentre i CNOs sono ancora largamente inesplorati. I pristine carbon nanohorns (p-CNHs) e CNOs (p-CNOs) non sono solubili nei comuni solventi organici ma, per studiare le loro potenziali applicazioni nel campo delle scienze dei materiali, è necessario migliorarne la solubilità. Il primo aspetto, preso in considerazione in questa tesi di dottorato, riguarda la funzionalizzazione e la caratterizzazione dei CNHs. A tale proposito, è stato sintetizzato un amminoacido impiegato nella reazione di ciclo addizione 1,3-dipolare. Reazioni di amidazione e di addizione nucleofila, inoltre, hanno portato alla sintesi dei due primi sistemi in cui CNHs fungono da elettron accettori e la porfirina da elettron donatori al fine di studiare il trasferimento elettronico tra la porfirina ed CNHs. Successivamente, sia i CNOs di 5 nm (N-CNOs) che di 20 nm di diametro (A-CNOs) sono stati presi in considerazione e paragonati. Dato che gli N-CNOs risultano più reattivi, sono stati utilizzati nella sintesi di nuovi sistemi in cui CNOs fungono da elettron accettori ed il ferrocene da elettron attrattore. Per la prima volta, sono state eseguite delle misure di fotofisica e di elettrochimica del derivato ottenuto. La tesi è divisa in 4 capitoli. Il primo riguarda una descrizione panoramica delle diverse forme allotropiche del carbonio, in paricolare nanotubi e fullereni. Tecniche come arco elettrico, ablazione con laser di grafite e la deposizione mediante vapore chimico sono descritte brevemente. Quindi tre diversi approcci per funzionalizzare le nanoparticelle di carbonio sono riportati in dettaglio. Nel secondo capitolo sono stati introdotti i CNHs, le loro proprietà ed applicazioni ed un confronto tra i nanotubi e CNHs. Infine tre differenti studi sono stati affrontati: · Funzonalizzazione mediante cicloaddizione 1,3-dipolare per migliorare la solubilità dei CNHs; · Funzionalizzazione dei CNHs attraverso addizione nucleofila e reazione con la porfirina; · Funzionalizzazione dei CNHs mediante amidazione e reazione con la porfirina. Il trasferimento elettronico tra porfirina e CNHs è stato discusso. Nel terzo capitolo sono stati introdotti e confrontate le proprietà dei diversi tipi di CNOs. Successivamente e’ stato descritto uno studio relativo alla: · Funzionalizzazione mediante cicloaddizione 1,3 dipolare e reazione con l’acido carbossilico del ferrocene. L’nterazione elettronica tra il ferrocene ed i CNOs è stata studiata. Tutti i dettagli sperimentali sono descritti nel quarto capitolo.
“Functionalization and application of carbon nanohorns and carbon onions” Since the discovery of scanning probe microscope (SPM) in 1980 to that of fullerene, several Nobel Prizes have been awarded in Nanotechnology. Many companies are also currently working in this field such as IBM and Samsung. Government and corporations worldwide have invested over $ 4 billion into nanotechnology in the last year alone. What is exactly Nanotechnology? The word “Nanotechnology” is used to describe different types of research where the characteristic dimensions are in a nanometer range. Two main approaches are used to assemble materials at the nanoscale: “top-down” (from larger to smaller) and “bottom-up” (from smaller to larger). The first one consists in reducing the dimension of the structures until nano levels. The second one was proposed for the first time in 1959 by Richard Feyman in the annual congress of American Physical Society. It consists in using nanometric structure, such as a molecule, and to create a mechanism larger through a process of assembly or self-assembly. To characterize and manipulate nanostructures, sophisticated techniques are required. Presently the main instruments are SEM (Scanning Electron Microscopy), TEM (Transmission Electron Microscopy), AFM (Atomic Force Microscopy), STM (Scanning Tunnelling Microscopy). Carbon nanoparticles such as carbon nanotubes (CNTs), fullerenes and recently carbon nanohorns and carbon onions, are considered good candidates in different nanotechnological applications. Carbon onions (multishell fullerene, CNOs) and carbon nanohorns (CNHs) are new allotropes of carbon. Discovered respectively by Ugarte in 1992 and by Iijima in 1999, these carbon nanoparticles start to attract the attention of many researchers. In the last three years, several studies have been reported about CNHs while CNOs are still largely unexplored. Pristine carbon nanohorns (p-CNHs) and CNOs are not soluble in common solvents. In order to study their potential applications in the field of material science, improving their solubility was necessary. First I focused my attention on the functionalization and characterization of CNHs. An aminoacid was synthesized and used in 1,3-dipolar cycloaddition reaction. This functionalization leads to an increase of the solubility of CNHs in various organic solvents. Using other reactions, such as amidation or nucleophilic additions, two assemblies, in which CNHs are electron acceptors and porphyrins the electron donors, were synthesized and the electron transfer between the porphyrins and the CNH core was studied. Then, CNOs either of 5 nm or 20 nm of diameter were synthesized, respectively by annealing of nanodiamonds and by arc discharge. These two samples of CNOs present different properties and reactivity. As CNOs produced by annealing of nanodiamonds are more reactive, they were used to synthesize a new assembly, in which CNOs are the electron acceptors and ferrocene the electron donors. For the first time, electrochemical and photophysical measurements of CNOs were performed. The thesis is divided in four chapters. The first one provides an overview of carbon allotropes, in particular CNTs and fullerenes. Different techniques as arc discharge, laser ablation and chemical vapour deposition are briefly described. Finally three general approaches to functionalize carbon nanoparticles are reported in detail. In the second chapter CNHs are introduced. The properties and the applications are shown. A comparison between CNTs and CNHs is also given. Then three different studies are presented: · Functionalization by 1,3-dipolar cycloaddition to improve the solubility of CNHs; · Functionalization by nucleophilic addition and coupling with porphyrin; · Functionalization by amidation and coupling with porphyrin. The electron transfer between the porphyrin and CNH core is discussed. In the third chapter CNOs are introduced. Two different type of CNOs are described and compared in order to choose the more reactive nanoparticles. Then a study is reported: · Functionalization by 1,3 dipolar cycloaddition and coupling with ferrocene carboxylic acid. The interaction between the ferrocene moiety and the CNOs is discussed. All the experimental details are given in the fourth chapter.
XX Ciclo
1976

2013/2014
La nanotecnologia è chiamata a rivoluzionare molti settori della nostra vita. Tra tutti i campi in cui è convolta, la ricerca delle energie rinnovabili, la possibilità di ottenere acqua pulita in tutte le parti del mondo, il miglioramento della salute e l’aumento dell’aspettativa di vita e lo sviluppo di sistemi informatici, sono gli obiettivi che si distinguono. Le nanostrutture di carbonio sono materiali promettenti che possono aiutare a raggiungere questi obiettivi: includono fullereni, grafene, nanotubi e nanohorns di carbonio. Tutti hanno proprietà interessanti e offrono nuovi vantaggi per le applicazioni in chimica dei materiali e nella medicina. Il nostro gruppo di ricerca ha sviluppato interessanti metodi per modificare queste nanostrutture per poterli applicare nei campi sopra menzionate. In questo contesto, lo scopo generale di questa tesi è il disegno di sistemi multifunzionali basati su nanostrutture di carbonio destinati ai sensori e alle applicazioni biologiche. Nel capitolo 1, viene fatta una breve panoramica dei nanotubi e i nanohorns di carbonio, spiegando la loro struttura, le loro proprietà e le loro applicazioni. Inoltre, vengono descritte le diverse strategie per la loro funzionalizzazione. Il riconoscimento molecolare gioca un ruolo importante in molti sistemi biologici. In flavoproteine, l'interazione specifica tra il cofattore flavina e l’apoenzima determina la reattività della proteina. Di conseguenza, la modulazione dell'ambiente delle flavine può essere utilizzata come strumento per determinare il loro comportamento e anche per comprendere i processi molecolari negli enzimi. Con questi obiettivi in mente, nel capitolo 2 è descritta la sintesi di differenti derivati basati sul sistema nanotubi di carbonio-triazina per l’uso come ricevitori di riboflavina. In primo luogo, la sintesi e la caratterizzazione di diverse 1,3,5-triazine sono riportate. In una seconda fase, viene descritta la funzionalizzazione di nanotubi di carbonio a parete singola e a parete multipla con le differenti triazine e anche con catene di p-tolil, impiegando le radiazioni microonde. Dopo, si riporta la caratterizzazione completa di questi derivati con varie tecniche. L’auto-assemblaggio degli ibridi è stato analizzato con microscopia elettronica a trasmissione, osservando come i funzionalizzati con 1,3,5-triazine formano buone dispersioni in acqua, mentre loro si auto-assemblano in solventi non polari a causa del riconoscimento di legami d’idrogeno complementari. Tuttavia, derivati funzionalizzati con p-tolil formano migliori dispersioni in solventi organici ed invece si auto-assemblano in acqua. Viene poi studiata la capacità dei nanotubi di carbonio funzionalizzati a parete multipla di riconoscere la riboflavina con la spettroscopia di fluorescenza e ultravioletta visibile, analizzando la grandezza delle interazioni non-covalenti. Si vede come la funzionalizzazione covalente dei nanotubi di carbonio diminuisce la loro capacità di formare interazioni  mentre le interazioni di legame d’idrogeno giocano un ruolo fondamentale nel processo di riconoscimento tra i membri del sistema. Inoltre, si è demostrata l’influenza dei tipi di triazine nel comportamento della riboflavina. In questo modo, è dimostrata la modulazione del riconoscimento molecolare della riboflavina attraverso i diversi nanotubi. Così, recettori artificiali in processi di catalisi possono essere specificamente disegnati per ottenere il controllo delle interazioni tra i nanotubi di carbonio funzionalizzati e la riboflavina, modificando il suo comportamento. Inoltre, le dimensioni e le eccellenti proprietà di nanotubi permettono di utilizzarli come strumento nella progettazione di sensori per la rivelazione di singole molecole. Nel capitolo 3 si riporta la modifica di nanohorn di carbonio per l'impiego come farmaci selettivi nella terapia del cancro è rapportata. Prima, si mostra la sintesi e la caratterizzazione di diversi ibridi di nanohorn: Antibody-CNH, Drug-CNH, Antibody-Drug-CNH e Double Functionalized-CNH. In particolare vengono usati cisplatino, come profarmaco, ed un anticorpo specifico per le cellule che mostrano l’antigene PSMA (Prostate-specific membrane antigen). Di seguito, vengono presentati diversi esperimenti biologici sviluppati in collaborazione con il professor Marco Colombatti dell’Università degli Studi di Verona (Italia). L’ibrido Antibody-Drug-CNH possiede una migliore capacità di uccidere selettivamente le cellule che presentano l'antigene PSMA, rispetto ad altri derivati di nanohorns. Il nuovo sistema progettato offre un grande potenziale dato dalla possibilità di modificare il tipo e il grado di funzionalizzazione. Questo permette di variare la quantità di farmaco o di anticorpo nelle nanostrutture con lo scopo di migliorare l’efficienza dei nuovi derivati. Inoltre, questo metodo può incorporare altri farmaci o anticorpi al sistema, aprendo la porta al trattamento di altre malattie. Il capitolo 4 descrive l'applicazione di diverse nanostrutture di carbonio nella terapia genica. Prima, si mostra la funzionalizzazione di nanohorns di carbonio con gruppi amminici, impiegando diversi metodi che utilizzano le radiazioni a microonde (cicloaddizione 1,3-dipolare e addizione radicalica). In seguito, viene presentato il lavoro svolto in "the Nanomedicine Lab" (Università di Manchester), sotto la supervisione del Prof. Kostas Kostarelos. L'efficacia dei nanohorns di carbonio funzionalizzati per formare complessi con siRNA è comparata con quella dei nanotubi di carbonio forniti dal gruppo del professor Kostarelos. Si è visto come i nanohorn di carbonio formino complessi con siRNA a differenza dei nanotubi. I complessi siRNA/nanohorn si caratterizzano utilizzando varie tecniche e viene analizzata la loro capacità di rilasciare il siRNA. Sebbene nanohorn di carbonio funzionalizzati con l’addizione radicalica mostrano una forte interazione con il materiale genetico, i derivati funzionalizzati con la cicloaddizione 1,3-dipolare lo rilasciano più facilmente. I risultati suggeriscono che, per conseguire il miglior carrier, la complessazione totale del siRNA con le nanostrutture dovrebbe essere evitato. Tuttavia, gli ibridi devono essere analizzati in vitro per garantire la migliore scelta. Questo studio contribuisce alla comprensione dell’uso di nanohorn di carbonio come vettori per terapia genica; ma, un maggior numero di derivati deve essere analizzato per un confronto completo con i nanotubi di carbonio.
La nanotecnología se presenta como una nueva ciencia que podrá revolucionar multiples aspectos de nuestras vidas. Entre los numerosos campos en los que la nanotecnología está centrada, la búsqueda de energías renovables, la posibilidad de obtener agua limpia en cualquier parte del mundo, la mejora de la salud y la longevidad de las personas así como el avance de los sistemas informáticos, son los objetivos que más destacan. Las nanoestructuras de carbon son nanomateriales prometedores que pueden ayudar a lograr esas metas. Estos materiales incluyen fullerenos, grafeno, nanohorns y nanotubos de carbono, entre otros. Todos ellos presentan propiedades interesantes y ofrecen nuevas ventajas para aplicaciones en química de materiales y medicina. Nuestro grupo de investigación ha desarrollado metodologías interesantes para la modificación de esas nanoestructuras con el objeto de que puedan ser útiles en las aplicaciones citadas anteriormente. En ese contexto, el objetivo general de esta tesis es el diseño de sistemas multifuncionales basados en nanoestructuras de carbono para ser usados en sensores y en aplicaciones biológicas. En el capítulo 1 se detallan la estructura y las propiedades de los nanohorns y los nanotubos de carbono junto a sus aplicaciones. Además, se muestra un resumen de las diferentes metodologías usadas para su funcionalización. El reconocimiento molecular juega un papel importante en numerosos sistemas biológicos. En flavoproteinas, la interacción específica entre el cofactor flavina y la apoenzima determina la reactividad total de la proteina. De este modo, la modulación del entorno de la flavina puede usarse como herramienta para determinar su comportamiento y, además, para entender los procesos moleculares en las enzimas. Con esos objetivos en mente, en el capítulo 2 se describe la síntesis de diferentes derivados basados en el sistema nanotubo de carbono-triazina para usarlos como receptores múltiples de riboflavina. En primer lugar, se sintentizan y caracterizan distintas 1,3,5-triazinas. En un segundo paso, se funcionalizan nanotubos de carbono tanto de pared simple como de pared multiple con las diferentes triazinas así como con cadenas de p-tolilo usando radiación microondas, y esos derivados se caracterizan completamente mediante diversas técnicas. El autoensamblaje de los híbridos se analiza mediante microscopía de transmisión electrónica observando como los derivados de 1,3,5-triazinas forman buenas dispersiones en agua y se autoensamblan en disolventes no polares debido al reconocimiento mediante enlaces de hidrógeno complementarios. Sin embargo, los derivados de p-tolilo forman mejores dispersiones en disolventes orgánicos y se agregan en agua. Finalmente, la habilidad de los nanotubos de carbono de pared múltiple funcionalizados para reconocer la riboflavina se estudia mediante fluorescencia y espectrocopía ultravioleta visible, analizando el alcance de las interacciones no covalentes. La funcionalización covalente de nanotubos de carbono disminuye su habilidad para formar interacciones  mientras que las interacciones mediante enlaces de hidrógeno juegan un papel fundamental en el proceso de reconocimiento entre los componentes del sistema. También se estudia la infuencia de las diferentes triazinas en el comportamiento de los complejos. De esta manera, se demuestra la modulación del reconocimiento de la riboflavina por medio de los diversos híbridos de nanotubos de carbono. Así, los receptores artificiales en procesos de catálisis pueden ser específicamente diseñados para lograr control de la interacción entre los nanotubos de carbono funcionalizados y la riboflavina, modificando así su comportamiento. En el capítulo 3 se describe la modificación de nanohorns de carbon para ser usados como fármacos selectivos en la terapia contra el cancer. En primer lugar se muestra la síntesis y caracterización de diferentes híbridos de nanohorns: Antibody-CNH, Drug-CNH, Antibody-Drug-CNH and Double Functionalized-CNH. En particular se usan cisplatino en forma de prodroga y un anticuerpo específico (D2B) para células de próstata que muestran el antígeno PSMA. Finalmente se presentan diferentes experimentos biológicos desarrollados en colaboración con el profesor Marco Colombatti, de la Universidad de Verona (Italia). Se demuestra la mejor habilidad del híbrido Antibody-Drug-CNH para matar selectivamente células que muestran el antígeno PSMA en comparación con los otros derivados de nanohorns. El nuevo sistema diseñado ofrece gran potencial debido la la posibilidad de modificar tanto el tipo como el grado de funcionalización. Esto permite variar la cantidad de fármaco o anticuerpo en la nanoestructura con el objetivo de conseguir una mejor eficacia del derivado. Además, con este método se pueden incorporar otros fármacos o anticuerpos al sistema, lo que abre la puerta al tratamiento de otras enfermedades. El capítulo 4 describe la aplicación de distintas nanoestructuras de carbono en terapia génica. Primero se muestra la funcionalización de nanohorns de carbono con grupos amino mediante diferentes metodologías usando radiación microondas (cicloadición 1,3-dipolar y adición radicálica). Después, se presenta el trabajo desarrollado en “the Nanomedicine Lab” (Universidad de Manchester) bajo la supervision del profesor Kostas Kostarelos. Se compara la eficacia de los nanohorns de carbono funcionalizados para formar complejos con siRNA con la de una serie de nanotubos de carbono aportados por el grupo del profesor Kostarelos. En nuestros experimentos, los nanohorns de carbon forman complejos mejor que los nanotubos. Los complejos siRNA/nanohorns se caracterizan mediante diversas técnicas y se analiza su capacidad de liberar el siRNA. Aunque los nanohorns de carbono funcionalizados mediante adición radicálica muestran una interacción más fuerte con el material genético, los derivados funcionalizados mediante cicloadición 1,3-dipolar lo liberan de manera más fácil. Los resultados sugieren que la complejación total entre el siRNA y la nanoestructura debe ser evitada para lograr más fácilmente el posterior desplazamiento de este dentro de la célula. Sin embargo, para garantizar la elección del híbrido más eficaz, los complejos deben ser analizados in vitro. Por tanto, este estudio contribuye al entendimiento de los nanohorns de carbono como vectores en terapia génica. No obstante, un mayor número de derivados deben ser analizados para lograr una comparación completa con los nanotubos de carbono.
Nanotechnology is claimed to revolutionize every aspect of our life. Among the large number of fields in which nanotechnology is involved; finding renewable clean energy, obtaining clean water for all, improving health and longevity and enhancing computing power are the most noteworthy. Carbon nanostructures are promising nanomaterials that can help to achieve these objectives. Fullerenes, graphene, nanohorns and nanotubes are including within these materials. All of them exhibit interesting properties and offer new opportunities for applications in material chemistry and medicine. Our research group has developed interesting methodologies for modifying these nanostructures in order to be used in the aforementioned applications. In this context, the objective of this thesis is the design of multifunctional systems based on carbon nanomaterials to be applied in sensors and in biological applications. Chapter 1 explains the structure, properties and applications of carbon nanohorns and carbon nanotubes, together with their applications. In addition, it provides an overview of the different methodologies to functionalize them. Molecular recognition plays an important role in numerous biological systems. In flavoproteins, the specific interaction between the flavin cofactor and the apoenzyme determines the reactivity of the entire protein. Therefore, the modulation of the environment of flavins can be used as a tool to set their behaviour and to understand the molecular processes in enzymes. With these aims, chapter 2 describes the synthesis of different carbon nanotubes-triazine derivatives to be used as multi-receptors of riboflavin. Firstly, different triazines are synthesized and characterized. In a second step, both single-walled and multi-walled carbon nanotubes are functionalized with different 1,3,5-triazine and p-tolyl chains using radical addition under microwave irradiation and these derivatives are characterized by different techniques. The self-assembly of these hybrids is analysed by transmission electron microscopy, observing how the 1,3,5-triazines derivatives form good dispersions in water and self-assemble in non-polar solvents due to the DAD-ADA hydrogen bonding recognition, while the p-tolyl derivatives show better dispersability in organic solvents and aggregate in polar solvents. Finally, the ability of the functionalized multi-walled carbon nanotubes to recognize riboflavin is studied by fluorescence and UV spectroscopy, analysing the scope of the different non-covalent interactions. It is shown that the functionalization of nanotubes by covalent approach decreases the ability of them to form  stacking and also that the hydrogen bond interactions play an important role in the recognition processes between the components. The influence of the different triazines in the complexes is also shown. Thus, the modulation of the molecular recognition of riboflavin by the diverse nanotubes hybrids is demonstrated. Therefore, our study clarifies the understanding of non-covalent interactions in biological systems. In this way, artificial receptors in catalystic processes could be designed through a specific control of the interaction between functionalized carbon nanotubes and riboflavin. Additionally, the size and the excellent properties of carbon nanotubes will permit to use them as the building blocks in the design of sensors for single-molecule detection. In chapter 3, the modification of carbon nanohorns to be applied as new selective drugs in cancer therapy is shown. Firstly, the synthesis and characterization of different conjugates by the functionalization of carbon nanohorns with orthogonal chains is reported: Antibody-CNH, Drug-CNH, Antibody-Drug-CNH and Double Functionalized-CNH. In particular, cisplatin in a prodrug form and a specific D2B antibody for PSMA+ prostate cancer cells are attached. In collaboration with the group of Professor Marco Colombatti, different biological experiments are reported. The better ability of Antibody-Drug-CNH to selectively kill PSMA+ cancer cells in comparison with the other synthesized CNHs hybrids is demonstrated. This new system offers great potentiality due to the possibility of modifying the type and degree of functionalization. This allows the variation of the quantity of drug or antibody attached to the nanostructure in order to play with the killing efficacy. Similarly, the method is useful to attach different drugs or antibodies opening the way to the treatment of other diseases. Chapter 4 describes the application of different carbon nanostructures in gene delivery. Firstly, the functionalization of carbon nanohorns with amino moieties by different methodologies (1,3-dipolar cycloaddition and radical addition) under microwave irradiation and their characterization is shown. Then, the work developed at the Nanomedicine Lab (University of Manchester) under the supervision of Professor Kostas Kostarelos is reported. The efficacy of the functionalized carbon nanohorns to form complexes with siRNA is compared with the one of functionalized carbon nanotubes provides by Prof. Kostarelos’s group. In our experiments, carbon nanohorns form complexes better than nanotubes. The nanohors complexes are characterized by different techniques and their capability to release siRNA is analysed. Although the carbon nanohorns functionalized by radical addition showed the strongest complexation of siRNA, the derivatives functionalized by 1,3-dipolar cycloaddition showed its easiest release. The results suggest that, in order to obtain the best candidate, a complete complexation of siRNA with the carrier should be avoided. However, the analysis of the cellular uptake should be evaluated in the future to assess the greatest candidate. These outcomes contribute to the understanding of the role of carbon nanohorns as gene delivery vectors. Nevertheless, additional derivatives should be tested for a fully comparison with carbon nanotubes.
XXVII Ciclo
1986