Design of multifunctional systems based on carbon nanomaterials.

La nanotecnologia ਠchiamata a rivoluzionare molti settori della nostra vita. Tra tutti i campi in cui ਠconvolta, 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 ਠil 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 puಠessere 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 ਠdescritta 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 ਠstato 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 ਠdemostrata l'influenza dei tipi di triazine nel comportamento della riboflavina. In questo modo, ਠdimostrata la modulazione del riconoscimento molecolare della riboflavina attraverso i diversi nanotubi. Cosà¬, 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 ਠrapportata. 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 puಠincorporare 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 ਠcomparata con quella dei nanotubi di carbonio forniti dal gruppo del professor Kostarelos. Si ਠvisto 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 pi๠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. ?