Tesi di Dottorato
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Item Sistemi polimerici multicomponente per la veicolazione di principi attivi(Università della Calabria, 2021-02-25) Farfalla, Annafranca; Andò, Sebastiano; Iemma, FrancescaL’attività di ricerca riportata nel presente lavoro di tesi di dottorato si inserisce nel contesto della sintesi e caratterizzazione di materiali multifunzionali per la veicolazione e il direzionamento di principi attivi. Nello specifico, all’interno del panorama di materiali proposti per il drug delivery, l’interesse è stato incentrato sulla realizzazione di sistemi multicomponente costituiti principalmente da due classi di materiali: i sistemi polimerici di natura organica e le nanostrutture al carbonio di natura inorganica. Per quanto riguarda la componente polimerica sono stati presi in considerazione sistemi macromolecolari coniugati ottenuti mediante derivatizzazione funzionale di polimeri di origine naturale, quali polisaccaridi (chitosano e destrano) e proteine (gelatina e albumina serica umana), con polifenoli dalle note attività antitumorali e antibatteriche quali curcumina e quercetina. L’inserimento di tali bioconiugati in idrogel o sistemi nanoparticellari ha permesso di ottenere sistemi di rilascio funzionali per la veicolazione di principi attivi in cui l’attività biologica è riconducibile non solo al farmaco trasportato ma anche alle caratteristiche del carrier. Per la componente inorganica sono stati presi in considerazione i Nanotubi di carbonio a parete multipla (MWCNT) e il grafene Ossido (GO) che, grazie alle loro proprietà di elevata affinità per molecole farmacologicamente attive, rapida internalizzazione cellulare e conducibilità elettrica, permettono, quando vengono inseriti nei veicoli funzionali precedentemente descritti, di realizzare sistemi per il trasporto mirato di farmaci ad elevata efficienza e in grado di modulare il rilascio di un principio attivo in seguito all’applicazione di un campo elettrico e magnetico. In questo modo è stato possibile ottenere materiali innovativi con proprietà superiori a quelle dei singoli componenti che, date le funzionalità biologiche selezionate, sono stati sintetizzati e proposti per il trattamento delle ferite cutanee e di diversi tipi di tumori solidi quali carcinoma mammario, neuroblastoma e glioblastoma. L’attività di ricerca è stata svolta nell’ambito di collaborazioni nazionali ed internazionali attive presso il gruppo di ricerca di Tecnologie Farmaceutiche e Cosmetologiche del dipartimento di Farmacia e Scienze della Salute e della Nutrizione con la Charité – Universitätsmedizin Berlin (Germania), il Leibniz Institute of Solid State and Material Research Dresden (Germania), l’University of New South Wales (Sydney, Australia), e il Dipartimento di Biologia dell’Università di Pisa. Tale attività si è articolata nello studio, realizzazione e caratterizzazione dei seguenti materiali compositi: 1) Idrogel ibridi elettrosensibili. Idrogel contenenti grafene ossido e gelatina o tripsina e caricati con curcumina sono stati proposti come strumento per il trattamento delle ferite cutanee. Il GO conferisce stabilità termica e meccanica al reticolo polimerico, nonché un’elevata elettrosensibilità che consente la modulazione dell’entità e della cinetica di rilascio in funzione delle diverse esigenze terapeutiche La presenza dei materiali proteici, gelatina e tripsina, assicura elevati livelli di biocompatibilità all’idrogel finale, come evidenziato dagli studi morfologici effettuati sucellule MRC-5 incubate in presenza dei materiali di medicazione nei quali non viene registrata alcuna variazione strutturale. Nel caso degli idrogel contenenti tripsina, il mantenimento dell’attività proteolitica all’interno del reticolo polimerico ha permesso di ampliare le potenzialità applicative dei dispositivi ibridi ai casi in cui è richiesta la degradazione delle proteine nel sito di guarigione. Il rilascio da questi materiali della Curcumina si è rivelata una strategia utile per realizzare un dispositivo funzionale in grado di preservare il sito di guarigione dalle infezioni microbiche. 2) Idrogel multifunzionali con attività antiossidante Idrogel il cui rigonfiamento dipende dalla variazione di stimoli esterni a base di un coniugato chitosano-quercetina sono stati proposti come dispositivi in grado di modulare il rilascio di molecole bioattive in risposta a variazioni di pH e temperatura. La sensibilità alle variazioni di temperatura ha permesso anche di modulare le proprietà antiossidanti della quercetina, sfruttando le transizioni di fase volumetrica, mentre le variazioni di pH si sono dimostrate più efficaci nel modulare il rilascio: a pH 2.0, il maggior rilascio si è registrato a 40°C, mentre a pH 7.0 la contrazione dell’idrogel diventa predominante. 3) Sistemi compositi idrogel/microparticelle È stato realizzato un sistema composito idrogel/microparticelle. L’idrogel, formato da un network polimerico ottenuto dalla polimerizzazione radicalica tra monomeri acrilici e un coniugato gelatina-curcumina, è stato progettato per garantire il mantenimento di un ambiente umido e per fornire protezione dalla tossicità dei ROS agendo, allo stesso tempo, come supporto per la crescita cellulare. La porzione microparticellare, costituita da cheratina lipidizzata autoassemblante caricata con quercetina, ha lo scopo di promuovere la proliferazione cellulare e controllare il rilascio del polifenolo ad attività antimicrobica, preservando così il sito di guarigione dalle infezioni. I risultati complessivi possono essere considerati un valido punto di partenza per rispondere alle esigenze chiave di un dispositivo funzionale in grado di promuovere il processo di guarigione delle ferite cutanee. 4) Nanoparticelle autoassemblanti È stato realizzato un sistema nanoparticellare a partire da un coniugato destrano-curcumina con proprietà autoassemblanti per la veicolazione del metotrexato all’interno di cellule di carcinoma mammario. Il profilo di rilascio di MTX è risultato prolungato nel tempo come conseguenza dell’incapsulamento del farmaco; i saggi di vitalità cellulare in vitro hanno mostrato chiaramente il potenziamento dell’attività citotossica sia per la presenza dei residui di curcumina immobilizzati che per la rapida internalizzazione delle nanoparticelle nelle cellule tumorali. 5) Nanoibridi a base di nanotubi di carbonio Sistemi nanoparticellari a base di MWCNT rivestiti di chitosano sono stati proposti come dispositivi per il rilascio pH sensibile del metotrexato all’interno di cellule di carcinoma polmonare. L’estesa caratterizzazione chimico-fisica del nanoibrido ha permesso di evidenziare il corretto assemblaggio delle controparti organiche e inorganiche, mentre quella biologica in vitro ha dimostrato che, il sistema nanoparticellare è in grado di agire in maniera sinergica con il metotrexato in cellule tumorali con caratteristiche di pH peculiari, riducendo la tossicità del farmaco rispetto alle cellule sane. 6) Nanoibridi a base di grafene ossido e nanoparticelle magnetiche di maghemite Sono stati realizzati materiali sensibili all’applicazione di un campo magnetico per la veicolazione sito specifica di cisplatino all’interno di cellule di glioblastoma combinando nanoparticelle γ-Fe2O3 su foglietti di GO. I risultati dimostrano la possibilità di ottenere un rilascio prolungato del CisPt e un efficace targeting magnetico nelle cellule tumorali con ridotta tossicità a carico delle cellule sane. 7) Nanoibridi funzionali a base di grafene ossido È stato progettato e realizzato un nanoibrido a base di ossido di grafene, nanoparticelle magnetiche di magnetite e un coniugato albumina serica umana – curcumina in grado di controllare la veicolazione sito-specifica di agenti citotossici come la doxorubicina. La strategia sintetica si è articolata in due fasi: nella prima fase il coniugato polimerico e il sistema grafene-magnetite sono stati preparati rispettivamente tramite catalisi enzimatica e reazione di coniugazione covalente. Successivamente i due sistemi sono stati assemblati per formare il nanoibrido finale. Il profilo di rilascio è risultato essere pH sensibile, come conseguenza della modulazione dell’affinità farmaco-carrier, mentre i risultati dei test di vitalità su cellule di neuroblastoma hanno dimostrato il potenziamento dell’attività citotossica della doxorubicina in presenza di curcumina nel rivestimento. La capacità di essere internalizzato dalle cellule, unita alla possibilità di ottenere una concentrazione locale del farmaco sotto l’applicazione di un campo magnetico esterno, rende il nanosistema proposto un vettore promettente per il trattamento del neuroblastoma. La tesi ha affrontato i diversi aspetti dei sistemi proposti per la veicolazione sito-specifica e il rilascio controllato di farmaci. Analizzando le proprietà dei diversi componenti utilizzati, è stato possibile evidenziare le peculiarità di ogni sistema (idrogel e nanoparticelle) e materiale (coniugati polimerici e nanostrutture al carbonio) che ne permettono la combinazione in materiali multifunzionali che ben si adattano alle specifiche esigenze applicative.Item Laser ablation methods for cultural heritage: restoration, conservation, consolidation(2014-11-12) Stranges, Fabio; Pantano, Pietro S.; Bonanno, AssuntaThis thesis, developed in the period between March 2012 and November 2014, focuses on the researches on new methods for cleaning, diagnostics and restoration of Cultural Heritage assets. These methods are based on the use of Laser Ablation in various media (air, water and vacuum) and on different materials, such as alloys, metals and artificial stone materials. Furthermore, the thesis proposes different types of investigation, consolidation and restoration of archaeological artefacts, introducing new possible strategies of diagnostics and enhancements in the study of cultural heritage, through the contribution of nanotechnology and nanomaterials, still slightly used in the field of Cultural Heritage. The main objective of the thesis is to verify the applicability of different techniques in different environments, also trying to make the employed methodologies less invasive and more effective. In fact, a fundamental point is LA cleaning on various materials, directly in situ, using portable equipment and prototypes can be used in subaerial and underwater environments to selectively remove of crusts and deterioration patinas that often cover archaeological artifacts. The prototype has been realized during PhD and it can be used for measurements of LA cleaning and for Raman and PL spectroscopy. For testing the diagnostic methodology efficacy, the investigations were carried out by non-destructive methods on different types of materials (such as bronze, ceramics and precious metals) in different environments (subaerial and underwater), obtaining information comparable to laboratory measurements. Morphological studies were carried out using optical microscopy, Scanning Electron Microscopy SEM and Atomic Force Microscopy AFM (rarely used in Cultural Heritage). Chemical analysis were carried out with different spectroscopic techniques including X-Ray Fluorescence spectroscopy (XRF), X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS), PhotoLuminescence (PL), CathodoLuminescence (CL ) and finally the Energy Dispersive X-ray (EDX). Another aim concerns the study of particulate generated by LA cleaning for application in the consolidation of the artifact and high tech (photovoltaic and optoelectronic applications). Indeed, we study the production and characterization of nanoparticles and nanocomposites based on TiO2 and SiO2 for application to restoration and consolidation in archaeological artifacts, for exploring the possibility to use NPs as consolidating materials without introducing chemical, physical or esthetical changes in artifacts. Finally, our study has demonstrated that LA cleaning does not affect the Thermoluminescence measure. This thesis develops into five chapters. In the first chapter, we will introduce the LA processes, the second describes the Diagnostic techniques and experimental setup. Instead, in the third chapter we will discuss the materials analyzed, while in the fourth chapter describes the use of by-products generated from LA for consolidation of Cultural Heritage assets and for realization of nanocomposites for high-tech applications. Finally, in the fifth chapter we will conclude the study by listing the achievements.Item Absorpitive losses mitigation in gain-plasmon hybrid systems as optical metamaterials(2013-11-29) Rashed, Alireza Rahimi; Bartolino, Roberto; Versace, Carlo C.; Strangi, GiuseppeIn the past decade, plasmonic nanoparticles (NPs) have gained a lot of interest due to their exceptional and fascinating properties which have been accomplishing vital role in emerging science and technology towards multifunctional applications. The extensive current research efforts in nanoplasmonics trigger towards various opto-electronic and medical applications such as invisibility, perfect lens, increasing the efficiency of solar cells, designing and extra-sensitive single-particle detection of biomolecular recognition and in particular optical metamaterials. The negative real part and the low value of the imaginary part of dielectric permittivity are crucial for applications of nanoparticles as subunits of optical metamaterials. However, the performance of plasmonic nanostructures is significantly limited by the intrinsic and strong energy dissipation in metals, especially in the visible range. In fact, regardless of the challenges to synthesize plasmonic nanostructures, the path to use them as building blocks of optical metamaterial is crossing through the finding a solution to mitigate their optical losses. In this research thesis, it is demonstrated experimentally that the incorporation of gain material such as organic dye molecules and quantum dots in close proximity of enhanced local fields of various properly designed plasmonic systems makes it possible to induce resonant energy transfer processes from gain units to plasmonic nanoparticles, to accompanish loss compensation in optical metamaterials. Steady-state experiments and time resolved spectroscopy along with modification of Rayleigh scattering and optical transmission of a probe beam as a function of impinging energy are crucial evidences of mitigation of absorptive losses in different gain doped plasmonic systems The strategy that has been followed here towards mitigation of absorptive losses in optical metamaterials acts at different spatial scales from nano to macro (see Figure 1). The systems at nano-scale (10-100 nm) are based on dispersion of NPs, in particular, gain assisted (nanoparticle-dye dispersion), gain-functionalized core-shell gold NPs (encapsulated dye molecules into the shell) and dye grafted gold core multimeric nanostructures. The study of such nano-composites allows to recognize experimentally how the parameters such as the geometry and size of the metal nanostructures, inter-particle distance, overlap between emission spectrum of gain material and plasmon band of metal NPs, concentration and quantum yield of donor molecules are playing an important role to create more efficient nonradiative RET processes from donor molecules to acceptors. Figure 1 The followed spatial stages on this research study ranged from (a) nano-scale and (b) mesco scale towards (c) macro scale. The obtained results in nano-scale generate further motivations to move forward to study meso-scale (100-900 nm) plasmonic systems which include both dispersion (nanoshell composites) and bulk (periodic layers of gain materials and lossy metal elements) systems. The nanoshells which are consisted of dye doped dielectric core coated gold shell dispersed in ethanol solution are designed with an optimized ratio of core diameter and metallic shell thickness. The time resolved fluorescence spectroscopy results along with pump-probe experiments on nanoshells are convincing evidences for optical loss mitigation. Finally in third stage, the optical properties of gain-plasmon composites dispersed in PDMS host matrix as an example for bulk samples at the macroscopic scale (1 μm and beyond) have been investigated. The achieved results on this stage can help to design and fabricate such plasmonic structures that lead from fundamental physics towards practical applications. In this regard, the first four chapters provide the background concerning the main elements of this research work. The first chapter contains an introduction to the metamaterials. Second chapter describes the optical properties of plasmonic nanostructures. In third chapter, gain materials and the optical processes beyond these materials have been investigated. The fourth chapter deals with the optical properties of hybrid systems consisted of active materials and nano-plasmonic elements. After providing a brief introduction regarding the applied setups and instruments in this research study in chapter five, the last three chapters represent the acquired experimental results in each mentioned spatial scale. In chapter six, the optical properties of nano-scaled gain-plasmon systems in solution including gain-assisted, gainfunctionalized and dye grafted multimeric samples are investigated. Chapter seven explores the optical characteristics of dispersion of nanoshell sample as an example of the study in mesoscale. Finally, the thesis is completed with the study of the optical features of macro-scaled bulk samples based on core–shell type quantum dots and gold NPs dispersed in PDMS, and a short conclusion of this research study. This study emphasizes effective progress in materials science and paves the way towards further promising scientific research aimed to enable the wide range of electromagnetic properties of plasmonic metamaterialsItem Active plasmonics in soft matter doped with gold nanoparticles plasmonica attiva in materia soffice drogata con nanoparticelle d'oro(2013-11-29) Cataldi, Ugo; Bartolino, Roberto; Caputo, Roberto; Versace, Carlo C.The main objective of this study is active plasmonics. The work has been focussed on the design, characterization and theoretical interpretation of novel systems. Top-down and bottom-up, self-assembling, approaches have been utilized to realize devices where spherical gold nanoparticles have been periodically and randomly arranged. Two main paths have been followed to achieve this goal. In the first one, by utilizing a rigid periodic structure as a host platform for soft-matter (cholesteric liquid crystals) mixed with plasmonic nano-entities, was possible to obtain a chirally-organized tuneable plasmonic system. The tunability of the obtained device has been induced by applying temperature changes or external electric fields. In the second one, the surface of an elastomeric platform has been randomly covered by gold-nanoparticles. Controlled nano-chemistry processes have been successively applied to the nanoparticles (immobilized on the surface) to locally increase their size. The elastic properties of the template together with the increased size of particles have allowed a systematic study of the coupling between near-fields of the spherical nanostructures. Colloidal nano-chemistry technics have been utilized both to synthetize spherical gold nano-particles and to increase their sizes. Spectroscopic analysis has been used to analyse the response of obtained structures under electrical, thermodynamical and mechanical stimuli. SEM and TEM imaging have been exploited to study the morphology of devices, the shape of nano-structures and to measure their sizes. Moreover, from SEM images, through the use of a MatLab code written to the purpose, it has been possible to extract fundamental parameters used to perform a theoretical analysis of experimental resultsItem Approccio multidisciplinare applicato allo studio delle interazioni tra nanoparticelle e substrati lapidei di diversa natura finalizzato alla conservazione di monumenti di interesse storico-artistico(2013-11-04) Rovella, Natalia; Pantano, Pietro; Crisci, Gino Mirocle; La Russa, Mauro FrancescoItem Optical and electrical properties of polymer dispersed nanoparticles(2008-11-28) Tyurin, Alexander; Chidichimo, G.; Versace, C.