Nanobiotecnologie

NANOBIOTECNOLOGIE

Fabrizio Mancin

Dipartimento di Scienze ChimicheEdificio Chimica Organica, II Piano, Stanza 5

tel. 049 8275666, e-mail: fabrizio.mancin@unipd.it, http://www.chimica.unipd.it/fabrizio.mancin/

U of TUniversità di Padova

Tipologie di nanosistemi

Multivalenza e cooperatività

Funzionalizzazione e coniugazione

Nanosistemi per la terapia

Nanosistemi per l’imaging e la diagnostica

Obiettivi formativi del corso:

Il corso si propone di introdurre gli studenti a mondo della nanobiotecnologie, conparticolare attenzione alle applicazioni biomediche nel campo della terapia edella diagnosi. In particolare, verranno prese in considerazione la chimica e leapplicazioni delle nanoparticelle.

Nanobiotecnologie

Nano e Bio

Nanoscienza: studio delle proprietà e della preparazione di di materiali nella scala dei nanometri.

Nanotecnologia: progettazione, la caratterizzazione, la produzione e applicazione di strutture, dispositivi, sistemi, mediante l’uso di materiali nella scala nanometrica

Nanobiotecnologia: uso degli strumenti della nanotecnologia per migliorare lo studio dei sistemi biologici e sviluppare nuove applicazioni mediche.

Bionanotecnologia: l’uso di sistemi biologici per la realizzazione di nanosistemi.

Nanobiotecnologie

Nanocose nella nostra vitaNanosistemi

http://www.nanotechproject.org/

Struccatore con nanoparticelle di ossido di

zinco e “micelle”Orsetto di peluche con nanoparticelle

di argento

Terra diatomacea, zucchero di canna e

aceto: integratore alimentare

Racchetta da tennis al fullerene

Crema antirughe con nanoparticelle di silice

Detergente per superfici con nanoparticelle di

argento e silice

Le dimensioni degli oggettiNanobiotecnologie

Nanoparticelle

Quante dimensioni?

5 m

1 nano-dimensione: film sottili

2 nanodimensioni: nanofili

3 nanodimensioni: nanoparticelle

Nanobiotecnologie

Anche il vuoto è nano

Materiali mesoporosi: ciò che è nano sono i buchi!

Il nano nel nano: nanoparticelle mesoporose, nanocapsule

Nanobiotecnologie

Materiali nanocompositi

Materiali con nanoparticelle inglobate

Cristalli di nanoparticelle

Nanobiotecnologie

Materiali nanostrutturati

Sulla superficie o all’interno del materiale vengono create delle nanostrutture

Nanobiotecnologie

Forme diverse

Sulla superficie o all’interno del materiale vengono create delle nanostrutture

Nanobiotecnologie

Tipi diversi di materialeNanoparticelle: oggetti che si comportano come entità singole, in termini di proprietà e trasporto, di dimensioni comprese tra 1 e 100 nm.

(Altri termini: colloide, nanocristallo, cluster).

o Molecole: dendrimeri, nanotubi di carbonio, fullereni, grafene, proteine

o Aggregati auto-organizzati: micelle, liposomi, virus

o Precipitati: nanoparticelle inorganiche, nanoparticelle organiche, emulsioni

Elevato rapporto superficie/volume Tensione superficiale

Forme: sfere, poliedri, stelle, tetrapods., …

Tendenza all’aggregazione

Nanobiotecnologie

Preparare le particelleo Particolati: nanoparticelle non ingegnerizzate

precipitazione, frantumazione

o Molecole: dendrimeri, nanotubi di carbonio, fullereni, grafene, proteine

Sintesi chimica + folding (eventualmente)

o Aggregati auto-organizzati: micelle, liposomi, virus

Auto-assemblaggio

o Precipitati: nanoparticelle inorganiche, nanoparticelle organiche, emulsioni

Sintesi in soluzione

Nanobiotecnologie

Nanoparticles preparationParticulates: frantumation, friction

Nanobiotecnologie

Irregular shape, polydisperse, pooorly repoducible, inexpensive

Nanoparticles growth: precipitates“chemical growth of bulk or nanometer-sized materials inevitably involves the process of precipitation of a solid phase from solution”

Chem. Rev., 2005, 105, 1025

oDissolving the solute at higher temperature and then cooling to low temperatures

oDissolving the solute in a solvent and then adding a miscible non-solvent

oAdding the necessary reactants to produce a supersaturated solution by a reaction

Nanobiotecnologie

Nanoparticles growth: precipitatesNanobiotecnologie

Dissolution and precipitation:

Riscaldamento e

raffreddamento

Dissoluzione in solvente e

aggiunta di non-solvente

Nanoparticles growth: precipitatesNanobiotecnologie

Dissolution and precipitation:

Evaporazione

Diffusione

Nanoparticles growth: precipitatesNanobiotecnologie

Formation of insoluble salts:

ZnCl + Na2S ZnS

Fe3+ + 2 Fe2+ + 8 OH-→ Fe3O4 + 4 H2O

Nanoparticles growth: precipitatesNanobiotecnologie

Reaction:

SiO

O

OO

OH SiO

HO

OHO Si

O

OH

OHO Si

O

HO

OO Si O

HO

OSi

O

OH

OHO

k1 k2

OH

OHO

HO

O

O

Oligomer

COO Na

COO Na

OH

COO Na

[AuCl4]COOH

COOH

O + CO2 + Au(0)

[(CH3)2Cd + Se Cd2+ + Se2-300 °C

Nanoparticles growth: precipitates“chemical growth of bulk or nanometer-sized materials inevitably involves the process of precipitation of a solid phase from solution”

Chem. Rev., 2005, 105, 1025

Nanobiotecnologie

Nanoparticles growth

Free energy variation for the formation of a spherical particle

Molecular volume of the building block

Saturation ratio(bulk solution/infinite cristal surface) Surface tension

r > r* → growth

r < r* → dissolution

Smaller particles grow more rapidly than larger ones → focusing

Nanobiotecnologie

Nanoparticles growth

1. Concentration raises above critical nucleation concentration (cnc): nucleation starts.

2. Nucleation causes concentration to decrease below cnc: nucleation stops, growth

goes on by molecular surface addition.

3. Smaller particles grow more rapidly than larger → size focusing

4. Concentration reaches the saturation limit → growth stops

SHORT TIMES

Nanobiotecnologie

Nanoparticles growth

1. Bulk concentration has decreased: S decreases and r* increases

2. The smaller nanoparticles are now unstable, if the reaction is reversible, they can

dissolve

3. Smaller particles dissolve more slowly than larger ones → size defocusing (Ostwald)

4. If long reaction times are allowed, r < r* nanoparticles dissolve → focusing (Ostwald)

LONG TIMES

Nanobiotecnologie

Nanoparticles growth: secondary growth

1. After their formation, small aggregates start collapsing to form larger ones

2. Growth by aggregation is faster than molecular addition

3. Aggregation stops when nanoparticles reach colloidal stability

Molecular addition growth

Secondary growth

Nanobiotecnologie

Surface stabilization

Free energy variation for the formation of a spherical particle

Molecular volume of the building block

Saturation ratio(bulk solution/infinite cristal surface) Surface tension

All the nanoparticles tend to aggregate: aggregation decreases the total surface and hence the second term of the equation (related to surface tension)

o Electrostatic repulsion (surface charge)

o Steric repulsion

Surface tension is decreased by:

Stabilizing agents can be added to the nanoparticles in order to prevent aggregation: surfactants

Nanobiotecnologie

Stabilizzare le nanoparticelleA causa dell’elevata tensione superficiale le nanoparticelle tendono ad aggregare. L’aggregazione può essere evitata in due modi.

Nanobiotecnologie

Stabilizzazione elettrostatica Stabilizzazione sterica

Dipende dalla costante dielettrica del mezzo

(soluzioni saline!)

Dipende dalla carica totale (dimensioni della

particella)

Spesso l’aggregazione è irreversibile

Dipende dalla solubilità

Normalmente l’aggregazione è reversibile

Le proprietà delle nanoparticelleNanobiotecnologie

Area superficiale, loading

Ludox AS30 (SiO2) 230 m2/g

Proprietà «bulk» migliorate: assorbimento plasmonico, superparamagnetismo, SERS

Proprietà di «quantum confinement»: emissione size-dependant

Le proprietà delle nanoparticelleNanobiotecnologie

Autoorganizzazione

Multivalenza, multifunzionalità

Organizzazione topologica

Mn+

Mn+

Mn+

Mn+

Mn+

Mn+