Responsabile scientifico: Maura Monduzzi
Gruppo di ricerca: Carla Cannas, Carlo Maria Carbonaro, Mariano Casu, Maria Francesca Casula, Matteo Ceccarelli, Anna Musinu, Marco Piludu, Andrea Porcheddu, Pier Carlo Ricci, Antonella Rossi, Andrea Salis
Introduzione risultati complessivi
Questo progetto mirava a sfruttare le strategie nanotecnologiche bottom-up ba-sate sulla conoscenza fondamentale delle scienze chimiche, fisiche e colloidale per produrre piattaforme altamente versatili basate su materiali ibridi con attività fun-zionale specifica in applicazioni biomedi-che, ambientali e catalitiche. Utilizzando varie tipologie di sintesi, funzionalizza-zione e caratterizzafunzionalizza-zione sono state ot-tenute diverse tipologie di materiali fun-zionali. In particolare sono state studiate matrici solide basate su nanoparticelle di silici mesoporose ordinate (MSNP), nano-particelle di ossidi di metalli magnetici (MNP). Biomateriali naturali, come poli-saccaridi, proteine, inclusi alcuni enzimi, gruppi funzionali sintetici come ammino-acidi e peptidi, ottenuti mediante sinte-si innovativa, sono stati utilizzati per la funzionalizzazione delle particelle. Sono stati effettuati diversi studi di caratteriz-zazione chimico-fisica, sia sugli agenti funzionalizzanti sia sulle matrici solide (prima e dopo le varie fasi di funzionaliz-zazione) mediante NMR, BET, TGA, XRD, SAXRD, TEM, HR-TEM, SEM, XPS, FT-IR, spettroscopie Raman e Mössbauer, Lumi-nescenza risolta nel tempo, DLS e misure del potenziale Zeta. Inoltre è stato esami-nato l’effetto di elettroliti e fluidi corporei simulati per i materiali funzionali
carat-terizzati da interfasi polari o cariche per studiare la stabilità e le interazioni indot-te da modifiche della carica superficiale e corrosione.
Sono state condotte indagini accurate a livello molecolare, basate su NMR, poten-ziale Zeta e modellazione computaziona-le su sistemi contenenti enzimi, proteine e peptidi di nuova sintesi, allo scopo di evidenziare il ruolo cruciale di queste bio-molecole nei processi di riconoscimento molecolare sia in applicazioni biocataliti-che biocataliti-che biomedibiocataliti-che.
Materiali funzionalizzati per
applicazioni biomediche ed ambientali Sono stati effettuati diversi studi uti-lizzando nanoparticelle funzionalizza-te a base di silice mesoporosa ordinata (MSNP) funzionalizzate per diversi tipi di applicazione, in particolare nel settore biomedico ed in quello ambientale, e Ze-oliti imidazolizzate per applicazioni am-bientali.
L’applicazione biomedica delle na-noparticelle è prevalentemente associa-ta alle loro proprietà superficiali ed alla stabilità e interazioni nei mezzi biologi-ci. La funzionalizzazione delle superfici svolge un ruolo chiave nel determinare la biodegradazione, citotossicità e biodi-stribuzione attraverso interazioni speci-fiche mediate da biomacromolecole. Un
Scienze chimiche Materiali per applicazioni specialistiche (magnetismo e ottica)
Sono stati preparati altri materiali funzio-nali basati su nanoparticelle magnetiche, oppure contenenti sonde di fluorescenza o molecole sensibili alla luce. Le funzio-nalizzazioni sono servite per sviluppare nuovi dispositivi per applicazioni magne-tiche, (9-12) fotoniche come laser, LED o strumenti di bio-imaging (13, 14, 15).
Sintesi speciali a basso impatto ambientale
Nell’ambito della preparazione di mate-riali funzionali e agenti funzionalizzanti sono state ottimizzate tecnologie di sin-tesi a basso impatto ambientale, ovvero mediante processi ecosostenibili come sintesi solvotermiche, e processi mecca-no-chimici (16-21).
Caratterizzazione interazioni di superficie
Allo scopo di valutare le prestazioni di vari tipi di materiali sono state investiga-te le proprietà di superficie e le ininvestiga-terazio- interazio-ni con vari di tipi di fluidi come acqua e liquidi ionici mediante XPS (22, 23, 24). È stato effettuato anche uno studio ambien-tale sulla natura chimica delle PM2.5 (25).
Dinamica molecolare per sistemi di interesse biomedico
Sono stati condotti alcuni studi computa-zionali allo scopo di ottenere informazioni utili alla progettazione di nuove molecole ad attività antimicrobica ed antitumorale (26, 27, 28).
Studi su formulazioni funzionali per applicazioni biomediche e ambientali Altri studi particolari hanno riguardato gli effetti iono-specifici su molecole di in-teresse biologico, (29) la caratterizzazione di formulazioni funzionali per il drug de-livery a base di ciclodestrine e lipidi (30, 31, 32), ed una particolare formulazione per il restauro (33).
tipico esempio è dato da diverse proteine che portano alla formazione di nanoparti-celle rivestite da una corona proteica. Le MSNP possono essere usate come vettori per il rilascio prolungato di farmaci. Tali MSNP sono state quindi utilizzate per studiare l’interazione con BSA e per evi-denziare il ruolo dei diversi biopolimeri.
La BSA coniugata con particelle d’oro è stata utilizzata per evidenziare l’adsorbi-mento della proteina alla superficie delle MSNP mediante microscopia elettronica a trasmissione (TEM). La Figura 1 illustra schematicamente l’utilizzo delle MSNP, ed anche due immagini di microsopia di fluorescenza ed elettronica che visualiz-zano i saggi di biocompatibilità ed inter-nalizzazione in linee cellulari (1, 2, 3).
Le applicazioni ambientali hanno ri-guardato la preparazione di uno strumen-to diagnostico per metalli pesanti, e la preparazione di biocatalizzatori. In parti-colare le MSNP sono state usate per pre-parare elettrodi di carbonio vetrosi modi-ficati rivestiti con il polimero a scambio ionico Nafion per il rilevamento elettro-chimico di Cd (II). (4) Altre MSNP sono state drogate con nanoparticelle ultrapic-cole (2 nm) per l’adsorbimento di H2S. (5-6) I biocatalizzatori sono stati preparati incapsulando enzimi su framework costi-tuiti da zeoliti funzionalizzate con imida-zolo (7, 8).
Fig. 1. Rappresentazioni schematiche di MSNP e im-magini di microscopia di fluorescenza ed elettronica (elaborazioni originali di Marco Piludu).
Scienze chimiche
Bibliografia
1. Nairi V, Medda S, Piludu M, et al. Interac-tions between bovine serum albumin and mesoporous silica nanoparticles func-tionalized with biopolymers. Chemical Engineering Journal, 2018; 340: 42-50.
2. Nairi V, Magnolia S, Piludu M, et al. Mes-oporous silica nanoparticles functional-ized with hyaluronic acid. Effect of the biopolymer chain length on cell internal-ization. Colloids and Surfaces B: Biointer-faces, 2018; 168: 50-59.
3. Piludu M, Medda L, Monduzzi M, et al.
Gold nanoparticles: A powerful tool to vi-sualize proteins on ordered mesoporous silica and for the realization of theranostic nanobioconjugates. International Journal of Molecular Sciences, 2018; 19(7): 1991.
4. Sacara AM, Pitzalis F, Salis A, et al. Glassy Carbon Electrodes Modified with Or-dered Mesoporous Silica for the Electro-chemical Detection of Cadmium Ions.
ACS Omega, 2019; 4: 1410-1415.
5. Cara C, Rombi E, Ardu A, et al. J Sub-Mi-crometric MCM-41 Particles as Support to Design Efficient and Regenerable Ma-ghemite-Based Sorbent for H2S Remov-al, by. Nanosci Nanotechnol, 2019; 19(8):
5035-5042.
6. Cara C, Rombi E, Mameli V, et al. γ-Fe2O3 -M41S Sorbents for H2S Removal: Effect of Different Porous Structures and Sili-ca Wall Thickness. J Phys Chem C, 2018;
122(23): 12231-12242.
7. Pitzalis F, Carucci C, Naseri M, et al. Li-pase Encapsulation onto ZIF-8: A Com-parison between Biocatalysts Obtained at Low and High Zinc/2-Methylimidazole Molar Ratio in Aqueous Medium. Chem Cat Chem, 2018; 10: 1578-1585.
8. Naseri M, Pitzalis F, Carucci C, et al. Li-pase and Laccase Encapsulated on Ze-olite Imidazolate Framework: Enzyme Activity and Stability from Voltammetric Measurements. Chem Cat Chem, 2018;
10: 5425-5433.
9. Sanna Angotzi M, Mameli V, Musinu A, et al. 57Fe Mössbauer Spectroscopy for the
Study of Nanostructured Mixed Mn-Co Spinel Ferrites. J Nanosci Nanotechnol, 2019; 19: 5008-5013.
10. Mameli V, Sanna Angotzi M, Cara C et al. Liquid Phase Synthesis of Nanostruc-tured Spinel Ferrites. A Review. J Nanosci Nanotechnol, 2019; 19: 4857-4887.
11. Loche D, Marras C, Carta D, et al. Cation distribution and vacancies in nickel co-baltite. Phys Chem Chem Phys, 2017; 19:
16775-16784.
12. Caddeo F, Loche D, Casula MF, et al.
Evidence of a cubic iron sub-lattice in t-CuFe2O4 demonstrated by X-ray ab-sorption fine structure. Scientific Reports, 2018; 8: 797.
13. Carbonaro CM, Chiriu D, Stagi L, et al.
Carbon Dots in Water and Mesoporous Matrix: Chasing the Origin of their Photo-luminescence. J Phys Chem C, 2018; 122:
25638-25650.
14. Ricci PC, Satta J, Chiriu D, et al. Optical and vibrational properties of CaZnOS:
The role of intrinsic defects. J Alloys and Compounds, 2019; 777: 225-233.
15. Ricci PC, Laidani N, Chiriu D, et al. ALD growth of metal oxide on carbon nitride polymorphs. Applied Surface Science, 2018; 456: 83-94.
16. Dalu F, Scorciapino MA, Cara C, et al.
A catalyst-free, waste-less ethanol-based solvothermal synthesis of amides. Green Chemistry, 2018; 20: 375-381.
17. Piras E, Secci F, Caboni P, et al. α-Benzo-yloxylation of β-keto sulfides at ambient temperature. RSC Adv, 2017; 7: 49215-49219.
18. Porcheddu A, Colacino E, Cravotto G, et al. Mechanically induced oxidation of alcohols to aldehydes and ketones in am-bient air: Revisiting TEMPO-assisted oxi-dations by Beilstein. J Org Chem, 2017; 13:
2049-2055.
19. Martina K, Rotolo L, Porcheddu A, et al.
High throughput mechanochemistry: Ap-plication to parallel synthesis of benzox-azines. Chem Comm, 2018; 54: 551-554.
Scienze chimiche yVDAC2, the second mitochondrial porin isoform of Saccharomyces cerevisiae. BBA – Bioenergetics, 2018; 1859: 270-279.
28. Scorciapino MA, Malloci G, Serra I, et al. Complexes formed by the sidero-phore-based monosulfactam antibiotic BAL30072 and their interaction with the outer membrane receptor PiuA of P. aeru-ginosa. Biometals, 2019; 32(1): 155-160.
29. Carucci C, Salis A, Magner E. Specific Ion Effects on the Mediated Oxidation of NADH. Chem ElectroChem, 2017; 4:
3075-3080.
30. Agabio R, Sanna F, Lobina C, et al. Is 2-Hydroxypropyl-β-cyclodextrin a Suit-able Carrier for Central Administration of Δ9-Tetrahydrocannabinol? Preclinical Evidence. Drug Development Research, 2017; 78: 411-419.
31. Mele S, Söderman O, Ljusberg-Wahrén H, et al. Phase behavior in the biological-ly important oleic acid/sodium oleate/
water system. Chemistry and Physics of Lipids, 2018; 211: 30-36.
32. Lampis S, Carboni M, Steri D, et al.
Lipid based liquid-crystalline stabilized formulations for the sustained release of bioactive hydrophilic molecole. Colloids and Surfaces B Biointerfaces, 2018; 168:
35-42.
33. Berlangieri C, Poggi G, Murgia S, et al.
Structural, rheological and dynamics in-sights of hydroxypropyl guar gel-like sys-tems. Colloids and Surfaces B Biointerfac-es, 2018; 168: 178-186.
20. Colacino E, Porcheddu A, Halasz I, et al. Mechanochemistry for “no solvent, no base” preparation of hydantoin-based active pharmaceutical ingredients: Nitro-furantoin and dantrolene. Green Chem, 2018; 20: 2973-2977.
21. Mocci R, Murgia S, De Luca L, et al.
Ball-milling and cheap reagents breathe green life into the one hundred-year-old Hofmann reaction. Org Chem Front, 2018; 5: 531-538.
22. Spadaro F, Rossi A, Ramakrishna SN, et al. Understanding Complex Tribofilms by Means of H3BO3−B2O3 Model Glasses.
Langmuir, 2018; 34(6): 2219-2234.
23. Arcifa A, Rossi A, Ramakrishna SN, et al.
Lubrication of Si-Based Tribopairs with a Hydrophobic Ionic Liquid: The Multi-scale Influence of Water. J Phys Chem C, 2018; 122: 7331-7343.
24. Beattie DA, Arcifa A, Delcheva I, et al.
Adsorption of ionic liquids onto silver studied by XPS. Colloids and Surfaces, 2018; 544: 78-85.
25. Atzei D, Fermo P, Vecchi R, et al. Com-position and origin of PM 2.5 in Mediter-ranean Countryside. Environmental Pol-lution, 2019; 246: 294-302.
26. Manzo G, Serra I, Magrì A, et al. Folded Structure and Membrane Affinity of the N-Terminal Domain of the Three Human Isoforms of the Mitochondrial Voltage- Dependent Anion-Selective Channel.
ACS Omega, 2018; 3: 11415-11425.
27. Guardiani C, Magrì A, Karachitos A, et al.
Maura Monduzzi (Imola, 1950), dal 2001 è Pro-fessore ordinario di Chimica Fisica, Dipartimen-to di Scienze Chimiche e Geologiche, Università degli Studi di Cagliari e dal 2008 è Direttore del Centro Nanobiotecnologie Sardegna (CNBS).
Pubblicazioni e parametri bibliometrici: è au-tore o co-auau-tore di circa 150 pubblicazioni con peer-review (Scopus 139), 11 capitoli di libri. Sco-pus: H-Index 36, citazioni > 4000. Google Scholar:
H-index 41, citazioni >5000.
Premi: 2011 Medaglia d’Oro della Fondazione Ferroni assegnata dalla Divisione di Chimica Fisica della SCI per il contributo di studi sulla Chimica Fisica dei Sistemi di interesse biologico.
Principali expertise: Scienze Colloidali; Sistemi a base di tensioattivi; Materiali funzionali a base di silice mesoporosa: Funzionalizzazioni con biopolimeri e proteine, Effetti iono specifici; Ma-teriali funzionali a base di lipidi: Diagrammi di Fase, nanostrutture supramolecolari in cristalli liquidi, microemulsioni, emulsioni, sistemi ve-scicolari e gels. Nanosistemi per la veicolazio-ne di principi attivi in applicazioni alimentari, farmaceutiche e cosmetiche. Tecniche NMR di rilassamento e Self-diffusion. Tecniche elettro-chimiche per lo studio di interfasi cariche, tec-niche di Scattering e Microscopia per varie ca-ratterizzazioni.