La nanomedicina Progetto lauree scientifiche Relazione dello stage al dipartimento di chimica, sezione chimica-fisica Marina Achilli, Giulia Croci, Andrea Romani Tutor: Prof. Piercarlo Mustarelli Tutor giovani: Valentina Cassinelli

La nanomedicina è l'applicazione medica delle possibilità derivanti dalle nanotecnologie. Essa si occupa quindi di tutte quelle conoscenze e quelle tecnologie che utilizzano in ambito medico particelle aventi dimensioni dell'ordine di circa 100 nm. Infatti un materiale in forma di particelle dell’ordine del μm ha determinate proprietà; scendendo a particelle dell’ordine dei 100 nm, dette nanoparticelle, le proprietà del materiale cambiano. La nanotecnologia offre delle nuove prospettive nell’ambito della biologia, della chimica e della fisica rendendole sinergiche fra loro.

Nel nostro stage abbiamo osservato due differenti applicazioni di tali nanoparticelle. Inizialmente abbiamo utilizzato nanoparticelle contenenti boro come farmaco antitumorale per applicazione in BNCT (Boron Neutron Capture Therapy); successivamente i nostri studi si sono concentrati sull’uso di nanoparticelle d’oro come antibatterico nei biovetri. Già da tempo vengono impiegati tali biovetri in medicina per la ricostituzione delle ossa. Allo scopo di evitare possibili infezioni è necessario inserire nei biovetri un antibiotico. L’impiego di nanoparticelle d’oro con funzione antibatterica risulta quindi essere una possibile alternativa all’utilizzo del farmaco antibiotico classico.

Boro project Lo scopo del progetto consiste nell’attuare la terapia a cattura neutronica del boro utilizzata per la cura di pazienti aventi particolari tipi di tumori al cervello non operabili. Essa comprende due fasi: 1)La somministrazione al paziente di una sospensione di nanoparticelle contenenti boro. Le nanoparticelle vengono funzionalizzate con acido folico in quanto esso permette di veicolarle verso le cellule cancerogene. 2)La zona interessata dal tumore viene irraggiata da neutroni a bassa energia, che provocano il decadimento del boro a litio. Dalla reazione vengono emessi raggi γ e quindi le cellule che hanno incorporato l’agente farmacologico contenente boro vengono distrutte.

Polvere di nanoparticelle di BPO4 ottenuta dopo la macinazione Le nanoparticelle da noi studiate per BNCT (Boron Neutron Capture Therapy) sono sintetizzate con due procedure diverse: 1)Via sol-gel 2)Macinazioni di BPO4 con ball milling Durante il nostro stage ci siamo concentrati solamente sulle nanoparticelle ottenute con la seconda procedura. Ball milling utilizzato per le macinazioni di BPO4 Polvere di nanoparticelle di BPO4 ottenuta dopo la macinazione

Sospensione di nanoparticelle di BPO4 25 mg di nanoparticelle di BPO4 + 50 ml di H2O Filtro con pori da 800 nm Ultrasuoni per 30 min Ottenute attraverso successivi step di macinazione con ball milling filtrazione + 500 μl di polisorbato 80 Tensioattivo utilizzato per favorire la sospensione delle nanoparticelle nel solvente Ultrasuoni per 20/30 min Portare a pH=7.4 con NaOH

La stessa procedura deve essere seguita anche con il BPO4 funzionalizzato al 2%. L’unica differenza consiste nell’utilizzo di 35 mg di BPO4 funz. Per funzionalizzazione si intende quel processo che porta le nanoparticelle di BPO4 a legarsi all’acido folico. Essa avviene attraverso una reazione che comporta la formazione di un legame estere tra l’acido folico e i gruppi OH presenti sulla superficie delle nanoparticelle.

Il BPO4 delle analisi ICP contiene in peso il 10,2 % di B. Noi dobbiamo avere una concentrazione di B in soluzione compresa tra i 20 e gli 80 μg/ml. Facciamo una soluzione di 50 ml con 25 mg di polvere,abbiamo un contenuto di 51 μg/ml di B. Per quanto riguarda il campione di BPO4 funzionalizzato al 2%, sappiamo che contiene il 7,7% di boro; quindi in una soluzione di 50 ml con 35 mg di polvere, abbiamo una concentrazione di B pari a 54 μg/ml. Filtrando la sospensione variano le quantità di boro, però a priori non sappiamo la concentrazione finale di B fino a quando non avremo pesato quello trattenuto dai filtri. Dopo una settimana in stufa i filtri hanno perso l’ H2O trattenuta durante la filtrazione. La concentrazione finale di B nel campione con BPO4 non funzionalizzato è pari a 41 μg/ml contro i 51 μg/ml prima della filtrazione. Nel campione di BPO4 funzionalizzato la concentrazione finale di B è di 38 μg/ml contro i 54 μg/ml iniziali. I valori ottenuti sono compresi tra 20 e gli 80 μg/ml e sono perciò accettabili. Filtri da 800 nm

Preparazione di biovetri 58S contenenti nanoparticelle d’oro Nella maggior parte dei casi, l’osso è in grado di ripararsi e di rigenerarsi autonomamente; d’altra parte ogni qual volta si verificano patologie critiche o traumi, o ancora difetti in cui il tessuto osseo non riesce a garantire una riparazione stabile, diventa necessario intervenire chirurgicamente mediante un innesto osseo. I recenti orientamenti nel campo degli innesti ossei si sono spostati dal concetto di sostituzione, a quello di rigenerazione dell’osso. Composti vetrosi e vetro-ceramici a base di silice contenti ossidi di metalli alcalini e alcalino-terrosi, oltre a ossido di fosforo, sono noti per la loro bioattività e definiti quindi biovetri. Il biovetro attualmente più noto è denominato 58S, dal contenuto in peso di silice.

Un po’ di storia E’ probabile che le soluzioni di oro colloidale abbiano fatto la loro comparsa in Egitto e in Cina già tra il V e il IV secolo a.C.. Nell’antichità l’oro colloidale è stato molto usato per produrre vetri rossi e colorare ceramiche. Il più famoso esempio è la coppa di Licurgo che si presenta di colore rosso in luce trasmessa, e di colore verde in luce riflessa, effetto dovuto alla presenza dell’oro colloidale. Coppa di Licurgo Durante il Medioevo, soluzioni d’oro colloidale venivano usate come medicinali per numerose malattie come problemi cardiaci, epilessia, tumori, dissenteria. Tuttavia, il primo lavoro pionieristico sulle nanoparticelle d’oro è stato svolto da Michael Faraday nel 1857 Esperimento di Faraday sulle nanoparticelle d’oro

In questo progetto si è cercato di migliorare i biovetri arricchendoli con nanoparticelle d’oro per conferire un’attività antibatterica a questi biomateriali. Durante il nostro stage abbiamo realizzato tre biovetri con una concentrazione di oro differente: 0,1%; 1%; 2% Foto delle polveri di nanoparticelle d’oro a differenti concentrazioni e bianco

Biovetri 58S contenenti nanoparticelle d’oro Sintesi nanoparticelle d’oro Sintesi sol-gel Etanolo + tetraetossisilano (TEOS) + HCl 0,01 M H(AuCl4)3H2O + Soluzione di sodio citrato all’ 1% + Trietilfosfato (TEP) Au0 + Ca(NO3)4H2O Biovetro 58S contenente nanoparticelle d’oro Soluzione di nanoparticelle d’oro

Stabilizzazione termica del gel Essiccamento del gel Stufa a 65°C per 48h Stufa a 100°C per 48h Stabilizzazione termica del gel Scopo del trattamento: decomposizione degli ioni NO3- a 700°C Rampa di salita della temperatura di 0,3°C/min da temperatura ambiente a 700°C Stasi di 6h a 700°C Discesa libera della temperatura da 700°C a temperatura ambiente Flusso di O2 di 0,3 l/min Flusso di N2 0,3 l/min Foto del forno

Come si presentano le nanoparticelle d’oro all’interno del biovetro? Perché l’uso dell’oro? Studi svolti in precedenza hanno dimostrato che gli antibiotici tradizionali dopo circa 3 giorni vengono rimossi dai biovetri per azione dei fluidi corporei. Le nanoparticelle d’oro permangono invece nei biovetri continuando la loro funzione antibatterica Come si presentano le nanoparticelle d’oro all’interno del biovetro? Foto SEM di una singola nanoparticella Foto SEM di un aggregato di nanoparticelle Foto SEM a minor ingrandimento

Analisi DLS della soluzione di nanoparticelle Il DLS (dynamic light scattering) è uno strumento utilizzato per determinare la dimensione delle nanoparticelle in sospensione Soluzione 1. Si osservano due picchi i quali rappresentano due popolazioni diverse di nanoparticelle. Le nanoparticelle del primo hanno un diametro compreso tra 1 e 5 nm, quelle del secondo un diametro compreso tra 30 e 100 nm Soluzione 2 (concentrata dieci volte rispetto alla precedente).Le nanoparticelle hanno un diametro maggiore perché quando la concentrazione è maggiore le nanoparticelle si aggregano.

Conclusioni Boro Project Le sospensioni di nanoparticelle di BPO4 filtrate hanno una buona stabilità e il contenuto di boro è accettabile. Biovetri 58S contenenti nanoparticelle d'oro Anche portando l’oro a concentrazioni elevate (fino al 2%, concentrazione sperimentata per la prima volta) siamo riusciti ad ottenere la gelazione e quindi il biovetro. L’unico problema che abbiamo riscontrato è stata la formazione di un precipitato all’interno della soluzione, perciò pensiamo che anche all’interno del biovetro possano esserci aggregati di nanoparticelle.

Siamo arrivati qui convinti (soprattutto noi del liceo classico) che la chimica fosse un insieme di formule e giochetti da settimana enigmistica; in realtà in queste due settimane abbiamo potuto appurare che la chimica è un continuo mettersi in gioco, un impegno che deve portare a risultati concreti: un progetto chimico può salvare la vita a delle persone e migliorare la nostra esistenza!

Ringraziamenti Vorremmo ringraziare il professor Piercarlo Mustarelli e tutti gli interni del Dipartimento di Chimica Fisica per averci dato l’opportunità di frequentare gli ambienti universitari in queste due settimane di stage. Un ringraziamento particolare va a Valentina Cassinelli, la nostra tutor junior, per la sua disponibilità e pazienza nello spiegarci in maniera chiara concetti talvolta complessi facendoci apprezzare questa esperienza.