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ATTI V WORKSHOP NAZIONALE AICIng Tecnologie Chimiche per il Benessere e la Salute dell‘Uomo AICIng 2013 Favignana, Trapani 13-14 Giugno 2013

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ATTI

V WORKSHOP NAZIONALE AICIng

Tecnologie Chimiche per il Benessere e la Salute dell‘Uomo

AICIng 2013

Favignana, Trapani

13-14 Giugno 2013

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V WORKSHOP NAZIONALE AICING

Tecnologie Chimiche per il Benessere e la Salute dell‘Uomo

Università degli Studi di Palermo

Favignana, Trapani, 13-14 giugno 2013

Scopo del workshop L’Associazione Italiana di Chimica per l’Ingegneria–AICIng è impegnata, sin dalla sua costituzione, a

favorire contatti tra i propri docenti e giovani ricercatori al fine di promuovere un arricchimento culturale

anche mediante l’organizzazione di incontri biennali su argomenti di carattere trasversale. Dopo gli incontri

di Roma-Villa Mondragone, Messina, Genova e Modena, questo incontro vuole affrontare il tema delle

Tecnologie Chimiche al servizio della salute e, più in generale, del benessere dell’uomo. Scopo del

workshop è fornire un forum per discutere del ruolo e del contributo che la chimica e le tecnologie relative

mettono a disposizione nell’immediato e nel prossimo futuro per la salute dell’uomo e per il miglioramento

della qualità della vita.

La partecipazione è gratuita e AIcing offre 4 premi a giovani ricercatori, autori dei quattro migliori

contributi. Si ringrazia l’Azienda Bracco Imaging per il supporto finanziario all'iniziativa.

Sede del workshop:

Il workshop avrà luogo presso l’Hotel Tempo di Mare, via Frascia 6, Favignana, www.hoteltempodimare.it

Comitato Scientifico

Silvia Licoccia, Università di Roma Tor Vergata

Marta Feroci, Università Sapienza di Roma

Marilena Tolazzi, Università di Udine

Signorino Galvagno, Università di Messina

Salvatore Failla, Università di Catania

Francesco Geobaldo, Politecnico di Torino

Comitato Organizzatore Locale

Clelia Dispenza, DICGIM, Palermo

Sabina Alessi, DICGIM, Palermo

Maria Antonietta Sabatino, DICGIM, Palermo

Natascia Grimaldi, DICGIM, Palermo

Simona Todaro, DICGIM, Palermo

Giuseppe Spadaro, DICGIM, Palermo

Segreteria organizzativa: Maria Antonietta Sabatino

e-mail [email protected]

Simona Todaro

e-mail [email protected]

tel 0039091 23863738

fax 00390917025020

DICGIM - Dipartimento di Ingegneria Chimica, Gestionale, Informatica, Meccanica

Università degli Studi di Palermo

Viale delle Scienze

90128 Palermo

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Programma

Mercoledì 12 giugno

17.00- 19.00 Registrazione e cocktail di benvenuto

Giovedì 13 giugno 2013

08.30 - 09.00 Registrazione

09.00 - 09.20 Apertura dei lavori

09.20 - 10.10 “Healing and regenerating broken hearts: special forces for new battles”

C. Scardulla, ISMETT (Istituto Mediterraneo per i Trapianti e Terapie ad Alta

Specializzazione) Palermo

10.10 - 11.00 “New materials technologies in the Biopharma industry: the path from lab to patients”

C. Lo Presti, Merck SeronoSpA Guidonia Montecelio (Roma)

11.00 - 11.20 “Micro-contact printing of protein patterns on electrospun polymeric matrices”

A. Rainer, Università Campus Bio-Medico di Roma

11.20 - 11.40 Coffee Break

11.40 - 12.00 “Triphenylamine-based dyes for live-cells labeling and imaging of cell’s cytoplasm”

G. Ciccarella, Università del Salento

12.00 - 12.20 “Porphyrin-based chemical sensors and multisensor arrays for the evaluation of food quality”

M.L. Naitana, Università di Roma Tor Vergata

12.20 - 12.40 “Engineered Carbon Nanotubes as Drug Delivery Systems for Antiviral Drugs”

D. Iannazzo, Università di Messina

12.40 - 13.00 “Azahelicenium salts: possible biological applications”

F. Fontana, Università di Bergamo

13.00 - 15.30 Pranzo

15.30 - 15.50 “Applicazioni Della Tecnologia Microonde In Procedure Estrattive Ecocompatibili”

C. Villa, Università di Genova

15.50 - 16.10 “Estrazione a microonde di composti bio-attivi da matrici vegetali”

R. Rosa, Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia

16.10 - 16.30 “Studies on Catalytic and catalytic photo-assisted propene hydration in the presence of

H3PW12O40 supported on different oxides”

G. Marcì, Università di Palermo

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16.30 - 17.00 Coffee Break

17.00 - 17.20 “La0.8Sr0.2Fe0.8Cu0.2O3 as cathodic material for La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3 based SOFCs”

F. Zurlo, Università di Roma Tor Vergata

17.20 - 17.40 “Sintesi via sol-gel dip coating e caratterizzazione di film ibridi organico-inorganici per il

potenziamento delle proprietà biologiche di impianti in lega di Titanio grado 4”

F. Bollino, Seconda Università di Napoli

17.40 - 18.00 “Cost effective electrode materials for energy and environmental applications”

A. Iannaci, Università di Roma Tor Vergata

21.00 Cena sociale

Venerdì 14 giugno

09.00 - 09.50 “La Diagnostica per Immagini Punto di Incontro tra Chimica Sostenibile e Salute”

F. Uggeri, Bracco ImagingSpA, Centro Ricerche Bracco Colleretto Giacosa (Torino)

09.50 - 10.10 “Large-scale manufacturing of radiation sculptured therapeutic nanogels”

C. Dispenza, Università di Palermo

10.10 - 10. 30 “Modelli teorici per idrolisi ed idratazione di complessi antitumorali di platino”

A. Melchior, Università di Udine

10.30 - 10.50 “EIS biochip with integrated microfluidic components and MIP modified-electrodes for POC

analysis of environmental and clinical samples”

M.S. Chiriacò, Università del Salento

10.50 - 11.20 Coffee Break

11.20 - 11.40 “Temperature-responsive degalactosylated xyloglucans as nanocarriers for the sustained release

of hydrophobic drugs”

S. Todaro, Università di Palermo

11.40 - 12.00 “Polyelectrolyte Capsules as Carriers for Insoluble Anticancer Drug”

V. Vergaro, CNR Nano-Istituto Nanoscienze Lecce

12.00 - 12.20 “Periodically nanostructured hydrogels for ethanol vapors sensing”

M.A. Sabatino, Università di Palermo

12.20 - 12.40 “ToF-SIMS Imaging and Depth Profiling for the Characterization of Biomaterials Surfaces”

L. Tortora, Università di Roma Tor Vergata

12.40 Conclusione dei lavori

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Healing and regenerating broken hearts: special forces for new battles

Cesare Scardulla MD

ISMETT (Istituto Mediterraneo per i Trapianti e le Terapie ad Alta Specializzazione)

UPMC (University of Pittsburgh Medical Center)

Le malattie cardiovascolari costituiscono oggi il principale problema che i sistemi sanitari del mondo

occidentale devono fronteggiare e sono la principale causa di morte. Questo dato epidemiologico può essere

spiegato sia dall’aumento della vita media degli individui nei paesi a maggior sviluppo economico ma anche

dalle caratteristiche dello stile di vita (fumo, obesità, iperalimentazione, stress). E’anche da considerare il

fatto paradossale (ironic failure of success) che l’alta capacità raggiunta nel trattare con successo gli eventi

acuti, fa “sopravvivere” all’infarto pazienti che però non guariscono dalla malattia e che si cronicizzeranno

negli anni successivi gravando sul sistema sanitario a causa delle frequenti ospedalizzazioni. La patologia

cardiaca di maggior impatto è appunto la cardiopatia ischemica: l’infarto miocardico determinando la morte

delle cellule cardiache provoca un disturbo della funzione di pompa dell’organo, che può essere più o meno

grave a seconda dell’estensione dell’area di morte cellulare. L’infarto è seguito da una fase di adattamento

dell’organo che passa attraverso a una serie di trasformazioni che vanno dalla ipertrofia dei cardiomiociti,

alla sostituzione del tessuto danneggiato con tessuto fibroso e assottigliato che, al contrario del muscolo, non

contribuisce all’azione della pompa cardiaca. La sindrome clinica secondaria a questo danno è lo scompenso

cardiaco. Nonostante le conoscenze scientifiche acquisite negli ultimi vent’anni, disponiamo oggi solo di

presidi terapeutici efficaci nel ritardare la progressione della sindrome. Per tale motivo, il gold-standard

terapeutico rimane la sostituzione dell’organo mediante trapianto, trattamento che trova però un grande

limite nel numero esiguo di organi disponibili rispetto al numero di pazienti che ne necessitano. Numerosi

sforzi e studi sperimentali e clinici, possibili anche per lo straordinario contributo di conoscenza offerto dalle

scienze di base, sono stati condotti in questi anni per verificare la possibilità di un trattamento “cellulare” del

miocardio danneggiato che permettesse la rigenerazione del tessuto cardiaco, sostituendo la naturale

riparazione in cicatrice con nuovo tessuto cardiaco “funzionante”. La possibilità che la terapia cellulare possa

divenire un’opzione terapeutica utilizzabile è legata a una serie di non risolti problemi scientifici e anche alle

complessità organizzative nel praticarla. Infatti:

- non è ancora ben chiaro quale sia il migliore tipo di cellule da utilizzare nè quale sia la via migliore di

somministrazione delle stesse

- non è fin oggi definita quale sia la “dose” terapeutica e cioè la quantità minima di cellule da somministrare

per ottenere un risultato apprezzabile in relazione all’area danneggiata;

- è un dato ben documentato il fatto che la somministrazione di preparati cellulari “semplici” sia per via

intracoronarica sia mediante iniezione nel miocardio, è seguita da una grande dispersione cellulare nel

torrente circolatorio e che pertanto è preferibile associare alle cellule sistemi molecolari organizzati

(scaffolds) che le trattengano in situ e le proteggano da un ambiente cellulare ostile perchè caratterizzato da

un processo infiammatorio con sostituzione fibroblastica.

- la terapia cellulare richiede un costo oggi elevato ed un elevato coinvolgimento interdisciplinare (in termini

di operatori e di facilities).

I risultati ottenuti dalla traslazione clinica su pochi pazienti degli esperimenti animali sono poco confortanti

anche perchè difficilmente interpretabili data l’eterogeneità del tipo di cellule impiegate, la diversità delle vie

di somministrazione utilizzate, la diversa selezione di ammalati arruolati alla ricerca. Il dato è che la terapia

cellulare determina un modesto incremento della funzione di pompa cardiaca e un miglioramento anch’esso

lieve della capacità funzionale del paziente (1-3)

. Questo dato associato all’osservazione che le cellule iniettate

difficilmente rimangono nell’area in cui servono, ha fatto ritenere che il seppur lieve effetto positivo sia da

attribuire a una forte componente paracrina associata all’atto rigenerativo. L’identificazione di fattori

paracrini cell-derived ha fatto aprire una nuova possibilità di trattamenti protein-based da usare in luogo della

somministrazione cellulare o insieme ad essa per favorire il meccanismo di riparazione. L’utilizzazione di

scaffolds, soprattutto gli idrogelici, può rispondere all’aspettativa di una crescita cellulare organizzata

soprattutto se gli stessi vengono “funzionalizzati” con proteine specifiche per il recettore espresso da un tipo

cellulare, in modo da garantire la selezione dello stesso e il suo legame che lo vincola al microambiente nel

quale è necessaria la presenza (4)

. Gli scaffolds pertanto trattengono nell’area interessata le cellule e possono

essere “funzionalizzati” anche con fattori di crescita come il VEGF con dimostrazione di angiogenesi,

arteriogenesi e miglioramento della funzione cardiaca dopo infarto miocardico sperimentale (5-8)

. Dati molto

interessanti evidenziano come la somministrazione/applicazione di scaffold sul tessuto danneggiato, senza

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l’impiego di preparati cellulari, determini lo stesso risultato positivo della somministrazione associata dei

due elementi (9-10)

. Una spiegazione può essere data dal fatto che lo scaffold determina da solo un ambiente

spaziale favorevole che favorisce la colonizzazione dello stesso da parte delle cellule staminali dell’ospite.

La diffusione poi dell’uso degli idrogeli e soprattutto di quelli derivati dal Chitosan, e la possibilità di poterli

ingegnerizzare a seconda delle necessità e funzionalizzare con l’applicazione di molecole nella struttura che

possono avere compiti favorenti l’organizzazione e la crescita cellulare(9)

ha fatto via via crescere l’idea della

creazione e dell’implementazione nel tessuto da riparare di un vero e proprio bioreattore “in situ”,

ingegnerizzato per fornire il migliore supporto alla crescita e alla differenziazione cellulare(11)

.

Altro elemento che rappresenta una pietra miliare nell’evoluzione di questa fase della metodologia di

riparazione cellulare è dato dalla’identificazione e quindi dal ruolo svolto da alcuni mi-RNA come

modulatori e regolatori della apoptosi e della morte cellulare. I mi-RNA sono piccole molecole endogene di

RNA non codificante, a singolo filamento, di 20-22 nucleotidi. Fanno parte di una grande rete di geni

regolatori e svolgono diverse funzioni. La più nota, attualmente, è quella di regolazione post-trascrizionale,

in cui vanno a inibire la traduzione di determinati RNA messaggeri (mRNA). Alcuni di essi svolgono un

ruolo cruciale nell’ageing (12)

ma il dato più interessante in questo contesto è il controllo dei processi di

differenziazione cardiovascolare. Il fatto che l’embriogenesi del cuore sia governata nei vari steps di

sviluppo dai miRNA con funzione talvolta inibente e talaltra stimolante un dato processo, fa comprendere

come la conoscenza della rigenerazione e della riparazione del cuore possano ricevere un grande contributo

dai dati di biologia molecolare dell’embriogenesi (13-14)

. Esistono nucleotidi di sintesi con funzione bloccante

alcuni miRNA in grado di modulare la loro espressione apoptotica e inibente la crescita e la differenziazione

cellulare e comincia a diffondersi l’idea di un loro uso terapeutico. È probabile che il futuro della medicina

rigenerativa si basi proprio sulla capacità della chimica di ingegnerizzare scaffolds “funzionalizzati” in modo

da costituire un bioreattore naturale ideale che favorisca il seeding cellulare, l’orientamento spaziale delle

cellule e la loro espansione e differenziazione. Biologi e chimici sulla scorta delle conoscenze provenienti

dalla biologia cellulare e molecolare saranno impegnati a studiare il come modulare

(stimolazione/inibizione) l’ambiente biologico in cui il processo rigenerativo dovrà aver luogo.

Riferimenti

1. Clifford DM, Fisher SA et Al Long-therm effects of Autologous Bone marrow stem Cell Tratment in acute

myocardial infarction: Factors that may influence Outcome PloS ONE, 7,5 2012

2. Fuh E, Brinton TJ. Bone Marrow Stem Cells for the treatment of ischemic Heart Disease: A Clinical Trial

Review J of Cardiovasc Trans Res 2009, 2: 202:218

3. Clifford DM, Fisher SA et Al. Stem cell Treatment for acute myocardial infarction The Cochrane library

2012, Issue 2

4. Aubin H, Nichol JW et Al. Directed 3D cell alignment and elongation in microengineered hydrogels

Biomaterials 31 (2010) 6941-6951

5. Vuniak-Novakovic G, Tandon N et Al. Challenges in Cardiac Tissue Engineering. Tissue Engineering:

Part B, 16,2,2010

6. Li SC, Wang L et Al. Stem cell engineering for treatment of heart diseases: Potentials and challenges.

Cell Biology International 33 (2009)

7. Javad H, Ali NN et AL Myocardial tissue engineering: a review J Tissue Eng Regen Med 2007; 1: 327-

342

8. Lin Y-D, Luo C-Y et Al Instructive Nanofiber Scaffolds with VEGF Create a Microenvironment and

Cardiac Repair Science Translational Medicine 4,146, 2012

9. Seif-Naraghi S, Singelyn JM et Al Safety and Efficacy of an Injectable Extracellular Matrix Hydrogel for

Treating Myocardial Infarction, Science Translational Medicine 5, 173, 2013

10. Burdick JA, Mauck RL et Al, Acellular Biomaterials: An Evolving Alternative to Cell-Based Therapies ,

Science Translational Medicine 5, 176, 2013

11. Sengupta D, Heilshom SC Protein-Engineered Biomaterials: Highly Tunable Tissue engineering

Scaffolds Tissue engineering Part B 16, 3, 2010

12. Dimmeler S, Nicotera P et Al: MicroRNAs in age related diseases. EMBO Mol. Med.

http://dx.doi.org/10.1002/emmm.201201986 (22 January 2013)

13. Xu Q, Seeger FH, Dimmeler S et Al, Micro-RNA-34a Contributes to the Impaired Function of Bone

Marrow derived Mononuclear Cells From Patients with cardiovascular Disease, JACC, 59, 23, 2012 Liu G,

Ding M, Computational analysis of microRNA function in heart development Acta Biochim Biophys Sin

2010, 42: 662–670

14. Obad S, dos Santos CO, Silencing of microRNA families by seed-targeting tiny LNAs , Nature Genetics,

43, April 2011

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New materials technologies in the Biopharma industry: the path from lab to patients

Caterina Lo Presti*

* Merck SeronoSpA Via L. Einaudi 11 00012 Guidonia Montecelio (Roma) Italy,

[email protected]

In recent years, the advent of therapies based on new biological entities (NBEs) opened several opportunities

for unmet medical needs. NBEs are bio-macromolecules produced via biotechnologies that structurally

mimic compounds naturally found in the body. Compared to traditional drugs, i.e. small molecules produced

via organic chemistry technologies, these NBEs have the potential to cure diseases rather than treat

symptoms, and have more potency and fewer side effects because of their specificity.

Some examples of NBEs are cytokines, enzymes, hormones, vaccines, monoclonal antibodies that

represented a breakthrough in the treatment of many diseases like diabetes, autoimmune disorders,

neurodegenerative diseases, cancer.

On the other hand, NBEs represent a new challenge in the pharmaceutical development field as they are

particularly prone to both physical and chemical degradation outside their native environment. This leads to

a dramatic reduction in biological activity, hence efficacy, that can be overcome only by an accurate and

customized formulation development to enhance protein stability during shelf-life. In addition, patient-

friendly non-invasive routes of administration (oral, transdermal, transmucosal, inhalation) are not feasible

for biologics as such, in that they cannot overcome a number of biological barriers either for size exclusion

or the presence of adverse enzymes. For these reasons, NBE based therapies require the recourse to frequent

injections that increase the number of undesired effects and reduces patient compliance.

Biological effects of therapeutic agents are generally related to their kinetics of absorption in the site of

action. Control in time and space of active ingredients can, then, maximize efficacy and minimize adverse

reactions. Depending on the mechanism of action and the nature of a single protein drug, new technologies

can be used to engineer drug delivery solutions customized as to meet particular therapeutic needs. The

objective may be to prolong the duration of action, target a particular organ or modulate/program the

concentration of a drug in the plasma over time.

Bioinspired engineered vectors are emerging solutions for efficient NBEs delivery in terms of release

kinetics, patient safety and compliance, transport across biological barriers.

The approach of the Biopharma industries in protein drug product development will be discussed as well as

the state of the art in drug delivery solutions for biologics, from modified hydrogels to nanoscopic "trojan

horses", with particular focus on the translation of basic research from lab to patients. The main regulatory

and upscale constraints will be illustrated with the aim of improving the synergies between industry and

academia in the (bio)pharmaceutical technologies field.

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Micro-contact printing of protein patterns on electrospun polymeric matrices

Rainer A

1, Giannitelli SM

1, Mozetic P

1, Businaro L

2, De Ninno A

2, Gerardino AM

2, Trombetta M

1

1) Tissue Engineering Lab, “Università Campus Bio-Medico di Roma”, Rome, Italy

2) Institute for Photonics and Nanotechnology, National Research Council, Rome, Italy

Surface functionalization of biomaterials represents a promising strategy to obtain biologically instructive

substrates for cell culture. In particular, advances in micro- and nanofabrication technologies allow the

deposition of precise and highly reproducible patterns on biomaterials surfaces.

In less than two decades, micro-contact printing (µCP) has emerged as one of the most straightforward

methods for the preparation of micro- and nanostructured surfaces [1]. µCP relies on a polymeric stamp with

a relief pattern obtained as a replica from a photolithographically structured master. The stamp is ‘‘inked’’

with biomolecules and placed in contact with a substrate. Due to its surface relief structure, the stamp only

contacts the substrate in predefined areas, where the structure protrudes from the stamp. Well-defined protein

patterns with precisely controlled size, shape, and spacing have been successfully obtained by µCP, and used

to study cell adhesion, migration, proliferation, and apoptosis, as well as to perform high-throughput drug

screening and disease diagnosis [2].

However, while most studies have evaluated cell/material interactions on two-dimensional patterned

surfaces, in physiological conditions cells are surrounded by extra-cellular matrix (ECM) and sense similar

cues in a 3D environment. Among 3D substrates, electrospun fibers have been widely used as scaffolds

owing to their dimensional similarity to native ECM. Proposed modifications of electrospun meshes on

length scales comparable to (or smaller than) fiber diameter merely introduce micro/nano-grooves on fibers

surface by imprinting techniques [3].

Aim of this study is to use µCP to transfer protein patterns onto 3D electrospun substrates for tissue

engineering applications. The proposed approach has been successfully pursued for precise and gentle

transfer of different proteins from polydimethylsiloxane (PDMS) stamps onto polymeric electrospun

substrates without loss of biological activity. Fluorescence microscopy has been used to detect successful

patterning, and to determine the fate of inked proteins. Biological in vitro studies confirmed the potential of

this approach to control cell morphology and to modulate cell function.

References:

[1] Kaufmann T, Ravoo BJ. Stamps, inks and substrates: polymers in microcontact printing, Polym Chem

2010;1:371-387.

[2] Bernard A, Renault JP,Michel B, Bosshard HR, Delamarche E.Microcontact Printing of Proteins,

AdvMater 2000;12:1067-1070.

[3] Nandakumar A, Truckenmüller R, Ahmed M, Damanik F, Santos DR, Auffermann N, de Boer J,

Habibovic P, van Blitterswijk C, Moroni L. A fast process for imprinting micro and nano patterns on

electrospun fiber meshes at physiological temperatures. Small 2013 doi: 10.1002/smll.201300220.

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Triphenylamine-based dyes for live-cells labeling and imaging of cell’s cytoplasm

Angela Scrascia,a, Ilaria Elena Palamà

a, Viviana Vergaro

a, Giuseppe Vasapollo

c,

and Giuseppe Ciccarella*a, b

a Istituto Nanoscienze – CNR, National Nanotechnology Laboratory (NNL), Via Arnesano, 73100 Lecce,

Italy. E-mail: [email protected] b Dipartimento di Ingegneria dell’Innovazione, Università del Salento, Via Monteroni, 73100, Lecce, Italy.

The chemistry of small molecule as fluorophores is exciting and is playing an important role also in

cellular biology research, in particular in cell viability and revealing cytotoxicity, following

proliferation, and monitoring cell adhesion and spreading. Thus, it was developed the idea of applying

new dyes typically studied for DSSC research in biological systems. Novel organic dyes based on TPA

group and the cyanoacetic acid as electron-donor and -acceptor, respectively, whereas a thienyl, phenyl

and thienyl-fluoro-phenyl-substituted as π-linker were synthesized. It was investigated the cytoplasm

labeling of two cell lines (3T3 fibroblasts and C2C12 myoblasts) with conjugated triphenylamine-based

fluorophores. The dyes revealed biocompatible and spontaneously crossing the membrane of living

cells. The obtained results concerning our dyes are the proof that the fluorescent molecules are cell-

permeant and non-toxic and can be used as cell tracing to different component of cellular cytoplasm.

Confirming that our dyes interact with cells we evaluated the opportunity to use them in development of

new optical markers in drug delivery systems. In particular we decided to combine this molecule with

nano calcium carbonate widely studied as nano carrier for anti-cancer drugs.

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Porphyrin-based chemical sensors and multisensor arrays for the evaluation of food quality

M.L. Naitana

1, F. Mandoj

1, R. Paolesse

1

1Department of Chemical Science and Technologies, University “Tor Vergata”, Rome, Italy

The control of food matrices is an important task nowadays, since it involves from one side nutritional

aspects related to human health safety, and from the other side more hedonic features, such as quality,

freshness, etc, which are also important for commercial aspects. For these reasons in the last few years there

is a strong demand of instrumental methods able to monitor the chemical composition of different matrices.

Recently chemical sensors have been object of interest as a promising solution for the demand of food

freshness control, because they can allow a rapid, non invasive and cheap approach for the control of food

samples.

The complexity of food matrices, where a huge number of analytes are present, makes this field suitable for

the application of sensors arrays, devices that try to mimic the working mechanism of biological senses. For

this reason, these arrays have been called Electronic Nose (EN) and Electronic Tongue (ET), depending if

they are applied for the analysis of gaseous (EN) or liquid (ET) phases.

In recent years we have developed chemical sensors based on porphyrins and related macrocycles as sensing

materials. The richness of properties of such a macrocycle allows the development of a library of sensing

materials to be applied on sensors based on different trasduction mechanisms, ranging from the

nanogravimetric to optical transducers. This versatility of porphyrins allows also the preparation of sensor

arrays based on dual mode transduction systems, where the same sensing materials is used on hyphenated

trasduction platforms, such as, for example, the Computer Screen Photoassisted Technique (CSPT).

We have applied the develop systems for the monitoring of different food matrices and the related result1–6

will be presented and discussed.

References

(1) Lvova, L.; Di Natale, C.; Paolesse, R. Sensors and Actuators B: Chemical 2013, 179, 21.

(2) Tortora, L.; Stefanelli, M.; Mastroianni, M.; Lvova, L.; Di Natale, C.; D’Amico, A.; Filippini, D.;

Lundström, I.; Paolesse, R. Sensors and Actuators B: Chemical 2009, 142, 457.

(3) Dini, F.; Paolesse, R.; Filippini, D.; D’Amico, a.; Lundström, I.; Di Natale, C. Procedia Engineering

2010, 5, 1228.

(4) Dini, F.; Filippini, D.; Paolesse, R.; Lundström, I.; Di Natale, C. Sensors and Actuators B: Chemical

2013, 179, 46.

(5) Compagnone, D.; Fusella, G. C.; Del Carlo, M.; Pittia, P.; Martinelli, E.; Tortora, L.; Paolesse, R.; Di

Natale, C. Biosensors & bioelectronics 2013, 42, 618.

(6) Alimelli, A.; Pennazza, G.; Santonico, M.; Paolesse, R.; Filippini, D.; D’Amico, A.; Lundström, I.; Di

Natale, C. Analytica chimica acta 2007, 582, 320.

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11

Engineered Carbon Nanotubes as Drug Delivery Systems for Antiviral Drugs

D. Iannazzo,

1 A. Pistone,

1 A. Piperno,

2 G. Grassi,

2A. Mazzaglia,

3 A. Scala,

3 M. Lanza,

4

M. T. Sciortino,5 , M. Prato

6, S. Galvagno

1

1 Università di Messina, Dip. di Ingegneria Elettronica, Chimica e Ing. Industriale, Messina, Italy

2 Università di Messina, Dip Scienze Chimiche, Messina, Italy

3 Consiglio Nazionale delle Ricerche CNR-ISMN, UOS Palermo, Messina, Italy

4 CNR-Istituto per i Processi Chimico F isici, Messina, Italy

5Università di Messina, Dip. di Scienze Biologiche e Ambientali, Messina, Italy 6Università di Trieste, Dip. Scienze Chimiche e Farmaceutiche,Trieste, Italy

E-mail address: [email protected]

Among the different types of nanomaterials, Carbon Nanotubes (CNTs), due to their unique physical,

chemical and physiological properties, have shown great performance in the field of nanomedicine, attracting

particular attention as carriers of biologically relevant molecules. These nanomaterials can be surface

engineered in order to enhance their dispersibility in the aqueous phase or to provide, by multimodal

conjugation, the appropriate functional groups for the synthesis of CNT-based drug delivery system (DDS)

able to bind the desired therapeutic material or the target tissue to obtain a therapeutic effect [1,2]. In the

nanomedicine field, there is a growing considerable demand for new antiviral agents and materials not only

for the increasing worldwide problems caused by harmful viruses infections, but also for the serious side

effects often showed by known antiviral agents [3]. We report here two different approaches for the

conjugation of nucleoside antiviral agents to highly hydrophilic and dispersible MWCNTs which involves

the covalent linkage of the antiviral agent by means of a cleavable linker or the complexation of the drug

with a β-ciclodextrin (β-CD) covalently modified MWCNT nanohybrid (Fig. 1). The obtained compounds

have been fully characterized by XPS, XRD, UV-Vis, SEM, TGA and TEM measurements and their

biological activity against HIV and HSV was tested.

Fig. 1

References

[1] A. Bianco, K. Kostarelos, M. Prato. Chem. Commun., 47 (2011) 10182.

[2] D. Iannazzo, A. Piperno, A. Pistone, G. Grassi, S. Galvagno, Curr Med. Chem, 20 (2013), 1333.

[3] I. Banerjiee, M. P. Douaisi, D. Mondal, R. S. Kane, Nanotechnology, 23 (2012) 105101.

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12

Azahelicenium salts: possible biological applications

Francesca Fontana*

,a, Isabella Natali Sora,

a Loredana Latterini

b

a Università di Bergamo, Dipartimento di Ingegneria, viale Marconi 5 24044 Dalmine BG b Università di Perugia, Dipartimento di Chimica, via Elce di Sotto 8, 06153 Perugia PG

Azahelicenes are extensively conjugated heteroaromatic molecules, intrinsically chiral due to helical shape

imparted by steric hindrance. Their extremely long triplet lifetime makes them good phosphorescent

emitters. Their N-alkylated quaternary salts (Fig.1), showing most of the same desirable properties as the

parent helicenes, bear a positive charge, which makes them water-soluble. Some of these derivatives were

characterized for spectroscopic properties, as well as crystal structure.1

Since polycyclic aromatic molecules are known to form complexes with DNA, these particular quaternary

salts have been studied for interaction with cell nuclei.2,3

It was found that intercalation takes place rapidly,

and it has been observed that the nature of the counterion determines the binding parameters (K and the

number of interacting binding sites).2 On the other hand, aggregation phenomena take place, which are

controlled by solvent polarity, and which influence absorption and emission spectra; therefore, their optical

properties can be finely tuned by changing the medium properties. This can be exploited for the

differentiation of different cell compartments, characterized by different medium properties (polarity, ionic

strength, pH etc.): actually, through incubation experiments, it was possible to follow the cell uptake process

and to chromatically differentiate cell compartments.3 In particular, the wavelength emission is shorter when

the salt is located in the nucleus, where it is in monomeric form, while it is longer in the cytoplasm, where

the molecules form aggregates.

Besides, cell labeling through this method has proven to be completely reversible and the molecule is

completely released in about 5 h without alteration of the cell structure.

References

1. T.Caronna, F.Castiglione, F.Fontana, A.Famulari, L. Malpezzi, A.Mele, D.Mendola, I.Natali

Sora “Quantum Mechanics Calculations, Basicity and Crystal Structure: The Route to Transition

Metal Complexes of Azahelicenes” Molecules 2012, 17, 463-479.

2. R. Passeri, G. G. Aloisi, L. Latterini, F. Elisei, T.Caronna, F.Fontana, I.Natali Sora

“Photophysical properties of N-alkylated aza-helicene derivatives as DNA intercalators:

counterion effects” Photochem. Photobiol. Sci., 2009, 8, 1574-1582.

3. L. Latterini, E. Galletti, R. Passeri, A. Barbafina, L. Urbanelli, C. Emiliani, F. Elisei, F. Fontana,

A. Mele, T. Caronna “Fluorescence properties of aza-helicenium derivatives for cell imaging”

J. Photochem. Photobiol. A: Chemistry 2011, 222, 307-313.

Fig.1 - N-methyl-5-aza

[5]helicenium iodide

I

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13

Applicazioni della tecnologia microonde in procedure estrattive ecocompatibili

Carla Villa*

DIFAR - Dipartimento di Farmacia, Sezione di Chimica del Farmaco e del Prodotto Cosmetico,

Viale Benedetto XV, 3 – 16132 Genova

[email protected]

L’irraggiamento microonde, quale fonte energetica non convenzionale, può rappresentare un’alternativa

strategicamente vantaggiosa rispetto alle tecniche di riscaldamento classiche, sia per la ricerca in ambito

accademico sia per produzioni a livello industriale. Già da tempo, in campo chimico, farmaceutico e

agroalimentare, le aziende sono orientate verso la necessità di rielaborare il modello industriale tradizionale

verso l’utilizzo di processi eco-compatibili a basso impatto energetico, in una più ampia ottica di

“Responsible Care”1.

In questo contesto il riscaldamento dielettrico microonde può essere considerato una fonte energetica

sostenibile: offre infatti notevoli vantaggi sia in sintesi chimica sia nei processi estrattivi, operando un rapido

riscaldamento omogeneo, volumetrico e selettivo, caratterizzato in particolare da assenza di inerzia dovuta ad

un veloce trasferimento dell’energia in tutta la massa del materiale2. Da ciò deriva una notevole diminuzione

dei tempi di processo con conseguente riduzione della possibile degradazione del materiale sottoposto a

riscaldamento.

L’energia è utilizzata esclusivamente per il riscaldamento del materiale, senza dispersione di calore

all’esterno, con un notevole risparmio energetico e conseguenti vantaggi economici ed ecologici.

In ambito estrattivo, fra le diverse procedure “verdi”, la cui scelta dipende dalla natura del campione, sono

comprese diverse tecniche estrattive che sfruttano il riscaldamento dielettrico sia in presenza che in assenza

di solvente.

Tra le procedure con solvente possiamo citare la MAE (Microwave Assisted Extraction) che utilizza solventi

ad elevata costante dielettrica e la MAP (Microwave Assisted Process) che sfrutta il riscaldamento dell’acqua

presente nella matrice (in genere fresca) per garantire l’estrazione dei principi attivi di interesse con un

solvente apolare3. In molti altri casi, nella MWE (Microwave Water Extraction) in particolare, è possibile

utilizzare l’acqua come estraente verde, in quanto, grazie alla sua elevata costante dielettrica, ha peculiari

proprietà estrattive.

Tra le moderne tecniche estrattive senza solvente le piuutilizate sono la SFME(Solvent Free Microwave

Extraction) e la MHG (Microwave Hydrodiffusion and Gravity): La prima combina il riscaldamento a

microonde alla distillazione a secco ed è ampiamente utilizzata per il recupero di oli essenziali da campioni

botanici freschi. La seconda nuova tecnica, brevettata nel 2008, combina il riscaldamento con microonde e la

gravità. E' stata concepita per l'estrazione di sostanze naturali di varie matrici su scala di laboratorio, ma è

utilizzabile anche su scala industriale4.

Al fine di applicarediversi tipi di estrazione con l’ausilio di unsolofornomicroonde, è statoda noiprogettato,

assemblatoe utilizzatoin diverse procedure, unospecificoprototipomultifunzionededicato.

Consiste di una cavitàmultimodale,dotata di un magnetron operante a 2.45 GHz, duefibreottiche per la

misuradellatemperature di processo e un’unità di controllodedicata, opportunamente interfacciata, che

permette di controllare e modulare diversi parametri di processo, come potenza, tempo e temperature. In base

alla disposizione dei fori presenti sulle pareti della cavità il reattore puo’ essere impiegato per i diversi

processi precedentemente illustrati. Inoltre la presenza dei due fori permette in potenza l’utilizzo del forno

per alcuni tipi di estrazione in continuo5.

Riferimenti

1. Givel, Michael "Motivation of Chemical Industry Social Responsibility Through Responsible Care".

Health Policy 81 (1): 85–92. (2007).

2. Mandal V., Mohan Y., Hemalatha S., “Microwave Assisted Extraction – An Innovative and

Promising Extraction Tool for Medicinal Plant Research”, Pharmacognosy Reviews, Vol 1, Issue 1,

2007

3. C. Leonelli, C. Villa “Applicazioni delle microonde in Chimica Analitica" in "Il riscaldamento a

microonde. Principi ed applicazioni" ISBN: 88-371-1699-3. Pitagora Editrice, Bologna,

(2008)pagg. 205-229.

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14

4. F. Chemat, G. CravottoMicrowave-assistedExtraction for Bioactive Compound. ISBN 978-1-

4614-4829-7mSpringer, NewYork, (2013). 238 pages.

5. C Villa. R.Boggia, R Leardi, C. Leonelli, R. Rosa. E. Caponetti, D.Chillura Martino “Ecofriendly

microwave-mediated approach for the extraction of bioactive compounds from waste matrices in the

agro-alimentary sector”Extech 2012 – International Symposium on Advances in Extraction

Technologies.Messina 24-26 Settembre 2012. Book of Abstract pag 102.

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15

Estrazione a microonde di composti bio-attivi da matrici vegetali

Roberto Rosa

1, Erika Ferrari

2, Carla Villa

3, Paolo Veronesi

1, Monica Saladini

2, Lorenzo Tassi

2, Cristina

Leonelli1

1Dipartimento di Ingegneria “Enzo Ferrari”, Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia, via

Vignolese 905/A, 41125 Modena, [email protected] 2Dipartimento di Scienze Chimiche e Geologiche, Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia, via

Campi 183, 41125 Modena 3Dipartimento di Farmacia, Università degli Studi di Genova, viale Cembrano 4, 16147 Genova

Negli ultimi anni l’utilizzo di composti bio-attivi derivanti da matrici vegetali ha riscosso un interesse

sempre maggiore principalmente a causa della potenziale tossicità e degli eventuali effetti collaterali degli

analoghi sintetici [1, 2]. Inoltre, la possibilità di sfruttare a tale scopo anche i sottoprodotti e gli scarti

derivanti da processi alimentari (eliminandone o comunque riducendone molto i costi di smaltimento),

costituisce un ulteriore vantaggio dell’utilizzo di composti fitochimici [3].

La maggior parte delle convenzionali tecniche estrattive di composti bio-attivi da matrici vegetali (quali ad

esempio la stasi macerativa o l’utilizzo di apparato Soxhlet) presenta numerosi svantaggi tra cui l’utilizzo di

spropositate quantità di solventi organici, un elevato consumo energetico, lunghi tempi di estrazione che in

alcuni casi possono portare alla degradazione dei composti di interesse.

Lo scopo di questo lavoro è di proporre innovative tecniche estrattive assistite da microonde (Microwave

Assisted Extraction, MAE) [4], per accelerare le tempistiche di estrazione, ridurre il consumo di solventi

organici ed aumentare le rese estrattive e la qualità dei prodotti ottenuti. In particolare tali tecniche di

estrazione “green” [5] sono state applicate a differenti matrici vegetali quali ad esempio frutti e fiori di noce

bianco (Juglans regia L.), radici di cannella (Cinnamomum Zeylanicum) e vinaccioli allo scopo di

ottimizzare l’estrazione di composti fenolici.

Le tecniche statistiche di disegno sperimentale (Design of Experiments, DoE) sono state in alcuni casi

utilizzate allo scopo di valutare l’effetto dei diversi parametri di processo e ottimizzare il processo estrattivo

assistito da microonde.

Rispetto a metodologie estrattive convenzionali, l’utilizzo di microonde si è dimostrato molto promettente in

termini di rese e di contenuto di composti fenolici. Alcuni estratti sono stati poi caratterizzati in termini di

potere antiossidante e di altri interessanti effetti biologici.

Riferimenti

[1] M. Contini, S. Baccelloni, R. Massantini, G. Anelli, Extraction of natural antioxidants from hazelnut

(Corylus avellana L.) shell and skin wastes by long maceration at room temperature, Food Chem. 110, 2008,

659-669.

[2] I. Oliveira, A. Sousa, I.C.F.R. Ferreira, A. Bento, L. Estevinho, J.A. Pereira, Total phenols, antioxidant

potential and antimicrobial activity of walnut (Juglans regia L.) green husks, Food Chem. Toxicol. 46, 2008,

2326-2331.

[3] H. Wijngaard, M.B. Hossain, D.K. Rai, N. Brunton, Techniques to extract bioactive compounds from

food by-products of plant origin, Food Res. Int. 26, 2012, 505-513.

[4] Microwave-assisted extraction for bioactive compounds, F. Chemat and G. Cravotto Eds., Springer, New

York, 2013.

[5] F. Chemat, M.A. Vian, G. Cravotto, Green extraction of natural products: concept and principles, Int. J.

Mol. Sci. 13, 2012, 8615-8627.

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16

Studies on Catalytic and catalytic photo-assisted propene hydration

in the presence of H3PW12O40 supported on different oxides.

G. Marcìa,b

, E. García-Lópeza,b

, M. Bellarditaa,b

, C. Colbeau-Justinc,d

, L.F. Liottae, L. Palmisano

a,b

a“Schiavello-Grillone” Photocatalysis Group. Dipartimento di Energia, Ingegneria dell’informazione e

modelli Matematici (DEIM), Università di Palermo, Viale delle Scienze, 90128 Palermo, Italy bConsorzio Interuniversitario la Chimica per l’Ambiente (INCA),

[email protected]; Fax: +39-091 23860841; Tel: + 39-091 23863737 cUniversité Paris-Sud, Laboratoire de Chimie Physique, UMR8000, Orsay, 91405 France

dCNRS, Laboratoire de Chimie Physique, UMR8000, Orsay, 91405 France

eIstituto per Lo Studio dei Materiali Nanostrutturati (ISMN)-CNR,

via Ugo La Malfa 153, 90146 Palermo, Italy

Propene hydration to obtain 2-propanol is a reaction carried out at moderate temperatures (ca. 150-200°C)

and pressure (2 MPa) in the presence of an acid catalyst [1]; however the realization of this reaction at

ambient conditions is of great interest. The use of heteropolyacids as catalysts for the hydration of propene to

2-propanol in gas-solid regime has been object of several patents [2,3]. Heteropolyacids, a kind of

polyoxometallates (POMs) [4], are very strong Brønsted acids and efficient oxidants that perform fast and

reversible redox multielectronic transformations under mild conditions [5]. Ivanov et al. compared the

catalytic activity of an acidic zeolite with non-supported and SiO2 supported H3PW12O40 (POM) for this

reaction [6]. Supported POM samples resulted much more active than both the bare corresponding sample

and the zeolite, substantially due to their stronger acidity. The POM based materials showed a significant

activity from 100°C with a maximum activity in hydration at 130°C. They have been used also as

homogeneous photocatalysts: absorption of light (λ = 260 nm corresponding to 4.8 eV) by the ground

electronic state of the solubilized POM produces the charge transfer-excited state POM* and it is

qualitatively analogous to the absorption of band gap radiation by a solid semiconducting metal oxide

producing a transient electron-hole pair [7]. Likewise, substrate oxidation by the excited state of the

polyoxometalate, is analogous to the corresponding process in semiconductors [8]. In this manner, the

heteropolyacid can act not only as catalyst but also as a photocatalyst, so the additional effect of irradiation

on the catalytic system can improve its performance. Several studies have been devoted to heterogeneous

photocatalytic processes by using semiconductor oxides. This technology has been applied mainly to degrade

organic and inorganic pollutants both in vapour and in liquid phases [9]. In a previous paper the catalytic and

catalytic photo-assisted activity of the H3PW12O40 POM supported on TiO2 Evonik P25 and SiO2 was studied

and a beneficial role of the photo-catalytically active support on the reaction rate was reported [10]. The

contemporary presence of heat and UV light improved the activity of the POM supported materials for the

propene hydration reaction and the catalytic photo-assisted reaction occurred at a higher rate than the

catalytic one when the solid support was an irradiated semiconductor. In that case, the more significant

increase of reactivity was justified by considering the ability of TiO2 to transfer electrons from the

conduction band to the activated POM* species. In this work catalytic and catalytic photo-assisted hydration

of propene to form 2-propanol in gas-solid regime at atmospheric pressure and 85°C was carried out by using

a heteropolyacid (POM) supported on different oxides. Binary materials have been prepared by impregnation

of H3PW12O40 on different commercial and home prepared supports (TiO2, SiO2, WO3, ZrO2, ZnO, Al2O3).

The POM amount deposited was 50 % in weight with respect to the support. The powders used as catalysts

and photocatalysts are denoted hereafter as POM/oxide support. Some samples containing lower amount of

heteropolyacid were prepared. These amounts were chosen to obtain a theoretical coverage of 2 or 1 layers

on the surface of the support. These materials are labelled hereafter 2L-POM/oxide support or 1L-

POM/oxide support. Some of the composites were active both for catalytic and catalytic photo-assisted

reaction. The Keggin type POM was completely and partially degraded, when supported on ZnO and Al2O3,

respectively, and these binary solids resulted always inactive for both catalytic and catalytic photo-assisted

reactions. XRD characterization of the solid indicates that POM was well dispersed on the supports and that

new picks appeared, with respect to the corresponding bare powders, only in the POM supported samples on

TiO2 Merck, WO3 and ZrO2. These new diffraction peaks do not coincide with those observed for the bare

POM diffraction pattern and they can be explained by considering the occurrence of a strong interaction

POM-support that can introduce distortions within the POM tertiary structure. From the SEM micrographs

observation and FTIR spectra it can be concluded that POM was generally well dispersed on the supports.

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17

The NH3-TPD experiments showed that the acid sites strength due to the POM is different for the various

samples and in particular the catalysts that present the strongest acidity are POM/ZrO2, POM/WO3, and

POM/TiO2 Merck. This fact, that is related to the stronger interaction between POM and the support, will be

very useful to explain the higher reactivity observed for these catalyst. The comparison of the catalytic

activity of samples containing different amounts of heteropolyacid was done normalizing the activity for

gram of POM present in the catalyst. These values are reported in Figure 1. From the perusal of Figure 1 the

most active samples are those which have two layers of POM and in particular the best one is 2L-POM/ZrO2

followed by 2L-POM/WO3, 2L-POM/TiO2 Merck and POM/TiO2 Evonik P25. The last two samples show a

very similar catalytic activity. The samples with less POM layers, i.e. POM/TiO2 hp and POM/SiO2, display

reactivity comparable to that of 2L-POM/TiO2 Merck and POM/TiO2 Evonik P25. On the contrary, the

samples in which a higher number of POM layers was present (POM/TiO2 Merck, POM/ZrO2 and

POM/WO3) showed the lowest reactivity. This findings clearly indicates that two factors influence the

reactivity per gram of catalytic species, i. e. the POM dispersion and the nature and physico-chemical

features of the support. All the considerations and trends reported for the catalytic runs are valid for the

catalytic photo-assisted experiments as well; however it is very important to underline that in almost all cases

the reactivity increased in the presence of UV light.

Figure 1: 2-propanol formation rate per gram of POM present in the various POM supported materials for the

catalytic (white bars) and catalytic photoassisted (grey bars) propene hydration reaction.

The supported Keggin POM species played a key role both for the catalytic and the photo-assisted catalytic

reactions, due to their strong acidity and ability to form strong oxidant species under UV irradiation,

respectively. The role of the support should be also considered to explain the different catalytic reactivity of

the various samples. In particular, the SSA of the support and the interaction with POM, that can enhance the

superficial acidity of the samples, play an important role in the catalytic reactivity of the samples. Indeed, it

was observed that the supported samples on the oxides with higher SSA exhibited higher reactivities. This

finding can be related to the better dispersion of the POM on the catalyst surface. Moreover, as evidenced by

comparing the samples reactivity per gram of supported POM, the most active materials were those that

presented the strongest acid sites, i.e. ZrO2, WO3 and TiO2 Merck POM supported samples. The presence of

UV light improved the activity of almost all POM supported materials. Also in this case, the interaction

between POM and the support played a fundamental role for the photo-assisted catalytic reaction. Indeed, a

stronger interaction related also with the acidity of the POM supported samples could give rise to a POM

excitation at lower energy irradiation. Moreover, an electron transfer from the conduction band of the

semiconductor supports (TiO2 or WO3) to the excited POM to form the heteropolyblue species must be also

considered.

223164

225258

217

58

631

123

1041

30

288

188

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POM/TiO2

Evonik P25

POM/TiO2

MerckPOM/TiO2

hp

POM/SiO2 POM/WO3 2L-POM/WO3 POM/ZrO2 2L-POM/ZrO2 POM2L-POM/TiO2

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18

References

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3. G.J. Haining, US Patent 5,714,429 (1998).

4. I.V. Kozhevnikov, Catalysis for Fine Chemical Synthesis. Vol. 2: Catalysis by Polyoxometalates. John

Wiley and Sons, Chichester, 2002.

5. V. Kozhevnikov, Chem. Rev., 1998, 98, 171.

6. A.V. Ivanov, E. Zausa, Y. Ben Taarit, N. Essayem, Applied Catal A, 2003, 256, 225.

7. A. Hiskia, A. Mylonas, E. Papaconstantinou, Chem. Soc. Rev., 2001, 30, 62.

8. R.C. Chambers, C.L. Hill, Inorg. Chem., 1991, 30, 2776.

9. A. Fujishima, T.N. Rao, D.A. Tryk, J. Photochem. Photobiol. C, 2000, 1, 1.

10. G. Marcì, E. García-López, L. Palmisano, Applied Catal. A, 2012, 421-422, 70.

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La0.8Sr0.2Fe0.8Cu0.2O3 as cathodic material for La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3 based SOFCs

Francesca Zurlo1, Alessandra D’Epifanio

1, Elisabetta Di Bartolomeo

1, Valeria Felice

2, Isabella Natali Sora

2

and Silvia Licoccia1

1Department of Chemical Science and Technologies & NAST Center University of Rome “Tor Vergata”,

Via della Ricerca Scientifica, 00133, Italy 2INSTM R.U. and Department of Engineering, University of Bergamo, Dalmine, BG, I-24044 Italy

[email protected]

One of the major goals in the field of solid oxide fuel cells (SOFCs) is to reduce the operating temperature to

700 °C or less (intermediate temperature SOFCs, IT-SOFCs). A viable means to reduce SOFCs operating

temperature is to use electrolytes with high ionic conductivity at relatively low temperature.

La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3 (LSGM) perovskites have very large ionic conductivity (~0.02 Scm-1

at 600 oC, almost

one order of magnitude larger than that of YSZ) [1, 2]. The main drawback of LSGM perovskite is the cation

interdiffusion occurring during the sintering process across the interface between electrolyte and anodic or

cathodic substrates, such as the commonly used GDC/NiO or strontium-doped rare earth cobaltites, with the

consequent formation of insulating phases [3, 4]. Cathode material specifically developed for LSGM

electrolyte with stoichiometric composition La0.8Sr0.2Fe0.8Cu0.2O3 (LSFCu) was prepared by sol-gel synthesis

to achieve chemical purity. Structure, morphology and chemical properties of LSFCu powders were

investigated by several characterization techniques. The chemical compatibility of LSGM electrolyte and

LSFCu cathode materials was investigated by structural and morphological characterization using X-ray

diffraction (XRD) analysis and field emission scanning electron microscopy (FE-SEM).

The electrochemical characteristics of doped perovskite were investigated by electrochemical impedance

spectroscopy (EIS) measurements on dense pellets sintered at 1500 °C for 10 h in the temperature range

500–750 °C.

LSFCu/LSGM/LSFCu symmetric cells were prepared by hand-painting the cathodic powders mixed together

with a commercial printing paste on both sides of LSGM dense pellets, used as electrolytes, then dried and

finally fired at 900 °C for 2 h.

Area Specific Resistance (ASR) values, directly depending on the rate limiting step of the electrochemical

processes involved in the oxygen reduction reaction at the cathode were evaluated. Fuel cells were prepared

using LSFCu as cathode materials and Pt as anode on the LSGM pellet. Fuel cell tests and electrochemical

impedance spectroscopy (EIS) were performed in the 500 – 750°C temperature range and compared to

Pt/LSGM/Pt cells as reported in Fig. 1. The electrochemical investigation has the aim to show that LSFCu is

a potential candidate for cathode application in IT-SOFC.

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0 Pt/LSGM/LSCuF

750°C

700°C

650°C

600°C

Po

ten

tia

l (V

)

0

1

2

3

4

5

6

7

Po

we

r D

en

sity (

mW

cm

-2)

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Current Density (mAcm-2)

0

1

2

3

4

5

6

7

Pt/LSGM/Pt

Fig. 1 Polarization curves measured at different temperatures between 600 and 750 °C with H2 fuel at the

anode and static air at the cathode.

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20

References

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density and 30 day long-term stability. J. Electrochem. Soc. 2005;152:A1511-A5.

3. X Hong J-E, Inagaki T, Ida S, Ishihara T. Improved power generation performance of solid oxide fuel

cells using doped LaGaO3 electrolyte films prepared by screen printing method II. Optimization of

Ni–Ce0.8Sm0.2O1.9 cermet anode support. Int. J. Hydrogen Energy. 2011;36:14632-42.

4. Liu B, Guo W, Chen F, Xia C. Ga site doping and concentration variation effects on the conductivities of

melilite-type lanthanum strontium gallate electrolytes. Int. J. Hydrogen Energy. 2012;37:961-6.

Acknowledgments The authors acknowledge the INSTM-Regione Lombardia for the financial support within the program

"Sperimentazione d'iniziative di sviluppo, valorizzazione del capitale umano e trasferimento dei risultati

della ricerca con ricaduta diretta sul territorio lombardo" Project title “Ferriti di Lantanio per Nuove Fonti di

Energia (Ferriti-NFE)" and the Italian Ministry of Research and Education within the program “Programmi

di Ricerca Scientifica di Rilevante Interesse Nazionale-PRIN- Anno 2010-2011–Prot. 2010KHLKFC”.

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21

Sintesi via sol-gel dip coating e caratterizzazione di film ibridi organico-inorganici per il

potenziamento delle proprietà biologiche di impianti in lega di Titanio grado 4

Bollino F.1, Roviello G.

2, Ferone C.

2, Papale F.

1, Catauro M.

1

1 Dipartimento di Ingegneria Industriale e dell’Informazione, Seconda Università di Napoli, via Roma 29 –

81031 Aversa (CE); [email protected] 2 Dipartimento per le Tecnologie, Università di Napoli “Parthenope”, Centro Direzionale, Isola C4, 80143

Napoli

Abstract

La modifica di superfici protesiche mediante il rivestimento di film sottili biocompatibili può favorire

notevolmente l’integrazione della protesi nel sito d’impianto. Nel presente lavoro, mediante l’ausilio della

tecnica del dip coating, impianti di Titanio grado 4 (Ti gr. 4) sono stati rivestiti con film sottili, costituiti da

materiali ibridi organico-inorganici sintetizzati utilizzando il metodo sol-gel, al fine di potenziarne le

proprietà biologiche. I materiali e i film sono stati, poi, caratterizzati dal punto di vista chimico e

microstrutturale impiegando numerose tecniche strumentali (FTIR, NMR, AFM, SEM/EDS). Sono inoltre

state studiate le proprietà magnetiche utilizzando un Dispositivo Superconduttore a Interferenza Quantistica

(SQUID) e le proprietà biologiche mediante test in vitro che hanno dimostarto che i film sintetizzati

consentono di potenziare notevolmente la bocomaptibilità e la bioattività degli impiatti di Ti gr. 4.

Introduzione

L’utilizzo pratico di qualsiasi biomateriale comporta la formazione di un’interfaccia tra questo e il sistema

biologico in corrispondenza della quale avvengono le interazioni con i tessuti circostanti. La superficie di

quasi tutti i biomateriali può essere modificata allo scopo di favorirne il processo di integrazione, migliorarne

la biocompatibilità e le complessive prestazioni. In tal modo è possibile ottenere un nuovo materiale che, pur

possedendo diverse caratteristiche superficiali, conservi le medesime proprietà meccaniche e fisiche del

materiale di partenza. La modifica di superfici utilizzando la tecnica del dip coating permette, facilmente, di

rivestire substrati di diversa natura e forma con materiali ottenuti con il processo sol-gel, un metodo per la

produzione di vetri e ceramici a basse temperature. In tale studio ibridi ZrO2/PCL sono stati sintetizzati via

sol-gel ed utilizzati per rivestire, mediante dip coating, substrati di Ti gr. 4 per potenziarne le proprietà

biologiche legate alla superficie.

Materiali e Metodi

I materiali ibridi ZrO2/PCL sono stati sintetizzati utilizzando la tecnica sol-gel. Ad una soluzione idroalcolica

di un precursore metallorganico, il propossido di zirconio Zr(OC3H7)4, è stato aggiunto il policaprolattone

(PCL), previamente solubilizzato in cloroformio, nelle percentuali dello 0, 6, 12, 24 e 50 %p/p. Per regolare

l’elevata attività idrolitica dell’alcossido è stato introdotto l’acetilacetone (CH3COCH2COCH3) come

inibitore. Il sol è stato utilizzato per rivestire impianti di Ti gr. 4 (passivati in HNO3), utilizzando un KSV

LM dip coater. Lo studio delle interazioni presenti tra la fase organica e quella inorganica all’interno

dell’ibrido è stato effettuato utilizzando uno spettrometro FTIR Prestige 21 e uno spettrometro NMR

AMX400WB (Bruker) equipaggiato con sonda MAS da 4 mm. L’analisi microstrutturale dei materiali e dei

film è stata effettuata utilizzando un microscopio a forza atomica AFM Percepition e un microscopio a

scansione elettronica SEM FEI Quanta 200 munito di EDAX per eseguire la microanalisi dei campioni. Per

investigare le proprietà magnetiche dei materiali sintetizzati è stato utilizzato uno SQUID Quantum Design.

Infine, per confermare l’effettivo potenziamento delle proprietà biologiche del substrato, sono stati eseguiti

test di bioattività e biocompatibilità sui supporti rivestiti. La bioattività è stata valutata immergendo i

campioni in una soluzione simulante il plasma sanguigno (SBF o Simulated Body Fluid) tenuta a 37°C. A

diversi intervalli di tempo, i campioni, dopo essere stati asciugati, sono stati osservati al SEM per valutare

l’abilità a promuovere la formazione di uno strato di idrossiapatite sulla loro superficie. Lo studio della

biocompatibilità è stato eseguito effettuando il test di citotossicità o saggio WST-8, un test colorimetrico di

tipo indiretto che fornisce informazioni sulla vitalità delle cellule attraverso la valutazione della loro attività

metabolica, inibita dalla presenza di agenti tossici.

Risultati e discussione

Dall’analisi degli spettri FTIR (Figura 1) dei materiali ibridi si osserva la presenza dei picchi di assorbimento

caratteristici del PCL, a 2928 e a 2840 cm-1

(stretching simmetrico dei gruppi -CH2-) e a 1730 cm-1

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22

(stretching del gruppo carbonile -C=O), i quali aumentano di intensità all’aumentare della quantità di

polimero introdotta nella la sintesi. La presenza della banda slargata nella zona tra 3200-3600 cm–1

,

caratteristica dei gruppi O-H, suggerisce la formazione di ponti a idrogeno tra il carbonile del PCL e gli OH

del network inorganico. Tale ipotesi è confermata dallo shift dei picchi di risonanza del PCL puro che si

osserva negli spettri 13C MAS-NMR dei materiali ibridi [1].

Figura 1 Spettri FTIR di: (a) ZrO2; (b) ZrO2+ PCL6 %; (c) ZrO2+ PCL12 %; (d) ZrO2+ PCL24 %; (e) ZrO2+

PCL50 %.

Le topografie AFM dei materiali ibridi e dei film mostrano che la distanza media tra i domini è di circa 20

nm, a conferma che i materiali sintetizzati sono ibridi nanocompositi. Le osservazioni al SEM hanno rilevato

che i film costituiti da sola zirconia sono molto fratturati (Figura 2a) e che la presenza di microcricche

diminuisce all’aumentare della percentuale di polimero inglobata nel film, fino a scomparire quando è

incorporato il 50%p/p di PCL (Figura 2b) [2]. La microanalisi EDAX dei materiali ibridi non ha evidenzia la

presenza di atomi di C in superficie, lasciando ipotizzare che il PCL è all’interno della matrice inorganica.

(a) (b) (c) Figura 2 Micrografie SEM dei substrati in Ti gr. 4 rivestiti con (a) ZrO2 e (b) ZrO2 + PCL 50% e (c) dopo 21

gg in SBF

I materiali, inoltre, immersi nel campo magnetico del dispositivo SQUID hanno manifestato comportamento

diamagnetico. Tale proprietà subisce un incremento proporzionale alla quantità relativa di PCL introdotto.

Ciò lascia intravedere la possibilità di sintetizzare gli ibridi in condizioni di microgravità mediante l’utilizzo

della Levitazione Magnetica allo scopo di comprendere come la forza di gravità influenza il processo che

governa la formazione della microstruttura di tali materiali [1]. Nelle immagini SEM, acquisite dopo

l’immersione dei sistemi rivestiti in SBF(Figura 2c), è evidente la presenza delle formazioni globulari tipiche

dell’idrossiapatite sulla superficie dei materiali. Ciò si traduce come la capacità, di tali sistemi, di

osteointegrarsi una volta impiantati in vivo. Inoltre, il saggio colorimetrico del WST-8 dimostra che i film di

rivestimento rendono i supporti di Ti gr. 4, generalmente bioinerti, biocompatibili [2].

Conclusioni

La tecnica sol-gel dip coating risulta un metodo economico, versatile e molto promettente per la modifica di

superfici. Film organico-inorganici nanocompositi appaiono molto bioattivi e biocompatibili e consentono di

potenziare notevolmente le proprietà biologiche degli impiatti di Ti gr. 4.

Riferimenti 1. Catauro M, Bollino F, Papale F. J Biomed Mater Res Part A. In Press (2013)

2. Catauro M, Bollino F, Mozzati MC, Ferrara C, Mustarelli P. J Solid State Chem. In Press (2013)

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23

Cost effective electrode materials for energy and environmental applications

Alessandro Iannaci1, Barbara Mecheri

1, Alessandra D’Epifanio

1, Tommy Pepè Sciarria

2, Fabrizio Adani

2,

and Silvia Licoccia1

1 Dept. Chemical Science and Technology & NAST Center, University of Rome Tor Vergata ,

[email protected] 2 Gruppo Ricicla, DiSAA- Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali, University of Milan

The increasing price of fossil fuels and of pollution levels in the atmosphere have driven numerous scientific

efforts towards the exploiting of renewable and sustainable energy sources. At present, photovoltaic, wind,

and geothermal sources are most promising both for domestic and industrial aim [1]

. However, for automotive

application and portable electronics, there is the necessity of more practical power sources, with high

efficiency and power output. Fuel cells (FCs) offer a unique combination of benefits that make them a vital

technology ideally suited for all market segments of our energy infrastructures, owing to high-efficiency

conversion of chemical energy to electricity with no or reduced environmental impact [2]

.

Among the different categories of FCs which are based on power level and end use, direct methanol fuel

cells (DMFCs) are potentially excellent power sources for traction and small portable power sources due to

high energy density of methanol, joint to the ease of storage and transport of this fuel [3]

.

More recently, a different and innovative class of FCs, microbial fuel cells (MFCs), has been developed.

MFCs are based on the ability of bacteria found in waste to digest organic matter through a cascade of redox

reactions. By driving this process, it is possible to produce current, using wastewaters of urban community as

fuel, also eliminating problems linked to waste disposal [4]

.

Figure 1 shows a schematic of the working principle of DMFC (Figure 1a) and MFC (Figure 1b). They both

consist in two electrode compartments separated by a polymer electrolyte membrane (PEM) which enables

the transport of protons from the anode to the cathode. Electrons produced at the anode through the oxidation

reaction of a fuel (methanol and waste, respectively for the two types of cells) flow via the external circuit to

the cathode where they combine with oxygen which is reduced to water.

Figure 1. DMFC (a) and MFC (b) schematics

Although substantial efforts is currently being made to develop both DMFC and MFC devices, their

applicability is still limited due to materials constraints, i.e. cathode catalysts and polymer electrolytes. In

fact, Nafion and platinum and are still the state-of-the-art materials for DMFC and MFC, as electrolyte and

cathode catalyst respectively, despite their cost and limitations.

Nafion suffers from high methanol permeability and its proton conductivity is not sufficiently high at

T<40°C (for MFC applications) and T>80°C (for DMFC applications) [5]

. Besides its cost and limited

abundance, platinum has low selectivity as ORR catalyst and can be easily contaminated with poisoning

elements such as methanol or organic matter [6,7]

.

In this context, our approach is to develop innovative and low cost cathode catalysts for both DMFC and

MFC applications. Our target is the preparation of a catalytic material that has both good selectivity towards

oxygen reaction reduction (ORR) with respect to crossovered methanol (DMFC application) and good

poisoning resistance against organic matter (MFC application). Zirconium oxide (ZrO2) was synthesized via

a sol-gel techniques and used as platinum additive. Catalytic mixtures at different composition were

prepared. Morphology, structure and thermal properties of the composite catalysts were investigated by

SEM-EXD FTIR, TGA/DTA and analysis. Their catalytic activity towards ORR was investigated by

electrochemical techniques, indicating that the presence of ZrO2 increased catalytic activity of Pt towards

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24

ORR, due to an homogeneous dispersion of additive which enabled further catalytic sites for ORR .The

effect of surface modification of ZrO2 by introducing sulfate groups (S-ZrO2) was also explored and it was

found to improve stability and selectivity of the catalytic mixtures towards ORR, as evidenced by linear

sweep voltammetry acquired in oxygen saturated electrolyte solution containing also methanol as poisoning

agent. In fact, the parasitic reaction of methanol oxidation (MOR) was hindered by the presence of the

additive, enhancing ORR catalytic activity as well and stability of catalyst.

Pt/S-ZrO2 catalytic mixture was then deposited on carbon cloth gas diffusion electrodes and its performance

as both DMFC and MFC cathode was tested, assembling the cell with a Nafion-based electrolyte membrane.

DMFC tests were carried out, feeding the anode with aqueous methanol and the cathode with oxygen, and

polarization and power density curves were acquired (Figure 2a). Maximum current and power density of

265 mAcm-2

and 158 mWcm-2

, respectively, were recorded at 110 °C. The higher catalytic activity and

selectivity of Pt/S-ZrO2 with respect to bare Pt allowed to eliminate negative effects of crossovered methanol

at the cathode al high temperature. Therefore, Pt/S-ZrO2 catalytic mixture allowed DMFC operation at

temperature higher than that of state of the art DMFCs, achieving higher power output.

MFC tests were also acquired on Pt/S-ZrO2 cathodes, feeding the anode with wastewater from sewage plant

and the cathode with air, the operating temperature being 25 °C to guarantee survival of living

microorganisms. Polarization and power density curves were generated by measuring current at variable

external resistances (0.1 –30 kΩ) and results are shown in Figure 2b. Due to the intrinsic limitation of the

bioelectrocatalytic process and mild operating condition (neutral pH and room temperature) power

generation of MFCs is inherently lower than that achieved for chemical fuel cells, such as DMFC. During the

tests, a maximum power density of 23 µW/cm2 (0.08 mAcm

-2) was achieved, demonstrating the applicability

of Pt/S-ZrO2 cathodes for in situ bioelectricity generation along with wastewater treatment.

Figure 2. Polarization and power density curve of fuel cells assembled with Pt/S-ZrO2 cathode catalysts:

(a) DMFC and (b) MFC functioning

References

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Technology, Springer New York, 2013

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[4] B. Logan, D. Call, S. Cheng, H. Hamelers, T. Sleutels, A. Jeremiasse, R. Rozendal, Environmental and

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Science, 1, 417-429, 2008.

Acknowlegments

The financial support of the Italian Ministry for Environment (MATTM, Project MECH2), and the Ager

Consortium is gratefully acknowledged.

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25

La Diagnostica per Immagini Punto di Incontro tra Chimica Sostenibile e Salute

Fulvio Uggeri

Bracco ImagingSpA, Centro Ricerche Bracco – Via Ribes 5, 10100 Colleretto Giacosa (TO)

[email protected]

Le dimensioni del business correlato alla Diagnostica per Immagini hanno fatto di questo settore un’area di

“nicchia” nel mondo della farmaceutica. Storicamente le aziende impegnate nella ricerca, sviluppo e

produzione dei Mezzi di Contrasto (MdC) erano aziende chimiche a elevata tecnologia ma che per nulla

rientravano nei canoni delle cosi dette “big pharma”. Ciò era dovuto alle peculiarità dei MdC che per

definizione non dovevano avere alcuna interazione con i sistemi biologici con cui venivano a contatto ovvero

ogni reazione farmacologica associata alla molecola era considerata un punto di debolezza della stessa. La

peculiarietà di un MdC si accentuava ulteriormente se si consideravano i dosaggi multigrammo di questi

prodotti e la loro formulazione unicamente iniettabile. Queste caratteristiche contraddistinguono ancora oggi

MdC per Raggi X di ultima generazione tuttavia l’evoluzione tecnologica, l’avvento delle nuove modalità

diagnostiche quali la Risonanza Magnetica (MRI), l’uso degli ultrasuoni (US) e dei prodotti radioattivi (NI)

hanno cambiato il paradigma e oggi chi è impegnato in Diagnostica per Immagini fa delle tecnologie

chimiche uno strumento indispensabile di ricerca e innovazione.

Lo scenario è indubbiamente cambiato, in particolare è sempre più compresa l’importanza della diagnostica e

dello slogan“una diagnosi precoce significa, vita” in quanto il conoscere, il vedere, bene e presto ha

ripercussioni drammaticamente importanti sull’approccio al trattamento del paziente, sul follow up

terapeutico, sulla qualità della vita che si viene a generare e conseguentemente anche su come è prodotta e

gestita la spesa sanitaria. In questo ambito saper produrre in modo sostenibile i MdC e le nuove Sonde

Diagnostiche diventa uno snodo ineludibile dove la chimica gioca ancora una volta un ruolo di fondamentale

importanza.

La chimica e le tecnologie associate continuano ad essere l’asse portante della ricerca, dello sviluppo e della

produzione di questi prodotti. Nella ricerca di prodotto partendo dal disegno molecolare fino al processo

dove alle applicazioni chemiometriche si affianca la tecnologia dei processi in continuo vera novità per il

mondo farmaceutico fino alle applicazioni di “green metrics” per la valutazione preventiva di impatto

ambientale delle variazioni di processo o di nuovi processi industriali. Anche i reflui industriali e il loro

trattamento sono oggetto di particolare attenzione in quanto come è vero che un MdC non ha interazione con

i sistemi biologici è altrettanto vero che di conseguenza i tradizionali sistemi di depurazione sono spesso

scarsamente efficienti e quindi nuove soluzioni devono essere adottate. Ultimo aspetto, ma non meno

importante, è la completa valutazione ciclo di vita del prodotto. In un settore industriale dove i prodotti sono

commodities,la cui chimica prevede l’uso di materie prime strategiche quali lo iodio e il gadolinio la cultura

del riciclo sta prendendo sempre più piede e la ricerca deve proporre nuove e adeguate soluzioni.

In conclusione la Diagnostica per Immagini con i suoi prodotti e i suoi processi pur rimanendo una nicchia

nel farmaceutico è certamente oggi un ambito in cui la fantasia del ricercatore unitamente all’abilità del

tecnologo possono dare un vero contributo al progresso. La consapevolezza che è la chimica con la sua

trasversalità che gioca un ruolo fondamentale di scopertainduce di ampliare la prospettiva nella fondata

certezza che i risultati ottenuti e quelli che verranno saranno rilevanti e generalizzabili e quindi fondamentali

per il benessere e la salute dell’uomo.

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26

Large-scale manufacturing of radiation sculptured therapeutic nanogels

C. Dispenza

1,2, M.A. Sabatino

1, N. Grimaldi

1, L. Ditta

1, S. Alessi

1, G. Spadaro

1

1Dipartimento di Ingegneria Chimica, Gestionale, Informatica, Meccanica, Università degli Studi di

Palermo, Edificio 6, Viale delle Scienze 90128 Palermo, Italy. 2CNR-Istituto di Biofisica U.O.S. di Palermo, via Ugo La Malfa 153 90146, Palermo, Italy.

Nanogels (NGs), or small particles formed by physically or chemically crosslinked polymer networks,

represent a niche in the development of “smart” nanoparticles for drug delivery and diagnostics. Yet, they

offerunique advantages over other systems, including a large and flexible surface for multivalent bio-

conjugation; an internal 3D aqueous environment for incorporation and protection of (bio)molecular drugs;

the possibility to entrap light-activemolecules, metal or mineral nanoparticles for imaging or

phototherapeutic purposes; stimuli-responsiveness to achieve temporal and/or site control of the release

function and biocompatibility.

The availability of inexpensive, robust and versatile synthetic methodologies is at the basis of the

development of effective nanogel-based theragnostic devices. In particular, we have established that

nanogels can be produced with high yields and through-puts by pulsede-beam irradiation of dilute aqueous

solutions of water-soluble biocompatible polymerse.g. poly(N-vinyl pyrrolidone), and functional acrylic

monomers, such as acrylic acid or (3-aminopropyl) methacrylamide hydrochloride, using industrial electron

accelerators and set-ups (see Figure 1). [1-4]

Nanogels are the result of chemical follow-up reactions initiated by a continuous series of electron pulse-

generated hydroxyl radicals in de-aerated water. A number of radical sites are generated on the polymer

chains,which may have a different fate depending onthe system composition and irradiation conditions.Intra-

molecular and inter-molecular radical recombination as well as disproportionation, chain scission and

monomer or short polymer segments grafting may occur up to different extent. As a result, crosslinked-core

nanoparticles with multi-armed surfaces can be generated, with controlled size, crosslinking density, surface

electric charge density, number and nature of functional groups.No recourse to organic solvents, toxic

initiators or catalysts and surfactants is made, therefore expensive or time-consuming purification procedures

are not required. Simultaneous sterilization can be achieved depending on the irradiation doses.

Long-term colloidal stability in the formof aqueous dispersions and redispersability from the freeze-dried

form are advantageous properties especially in the view of a pharmaceutical use.

Nanogels have been decorated with fluorescent probes, peptides, antibodies or oligonucleotides and/or

conjugated to both molecular and macromolecular model drugs to demonstrate their amenability to be

transformed into bio-hybrid, smart drug nanocarriers.

All the base nanogels have been proved to benot cytotoxic or genotoxic at the cellular level. Indeed, they

showed a good affinity for cells, as they rapidly and quantitatively bypass the cellularcompartments, to

accumulate in specific cell portions for the first hours, to bethen completely released from the cells after 24

h.[5] In particular, active targeting features toward specific cell types and smart delivery functions of model

chemotherapeutics of purposely designed bio-hybrid nanogels will be presented.

References 1. Dispenza C, Sabatino MA, Grimaldi N, Spadaro G, Bulone D, Bondì ML, Adamo G, Rigogliuso S.

Large-scale Radiation Manufacturing of Hierarchically Assembled Nanogels. CHEMICAL ENGINEERING

TRANSACTIONS (2012), 27, p. 229-234.

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vinylpyrrolidone) networks across different length-scales, from macro to nano. POLYMER (2013), 54 (1), p. 54-64.

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Minimalism in Radiation Synthesis of Biomedical Functional Nanogels. BIOMACROMOLECULES (2012), 13, 1805-

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4. N. Grimaldi, M.A. Sabatino, G. Przybytniak, I. Kaluska, M.L. Bondì, D. Bulone, S. Alessi, G. Spadaro, C. Dispenza,

High-energy radiation processing, a smart approach to obtain PVP-graft-AA nanogels. Radiation Physics and

Chemistry, http://dx.doi.org/10.1016/j.radphyschem.2013.04.012

5. Rigogliuso S, Sabatino MA, Adamo G, Grimaldi N, Dispenza C, Ghersi G. Polymeric nanogels: Nanocarriers for

drug delivery application. CHEMICAL ENGINEERING TRANSACTIONS (2012), 27, p. 247-252.

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27

(a)

(b)

Figure 1: Amino-functionalised, radiationcrosslinked PVP nanogelvariants, decorated with fluoresceine

isothiocyanate (FITC) probe, BovinSerum Albumine (BSA) and ratmonoclonal Anti-human CD44 Antibody

C37 labeled with TRITC (Antibody)(a); Caboxyl-functionalised, radiationcrosslinked PVP nanogelvariants,

decorated with amino fluorescein (AmFluor) probe, folic acid, doxorubicin (DOXO) and a single

strandoligonucleotideFAM-FW-N (FAM-5’-AAA ACT GCA GCC AAT GTA ATC GAA-3’-

NH2)(OligoFAM) (b).

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28

Modelli teorici per idrolisi ed idratazione di complessi

antitumorali di platino.

Andrea Melchior

Dipartimento di Chimica Fisica e Ambiente, Università di Udine, Udine, Italy

I complessi metallici a base di platino (Figura 1), sono tra i principali farmaci efficaci nella chemioterapia di

una grande varietà di tumori. In particolare, il cisplatin (Fig. 1) viene impiegato da oltre 30 anni nel

trattamento dei tumori umani. Il meccanismo d’azione del cisplatin procede attraverso due stadi

fondamentali: i) l’attivazione intracellulare per idrolisi di un cloruro dovuta alla minore concentrazione di

questo anione all’interno delle cellule (~3-20mM) rispetto al plasma (~100mM); ii) formazione di legami

covalenti con le basi puriniche del DNA.

La formazione degli addotti causa una deformazione

della doppia elica del DNA che provoca una produzione

di proteine difettose all’interno della cellula e la sua

successiva morte. Le cellule sane possiedono svariati

meccanismi di riparazione del DNA che possono

correggere una varietà di difetti. Tali meccanismi sono

malfunzionanti nelle cellule appartenenti a svariati tipi di

tumori, per cui non sono in grado di correggere i difetti

prodotti dal farmaco.

Nonostante i risultati positivi raggiunti nell’applicazione

clinica, esistono numerosi svantaggi: pesanti effetti

collaterali (tossicità), chemio-resistenza, limitato numero

di tumori che possono essere trattati. Al fine di superare

tali limiti, numerosi complessi di platino sono stati studiati nelle ultime decadi, per poter ottenere farmaci

equivalenti o migliori del cisplatin, e con una minore tossicità. Tuttavia solo pochi sono i composti che

effettivamente sono utilizzati clinicamente (Fig. 1), mentre svariati altri sono presenti in test clinici.

L’obbiettivo di un miglioramento delle caratteristiche di efficacia e tollerabilità di tali metallo-farmaci ha

mantenuto viva negli ultimi decenni sia la ricerca sperimentale sia teorica.

In questa comunicazione saranno presentati alcuni esempi di metodi teorici per la definizione dei fondamenti

chimici del funzionamento di metallo-farmaci a base di platino. Infatti, numerosi studi di modellizzazione

molecolare basati su approcci ab initio (per esempio DFT) si sono rivelati utili per chiarire i meccanismi

d’azione a livello molecolare, in particolare per l’idrolisi dei leganti e la coordinazione del complesso al

DNA. L’applicazione di metodi teorici allo studio della reazioni di idrolisi dei leganti al platino è utile alla

descrizione a livello molecolare di quello che gli esperimenti dimostrano essere il rate-determining step

precedente la coordinazione al DNA. Informazioni dettagliate su tale processo possono quindi supportare la

progettazione razionale di nuovi composti con cinetica controllata e possibilmente con una buona inerzia

rispetto a reazioni competitive con altre biomolecole (es. glutatione). Un ulteriore aspetto fondamentale ed

importante da chiarire è la struttura dell’acqua che interagisce con il complesso. Infatti, una descrizione della

struttura di idratazione del complesso e dell’effetto dei leganti al platino su di essa (es. diverso ingombro

sterico) possono portare a una migliore comprensione dei meccanismi di reazione. Per questo scopo, l’analisi

delle traiettorie ottenute da simulazioni di dinamica molecolare fornisce informazioni strutturali sulla

distribuzione delle molecole d’acqua attorno al complesso di platino e sulla diversa interazione con i vari

leganti.

NH3

NH3

PtO

OO

O

NH3

NH3

Pt

O

O

O

Pt

Cl

Cl

NH3

NH3

NH2

NH2 O

Pt

O

O

O

cisplatin

nedaplatin

carboplatin

oxaliplatin

Figura 1

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29

EIS biochip with integrated microfluidic components and MIP modified-electrodes for POC

analysis of environmental and clinical samples

Maria Serena Chiriacò

*1,2, Elisabetta Primiceri

2, Anna Grazia Monteduro

3, Francesco De Feo

2, Alessandro

Montanaro1, Ross Rinaldi

1,2, Giuseppe Maruccio

1,2

1 Dept. of Mathematics and Physics “E. de Giorgi”, Università del Salento, Via per Arnesano, Lecce, Italy.

2 NNL CNR-Istituto Nanoscienze, Via per Arnesano, Lecce, Italy

3. Dept. of Innovation Engineering, Università del Salento, Via per Arnesano, Lecce, Italy.

* Corresponding author: [email protected]

Biochips for environmental and clinical analysis represent a very attracting research field and many R&D

efforts are today directed in this direction where integration of smart platforms for automatic handling of

biological fluids is a further challenge towards a saving-cost and label-free analysis. In this respect

Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) biosensors based on the immobilization of molecules on

electrodes surface could be used as a powerful tool to investigate interactions between molecules [1]. Our

EIS device has been produced by optical lithography and it includes some sensing chambers in each of which

there are four couples of interdigitated electrodes made of gold on a glass substrate. The device includes also

an inlet/outlet microfluidic system for the delivery of functionalization and sample solutions into the

chambers. This system could be implemented with the presence of flow control valves for automatic sample

handling (Fig. 1d). In our case, we have chosen poly-N-isopropylacrylamide (poly- NIPAAm) as

thermoresponsive polymer. This material belongs to a class of temperature sensitive polymers characterized

by a lower critical solution temperature (LCST) of 32-34°C. Transitions in open/closed conformation are

possible on chip because of the presence of two integrated couples of heaters. With our biochip we provided

an accurate functionalization of electrodes in a multi-step process to form a homogeneous surface protected

from unspecific binding events. Characterization of each single step necessary to obtain a surface modified

to hold antibodies or peptides and to allow the detection of Cholera toxin from waters [3], PSA (Prostate

Specific Antigen) forms from serum samples or antibodies against a tumor-specific phosphorilated isoform

of an enzyme (α-enolase) found in the most of pancreatic cancer serum from affected people [4]. An

increasing number of molecules adsorbed onto the electrode surface modulates the rate of electron transfer

(Fig. 1 a,b.c). Specifically, the antigens or antibodies in solutions are captured on the electrode surface,

according to the specific functionalization thus providing a smart and sensitive POC tool for clinical practice.

Biochip results are in agreement with those from traditional techniques, such as ELISA and Western Blot,

but measurements are faster, more reproducible and specific making the developed biochips ideal for a

quick, cost-saving and label-free analysis of serum samples. In a near future, integration of multi-biomarker

assays within the same biochip can be envisioned to provide more appropriate tests for early diagnosis, case

management and treatment monitoring of patients and a POC tool in environmental monitoring. Moreover

continuous implementation of the device led to the realization of nanostructured electrodes thanks to the

presence of immobilized MIP (Molecularly Imprinted Polymers) [5] on gold surface. This tool represents a

kind of artificial antibodies and allows to avoid problems of stability of antibodies layer since this materials

have highly stability toward temperature conditions, so that MIP based biosensors could become a tool of

large interest in the field of POC analysis.

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30

Fig.1(a) Nyquist plot related to the detection of Cholera Toxin decreasing concentration of Cholera Toxin

until 1 ng/ml.

(b) Linear plot of Impedance values in function of concentration of PSA in serum samples. Current limit of

detection on

chip is 0.3 ng/ml. (c) Antibody against phosphorilated α-enolase detection from pancreatic cancer serum

sample. (d)

Cross-sectional SEM images of PNIPAAm monolith in a microchannel

References

[1] Katz E., Willner I. Probing Biomolecular Interactions at Conductive and Semiconductive Surfaces by

Impedance Spectroscopy. Electroanalysis 15 11, pages 913–947 (2003)

[2] Luo et al. Monolithic valves for microfluidic chips based on thermoresponsive polymer gels

Electrophoresis 24 21, pages 3694-702 (2003)

[3] Chiriacò et al. EIS microfluidic chips for flow immunoassay and ultrasensitive cholera toxin detection

Lab on a chip 11, pages 658–663 (2011)

[4] Chiriacò et al. Towards pancreatic cancer diagnosis by EIS biochips Lab on a chip 13 Issue: 4 Pages:730-

4 (2012)

[5] Ho et al. Amperometric detection of morphine based on poly(3,4-ethylenedioxythiophene) immobilized

molecularly imprinted polymer particles prepared by precipitation polymerization. Analytica Chimica

Acta542 90–96 (2005)

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31

Temperature-responsive degalactosylated xyloglucans as nanocarriers for the sustained

release of hydrophobic drugs

S. Todaro

(1,2), M.A. Sabatino

(1), M.R. Mangione

(2), D. Bulone

(2), C. Dispenza

(1,2)

1 Dipartimento di Ingegneria Chimica, Gestionale, Informatica, Meccanica.

Università degli Studi di Palermo, Viale delle Scienze Ed. 6, 90128 Palermo, Italy. 2CNR - Istituto di Biofisica (Palermo unit), Via U. La Malfa 153, 90146 Palermo, Italy.

Xyloglucans are a major class of structural polysaccharides found in the primary cell walls of higher plants.

In the native form they are film-forming polymers [1], but they can undergo gelation in the presence of

moderate amounts of alcohol [2]. When they have been partially degalactosylated via an enzymatic

treatment, they can form physical, thermo-reversible gels at body temperature [3]. Degalactosylated

xyloglucan (Deg-XG) has been already proposed as in situ, macroscopic gelling system for tissue

engineering applications [4] and for drug delivery [5]. However, there are few studies concerning its use in

the pharmaceutical field in the form of micro/nano-aggregates [6,7].

A Deg-XG variant, with the 44% of galactose removal ratio, has been here employed for the production of

nanoparticles, which incorporate and release hydrophobic drugs. Due to Deg-XG poor solubility in water,

different purification and dispersion protocols were developed and compared with the purpose of obtaining

colloidally stable polymer suspensions, which were fully characterized by multi-angle static and dynamic

light scattering and gel filtration chromatography. Thermally-induced mesoscopic gelation of Deg-XG in

water was investigated by dynamic light scattering measurements as function of time and temperature. This

phenomenon was exploited to incorporate hydrophobic model molecules and drugs, such as 1-

anilinonaphthalene-8-sulphonic acid (1,8-ANS) and theophylline, respectively a fluorescence probe whose

fluorescence intensity increases when it is surrounded by a nonpolar environment and a bronchus-dilator

drug that presents anti-inflammatory effects [8, 9].

References

[1] Kochumalayil J., Houssine S., Qi Z., Berglund L., “Xyloglucan films”, Patent application number

20120216706 (2012).

[2] Yuguchi Y., Kumagai T., Wu M., Hirotsu T., Hosokawa J., “Gelation of xyloglucan in water/alcohol

systems”. Cellulose 11 (2004), 203-208.

[3] Shirakawa M., Yamatoya K., Nishinari K., “Tailoring of xyloglucan properties using an enzyme”. Food

Hydrocolloids 12 (1998), 25-28.

[4] Nisbet D. R., Moses D., Gengenbach T. R., Forsythe J. S., Finkelstein D. I., Horne M. K., “Enhancing

neurite outgrowth from primary neurons and neural stem cells using thermoresponsive hydrogel

scaffolds for the repair of spinal cord injury”. J. Biomed. Mater. Res. A, 89(A), 1 (2008), 24-35.

[5] Miyazaki S., Suisha F., Kawasaki N., Shirakawa M., Yamatoya K., Attwood D., “Thermally reversible

xyloglucan gels as vehicles for rectal drug delivery”. J. Control. Release 56 (1998), 75-83.

[6] Jò T. A., Petri D. F. S., Beltramini L. M., Lucyszyn N., Sierakowski M. R., “Xyloglucan nano-

aggregates: physico-chemical characterisation in buffer solution and potential application as a carrier for

camptothecin, an anti-cancer drug”. Carbohyd. Polym. 82 (2010), 355-362.

[7] Cao Y., Gu Y., Ma H., Bai J., Liu L., Zhao P., He H., “Self-assembled nanoparticle drug delivery systems

from galactosylated polysaccharide-doxorubicin conjugate loaded doxorubicin”. Int. J. Biol. Macromol

46 (2010), 245-249.

[8] Slavik J., “Anilinonaphthalene sulfonate as a probe of membrane composition and function”. Biochim.

Biophys. Acta 694 (1982), 1-25.

[9] Al-Kahtani A. A., Sherigara B. S., “Controlled release of theophylline through semi-interpenetrating

network microspheres of chitosan –(dextran-g-acrylamide)”. J. Mater. Sci. Mater. Med. 20(7) (2009),

1437-1445.

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32

Polyelectrolyte Capsules as Carriers for Insoluble Anticancer Drug

Viviana Vergaro

1*, Francesca Baldassarre

2, Stefano Leporatti

1 and Giuseppe Ciccarrella

1,3

1CNR Nano-Istituto Nanoscienze, via Arnesano 16, 73100 Lecce, Italy

e-mail*[email protected] 2Department of Internal Medicine, Immunology and Infectious Diseases, Section of Internal Medicine,

University of Bari, Medical School, Bari, Italy 3Department of Innovation Engineering, Università del Salento,c\o Technological District Via Arnesano 16,

73100 Lecce, Italy

The requested features of pharmaceutical drug delivery (such as biodegradability or targeting) for

intravenous administration are reasonably well met by liposomes, microcapsules, and nanoparticles for

water-soluble drugs. Low solubility in water, however, tends to be an intrinsic property of many drugs,

including some powerful anti-cancer agents. Intravenous administration of relatively large aggregates of an

insoluble drug may result in embolisation of these particles into small blood capillaries and may cause

unwanted effects like tissue ischemia. So is necessary encapsulate these drugs into a carrier. In this work we

used as drug carrier a biocompatible colloidal CaCO3cores coated with Layer-by-Layer (LbL) self-assembled

oppositely charged polyelectrolytes. Microparticles and hollow capsules, obtained after removal of carbonate

cores by EDTA, were characterised by ζ-Potential, Scanning Electron microscopy (SEM) and Scanning

Force Microscopy (SFM). Fuorescently-labelled polymer layers coated onto carbonate cores were employed

for evaluating cell uptake efficiency, and confocal laser scanning microscopy (CLSM) confirmed the

dissolution of pre-formed biodegradable multilayers with entrapped drug. We have performed cytotoxicity

tests by using this type of carrier, using different neoplastic cell lines.

In particular we tested the efficiency of LY-loaded microcapsules in epatocellular carcinoma. Hepatocellular

carcinoma (HCC) is the third most frequent cause of tumor-related death in the United States and Europe. In

standard therapies, prognosis and survival are not satisfactory. Ideally, a drug needs to be able to modulate

the different biological characteristics of the tumor, such as growth, metastatic spread, vascular invasion, etc.

LY is a selective inhibitor of TGF-beta, inhibits the invasive and migratory ability of constitutively invasive

HCC cells. LY has no effect on liver cancer cell viability at concentrations ranging from 0.001 to 1mM so

the biological effects of the molecule are not related to cytotoxicity. LY strongly inhibited the migration of

HCC cells in a dose dependent manner. As a proof of concept, the migration of HLF cells was assayed. We

observed an enhanced inhibition of HLF migration with LY-loaded biodegradable capsules with respect to

free LY. Compared to untreated cells, LY-treated cells decrease their migration power from 29% (lower

concentration, 0.5 nM) up to 54% (higher concentration, 10 nM).

Migration assays further showed an enhancement of drug efficiency (e.g., a significant migration inhibition

increase) of encapsulated drug with respect to free administration upon increasing drug concentration.

Keeping in mind a future clinical application of these polymeric particles/capsules, our data here can be

regarded as an essential step towards developing new nanotechnology- based strategies against HCC.

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33

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34

Periodically nanostructured hydrogels for ethanol vapors sensing

M.A. Sabatino

1, D. Spigolon

1, L. D’Acquisto

1, C. Dispenza

1

R. Pernice2, G.Adamo

2, S. Stivala

2, A. Parisi

2, A.C. Busacca

2

1Dipartimento di Ingegneria Chimica, Gestionale, Informatica, Meccanica (DICGIM), Università di

Palermo, Viale delle Scienze, Bldg. 6, 90128 Palermo, Italy 2 Dipartimento di Energia, Ingegneria dell'Informazione e Modelli Matematici (DEIM), Università di

Palermo, Viale delle Scienze, Bldg. 9, 90128 Palermo, Italy

Chemical sensing using optics has been under extensive research all over the world during last decades and

many optical chemical sensors are nowadays finding increasing applications in industry, environmental

monitoring, medicine, biomedicine and chemical analysis. These optical sensors can be based on various

optical principles, such as absorbance, reflectance or transmittance, luminescence and fluorescence, covering

different regions of the spectrum (UV, visible, IR, NIR). Optical chemical sensors have several advantages

over conventional electricity-based sensors, in terms of selectivity, immunity to electromagnetic interference,

higher sensitivity, and they are also relatively inexpensive and minimally invasive. A wide class of optical

chemical sensors is based on Photonic Crystals (PCs), i.e. regular arrays of materials with different refractive

indices. In particular, they are artificial structures with a periodic dielectric function.

In this paper, we present the optical characterization of a polystyrene opal, infiltrated with a stimuli

responsive hydrogel specifically formulated to be sensitive to ethanol (EtOH), also in the presence of water.

Stimuli-responsive hydrogels are interesting materials for sensing applications due to thefact that they can

change their volume significantly in response to small alterations of certain environmental parameters. In

fact, hydrogels are increasingly considered as responsive materials to generate active inverse opals fortheir

ability to exhibit significant reversible diffraction shifts as a response of a variety of stimuli, such

astemperature, pH and ionic strength, single molecules binding and mechanical forces.The stimuli-

responsiveness must be accompanied by adequate elasticity and chemical stability forthe inverse opal to be

able to survive, without collapsing, to the template removal process byorganic solvents (for polymer

colloids) during preparation and to withstand repeated swelling/deswelling cycles when in use, as well as

erosion due to prolonged exposure to the swelling medium.

While there are interesting studies which report diffraction shifts in a wide region of the visible spectral

region when e.g. a crosslinked 2-hydroxyethyl methacrylate (HEMA) hydrogel is exposed either to pure

liquid water or to concentrated ethanol/water liquid solutions, at the best of our knowledge there are no

equivalent studies which report on the ability of hydrogel inverse opals tospecifically respond to ethanol

vapors when already swollen by water.The hydrogel network should be designed so that it can uptake and

retain water, when exposed towater vapor-rich atmospheres, and further swell when the atmosphere which is

exposed to isprogressively concentrated of ethanol vapors. For this purpose, 2-hydroxyethyl methacrylate

(HEMA) was used as main building block for the network, for its known favorable Flory-Huggins mixing

parameter with ethanol; acrylic acid (AA) at two different ratios was also considered as co-monomer for its

affinity toward water and its contribution to hydrogel network mechanical properties, due to establishment of

further crosslinking through strong secondary interactions; finally poly-ethylene glycol-200dimethacrylate

(PEG200DMA) was used as crosslinking agent. The polymerization process combined a “cold” UV-photo-

crosslinking step and a thermal post-cure. Preliminary swelling studies in the presence of both liquid ethanol

and ethanol vapors were carried out on the macrogel analogue as well as a dynamic mechanical thermal

analysis to withdraw useful information on the hydrogels mechanical spectra and validate both the

formulation and curing process. The most promising of the two formulations was selected to infiltrate a

polystyrene (PS)opal structure, which was generated onto pre-etched silica through self-assembly of PS

nanoparticles. The periodically nanostructured hydrogel film (Fig.1) was then evaluated as active component

of an ethanol vapor optical sensor by means of UV-Vis transmission measurements atthe variance of ethanol

vapor concentration (Fig.2).

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35

Fig.1. (a) Photograph of the fabricated bare polystyrene opal. (b) Scanning electron micrograph of the

periodic structure of the bare polystyrene opal. (c) Scanning electron micrograph of the periodically

nanostructured hydrogel film after removal of the polystyrene template.

Fig.2. Transmission spectra at varying ethanol vapor concentrations after that the steady value has been

reached.

References

1. A Lobnik, M. Turel, and Š. KorentUrek, Optical Chemical Sensors: Design and Applications, in

Advances in Chemical Sensors, W. Wang, ed. (In-Tech, 2012).

2. J. Y. Wang, Y. Cao, Y. Feng, F. Yin, and J.P. Gao, Multiresponsive Inverse-Opal Hydrogels, Adv.

Mater.19(22), 3865–3871 (2007).

3. A. Pasquazi, S. Stivala, G. Assanto, V. Amendola, M. Meneghetti, M. Cucini, and D. Comoretto, In situ

tuning of a photonic band gap with laser pulses, Appl. Phys. Lett. 93(9),091111 - 091111-3 (2008).

4. J. Shin, P. V. Braun, and W. Lee, Fast response photonic crystal pH sensor based on templated photo-

polymerized hydrogel inverse opal, Sensor. Actuat. B - Chem. 150, 183–190 (2010).

5. M. Allard, E.H. Sargent, E. Kumacheva, and O. Kalinina, Characterization of internal order of colloidal

crystals by optical diffraction, Opt. Quant. Electron. 34(1-3), 27-36 (2002).

6. S. Achelle, Á. Blanco, M. López-García, R. Sapienza, M. Ibisate, C. López, and J. Rodríguez-López,

New Poly(phenylene-vinylene)-Methyl Methacrylate-Based Photonic Crystals, J. Polym. Sci. Part A: Polym.

Chem.48(12),2659–2665 (2010).

7. X. Xu, A. V. Goponenko, and S. A. Asher, Polymerized PolyHEMA Photonic Crystals: pH and Ethanol

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8. A. Bearzotti, A. Macagnano, S. Pantalei, E. Zampetti, I. Venditti, I. Fratoddi, and M. V. Russo, Alcohol

vapor sensory properties of nanostructured conjugated polymers, J. Phys.: Condens. Matter 20 (47), 474207-

474213 (2008).

9. R. Pernice, G. Adamo,

S. Stivala, A. Parisi,A.C. Busacca, D. Spigolon, M.A. Sabatino, L. D’Acquisto C.

Dispenza, Optical ensors for ethanol vapor based on polystyrene opals infiltrated with a stimuli-responsive

hydrogel, submitted

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36

ToF-SIMS Imaging and Depth Profiling for the Characterization of Biomaterials Surfaces

Luca Tortora1,2

and Alberto Rainer3

1 Industrial Engineering Department, University of Rome "Tor Vergata", Via del Politecnico 1, 00133 Rome,

Italy 2 Surface Analysis Laboratory, Department of Physics "E. Amaldi", University of Rome "ROMA TRE", Via

della Vasca Navale 84, 00146 Rome, Italy 3

Tissue Engineering Laboratory, CIR—Center for Integrated Research, Università Campus Bio-Medico di

Roma, via Álvaro del Portillo 21, 00128 Rome, Italy

Functionalization of biomaterials surfaces with bioactive molecules represents a key issue in the field of

biomaterials science. Indeed, the biological response to biomaterials depends upon biomaterial/cell

interactions at the molecular scale. Therefore, morphology and surface chemistry of biomaterials have a deep

influence on their compatibility and performance within the body. The successful tailoring of the surface

chemistry requires a detailed surface characterization, including the ability to determine the composition,

structure, orientation, and spatial distribution of the molecules and chemical structures on the surface. Time

of Flight Secondary Ion Mass Spectrometry (ToF-SIMS) is a powerful surface characterization technique

that is able to address these requirements through both spectral analysis and direct chemical state imaging.

The flexibility of ToF-SIMS technique and the wealth of data produced have generated much interest for

applications in biomaterials characterization. Recently, we have focused on ToF-SIMS imaging and depth

profiling of bioactive glasses and polymers for tissue engineering. We will present preliminary results on the

characterization of polymeric surfaces functionalized by covalent grafting of bioactive peptides, showing the

power of imaging and depth profiling data from SIMS to determine the characteristics of protein release. We

will also report on the 3D-mapping of sol–gel derived bioactive glass films in the SiO2–CaO–SrO–P2O5

system.

References

[1] Schumacher M, Henß A, Rohnke M, Gelinsky M., Acta Biomater. (2013) in press

[2] H. Sun, S. Onneby, Polym. Int. (2006) 55; 1336–1340.

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37

Il Workshop è stato patrocinato e sponsorizzato da:

Università degli Studi di Palermo

Bracco ImagingSpA

EdiSES