Vengono presentate alcune tematiche di ricerca che sono state sviluppate dal gruppo negli ultimi anni, nei settori 1) formulazioni a base di tensioattivi, 2) forze intermolecolari ed effetti iono specifici 3) materiali mesoporosi ordinati 4) biocatalisi. Il potenziale progetto di ricerca sara' diversamente calibrato, in termini di tempo e complessita', per gli studenti triennali, magistrali e dottorato.

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Nei progetti sono coinvolte collaborazioni multidisciplinari anche con biologi ed altri esperti italiani e stranieri

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Il gruppo di ricerca utilizza Nano e Bio-Tecnologie mirate alla prepazione di formulazioni che possano trovare applicazioni specifiche nei settori della Nanomedicina e della Chimica sostenibile, spesso definita Chimica Verde. Vengono preparate e caratterizzate mediante varie tecniche nanostrutture costituite da molecole tensioattive, ioniche e non ioniche, macromolecole naturali e sintetiche, Vengono preparati anche materiali mesoporosi ordinati a base di silice utilizzando templati costituiti da cristalli liquidi. La strategia finale e' quella di ottenere una formulazione caratterizzata da elevata riproducibilita', stabilita', e particolari proprieta' reologiche (ovvero viscosita' e proprieta' di scorrimento adeguate all'utilizzo). La formulazione finale deve anche rispondere a particolari requisiti. Per esempio, se serve come materiale di restauro deve aderire al materiale da trattare. Nel campo della nanomedicina una formulazione che serve come nanocarrier per un farmaco, deve essere biocompatibile, favorire il riconoscimento molecolare (bioadesione) con le membrane biologiche e permettere l'internalizzazione del farmaco in modo graduale. Particolari tipi di formulazioni potranno contenere molecole fluorescenti o agenti di contrasto per scopi diagnostici, oppure contenere precursori o fattori di crescita per ingegneria tissutale (medicina rigenerativa). Il settore Chimica Verde dovrebbe ricevere particolari attenzioni in Sardegna come risultato di importanti impegni industriali (per ora limitati al Nord Sardegna). La Chimica Verde mira a ridurre l'impatto ambientale dei processi di trasformazione riducendo anche il consumo delle risorse non rinnovabili. Esistono due grandi filiere: 1) Il trattamento e l'utilizzo di vari tipi di Biomasse 2) La preparazione di Biocatalizzatori per l'ottenimento di prodotti altamente specifici. Vedasi il sito di Federchimica e quello di Spring.it.

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I nostri progetti potrebbero essere classificati in base alla tipologia delle nanostrutture che prepariamo Soft Matter (lab. Colloidi, principale responsabile Dr. Sergio Murgia) per le nanostrutture basate sull'utilizzo di tensioattivi, lipidi e polimeri funzionalizzate per ottenere formulazioni per uso diagnostico e drug delivery. Hard Matter (lab. Biocatalisi, principale responsabile Dr. Andrea Salis) per le nanostrutture costituite da materiali mesoporosi ordinati (OMM) a base di Silice (SiO2) che opportunamente funzionalizzate portano ad ottenere biocatalizzatori oppure sistemi di drug delivery. Le tecniche di Microscopia elettronica e Saggi biologici su linee cellulari sono in collaborazione con altri gruppi di ricerca.

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La scelta del tensioattivo e' il primo punto chiave per arrivare alla formulazione finale. La geometria della molecola tensioattiva [espressa in termini di parametro di packing v/al = (volume della catena apolare)/(area della testa polare x lunghezza della catena)], la natura della testa polare (anionica, cationica, non ionica come un monogliceride, zwitterionica come i gruppi polari delle proteine) sono i parametri che determinano la forma delle nanostrutture che si ottengono come risultato delle interazioni di autoassociazione (forze van der Waals).

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Es. una nanostruttura lamellare (come la membrana biologica) si forma quando la geometria del tensioattivo assomiglia ad un cilindro e la curvatura della interfase polare-apolare diventa planare (H = 0). Un sistema olio-in-acqua (o/w) si forma quando il tensioattivo ha una geometria tipo cono (area della testa polare grande rispetto alla catena idrocarburica), mentre la nanostruttura acqua-in-olio (w/o) si ottiene se il tensioattivo presenta una forma a tronco di cono (area della testa polare piccola rispetto alla catena idrocarburica). Nel primo caso (o/w) si assume che la curvatura dell'interfase e' positiva (H > 0), nel secondo caso (w/o) la curvatura dell'interfase e' negativa (H < 0).

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Un liposoma e' costituito da un bistrato curvo e si puo' formare solo se il tensioattivo presenta liberta' conformazionali della testa polare ed una geometria vicina ad un cilindro (v/al ~ 1). Utilizzando la microscopia ottica in luce polarizzata un liposoma multilamellare puo' dare una figura a cerchi concentrici se si trova esattamente centrato perpendicolarmente al raggio incidente.

Come esempio di sistemi a base di 'soft matter' vengono riportati alcuni risultati ottenuti su un monogliceride presente nelle membrane biologiche che risponde quindi a due requisiti importanti: biocompatibilita' e bioadesione. Questo e' il diagramma di fase della Monooleina in Acqua in funzione della temparatura: a basso contenuto di acqua si formano una fase fluida tipo w/o ed una fase costituita da cristalli liquidi lamellari; aumentando la concentrazione di acqua si formano due tipi di cristalli liquidi cubici bicontinui ed una fase di cristalli liquidi esagonali che esiste solo a temperature maggiori di 80 °C.

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Una formulazione relativamente semplice che abbiamo studiato e' stata ottenuta disperdendo in acqua il monogliceride Monooleina in presenza di lauril-cholina (un tensioattivo cationico a catena corta). Sono stati ottenuti piccoli liposomi unilamellari (SUV: small unilamellar vesicles) cationici (potenziale zeta positivo).

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I cristalli liquidi cubici della Monooleina presentano nanostrutture particolari – dette bicontinue – in quanto i domini polare (acqua) e apolare (code idrocarburiche) si intersecano in accordo con topologie descritte da superfici minime periodiche infinite IPMS (funzioni seno-coseno in 3D)

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Per ottenere i cubosomi dai cristalli liquidi cubici si utilizza una strategia top-down (dispersione della fase di cristalli liquidi in acqua in presenza di un opportuno emulsionante di tipo polimerico). Questa tecnica permette di incapsulare tutti i tipi di farmaci (polari e non polari) Il cubosoma si forma anche mediante strategia bottom-up lasciando i componenti (monooleina, acqua ed emulsionante polimerico in agitazione per almeno 12 ore): questa tecnica non favorisce il carico di un farmaco molto polare.

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Le nanoparticelle esagonali, dette esosomi, si possono ottenere anche a temperatura ambiente aggiungendo alla monooleina una piccola quantita' di un terzo componente come acido oleico o trioleina che modificano la curvatura media dell'interfase da H ~ 0 (tipica dei liposomi o delle fasi cubiche bicontinue) ad H < 0 ovvero negativa, tipica delle strutture w/o. Gli esosomi possono caricare quantita' di farmaco maggiori dei cubosomi.

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Il cubosoma puo' essere caricato con un fluoroforo specifico (es. la fluorescina o il dansile cui sono state aggiunte catene idrofobiche per agevolare l'inserimento tra le catene lipidiche) che permette di seguire l'internalizzazione del nanocarrier da parte delle cellule in un saggio biologico in vitro

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Il polimero che serve per disperdere i cubosomi in soluzione puo' essere funzionalizzato per favorire il riconoscimento molecolare da parte di alcuni tipi di cellule. Nell'esempio e' stato coniugato il gruppo folato che rappresenta un target specifico per le cellule tumorali

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Altre formulazioni adatte all'uso topico sono emulsioni stabilizzate dalla formazioni di cristalli liquidi.

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Questi sono esperimenti di rilascio controllato della caffeina da vari tipi di emulsioni molto stabili per la presenza di cristalli liquidi cubici, esagonali e lamellari

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Queste immagini si riferiscono ad un sistema composito dove le microsfere di gelatina (contenenti la proteina terapeutica Lisozima) vengono sospese in un gel termosensibile costituito da un polimero sintetico ad alto peso molecolare che e' fluido a bassa temperatura, mentre gelifica a T>20°C. Questa transizione sol-gel permette di ottenere un sistema deposito per il farmaco che verra' rilasciato in modo controllato e graduale. Il sistema permette anche la protezione del farmaco proteina.

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Le proteine terapeutiche necessitano di protezione rispetto alle varie protesi presenti nei fluidi biologici. Un altro sistema che sembra funzionare molto bene e' costituito da microparticelle di materiali mesoporosi ordinati a base di silice (biocompatibile in quanto inserita nell'organismo si trasforma lentamente in silicati idrosolubili). Questa tipologia di carrier non e' utilizzabile per somministrazioni intravenose. Queste strutture inorganiche basate su materiali mesoporosi ordinati (OMM) possono essere modulate in termini di dimensioni dei pori e natura della superficie segliendo l'agente silanizzante o mediante opportune funzionalizzazioni della superficie di silice.

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Questi materiali vengono preparati da cristalli liquidi di vari tipi di tensioattivi che costituiscono il templato. Su questo viene fatto depositare un agente silanizzante. La struttura inorganica di silice viene ottenuta rimuovendo il templante per calcinazione. Successivamente viene caratterizzata per valutare i parametri morfologici mediante BET, SAXRD, FT-IR, TEM Nell'esempio e' mostrata la sintesi della SBA-15 che presenta una struttura esagonale con pori di 67 Å.

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Molti studi hanno riguardato il materiale SBA-15: in alto a sinistra le immagini TEM della struttura esagonale. VIene illustrata la sequenza di immobilizzazione delle proteine Le proteine terapeutiche devono essere immobilizzate mediante adsorbimento fisico per poter poi essere rilasciate Gli enzimi per biocatalisi devono essere immobilizzati mediante adsorbimento chimico per ottenere biocatalizzatori stabili e riusabili. i nostri progetti riguardano la preparazione di biocatalizzatori per Chimica Verde (Biodiesel, Bioetanolo, Biolubrificanti, Trattamenti di Biomasse) In ogni caso le interazioni chimiche e fisiche e le forze intermolecolari possono essere modulate mediante la scelta di opportuni tamponi e sali. Nel grafico di drug delivery si nota che il lisozima e' rilasciato in quantita' molto maggiore quando viene immobilizzato a pH = 7 piuttosto che a pH = 9.6. Ovviamente il fenomeno dipende dal fatto che il punto isoelettrico del lisozima e' circa 11.

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La tecnica di preparazione degli OMM permette grande versatilita' nella morfologia. In questa slide sono mostrate le isoterme BET e le immagini TEM delle nanostrutture ottenute aggiungendo diverse quantita' di trimetil benzene (TMB) al polimero Pluronic F123 che costituisce il templante (da solo forma cristalli liquidi esagonali).

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Usando il TMB per modificare il templato si ottengono nuove nanostrutture: si perde l'ordine a lungo raggio come mostrano i pattern SAXRD ma aumenta la dimensione dei pori che potrebbe permettere il carico di molecole piu' ingombranti.

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Una tematica di ricerca molto importante del gruppo riguarda le forze intermolecolari responsabili degli effetti iono-specifici. Tali effetti sono presnti i molti tipi di sistemi e vengono riscontrati in tanti fenomeni naturali e non, proprieta' molecolari e macroscopiche: si spazia dai coefficienti di attivita' alla stabilita' di un sistema composito disperso, la solubilita'/precipitazione, la coagulazione, la reattivita', l'attivita' di una proteina o enzima. Gli effetti iono-specifici sono molto significativi. Tra numerosi esempi qui viene mostrato che la coppia sodio (catione cosmotropico) tiocianato (anione caotropico) 0.5 molare a pH = 9 e T = 25°C, favorisce l'adsorbimento del lisozima sul solido mesoporoso SBA-15 in quanto si riduce in modo specifico la repulsione elettrostatica dei gruppi carichi della proteina con la superficie della silice che a pH 9 e' carica negativamente.

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Le particelle di materiale mesoporoso possono essere ulteriormente funzionalizzate, es. mediante un polisaccaride, per promuovere la bioadesivita'

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La formulazione finale potrebbe essere costituita dal un gel termoreversibile per la realizzazione di un sitema depot (deposito per un farmaco che verra' rilasciato gradualmente in tempi relativamente lunghi): la formulazione deve avere caratteristiche reologiche molto specifiche in funzione della tipologia di farmaco e della modalita' di somministrazione

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In tema Chimica Verde e' stato ampiamente studiato i biocatalizzatori a basi di lipasi per la produzione di biodiesel a partire da vari tipi di miscele oleose e alcoliche.

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Le lipasi rappresentano un ottimo sostituente della catalisi chimica (NaOH a 80-90°C) per l'idrolisi dei trigliceridi in ambiente acquoso

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Le lipasi, in emulsione (w/o) in ambiente non acquoso catalizzano le reazioni inverse rispetto all'idrolisi, ovvero la transesterificazione dei trigliceridi o l'esterificazione degli acidi grassi in presenza di opportuni alcoli QUeste reazioni permetto di preparare biocarburanti e biolubrificanti

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Utilizzando lipasi sono stati preparati sucroesteri ed esteri cerosi.

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Il biocatalizzatore – enzima – deve essere immobilizzato chimicamente su un supporto solido per poterlo recuperare. L'efficienza di un biocatalizzatore dipende significativamente dal tipo di matrice usata per immobilizzarlo.

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