Nanobiotecnologie
NANOBIOTECNOLOGIE
Fabrizio Mancin
Dipartimento di Scienze ChimicheEdificio Chimica Organica, II Piano, Stanza 5
tel. 049 8275666, e-mail: [email protected], http://www.chimica.unipd.it/fabrizio.mancin/
U of TUniversità di Padova
Tipologie di nanosistemi
Multivalenza e cooperatività
Funzionalizzazione e coniugazione
Nanosistemi per la terapia
Nanosistemi per l’imaging e la diagnostica
Obiettivi formativi del corso:
Il corso si propone di introdurre gli studenti a mondo della nanobiotecnologie, conparticolare attenzione alle applicazioni biomediche nel campo della terapia edella diagnosi. In particolare, verranno prese in considerazione la chimica e leapplicazioni delle nanoparticelle.
Nanobiotecnologie
Nano e Bio
Nanoscienza: studio delle proprietà e della preparazione di di materiali nella scala dei nanometri.
Nanotecnologia: progettazione, la caratterizzazione, la produzione e applicazione di strutture, dispositivi, sistemi, mediante l’uso di materiali nella scala nanometrica
Nanobiotecnologia: uso degli strumenti della nanotecnologia per migliorare lo studio dei sistemi biologici e sviluppare nuove applicazioni mediche.
Bionanotecnologia: l’uso di sistemi biologici per la realizzazione di nanosistemi.
Nanobiotecnologie
Nanocose nella nostra vitaNanosistemi
http://www.nanotechproject.org/
Struccatore con nanoparticelle di ossido di
zinco e “micelle”Orsetto di peluche con nanoparticelle
di argento
Terra diatomacea, zucchero di canna e
aceto: integratore alimentare
Racchetta da tennis al fullerene
Crema antirughe con nanoparticelle di silice
Detergente per superfici con nanoparticelle di
argento e silice
Le dimensioni degli oggettiNanobiotecnologie
Nanoparticelle
Quante dimensioni?
5 m
1 nano-dimensione: film sottili
2 nanodimensioni: nanofili
3 nanodimensioni: nanoparticelle
Nanobiotecnologie
Anche il vuoto è nano
Materiali mesoporosi: ciò che è nano sono i buchi!
Il nano nel nano: nanoparticelle mesoporose, nanocapsule
Nanobiotecnologie
Materiali nanocompositi
Materiali con nanoparticelle inglobate
Cristalli di nanoparticelle
Nanobiotecnologie
Materiali nanostrutturati
Sulla superficie o all’interno del materiale vengono create delle nanostrutture
Nanobiotecnologie
Forme diverse
Sulla superficie o all’interno del materiale vengono create delle nanostrutture
Nanobiotecnologie
Tipi diversi di materialeNanoparticelle: oggetti che si comportano come entità singole, in termini di proprietà e trasporto, di dimensioni comprese tra 1 e 100 nm.
(Altri termini: colloide, nanocristallo, cluster).
o Molecole: dendrimeri, nanotubi di carbonio, fullereni, grafene, proteine
o Aggregati auto-organizzati: micelle, liposomi, virus
o Precipitati: nanoparticelle inorganiche, nanoparticelle organiche, emulsioni
Elevato rapporto superficie/volume Tensione superficiale
Forme: sfere, poliedri, stelle, tetrapods., …
Tendenza all’aggregazione
Nanobiotecnologie
Preparare le particelleo Particolati: nanoparticelle non ingegnerizzate
precipitazione, frantumazione
o Molecole: dendrimeri, nanotubi di carbonio, fullereni, grafene, proteine
Sintesi chimica + folding (eventualmente)
o Aggregati auto-organizzati: micelle, liposomi, virus
Auto-assemblaggio
o Precipitati: nanoparticelle inorganiche, nanoparticelle organiche, emulsioni
Sintesi in soluzione
Nanobiotecnologie
Nanoparticles preparationParticulates: frantumation, friction
Nanobiotecnologie
Irregular shape, polydisperse, pooorly repoducible, inexpensive
Nanoparticles growth: precipitates“chemical growth of bulk or nanometer-sized materials inevitably involves the process of precipitation of a solid phase from solution”
Chem. Rev., 2005, 105, 1025
oDissolving the solute at higher temperature and then cooling to low temperatures
oDissolving the solute in a solvent and then adding a miscible non-solvent
oAdding the necessary reactants to produce a supersaturated solution by a reaction
Nanobiotecnologie
Nanoparticles growth: precipitatesNanobiotecnologie
Dissolution and precipitation:
Riscaldamento e
raffreddamento
Dissoluzione in solvente e
aggiunta di non-solvente
Nanoparticles growth: precipitatesNanobiotecnologie
Dissolution and precipitation:
Evaporazione
Diffusione
Nanoparticles growth: precipitatesNanobiotecnologie
Formation of insoluble salts:
ZnCl + Na2S ZnS
Fe3+ + 2 Fe2+ + 8 OH-→ Fe3O4 + 4 H2O
Nanoparticles growth: precipitatesNanobiotecnologie
Reaction:
SiO
O
OO
OH SiO
HO
OHO Si
O
OH
OHO Si
O
HO
OO Si O
HO
OSi
O
OH
OHO
k1 k2
OH
OHO
HO
O
O
Oligomer
COO Na
COO Na
OH
COO Na
[AuCl4]COOH
COOH
O + CO2 + Au(0)
[(CH3)2Cd + Se Cd2+ + Se2-300 °C
Nanoparticles growth: precipitates“chemical growth of bulk or nanometer-sized materials inevitably involves the process of precipitation of a solid phase from solution”
Chem. Rev., 2005, 105, 1025
Nanobiotecnologie
Nanoparticles growth
Free energy variation for the formation of a spherical particle
Molecular volume of the building block
Saturation ratio(bulk solution/infinite cristal surface) Surface tension
r > r* → growth
r < r* → dissolution
Smaller particles grow more rapidly than larger ones → focusing
Nanobiotecnologie
Nanoparticles growth
1. Concentration raises above critical nucleation concentration (cnc): nucleation starts.
2. Nucleation causes concentration to decrease below cnc: nucleation stops, growth
goes on by molecular surface addition.
3. Smaller particles grow more rapidly than larger → size focusing
4. Concentration reaches the saturation limit → growth stops
SHORT TIMES
Nanobiotecnologie
Nanoparticles growth
1. Bulk concentration has decreased: S decreases and r* increases
2. The smaller nanoparticles are now unstable, if the reaction is reversible, they can
dissolve
3. Smaller particles dissolve more slowly than larger ones → size defocusing (Ostwald)
4. If long reaction times are allowed, r < r* nanoparticles dissolve → focusing (Ostwald)
LONG TIMES
Nanobiotecnologie
Nanoparticles growth: secondary growth
1. After their formation, small aggregates start collapsing to form larger ones
2. Growth by aggregation is faster than molecular addition
3. Aggregation stops when nanoparticles reach colloidal stability
Molecular addition growth
Secondary growth
Nanobiotecnologie
Surface stabilization
Free energy variation for the formation of a spherical particle
Molecular volume of the building block
Saturation ratio(bulk solution/infinite cristal surface) Surface tension
All the nanoparticles tend to aggregate: aggregation decreases the total surface and hence the second term of the equation (related to surface tension)
o Electrostatic repulsion (surface charge)
o Steric repulsion
Surface tension is decreased by:
Stabilizing agents can be added to the nanoparticles in order to prevent aggregation: surfactants
Nanobiotecnologie
Stabilizzare le nanoparticelleA causa dell’elevata tensione superficiale le nanoparticelle tendono ad aggregare. L’aggregazione può essere evitata in due modi.
Nanobiotecnologie
Stabilizzazione elettrostatica Stabilizzazione sterica
Dipende dalla costante dielettrica del mezzo
(soluzioni saline!)
Dipende dalla carica totale (dimensioni della
particella)
Spesso l’aggregazione è irreversibile
Dipende dalla solubilità
Normalmente l’aggregazione è reversibile
Le proprietà delle nanoparticelleNanobiotecnologie
Area superficiale, loading
Ludox AS30 (SiO2) 230 m2/g
Proprietà «bulk» migliorate: assorbimento plasmonico, superparamagnetismo, SERS
Proprietà di «quantum confinement»: emissione size-dependant
Le proprietà delle nanoparticelleNanobiotecnologie
Autoorganizzazione
Multivalenza, multifunzionalità
Organizzazione topologica
Mn+
Mn+
Mn+
Mn+
Mn+
Mn+