Appunti del corso di Nanotossicologia

Sommario

• Esempi di nanomateriali......................................................................................... 4
• Nanotossicologia......................................................................................................... 4
• Classificazione e definizioni......................................................................................... 4
• Cenni storici.................................................................................................................... 5
• Microscopia a scansione................................................................................................. 6
• STM............................................................................................................................. 6
• AFM............................................................................................................................. 6
• Fullereni o buckyballs..................................................................................................... 7
• Nanotubi di carbonio...................................................................................................... 7
• Grafene........................................................................................................................... 8
• DNA................................................................................................................................ 9
• RNA................................................................................................................................. 9
• Tipologie....................................................................................................................... 10
• Nanot. Basate sulle caratteristiche funzionali degli acidi nucleici.................................10
• Nanomateriali ingegnerizzati........................................................................................ 11
• Silice mesoporosa...................................................................................................... 11
• Liposomi.................................................................................................................... 11
• Dendrimeri................................................................................................................ 12
• Effetti della dimensione............................................................................................. 12
• Effetti della superficie................................................................................................ 13
• Vaccini a m-RNA........................................................................................................... 14
• Cancro.......................................................................................................................... 14
• Teranostica................................................................................................................ 15
• Tergeting................................................................................................................... 16
• Protein corona.............................................................................................................. 16
• Assunzione per inalazione............................................................................................ 17
• Assunzione orale.......................................................................................................... 18
• Assunzione per via transdermica..................................................................................18
• Barriera ematica........................................................................................................... 18
• Barriera cellulare.......................................................................................................... 19
• Proprietà ottiche........................................................................................................... 22
• Sintesi........................................................................................................................... 22
• Funzionalizzazione..................................................................................................... 22
• Uso delle nanoparticelle d’oro in photothermal therapy............................................23
• Usi delle nanoparticelle d’oro....................................................................................... 23
• Nanovettori................................................................................................................ 23
• Come mezzo di contrasto.......................................................................................... 24
• Tossicità........................................................................................................................ 24
• Spions........................................................................................................................ 25
• Nanotubi di carbonio................................................................................................. 25
• Cenni di tossicologia..................................................................................................... 27
• Curva dose-risposta................................................................................................... 27
• Relazione tempo effetto............................................................................................ 29
• Meccanismi biochimici di tossicità.............................................................................29
• Test in vitro................................................................................................................... 30
• La cellula................................................................................................................... 30
• Colture cellulari......................................................................................................... 30
• Test cellulari.............................................................................................................. 31
• Citometria a flusso.................................................................................................... 32
• Microscopia................................................................................................................... 32
• Microscopio ottico...................................................................................................... 33
• Microscopio elettronico.............................................................................................. 33
• Elettroforesi.................................................................................................................. 33
• Elettroforesi su gel..................................................................................................... 35
• Genotossicità................................................................................................................ 36
• Test di mutagenesi e genotossicità............................................................................37
• Trasformazioni chimiche............................................................................................ 38
• Trasformazioni fisiche................................................................................................ 39
• Interazioni con macromolecole...............................................................................39
• Test in vivo.................................................................................................................... 41
• Mesocosmo e test multispecie.................................................................................. 42
• HPLC............................................................................................................................. 43
• Analisi dei fullereni in acqua...................................................................................... 44
• HPLC SEC................................................................................................................... 44
• HDC.............................................................................................................................. 46
• FFF................................................................................................................................ 46
• Principio di funzionamento generale.........................................................................47
• Modo di operazione................................................................................................... 48
• FI-FFF normale........................................................................................................... 48
• Centrifugal FFF.......................................................................................................... 49
• Tecniche basate sulla diffusione della luce...................................................................49
• Diffusione della luce.................................................................................................. 49
• Dynamic light scattering........................................................................................... 50
• Processo di autocorrelazione..................................................................................50
• SLS............................................................................................................................ 50
• ELS............................................................................................................................ 51
• Potenziale Z............................................................................................................ 51
• Funzionamento....................................................................................................... 51
• NTA............................................................................................................................ 51
• Spettrometria di massa................................................................................................ 51
• Schema di funzionamento......................................................................................... 51
• Risoluzione e massa nominale.................................................................................. 52
• Analizzatore TOF....................................................................................................... 52
• Generatore di ioni SIMS............................................................................................. 53
• Modalità statica...................................................................................................... 53
• Modalità dinamica.................................................................................................. 53
• Icp............................................................................................................................. 54
• Formazione del plasma.......................................................................................... 54
• Quadrupolo................................................................................................................ 55
• Single particle ICP-MS................................................................................................ 55

Nanomateriali

La definizione di nanomateriali è: materiale in cui almeno una delle dimensioni va da 1 a 100 nm, secondo la definizione europea per nanomateriale si intende: un materiale naturale, derivato o fabbricato contenente particelle per le quali almeno il 50% della distribuzione dimensionale possiede una o più dimensioni esterne nella classe di grandezza 1-100 nm.

A livello nano la materia si comporta diversamente rispetto alle dimensioni macroscopiche e per questo motivo i nanomateriali sono ampiamente studiati e applicati al giorno d’oggi come polveri o sospensioni oppure in materiali solidi chiamati materiali nanostrutturati. ES fibra di carbonio. Uno dei primi usi commerciali è il mescolamento del nerofumo con la gomma per pneumatici in modo da aumentarne le proprietà meccaniche.

Esempi di nanomateriali

• Titania o ossido di titanio in nanoparticelle, usata in creme solari perché assorbe nel visibile e fa scattering della luce, minore è la dimensione delle particelle e minore è l’effetto di whitecast sulla pelle pur mantenendo la funzione protettiva. La titania è inoltre fotocatalitica e quindi decompone molti composti organici, è impiegata su superfici autopulenti poiché lo sporco si decompone e il materiale diviene idrofobico es: vetri grattacieli.
• Argento, ha caratteristiche antimicrobiche e antibatteriche, in passato le monete d’argento venivano poste nelle bottiglie di latte. Oggigiorno le nanop. di argento si sfruttano in dispositivi di presidio medico come cateteri etc… per assicurarne la sterilità. Con lo stesso fine sono stati realizzati contenitori per alimenti o calzini che contengono nanop. di Ag per diminuire l’odore oppure giocattoli, coperte e lenzuoli per bambini che divengono autosanificanti.
• Nanomateriali in cosmesi, Because of their ability to penetrate deeper into the protective layers of skin than any cosmetic before, nanomaterials are used as delivery agents for skin nutrients, such as synthetic peptides that instruct cells to regenerate. b) Some nanoparticles have antioxidant properties, features that help maintain a youthful appearance of the skin. For example, functionalized fullerenes are now incorporated into cosmetic products, such as creams, claiming radical scavenging properties. c) Due to their small size and specific optical properties, they are thought to conceal wrinkles and small creases. For example, alumina nanopowder is used for optical reduction of fine lines.

Nanotossicologia

I nanom. sono “considerati contaminanti emergenti” perché si trovano nell’ambiente ma non sono di origine biologica o naturale. La nanotossicologia si occupa dell’effetto dei nanomateriali ingegnerizzati sulla salute umana. Nel caso di nanoparticelle ingegnerizzate il riscontro di numerose proprietà chimico-fisiche connesse alla loro dimensione ha richiamato l’attenzione del mondo scientifico per eventuali effetti sulla salute; ciò ha portato alla nascita della “nanotossicologia” ovvero della disciplina che si occupa dello studio delle interazioni delle nanostrutture con i sistemi biologici. Invece la nanoecotossicologia studia gli effetti del rilascio dei nanomateriali nell’ambiente.

Classificazione e definizioni

Si dividono in base all’origine in:

• Naturali, materiali con una struttura compresa tra 1 e 100 nm che sono il risultato di processi naturali. Esempio: incendi boschivi, emissioni vulcaniche, aerosol marino e conversione atmosferica da gas a particolato, aerosol biogenico.
• Accidentali, materiali con una struttura compresa tra 1 e 100 nm prodotti come sottoprodotto di un processo. Esempi: utilizzo di combustibili, emissioni industriali, emissioni da traffico veicolare.
• Ingegnerizzati, materiali fabbricati con struttura ingegnerizzata compresa tra 1 e 100 nm.

Nelle scienze ambientali i nanom. sono chiamati particelle ultrafini, sempre sotto i 100nm, mentre al di sopra si parla di particelle di accumulo fino ai 2.5 um. Le particelle più grandi di 2.5um sono dette grossolane e sono per lo più generate meccanicamente.

Nelle scienze sanitarie il particolato atmosferico fra 1nm e 150um viene definito “polveri totali sospese” o “PTS”; il particolato con dimensioni inferiori ai 10um è definito PM10 mentre i nanomateriali sono definiti PM1-0.1.

Cenni storici

L’essere umano ha da sempre sfruttato i nanomateriali:

• La coppa di Licurgo presenta un vetro che diviene verde in caso di luce naturale mentre si colora di rosso in caso di luce trasmessa, questo per la presenza di nanoparticelle d’oro e argento.
• Le chiese del nord presentano vetrate verdi e rosse per lo stesso motivo, inoltre variando la lavorazione di questi metalli si poteva variare la forma delle particelle e ottenere diversi colori.
• Le spade realizzate con gli acciai di Damasco sono diventate famose per (i) il loro filo tagliente, (ii) la bellezza dei loro caratteristici decori superficiali e (iii) le leggende affascinanti sul modo in cui questi materiali erano fabbricati. Erano realizzati con acciaio originario dell'India (chiamato "wootz"), la cui esatta composizione e la successiva lavorazione erano cruciali per il successo e trattate come top secret. La particolarità di queste lame erano le nanoparticelle di cementite e nanotubi di carbonio.
• L’oro colloidale era noto per poteri curativi di varie malattie, come malattie cardiache e veneree, dissenteria, epilessia e tumori. Questo è ben dettagliato in quello che è considerato il primo libro sull'oro colloidale, pubblicato dal filosofo e medico Francisci Antonii nel 1618.
• Nel 1676, il chimico tedesco Johann Kunckels pubblicò un altro libro, in cui un capitolo riguardava "l'oro da bere che contiene oro metallico in una soluzione neutra, leggermente rosata, che esercita proprietà curative per diverse malattie". Ha concluso, ben prima di Michael Faraday, che "l'oro deve essere presente in dimensioni tali da non essere visibile all'occhio umano".
• 1857: Michael Faraday dimostra che l'oro colloidale (nanostrutturato) in determinate condizioni di illuminazione produce soluzioni di colore diverso (colloidal “ruby” gold).

Principali tappe di sviluppo:

• Discorso di Feynman nel 69’, affermò “there is plenty of room at the bottom” in riferimento alle proprietà peculiari dei nanomateriali che dovevano essere ancora studiati.
• Anni 80’ Invenzione della microscopia a scansione di sonda, che permette di eseguire analisi nanometriche.
• Metà anni 80’, scoperta nanomateriali al carbonio.
• Fine anni 90’, primo nanomateriale a base di DNA.

Microscopia a scansione

Lo sviluppo delle tecniche di microscopia a scansione è stato fondamentale per poter studiare i nanomateriali, il principio di funzionamento generale prevede l’uso di una punta nanometrica trascinata sulla superficie del materiale per poi studiarne l’interazione e registrare la scansione.

Ne esistono numerose varianti, quelle trattate in questo corso sono la STM e la AFM.

STM

La tecnica STM o scanning tunneling microscope è stata sviluppata da Ruska, Sinning e Rohrer i quali presero il Nobel per la fisica. Il tip nanoscopico viene spostato su una superficie conduttiva, ad entrambi viene applicata un