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Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10077/3523

Title: Carbon Nanotubes and Neurons:Nanotechnology Application to the Nervous System
Authors: Cipollone, Sara
Supervisor/Tutor: Prato, Maurizio
Co-supervisor: Ballerini, Laura
Issue Date: 26-Mar-2010
Publisher: Università degli studi di Trieste
Abstract: I Nanotubi di Carbonio (CNT) sono una nuova forma allotropica del carbonio scoperta da Ijiima nel 1991, che li ha individuati nel materiale di scarto proveniente dalla produzione dei fullereni. Essi sono costituiti da un foglio di grafene arrotolato su se stesso a formare una struttura cilindrica chiusa alle estremità. I nanotubi di carbonio a parete singola (SWCNT) sono costituiti da un solo foglio di grafene, mentre i nanotubi di carbonio a parete multipla (MWCNT) sono formati da due o più fogli concentrici. Per via delle loro eccezionali proprietà chimico-fisiche, per esempio la forza meccanica superiore a quella di qualsiasi materiale conosciuto, la stabilità termica, la grande area superficiale, il basso peso specifico e le loro ottime proprietà di conduzione dell’elettricità; i CNT hanno trovato negli scorsi 20 anni un largo impiego nel campo delle scienze dei materiali, ma anche, alla luce della loro capacità precedentemente riportata di attraversare la membrana cellulare e della loro bassa citotossicità, nel campo della biomedicina, in applicazioni come il trasporto mirato di farmaci e la biosensoristica. In questo lavoro di tesi, si riporta l’uso dei nanotubi di carbonio in neurobiologia/neurofisiologia come substrato per lo studio dell’interazione tra cellule nervose e i nanotubi di carbonio stessi. In particolare, la loro struttura tubulare e le dimensioni nanometriche, associate con la loro conduttività elettrica e la loro biocompatibilità, li rendono un materiale ideale per l’associazione e l’integrazione con le cellule nervose, richiamandone sia la struttura che le proprietà. Questo potrebbe aprire la possibilità di usare i nanotubi di carbonio come materiale per la costruzione di nanoporotesi atte a riparare il tessuto nervoso dove danneggiato. I risultati ottenuti hanno dimostrato che cellule nervose cresciute su una superficie di nanotubi di carbonio mostrano un incremento della frequenza delle correnti sinaptiche spontanee e dei potenziali d’azione spontanei. Pù in dettaglio, i nanotubi di carbonio migliorano la risposta dei neuroni formando dei contatti molto intimi con la membrana della cellula nervosa. Questi contatti potrebbero favorire una facilità di comunicazione elettrica tra i vari compartimenti del neurone. Al fine di interpretare meglio la natura dell’interazione fisica tra le cellule nervose e i nanotubi, abbiamo sviluppato un metodo per preparare superfici di vetro funzionalizzate covalentemente con nanotubi di carbonio con una morfologia definita e riproducibile. I nanotubi di carbonio sono stati purificati e processati opportunamente tramite funzionalizzazione organica per fornirli dei gruppi funzionali necessari all’ancoraggio sulla superficie del vetro mediato da organosilani come agenti di coupling. Inoltre i nanotubi sono stati funzionalizzati mediante un peptide RGD caratterizzato dalla sequenza amminoacidica arginina-glicina-acido aspartico, una sequenza che si ritrova normalmente in vivo nelle proteine di adesione e che rappresenta un substrato tipico per la promozione dell’adesione e lo sviluppo neurale. Anche questi nanotubi biofunzionalizzati sono stati attaccati covalentemente alla superficie del vetro mediante l’uso di organo-silani. Tutte le superfici preparate sono state caratterizzate con angolo di contatto, spettroscopia FT-IR, microscopia SEM e spettroscopia XPS. L’uso di questi substrati per lo studio della crescita e del comportamento neurale dovrebbe portare ad una valutazione più precisa degli effetti che i nanotubi di carbonio hanno sulla rete neurale. Inoltre la definizione di un metodo efficiente e versatile per l’attacco covalente di nanotubi di carbonio su superfici inorganiche è di fondamentale importanza per la eventuale costruzione di superfici biocompatibili impiegabili nell’ingegneria tessutale. Tra tutte le motivazioni che rendono i nanotubi un materiale eccellente per l’integrazione con le cellule nervose riportiamo anche uno studio sistematico in vitro su reti ibride di neuroni e MWCNTs. Abbiamo ottenuto la deposizione di un film sottile di CNTs sulla superficie elettrodica dei MEA, (microelectrode arrays), che sono supporti solidi forniti di una matrice di 60 elettrodi utilizzati comunemente in neurofisiologia per la stimolazione nervosa simultanea di molti siti contemporaneamente. Utilizzando questi MEA coperti da CNT come substrati per la crescita neuronale abbiamo avuto la possibilità di esaminare a livello di comunicazione sinaptica il modo in cui i CNT e le cellule nervose interagiscono in maniera direzionale con l’emergenza dell’attività sinaptica spontanea, come precendentemente osservato a livello della singola cellula. Nell’appendice di questa tesi è riportato uno studio riguardante la funzionalizzazione di nanotubi di carbonio mediante una sonda fluorescente, e la relativa caratterizzazione dei derivati per lo studio della loro internalizzazione e distribuzione nelle cellule nervose. Risultati preliminari hanno mostrato che i CNT sono in grado di passare la membrana cellulare del neurone e si distribuiscono omogeneamente nel citoplasma ma non penetrano nel nucleo della cellula. Questo è un risultato molto importante perchè, nonostante sia stata precedentemente dimostrata la capacità dei nanotubi di attraversare la membrana cellulare, nulla ancora è stato detto a riguardo delle cellule nervose. La possibilità da parte dei nanotubi di carbonio di attraversare la membrana ematoencefalica potrebbe definire una nuova frontiera nell’uso dei CNT in neurofisiologia come sistemi di veicolazione mirata di farmaci nel sistema nervoso centrale e costituire, eventualmente, un importante strumento per le applicazioni terapeutiche riguardanti le malattie degenerative del sistema nervoso. Ulteriori sviluppi di questo studio potrebbero essere la verifica, in vivo della capacità dei CNT di attraversare la barriera ematoencefalica.
PhD cycle: XXII Ciclo
PhD programme: SCUOLA DI DOTTORATO DI RICERCA IN SCIENZE E TECNOLOGIE CHIMICHE E FARMACEUTICHE
Description: 2008/2009
Keywords: carbon nanotubes
neurons
surface functionalization
nanotechnology
Main language of document: en
Type: Tesi di dottorato
Doctoral Thesis
Scientific-educational field: CHIM/06 CHIMICA ORGANICA
NBN: urn:nbn:it:units-8849
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