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Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10077/4575

Title: Novel nanostructures for biosensing and drug delivery
Other Titles: Novel nanostructures for biosensing and drug delivery
Authors: Zamolo, Valeria Anna
Supervisor/Tutor: Prato, Maurizio
Co-supervisor: Tubaro, Aurelia
Paolucci, Francesco
Issue Date: 8-Apr-2011
Publisher: Università degli studi di Trieste
Abstract: Le nanotecnologie sono descrivibili come lo studio della manipolazione della materia con precisione atomica e molecolare, generalmente circoscrivibile a strutture di dimensione compresa tra 1 e 100 nanometri. Questo settore è molto vario e spazia dall’estensione della fisica convenzionale applicata all’ideazione di nuovi approcci basati sull’auto-assemblamento di molecole. Per questo motivo le nanotecnologie sono in continuo ampliamento e possono vantare applicazioni nei più svariati settori, come la medicina, lo sviluppo di nuovi biomateriali e l’elettronica. In questo lavoro di tesi riporterò degli esempi di come le nanotecnologie siano state impiegate nella progettazione di sistemi innovativi per la rilevazione di biomolecole o per il rilascio controllato di farmaci. La principale parte del lavoro svolto concerne la realizzazione di un biosensore basato sull’impiego di nanotubi di carbonio, per il rilevamento della palitossina. La nascita del progetto deriva dalla diffusione di un particolare tipo di microalga nel Mediterraneo e nelle coste italiane, comprese quelle del Friuli-Venezia-Giulia, produttrice di palitossina duranti i periodi di fioritura. Questa tossina marina è caratterizzata da una forte tossicità e ha infatti registrato numerosi casi di ricovero ospedaliero in bagnanti esposti all’aerosol contaminato durante attività ricreative balneari. Dal momento che il biosensore è concepito per raggiungere la massima sensibilità possibile, immunochimica ed elettrochemiluminescenza sono state combinate in un sistema ibrido che soddisfacesse questo requisito: la capacità unica degli anticorpi di legare specificamente il loro antigene, insieme all’eccellente sensibilità ottenibile dai trasduttori basati sul rilevamento della luminescenza, rappresenta il punto chiave per poter rilevare quantità di analita nel range del picogrammo. Al fine di ottimizzare riconoscimento tra anticorpo e antigene e segnale di risposta del biosensore, occorre avere a disposizione un elemento che predisponga al meglio la comunicazione tra elementi biologici e componenti elettrochimiche del sistema. I nanotubi di carbonio sono ottimi candidati per questo scopo, in virtù delle loro peculiari caratteristiche, come l’alto rapporto area superficiale-peso e la versatilità nella funzionalizzazione, che li rendono particolarmente adatti per il legame con bio-macromolecole, come gli anticorpi. I nanotubi di carbonio sono stati funzionalizzati per predisporre al meglio il legame con l’anticorpo anti-palitossina e successivamente sono stati legati covalentemente a un elettrodo di ITO. Un immuno-sandwich è stato costruito sull’elettrodo aggiungendo la tossina, seguita da un anticorpo secondario legato a un’etichetta fosforescente. Il fluoroforo è stato eccitato indirettamente tramite l’applicazione di uno specifico potenziale all’elettrodo al fine di ottenere l’emissione di luce. Dal momento che la luminescenza ottenuta è proporzionale alla quantità di tossina riconosciuta dall’anticorpo, la rilevazione quantitativa della palitossina è possibile tramite la costruzione di una retta di calibrazione. La seconda parte del lavoro è riportata nell’ultima sezione della tesi e riguarda la realizzazione di matrici di silicio poroso (PSi) per il rilascio controllato di farmaci. L’idea è quella si sfruttare le proprietà peculiari di questo materiale, come la vasta area superficiale, la biocompatibilità e la possibilità di essere monitorato in-vivo, per il trasporto di farmaci all’interno del corpo umano. Inoltre, il PSi presenta una particolare cinetica dissolutiva in condizioni fisiologiche simulate, proporzionale alla basicità della soluzione tampone. Questa caratteristica aggiuntiva è di grande interesse per il trasporto di quei farmaci che, facilmente solubili a pH gastrico, risultano poco assorbiti a livello intestinale. Campioni di silicio poroso con diverse porosità sono stati fabbricati attraverso un processo elettrochimico, funzionalizzati e dissolti in diversi tamponi fisiologici, al fine di identificare il candidato migliore per le prove di caricamento del farmaco. Il caricamento del principio attivo è avvenuto attraverso l’impiego della CO2 supercritica e le matrici sono state infine caratterizzate tramite calorimetria differenziale a scansione. Entrambi i nano-sistemi investigati hanno prodotto risultati interessanti, specialmente dal punto di vista della riproducibilità e dell’attendibilità dei dati.
Nanotechnology is the study of manipulating matter on an atomic and molecular scale, generally dealing with structures sized between 1 to 100 nanometre. Nanotechnology is very diverse, ranging from extensions of conventional device physics to completely new approaches based upon molecular self-assembly. It represent a fast-growing research field, due to the potential applications in a wide range of domains, such as in medicine, biomaterials and electronics. In this thesis I will give you some examples of how nanotechnologies have been exploited to the development of novel systems for biosensing and drug delivery. The main part of the thesis work is focused on the realization of a carbon nanotubes (CNTs)-based biosensor for palytoxin detection. The necessity to develop the sensing device arises from the diffusion of particular microseaweeds in the Italian coasts, Friuli-Venezia-Giulia included, producing palytoxins during bloom events. This marine toxin present remarkable toxicity and has already recorded several cases of hospitalization cases from patients exposed to the marine aerosol. Since the biosensor is conceived in order to be as sensitive as possible, we have combined immunochemistry and electrochemiluminescence in a hybrid system. The unique capacity of antibodies to bind specifically the analyte of interest, and the excellent sensitivity afforded by luminescence-based transducers, were coupled together in order to detect analyte quantities in the range of the picogram. The crucial point in reaching this aim is arranging biological elements with an electrochemical component, in order to optimize the immuno recognition between antibody and antigene and at the same time the response signal from the biosensor. To this aim, carbon nanotubes are excellent candidates due to the high surface area-to-weight-ratio and to the versatility in functionalization, making them suitable for attachment of biomolecules such as antibodies. Carbon nanotubes functionalized with specific antibodies anti-palytoxin are covalently attached to the electrode. An immuno sandwich is build on the electrode by adding the toxin, followed by a secondary antibody labeled with a fluorophore. The fluorophore is excited at certain voltages, in order to produce an emission of light. Since luminescence produced by the label is proportional to the amount of toxin recognized by the antibody, quantitative detection of palytoxin is achievable by constructing a calibration line. The second part of the work presented in the last section of the thesis concerns the realization of porous silicon (PSi) matrix for drug delivery. The idea was to exploit the very peculiar properties exhibited by this material, such as wide superficial area, biocompatibility and in-vivo monitoring, to carry drugs inside the human body. Furthermore, PSi showed a particular dissolution behaviour in simulated physiological conditions, proportional to the basicity of the buffer solution. This additional peculiarity is of great interest for the delivery of those drugs that cannot be absorbed through the intestine since they dissolve at the acid pH of the stomach. PSi samples with different grade of porosity were fabricated through an electrochemical procedure, functionalized and dissolved in different physiological buffers, in order to identify the most suitable one for drug loading experiments. Loading with the drug was performed through supercritical CO2 and the silicon carriers characterized by differential scanning calorimetry. Both of the nano systems investigated produced very interesting results, especially concerning the reproducibility of the devices and the reliability of the results obtained.
PhD cycle: XXIII Ciclo
PhD programme: SCUOLA DI DOTTORATO DI RICERCA IN SCIENZE E TECNOLOGIE CHIMICHE E FARMACEUTICHE
Description: 2009/2010
Keywords: nanotubi di carbonio
palitossina
elettrochemiluminescenza
silicio poroso
Main language of document: en
Type: Tesi di dottorato
Doctoral Thesis
Scientific-educational field: CHIM/06 CHIMICA ORGANICA
NBN: urn:nbn:it:units-9042
Appears in Collections:Scienze chimiche

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