Chimica dei Materiali Ingegnerizzati

Approccio Bottom-Up

• L'approccio "bottom-up" in chimica si basa sulla manipolazione delle proprietà chimiche di atomi e molecole tramite sintesi chimica.

Materiali ingegnerizzati

• Materiali comunemente utilizzati in applicazioni biomedicali, diagnostiche e in nanomedicina includono: fullereni, CNT, grafene, carbon black, SiO2, TiO2, ZnO, quantum dots, Au, Ag, SPION, polimeri, polisaccaridi e liposomi.

SiO2 mesoporosa (silice)

• La silice mesoporosa è una classe di setacci molecolari porosi ordinati con mesopori di dimensioni uniformi (2-50 nm).
• Trova impiego in diversi settori come l'industria petrolifera, cosmetica e medicina.
• La sua struttura porosa consente l'intrappolamento e il rilascio controllato di farmaci o altre sostanze in risposta a stimoli specifici.

Quantum Dots

• I quantum dots sono nanoparticelle di materiali semiconduttori (es. silicio) con proprietà ottiche che dipendono dalla loro dimensione e forma.
• La radiazione assorbita ed emessa varia a seconda delle dimensioni.
• Le proprietà ottiche sono influenzate dalla risonanza plasmonica di superficie.

Ossidi di Ferro

• Gli ossidi di ferro sono composti naturali comuni e possono essere sintetizzati in laboratorio tramite reazioni acquose in diverse condizioni redox e di pH.
• Hanno proprietà superparamagnetiche.

Nanomateriali organici

• I nanomateriali organici come lipidi, polimeri e polisaccaridi vengono utilizzati in ambito biomedico, cosmetico e alimentare.

Dendrimeri

• I dendrimeri sono strutture polimeriche iper-ramificate con strutture molto definite.
• La loro struttura regolare li rende adatti a fungere da vettori per principi attivi.

Liposomi

• I liposomi sono piccole vescicole sferiche a base di fosfolipidi.
• Le loro proprietà dipendono dalla composizione lipidica, dalla carica superficiale, dalle dimensioni e dal metodo di preparazione.
• Sono impiegati per il trasporto di principi attivi.

Caratteristiche funzionali degli acidi nucleici

• In laboratorio si possono sintetizzare filamenti di DNA e RNA di diverse lunghezze, ottenendo strutture secondarie e terziarie con funzioni specifici.
• Aptameri: oligonucleotidi di DNA o RNA a filamento singolo con strutture tridimensionali stabili, dipendenti dalla sequenza.
  • Vengono selezionati tramite processi di biologia molecolare evolutiva (SELEX).
  • Hanno affinità per molecole specifiche come proteine.
  • Possono essere considerati anticorpi sintetici.
• DNA zyme e RNAzyme: sequenze di DNA con attività catalitiche simili ai ribozimi.

Caratteristiche strutturali degli acidi nucleici

• Le strutture degli acidi nucleici possono essere sfruttate tramite legami a idrogeno, stereochimica e termodinamica.
• Tecniche di DNA origami: permettono l'autoassemblaggio del DNA per creare strutture complesse come nanotubi di DNA.

Terapie combinate

• Le terapie combinate per il cancro aumentano la penetrazione dei farmaci nei tumori, riducendo il rischio di recidive.
• Le nanoparticelle teranostiche, contenenti sia agenti terapeutici che di imaging, facilitano la stadiazione della malattia, la scelta del trattamento, la valutazione della risposta e il rilevamento delle recidive.

Triggered activation

• La nanomedicina sfrutta gli stimoli del microambiente tumorale (pH basso, glutatione, enzimi) o stimoli esogeni (calore, ultrasuoni, campi magnetici/elettrici) per attivare nanomateriali o rilasciare agenti terapeutici.

Targeting

• La funzionalizzazione della superficie delle nanoparticelle con ligandi molecolari consente il drug delivery mirato.
• Target attivo: i gruppi funzionali sulla superficie dei nanovettori riconoscono il sito bersaglio, permettendo di visualizzare, curare e monitorare la risposta del trattamento patologico.
• Target passivo: l'effetto EPR (Enhanced Permeability and Retention) sfrutta l'elevata vascolarizzazione dei tumori per accumulare nanomateriali nelle zone tumorali.

Proprietà ottiche

• Fotoluminescenza: le nanoparticelle d'oro possono essere utilizzate per la luminescenza e fluorescenza.
• Fototermica e fotoacustica: le nanoparticelle d'oro vengono utilizzate per il riscaldamento ed i metodi fotoacustici.

Tossicità dei nanomateriali

• Non tutti i nanomateriali sono ingegnerizzati e possono essere tossici.
• I test di tossicità (citotossicità, genotossicità) sono necessari per valutare il rischio.
• I nanomateriali possono generare specie ROS e, per dimensioni inferiori a 2 nm, hanno elevata attività catalitica.

SPION (Superparamagnetic Iron Oxide Nanoparticles)

• SPION sono nanomateriali a base di ossidi di ferro con proprietà superparamagnetiche.
• Vengono utilizzati in nanomedicina per diagnostica, come agenti di contrasto nelle analisi NMR.
• Rispondono ai campi magnetici esterni, rilasciando calore.
• Le dimensioni, la forma e l'ingegnerizzazione superficiale degli SPION li rendono riconoscibili dalle cellule del sistema immunitario (es. macrofagi).
• I macrofagi inglobano gli SPION, degradandoli e rilasciando il ferro.
• L'accumulo di SPION avviene tramite target attivo e target passivo.

Applicazioni degli SPION

• In terapia, gli SPION possono essere utilizzati per il drug delivery.
• In imaging, gli SPION vengono utilizzati come agenti di contrasto per la risonanza magnetica.
• Aumentano la visibilità nella risonanza magnetica mediante la diminuzione dei tempi di rilassamento, che dipendono dall'intorno e dal campo applicato.
• Gli SPION sono considerati non tossici o poco tossici, sebbene sia necessario valutare la tossicità individuale.

Nanomateriali a base di carbonio (CNT)

• I nanotubi di carbonio (CNT) vengono utilizzati in nanomedicina per imaging, drug delivery e funzionalizzazione.
• Il loro principale utilizzo è nella rigenerazione tissutale, soprattutto per il tessuto nervoso.
• Le loro caratteristiche includono conducibilità termica ed elettrica, assorbimento nel vicino infrarosso (effetto fototermico) e superficie adatta alla rigenerazione tissutale.

Rigenerazione tissutale

• I neuroni sono cellule del tessuto nervoso.
• La guaina mielinica sull'assone può essere danneggiata, portando alla degenerazione dell'assone.
• Le cellule Schwann intervengono per ripulire e stimolare la rigenerazione delle cellule.
• L'assone necessita di uno scaffold tubolare per una corretta crescita.
• I nanotubi di carbonio offrono un supporto ideale per la rigenerazione tissutale, grazie alla loro forma tubolare e alla conducibilità.