Negli ultimi anni i nanotubi di carbonio hanno attirato una crescente attenzione per le loro potenziali applicazioni in campo biomedico come nanostrumenti diagnostici e terapeutici.
Il progetto si propone di studiare array di nanotubi di carbonio sia dispersi (CNTs) che allineati verticalmente (VA-CNTs) per applicazioni legate alla biologia. In particolare, si studierà a) la caratterizzazione di elettrodi basati su VA-CNTs per biosensori elettrochimici b) la capacità antimicrobica dei nanotubi dispersi in funzione dei parametri dei tubi (diametro, densità, lunghezza). Una facility per la produzione di VA-CNTs incentrata sulla deposizione chimica da vapore (CVD) è operativa al dipartimento di Fisica e fornirà i nanomateriali per la loro caratterizzazione, mentre i CNTs dispersi verranno forniti dal CNR.
Per a) la difficolta¿ di ancoraggio e immobilizzazione dei bio-recettori, tipica dei biosensori tradizionali, viene superata tramite un approccio innovativo basato sulla nano-strutturazione controllata degli elettrodi costituiti da VA-CNTs- valutando densità, lunghezza e diametro dei tubi con tecniche standard quali analisi con Scanning Electron Microscope (SEM), e X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS). Per b) la nano-strutturazione controllata o dispersa verrà correlata al tasso di sopravvivenza delle specie microbiche sia in forma planctonica, tramite la valutazione delle unità formanti colonie (CFU), che in forma di biofilm tramite la colorazione del Crystal Violet. Verranno utilizzate a tal fine specie patogene rappresentative come Staphylococcus aureus per i Gram-positivi, Pseudomonas aeruginosa per i Gram-negativi e Candida albicans per i funghi. Le interazioni fisiche tra i microrganismi e i nanomateriali saranno visualizzate tramite SEM.
In prospettiva futura si potranno realizzare a) dispositivi in grado di raggiungere la single molecule sensitivity e b) trattamenti per superfici per renderle auto-disinfettanti e non soggette al biodegrado.
I CNTs sin dalla loro scoperta[1] sono stati investigati e hanno attirato l¿interesse del mondo accademico e delle realtà industriali.[2] Per sfruttare le loro eccezionali proprietà, strettamente correlate ai parametri morfologico-dimensionali dei tubi, è necessario produrre CNTs aventi le caratteristiche desiderate in termini di diametro, lunghezza, densità, direzione di crescita e cristallinità.[3] Tuttavia, sintetizzare array di CNTs ordinati, allineati e aventi la morfologia desiderata dalla micro- alla nano-scala rimane ancora una sfida aperta.[4] Tra i vari metodi di sintesi oggi disponibili per la produzione di CNTs, il CVD è la tecnica più utilizzata. Ciò è dovuto principalmente al fatto che si tratta di una tecnica semplice, economica e può essere facilmente adattata per la produzione su larga scala/industriale. Avendo già ottimizzato i parametri di processo (temperatura e pressione di reazione, dimensioni delle nanoparticelle catalizzatrici) per sintetizzare VA-CNTs con diametri controllabili tra pochi nm e le decine di nm (5-30 nm), lunghezze modulabili tra pochi µm e centinaia di µm (5-300 µm) e densità variabili da 108 e 1010 CNTs/cm2 su substrati come silicio e fused silica[5-7], il progetto punta a caratterizzare le proprietà antimicrobiche dei VA-CNTs deposti su nuovi substrati ¿ conduttivi ¿ per raggiungere un accurato controllo di diametro, lunghezza, densità dei tubi, e quindi, delle loro proprietà chimico-fisiche. La modulazione controllata della nano-morfologia dei VA-CNTs sarà sfruttata per massimizzare la sensibilità e selettività verso biomolecole specifiche impiegando i CNTs come elettrodi per biosensori EC. I CNTs si sono rivelati materiali promettenti nel contesto dei biosensori basati su reazioni enzimatiche e/o sulla formazione di specie elettro-attive[8] e sono stati impiegati come elettrodi in una vasta gamma di dispositivi elettro-analitici per il rilevamento di ioni, metaboliti e biomarcatori proteici.[9] Il metodo maggiormente utilizzato per realizzare tali elettrodi è il drop-casting a partire da sospensioni di CNTs. Lo svantaggio di questa tecnica risiede nella difficoltà di controllo del film depositato, in termini di morfologia, uniformità e adesione al substrato che si traduce in una scarsa riproducibilità e accuratezza del processo.[10] In aggiunta, gli elettrodi così realizzati non presentano alcuna orientazione preferenziale/allineamento e giacciono lungo il piano del substrato. In questo modo, espongono all¿analita di interesse, del quale si vuole effettuare una determinazione quantitativa, la loro parete laterale e non le estremità, considerate come i siti più elettro-chimicamente attivi.[11] Pertanto, la tecnologia della crescita diretta di VA-CNTs su substrati conduttivi, rappresenta un approccio fortemente innovativo e con ogni probabilità risolutivo in tal senso. Inoltre, la possibilità di correlare le proprietà antibatteriche con il diametro, la densità e l¿uniformità dei tubi ¿ agendo sul catalizzatore di crescita ¿ e al contempo di regolare la lunghezza dei CNTs ¿ calibrando il tempo di interazione tra il precursore del carbonio e il catalizzatore di crescita - permetterà di controllare finemente i siti ancoraggio del bio-recettore che condizionano fortemente la fase di bio-riconoscimento e, conseguentemente, l¿efficienza di rilevazione del biosensore EC.
Inoltre, per preservare il dispositivo EC finale da un possibile biodeterioramento, la caratterizzazione antimicrobica dei diversi VA-CNTs verrà correlata ai parametri dei tubi (diametro, densità, lunghezza). Anche nell¿azione battericida dei VA-CNTs, così come nella loro azione elettrochimica, giocherà un ruolo chiave l¿allineamento dei tubi e, quindi, l¿accessibilità/reattività delle loro punte, valutate come gli elementi maggiormente responsabili del danneggiamento delle pareti batteriche mediante un meccanismo definito punctuations .[12]Infine, considerata la possibilità di trasferire i film di VA-CNTs potenzialmente su qualunque substrato desiderato, i risultati ottenuti saranno virtualmente indipendenti dai supporti impiegati e, quindi, saranno validi per una vasta gamma di superfici e applicazioni come i dispositivi biomedici, i sistemi di filtrazione, le interfacce presenti nelle unità sanitarie (tavoli, maniglie delle porte, tastiere di computer, tessuti).
[1] Iijima, Nature, 354, 56(1991)
[2] M. F. L. De Volder, Science 339 (6119) (2013) 535¿539.
[3] J. A Cardenas, Nano Futures, 4 (1) (2020).
[4] M. Scardamaglia, Carbon 83 (2015) 118 ¿ 127.
[5] I. Rago, Advanced Biosystems, 3 (5) (2019) 1800286.
[6] N. P. Pampaloni, Devel. Neurobiol., (2019) 1¿16.
[7] G. Cavoto, J. Phys.: Conf. Ser. ,1468 (1) (2020) 012232.
[8] N. Yang, Sensors and Actuators B 207 (2015) 690¿715.
[9] Z. Wang, Nanoscale 7, (2015) 6420¿6431.
[10] N. Baig, TrAC Trends in Analytical Chemistry, 111, (2019) 47-61.
[11] H. A. Abdulbari, ChemBioEng Rev, 4 (2) (2017) 92¿105
[12] M. Olivi, Nanoscale, 5 (19) (2013) 9023.