In questo progetto intendiamo esplorare un campo di ricerca molto recente e in rapido sviluppo: la comprensione sperimentale e teorica delle proprietà di reattività chimica di punti quantici di grafene (graphene quantum dots, GQDs), modificati chimicamente in modo da ottimizzare le loro applicazioni, che risultano particolarmente importanti in nanobiomedicina.
La novità dell'argomento e la necessità di un suo sviluppo emergono chiaramente sia dal numero ancora piuttosto esiguo di articoli scientifici sui GQDs (1100 riferimenti nel 2019 e circa 100 nel 2010 - fonte Scopus) e dalla relativa esiguità di contributi italiani (solo 18 articoli nel 2019), sia dalle considerevoli promesse di sviluppo che quegli articoli portano con sé. I GQDs possiedono, infatti, buona conducibilità elettrica e termica, fotostabilità e proprietà di fotoluminescenza, dovute al confinamento quantico causato dalle dimensioni nanometriche. Le loro proprietà di biocompatibilità e non citotossicità giustificano la rapida crescita degli studi nell'ambito biomedico.
Il proponente di questo progetto conduce da vari anni, attraverso collaborazioni nazionali (con il gruppo Sapienza, con P. Tagliatesta-Università di Tor Vergata e M. Papi-Università Cattolica) e internazionali (prof. E. Dalchiele-Montevideo, prof. D. Guldi-Erlangen) un insieme di studi che si inquadrano nello sviluppo avanzato e originale di materiali allotropi del carbonio, opportunamente modificati per rispondere ad esigenze di ricerca sia di base che applicata. I suoi lavori più recenti si riferiscono a grafene/grafene ossido, fullereni sostituiti con molecole in sistemi a triade altamente coniugati, nanosfere di carbonio, nanotubi di carbonio, nanodiamanti e, più in generale, nanomateriali di diversa natura. Tale esperienza si integra bene con quelle analoghe degli altri membri del gruppo proponente, esperti in fotoemissione, elettrochimica, sintesi di sistemi ibridi e simulazioni teoriche.
La ricerca sui GQDs, come sopra riportato, è piuttosto recente e per molti aspetti di rilievo può ancora essere considerata ai suoi esordi.[1-2] In particolare, sono molto recenti alcuni degli sviluppi di grande impatto in nanobiomedicina,[3-9] grazie a biocompatibilità e non tossicità [10] e alle proprietà fotofisiche dei GQDs,[11] che li rendono candidati eccellenti per l'uso in bioimaging, drug delivery e in applicazioni teranostiche (phothermal therapy).[12]
L'esperienza maturata dal proponente e dal gruppo nel campo delle forme allotropiche del carbonio, sopra riassunta, ci ha permesso di mettere a punto strategie di modifica chimica sul GO che intendiamo ora applicare a GQDs, estendendole a comprendere reattività verso farmaci.
La realizzazione, ottenuta lo scorso anno, di interfacce tra grafene ossido ridotto (rGO), che condivide molte proprietà con il grafene, e wafer di silicio orientato (Si e ) e l'ulteriore passo compiuto nella realizzazione di un'interfaccia flessibile tra rGo e ITO-PET, ci consente ora di applicare idee e ricette sintetiche sui GQDs, con attenzione alle sue peculiarità connesse alla nanodimensionalità.
Infatti, ci attendiamo di poter ottenere interfacce analoghe, non ancora riportate in letteratura, ma con la consapevolezza che una completa riduzione dei gruppi ossigenati sia più difficile sui GQDs rispetto al GO, a ragione della loro natura e proprietà conduttive, della diversa entità e dei diversi rapporti tra funzioni C-O-R, rispetto al GO. La realizzazione di tali interfacce aiuta enormemente il lavoro di caratterizzazione di tali specie,
permettendo l'applicazione di tecniche spettroscopiche e nanoscopiche particolarmente adatte, quali fotoemissione di core e valenza, spettroscopia Raman e studio elettrochimico delle interfacce, considerate come elettrodi.
Il nostro approccio elettrochimico e chimico, descritto nei WP1-2, e l'aiuto importante dei calcoli teorici nella direzione di suggerire rapporti struttura/reattività (previsto nel WP3) costituiscono passi avanti importanti per individuare ricette sintetiche nuove.
La possibilità di far avvenire reazioni chimiche coi GQDs attraverso l'uso di specie green e biocompatibili (sempre in analogia col caso del GO) amplia le possibilità di ulteriore uso in biomedicina di questi supporti. Quanto intendiamo realizzare è un controllo della composizione dei GQDs che corrisponda ad una maggior loro propensione ad interagire con specie chimiche di interesse, particolarmente con farmaci mirati, una fase del progetto in cui avremo la collaborazione con esperti nel campo biomedico, prevista nel WP4.
Quest'area di ricerca, rispetto all'interesse e all'importanza che riveste, è ancora praticamente inesplorata a livello mondiale e ai suoi inizi, in Italia.
Riferimenti citati
1. L.A. Ponomarenko et al. Science 2008, 320, 356
2. P. Tian et al, Graphene quantum dots from chemistry to applications Mater. Today Chem., 10, 221, 2018
3. F. Chen et al, Graphene quantum dots in biomedical applications: Recent advances and
future challenges, Frontiers in Laboratory Medicine 1 (2017) 192¿199
4. M. Masteri-Farahani et al, Functionalization of graphene quantum dots with antimorphine, Mater. Lett. 241, 206, 2019
5. X. Hai et al, Folic acid encapsulated graphene quantum dots for ratiometric pH sensing and specific multicolor imaging in living cells, Sensors Actuators, B 268, 61, 2018
6. D. Kim et al., Graphene quantum dots prevent a-synucleinopathy in Parkinson's disease, Nat. Nanotechnol., 13, 812, 2018
7. J. Qiu et al., Fluorescent graphene quantum dots as traceable, pH-sensitive drug delivery systems, Int. J. Nanomedicine, 10, 6709, 2015
8. H. Ding et al., Beyond a Carrier: Graphene Quantum Dots as a Probe for Programmatically Monitoring Anti-Cancer Drug Delivery, Release, and Response, ACS Applied Materials and Interfaces, 9, 27396, 2017
9. C. L. Huang et al., Application of paramagnetic graphene quantum dots as a platform for simultaneous dual-modality bioimaging and tumor-targeted drug delivery, J. Mater. Chem. B 3, 651, 2015
10. Y. Chong et al., The in vitro and in vivo toxicity of graphene quantum dots Biomaterials 35, 5041, 2014
11. H. Yoon et al, Intrinsic Photoluminescence Emission from Subdomained Graphene Quantum Dots, Adv. Mater. 28, 5255, 2016
12. G.Perini et al, Unravelling the Potential of Graphene Quantum Dots in Biomedicine and Neuroscience, Int. J. Mol. Sci, 21, 3712 (2020)