Grandi speranze per i nanomateriali

A giudicare dalle relazioni della Conferenza internazionale sui materiali nanostrutturati (tenutasi a Roma dal 13 al 17 settembre), le nanotecnologie sono davvero sul punto di portare numerose applicazioni pratiche in campi decisivi come la medicina e l'ambiente.

Le ricadute in campo diagostico e terapeutico, in particolare, sono state illustrate da molti relatori del convegno. Fernando Palacio, dell’Istituto di Scienza dei Materiali dell’Università di Saragozza, ha spiegato l’utilizzo di nanoparticelle magnetiche rivestite da un polimero come entità multifunzionali nelle applicazioni in medicina, o meglio la capacità di svolgere contemporaneamente un’azione diagnostica e terapeutica: la così detta “teranostica”. Un  rivestimento polimerico consente infatti di ancorare alla particella medicinali che possono essere rilasciati nel tempo, o molecole luminescenti, che consentono l’individuazione della posizione delle particelle magnetiche, o ancora entità biologiche e anticorpi in grado di riconoscere le cellule tumorali e di attaccarsi selettivamente ad esse, molecole in grado di monitorare la variazione di temperatura, agendo così da termometri locali.

Nel settore della  diagnostica le particelle magnetiche possono essere utilizzate come agenti di contrasto nella risonanza magnetica nucleare ad immagine, proprio per esaltarne il segnale, aumentando la sensibilità della tecnica  e consentendo una rivelazione del tumore nella sua fase iniziale. Grazie  alla risoluzione delle immagini su scala cellulare, la risonanza magnetica nucleare può essere usata nella prevenzione oncologica per individuare il tumore al momento iniziale, quando questo si è sviluppato solo a livello di poche cellule, al momento impossibile con le attuali tecniche diagnostiche. Gli esperimenti sulla risonanza magnetica nucleare vengono realizzati anche grazie alla collaborazione con Alessandro Lascialfari dell’Università di Pavia.

Per quanto riguarda, invece, l’ambito terapeutico, le particelle magnetiche vengono utilizzate per la ipertermia magnetica, alla base della quale c’è il riscaldamento delle cellule tumorali mediante l’applicazione di un debole campo magnetico alternato di opportuna frequenza. Essendo le cellule tumorali molto più sensibili al calore di quelle sane, vengono distrutte non appena si raggiunge una temperatura locale tra i 42 e i 47 °C. Le ricerche del  gruppo di Saragozza hanno portato a controllare il calore trasferito alle cellule tumorali e a misurare la temperatura al loro interno.

Samuel Bader, del Centro sui Materiali Nanostrutturati del Laboratorio Nazionale di Argonne, ha presentato una relazione sulle applicazioni della Spintronica (o elettronica di spin) nei settori dell’energia, tecnologia delle informazioni e medicina. Un limite fondamentale alla crescente e inarrestabile miniaturizzazione dei dispositivi elettronici (telefoni cellulari, laptop, memorie magnetiche, videocamere…) è rappresentato proprio dal calore che questi emettono e dall’energia che consumano. Una soluzione a tale problema potrebbe essere fornita dalle  proprietà quantomeccaniche dello spin elettronico in nuovi materiali nanostrutturati alternativi al silicio, che consentiranno in futuro di trasmettere le informazioni in assenza di flusso di corrente elettrica e quindi senza dissipazione di energia.

Di interesse anche l’applicazione di un debole campo magnetico alternato per pochi minuti, senza produrre riscaldamento, nei tumori del cervello, sui quali è più difficile intervenire chirurgicamente. Un trattamento in grado di produrre la distruzione delle membrane delle cellule tumorali danneggiando anche il nucleo. In esperimenti realizzati su animali vengono utilizzati pacchetti di particelle magnetiche rivestite d’oro dello spessore di poche decine di nanometri e con diametro di un micron. 

Maurizio Prato, del Centro di Eccellenza per le Nanotecnologie dell’Università di Trieste, ha parlato delle nuove applicazioni dei nanotubi (minuscoli tubi di forma cilindrica) di Carbonio in medicina e nella scienza dei materiali. L’attività nel settore della medicina intende sviluppare soluzioni innovative per la terapia futura di lesioni o malattie neurodegenerative utilizzando nanotubi di carbonio.  Attraverso tecniche di avanguardia, messe a punto insieme a Laura Ballarini, si riesce ad integrare i nanotubi con i neuroni in vitro e a stimolare la connessione neuronale. In pratica, si cerca di comprendere il funzionamento di strutture ibride a base di neuroni/nanotubi di carbonio rilevanti per lo sviluppo di nuovi strumenti impiantabili per controllare la generazione di segnali neuronali e per potenziare la formazione di sinapsi in maniera controllata. Il progetto si snoda lungo tematiche di ricerca di base, ma alcuni aspetti potrebbero avere future applicazioni in campo biomedico, come la possibilità di sviluppare ponti di nanotubi di carbonio che possano favorire/controllare la plasticità neuronale nelle fasi che seguono a un danno neuronale.

Una nuovissima applicazione dei nanotubi di carbonio è nel settore dell’energia come supporto sulla cui superficie ancorare un catalizzatore multimetallico per la scissione dell’acqua per la generazione di idrogeno. Il catalizzatore nanostrutturato sulla superficie dell’elettrodo è in grado di lavorare per molti cicli successivi senza apparente calo di attività. La scissione dell’acqua richiede normalmente temperature elevatissime, almeno 2500 °C. La scoperta di catalizzatori metallici per lo “splitting” dell’acqua e la produzione di idrogeno a bassa temperatura e alta produttività è la chiave di volta per la conversione del nostro mondo a vettori energetici rinnovabili e puliti, in alternativa ai combustibili fossili. La ricerca è svolta da Maurizio Prato in collaborazione con la sezione dell’Istituto di Tecnologie dei Materiali,  il Dipartimento di Scienze Chimiche dell’Università di Padova (Dr.ssa Marcella Bonchio) e con il Dipartimento di Scienze Farmaceutiche dell’Università di Trieste.

Giorgio Margaritondo, della Scuola Politecnico Federale di Losanna, ha illustrato come la radiologia si sposa alla nanotecnologia per la ricerca sul cancro al livello cellulare.

Quando si parla di radiologia ci si riferisce normalmente alle applicazioni medico-diagnostiche sulla scala degli organi umani. Le nuove sorgenti di raggi x basate sulla "luce di sincrotrone" (fra cui quelle di Frascati e Trieste) hanno recentemente consentito di radiografare oggetti molto piu' piccoli, come l'interno delle singole cellule. Queste tecniche permettono di osservare direttamente e in tempo reale l'interazione fra le nanoparticelle e le cellule, rivelando nuovi fenomeni di potenziale importanza per la diagnosi e la terapia del cancro. Una collaborazione di ricercatori italiani, svizzeri, americani coreani e di Taiwan sotto la guida di Yeukuang Hwu, Jung Ho Je e Giorgio Margaritondo, ha recentemente dimostrato che l'oro, elemento proverbialmente passivo per i sistemi biologici come il corpo umano, diviene invece fortemente attivo sotto la forma di nanoparticelle. E sono stati scoperti fenomeni di penetrazione selettiva e accumulazione in cellule cancerogene. Questo accumulo non solo facilita la rivelazione radiografica delle stesse cellule ma  può essere usato anche per attivare farmaci antitumorali e spesso causa direttamente la morte delle cellule cancerogene. Gli esperimenti hanno anche prodotto una scoperta collaterale di fondamentale importanza per la nanotecnologia: il bombardamento di nanoparticelle metalliche in soluzione colloidale produce ad una stabilità e densità senza precedenti, facilitando in prospettiva la produzione industriale di massa e a basso costo di nanoparticelle per usi medici e di ricerca.

Chimici, biologi, medici, ingegneri e scienziati provenienti da tutto il mondo e dalle più prestigiose istituzioni di ricerca internazionali e dal settore industriale si sono dati appuntamento dal 13 al 17 settembre a Roma per partecipare alla Conferenza Internazionale sui Materiali Nanostrutturati, giunta oramai alla decima edizione, presso l’Università La Sapienza di Roma e il Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR).
Per la prima volta in Italia, la Conferenza sviluppa diversi aspetti sia della nanoscienza sia della nanotecnologia: dalle applicazioni nel settore della medicina e delle biotecnologie, all’energia, all’ambiente, alla fotonica, alla tecnologia delle informazioni, alla sensoristica, fino alla dispositivistica magneto-elettronica.
Un foro di discussione interdisciplinare con ampio spazio dedicato non solo alla presentazione dei risultati più recenti ed interessanti ottenuti nei diversi settori, ma anche allo sviluppo di nuovi materiali, al controllo delle loro proprietà chimiche e fisiche e alla comprensione di nuovi fenomeni fisici.
La Conferenza, organizzata dall’Istituto di struttura della materia (Ism) del Cnr, ha visto tra i chairmen  Dino Fiorani ed Elisabetta Agostinelli, rispettivamente direttore e primo ricercatore  dell’Ism ed Enrico Traversa, docente  dell’Università di Tor Vergata. Dieci eminenti scienziati, selezionati dal Comitato Internazionale di Programma, hanno tenuto relazioni su temi di maggiore attualità scientifica e più promettenti per le applicazioni tecnologiche. Molto interesse hanno riscosso gli interventi sulle applicazioni dei nanomateriali nel settore della nanomedicina, che richiede il lavoro di team di ricerca multidisciplinari, all’interno dei quali si integrano le competenze di fisici, chimici, biologici, medici ed ingegneri.