Substraturi si nanoparticule de aur cu activitate biologica obtinute prin grefare cu polihidrazide – BIOGOLDSURF


Project Director: Dr. Crisan Daniel

Acronim: BIOGOLDSURF

Cod proiect: PN-III-P1-1.1-PD-2019-0100

Numar contract: PD53 din 2020

Director de proiect: Dr. Daniel Nicolae Crisan

Finantat de: Unitatea Executiva pentru Finantarea Invatamantului Superior, a Cercetarii, Dezvoltarii si Inovarii, UEFISCDI

Contractat de: Institutul National de Cercetare-Dezvoltare pentru Fizica Materialelor (INCDFM)

Status: In desfasurare

Data inceperii: 1 septembrie 2020

Data finalizarii: 31 august 2022

Rezumatul proiectului:

Proiectul are ca scop dezvoltarea unei platforme pentru obtinerea suprafetelor de aur grefate cu polimeri functionali. Pentru a indeplini acest obiectiv, propunem grefarea suprafetelor de aur cu polimeri schela, de tip polihidrazide, si exploatarea functionalizarii chimice post-polimerizare pentru a imprima suprafetelor activitate biologica. Principala provocoare este reprezentata de caracterizarea amanuntita a suprafetelor si interfetelor pentru a intelege si a demonstra functionalizarea polimerilor grefati.
Dezvoltarile tehnologice recente in domeniul metodelor de caracterizare a suprafetelor poate reprezenta fundatia pentru o generatie noua de materiale cu aplicatii biologice. Materialele avansate biotehnologice pot fi obtinute prin grefarea de polimeri pe diferite tipuri de substraturi pentru a modifica interfata intre suprafata si mediul exterior. Proprietatiile de la interfata, precum aderenta, caracterul hidrofilic, reactivitatea chimica sau biocompatibilitatea pot fi ajustate prin modelarea planificata a straturilor polimerice grefate. Suprafetele pot fi modificate pentru a imbunatati sau a diminua interactiunea cu celule sau biomolecule si inclusiv pentru a reda proprietati bactericide sau bacteriostatice. In cazul nanoparticulelor de aur, prin grefarea polimerilor se poate controla marimea particulelor, se poate preveni agregarea si se pot controla proprietatile optice.
Referitor la suprafetele active biologice pentru accelerarea procesului de cercetare si dezolvatare, sinteza substraturilor si nanoparticulelor de aur grefate cu polimeri poate fi un mare consumator de timp, resurse materiale, economice si sintentic problematic din pricina numarului mare de polimeri functionali necesari pentru o investigare amanuntita. Pentru a diminua impactul acestor etape, propunem ultilizarea procesului de functionalizare post-polimerizare a polimerilor grefati pentru a accelera procesul de sinteza si dezvoltare a materialelor cu proprietati biologice optimizabile.

Project Summary:

This project aims to develop a platform for obtaining gold surfaces grafted with functional polymers. To achieve this goal, it is proposed to graft gold surfaces with polyhydrazide scaffolds and exploit their post-polymerization modification chemistry to impart surfaces biological activity for high-throughput screening. The main challenge the project proposes to address is the thorough characterisation of surfaces and interfaces in order to understand and prove the functionalisation of grafted polymers.
The recent technological advances in the methods for surface characterisations are expected to be a cornerstone for materials with biological applications. Biotechnologically advanced materials can be obtained by grafting polymers onto various substrates in order to modify the interface between the surface and its external environment. Properties at the interfaces (i.e. substrate strips or nanoparticles), such as adhesion, wettability, chemical reactivity and biocompatibility can be tuned through rational designs of grafted polymer layers. Substrates can be imparted with protection against corrosive and radiant energy damage, variable hydrophobicity, enhanced or diminished interaction with cells or biomolecules, and even instilled with bactericidal or bacteriostatic properties. In the case of nanoparticles, grafted polymers can also be used to control the size of the particles, prevent aggregation, and provide and control the optical properties.
In the context of biologically active surfaces for high-throughput screening, the synthesis of libraries of gold substrates and NPs with grafted polymers can be time consuming, expensive, and synthetically challenging due to the large number of functional polymers that need to be synthesized, characterised and grafted. To address this issue, this project proposes to employ post-polymerization modification of grafted polymers to facilitate the discovery and development process for materials with tuneable biological properties.

Obiective

  1. Sinteza monomerilor de tip tert-butil acriloilhidrazinacarboxilata si a tert-butil 2-4(etinilbenzoil)hidrazina-1-carboxilata si polimerizarea lor prin polimerizare de tip RAFT sau prin polimerizare catalizata de metale, fie in solutie, sau direct pe suprafete modificate cu aur.
  2. Prepararea de substraturi de aur si nanoparticule de aur grefate cu polimeri de tip polihidrazide prin metoda grefarii de la suprafata, pe suprafata, si grefarea in-situ.
  3. Pentru a demonstra principiul folosirii acestor suprafete de aur grefate cu polihidrazide in domeniul biologic, se va utiliza modificarea post-polimerizare a hidrazidelor pentru a functionaliza suprafetele in vederea immobilizarii biomoleculelor sau a gruparilor chimice ce pot interactiona cu acestea.

Project Objectives

  1. To synthesize tert-butyl 2-acryloylhydrazinecarboxylate and tert-butyl 2-(4-ethynylbenzoyl)hydrazine-1-carboxylate and polymerize these monomers via RAFT polymerization and metal catalyzed polymerization respectively.
  2. To use different grafting strategies to make polymers-grafted Au surfaces on gold substrates and gold nanoparticles.
  3. To use post-polymerization functionalization on grafted polymers to obtain gold surfaces with biological applications.

PLAN DE REALIZARE

Obiectivul 1: Sinteza monomerilor si a polimerilor

Act. 1.1: Sinteza monomeri - Sinteza si caracterizarea a tert-butil 2-acriloilhidrazinacarboxilat si a tert-butil 2-(4-etinilbenzoil)hidrazina-1-carboxilat.
Act. 1.2: Polimerizarea monomerilor - Polimerizarea RAFT a tert-butil 2-acriloilhidrazinacarboxilat si polimerizarea catalizata de metal a 2-(4-etinilbenzoil)hidrazina-1-carboxilat.

Obiectivul 2: Preparea de substraturi si nanoparticle de aur grefate cu polihidrazide

Act. 2.1: Prepararea substraturilor si a nanoparticulelor - Substraturi de aur vor fi preparate prin evaporare termica, pulverizare catodica asistata de magnetron (sputtering) sau depunere chimica. Nanoparticule de aur vor fi preparate prin reducerea chimica a acidului cloroauric.
Act. 2.2: Ancorarea initiatorilor si agentilor de transfer pe sufrafata - Functionalizarea substraturilor cu tioli functionali urmata de functionalizarea cu agenti de transfer sau initiatori de polimerizare.
Act. 2.3: Grefarea "in-situ" a nanoparticulelor de aur - Formarea de nanoparticule de aur grefate prin metoda "in-situ" cu poli(acriloil hidrazida).
Act. 2.4: Prepararea suprafetelor prin grefarea la suprafata - Polimerii pregatiti anteriori vor fi grefati covalent la suprafatele aurite.
Act. 2.5: Preparare a suprafetelor grefate prin metoda grefarii de la suprafata - Substraturile pregatite si modificate anterior vor fi imersate in solutiile reactiilor de polimerizare.

Obiectivul 3: Functionalizarea suprafetelor prin modificarea post-polimerizare a hidrazidelor

Act. 3.1: Functionalizarea cu derivati ai acidului fenil boronic - Suprafete grefate vor fi functionalizate cu derivati ai acidului fenil boronic, grupare ce se poata lega de grupari de tip carbohidrat precum cele in peretii celulelor de drojdie.
Act. 3.2: Retea de tip polilisina pentru analiza celulara - Supfrafetele vor fi functionalizate cu polilisina sau alte molecule incarcate pozitiv in vederea immobilizarii celulelor de drojdie.
Act. 3.3: Polimeri amfifilici pentru conjugarea cu oligonucleotide - Nanoparticule de aur grefate vor fi modificate cu grupari guanidiniu si aldehyde hydrofobe in vederea conjugarii cu oligonucleotide.

Director Proiect: Dr. Daniel Nicolae Crisan (U-1900-062H-0148)
https://www.brainmap.ro/daniel-nicolae-crisan

Mentor Proiect: Prof. Ileana Cornelia Farcasanu (U-1700-033C-8247)
https://www.brainmap.ro/ileana-cornelia-farcasanu

Between 29th August - 3rd September 2021, preliminary results were presented at the 72nd Annual Meeting of the International Society of Electrochemistry -Jeju, South Korea in a poster presentation titled "Hydrazide-based Materials for Carbonyl Detection in Oxidized Proeteins".

SEM Image of MUA-AuNP, gold nanoparticles functionalized with 11-mercaptoundecanoic acid:  MUA-AuNP

Contact

Dr. Daniel Nicolae Crisan
Cercetator Stiintific Gradul IIII
E-mail: daniel.crisan@infim.ro

Departament: Laboratory of Multifunctional Materials and Structures


PROJECTS/ PROIECTE NATIONALE


Back to top

Copyright © 2022 National Institute of Materials Physics. All Rights Reserved