Nanoparticelle al Cerio: I Nuovi Supereroi in Provetta Contro i Batteri!

Amici scienziati e curiosi di nanotecnologie, preparatevi per un viaggio affascinante nel mondo dei materiali super piccoli ma dalle potenzialità enormi! Oggi vi racconto di una ricerca che mi ha particolarmente entusiasmato e che riguarda la sintesi e le proprietà antibatteriche di nanoparticelle di ferricromito di zinco drogate con il cerio. Sembra un nome complicato, vero? Ma fidatevi, la sostanza è davvero interessante.

Gli ossidi metallici misti, come quelli che abbiamo studiato, sono materiali che stanno attirando un sacco di attenzione nel mondo scientifico. Pensate, hanno qualità incredibili: sono ferroelettrici, mostrano comportamenti elettro-ottici particolari, sono catalizzatori efficienti e trovano impiego in un sacco di reazioni chimiche, dall’ossidazione alla deidratazione, passando per la fotocatalisi e le reazioni elettrochimiche. Insomma, dei veri e propri tuttofare della chimica!

Ma cosa sono esattamente questi ossidi metallici misti?

In parole povere, li creiamo combinando chimicamente o fisicamente due o più ossidi metallici. Il bello è che il risultato finale possiede un set di proprietà fisico-chimiche completamente nuovo, diverso da quello dei singoli ossidi di partenza. È un po’ come mescolare i colori: dal blu e dal giallo otteniamo il verde, con caratteristiche uniche! Questi materiali possono presentarsi in varie forme e dimensioni, il che li rende versatili per applicazioni ottiche, elettriche e, come vedremo, biologiche.

Una delle sfide più grandi è capire quale sia la “giusta” combinazione di elementi per ottenere le proprietà desiderate. Esistono tanti metodi per prepararli: via microonde, con il metodo del gel citrato, meccanico-chimico, co-precipitazione, idrotermale, solvotermale… ma noi abbiamo scelto il metodo sol-gel. Perché? Semplice! È un metodo relativamente facile, veloce ed economico. Inoltre, permette di ottenere prodotti omogenei lavorando a basse temperature. E non è finita qui: con il sol-gel possiamo creare questi ossidi in diverse forme morfologiche, come film sottili, monoliti, nanobastoncini, nanofili, nanofogli, nanocubi… c’è solo l’imbarazzo della scelta!

Perché il drogaggio con il Cerio e l’interesse per le proprietà antibatteriche?

Le nanoparticelle di ossido di ferro drogate con vari ioni metallici sono particolarmente promettenti in campo biologico perché hanno applicazioni eco-compatibili. La cosa fantastica è che possono uccidere le specie batteriche senza danneggiare le cellule sane dell’ospite. Pensate, ad esempio, a nanocompositi come Ce2O3-TiO2 testati contro batteri patogeni alimentari, o CdO-CuO-ZnO efficaci contro Staphylococcus aureus e Salmonella typhi.

Nel nostro studio, ci siamo concentrati sui ferricromiti di zinco drogati con cerio, con la formula generale ZnFeCr_1-xCe_xO₄ (dove x varia da 0.0 a 1.0). Rispetto agli ossidi metallici tradizionali come ZnO, Fe₃O₄ e TiO₂, queste nanoparticelle drogate con cerio mostrano proprietà antibatteriche potenziate. Questo grazie alla possibilità di modulare la dimensione dei cristalliti, controllare la carica superficiale e aumentare l’area superficiale attiva. Il sistema di ossidi metallici misti che abbiamo sintetizzato offre un effetto sinergico, integrando più ioni metallici e potenziando così la generazione di specie reattive dell’ossigeno (ROS), che sono letali per i batteri. Ecco perché questi materiali sono uno strumento emergente nel campo biomedico, e il nostro lavoro si è focalizzato proprio su questa loro attività antibatterica.

La sintesi Sol-Gel: un po’ di “cucina” da laboratorio

Il processo sol-gel prevede la solvolisi di precursori organici e inorganici, seguita dalla loro condensazione e invecchiamento. Per preparare i nostri campioni, abbiamo preso nitrato di zinco, nitrato ferrico, nitrato di cromo e nitrato di cerio in proporzioni stechiometriche precise, insieme all’acido citrico. L’acido citrico qui gioca un doppio ruolo: è un agente chelante per gli ioni metallici e funge da “carburante” organico durante la calcinazione.

Abbiamo sciolto separatamente tutti i reagenti in acqua deionizzata, li abbiamo mescolati e abbiamo aggiunto ammoniaca per regolare il pH intorno a 8. Poi, abbiamo trasferito la soluzione in un recipiente e l’abbiamo scaldata a 110 °C mescolando costantemente. Dopo un po’, la soluzione si è trasformata in un gel. Continuando a scaldare, il gel è diventato una sorta di cenere soffice e asciutta, e alla fine abbiamo ottenuto una polvere marrone omogenea. Questi precursori citrati essiccati sono stati poi calcinati in una muffola a 625 °C per 6 ore. Questa temperatura è stata determinata grazie all’analisi termogravimetrica (TGA-DTA), che ci ha mostrato come il precursore si decompone e quando si forma l’ossido finale.

L’analisi TGA-DTA, eseguita su un campione (x=0.50), ha rivelato diverse fasi: una piccola perdita di peso sotto i 100°C dovuta all’acqua residua, un picco esotermico intorno ai 270°C attribuibile alla fuga di vapore acqueo, NOx e CO2, e un importante picco esotermico a circa 550°C che indica la decomposizione del gel nitrato-citrato e la successiva formazione dell’ossido. Abbiamo visto che la decomposizione completa avviene sotto i 600°C.

Caratterizzazione: scopriamo i segreti delle nostre nanoparticelle

Una volta sintetizzate le polveri, è iniziato il bello: la caratterizzazione! Dovevamo capire cosa avevamo creato. Abbiamo usato un arsenale di tecniche analitiche:

• Diffrazione dei Raggi X (XRD): Questa tecnica ci ha permesso di confermare la struttura cristallina delle nostre nanoparticelle. I pattern XRD hanno mostrato linee nette, tipiche di un sistema cubico a spinello policristallino. Abbiamo visto che gli ioni cerio si sono effettivamente incorporati nella struttura. È interessante notare che la dimensione dei cristalliti aumenta con l’aumentare della concentrazione di cerio. Un piccolo picco a 2θ = 28.5° in tutti i campioni è dovuto proprio alla presenza del cerio nel reticolo del ZnO. L’intensità crescente di questo picco con l’aumento della concentrazione di cerio ne conferma la maggiore presenza. I picchi intensi e allargati indicano un’alta cristallinità delle particelle, e che sono effettivamente nanometriche. Abbiamo anche osservato che il parametro di reticolo ‘a’ diminuisce con l’aumentare del contenuto di cerio, mentre la deformazione del reticolo (lattice strain) aumenta. Questo può essere dovuto al fatto che l’inserimento di particelle di cerio più grandi crea una discrepanza nel reticolo, portando a distorsioni.
• Spettroscopia Infrarossa a Trasformata di Fourier (FT-IR): L’FT-IR ci ha dato informazioni sui legami chimici presenti. Abbiamo osservato un picco largo vicino a 3370 cm^-1 dovuto alle vibrazioni di stiramento e piegamento dei gruppi O-H (acqua adsorbita sulla superficie). Un picco intenso a 537 cm^-1 nel campione con più cerio corrisponde alle vibrazioni di stiramento Ce-O. Bande a 881 cm^-1 sono state attribuite alle vibrazioni Cr-O, la cui intensità diminuiva con l’aumentare del cerio, mentre quella del Ce-O aumentava. Questo conferma l’incorporazione del cerio. Picchi intorno a 559 cm^-1 e 450 cm^-1 corrispondono rispettivamente alle frequenze di stiramento Fe-O e Zn-O.
• Microscopia Elettronica a Scansione (SEM): Con il SEM abbiamo potuto “vedere” la morfologia e la dimensione delle particelle. Le immagini hanno confermato che le particelle sono nel range nanometrico e che la dimensione dei grani tende ad aumentare con l’aumentare del drogaggio di cerio. Questo è probabilmente dovuto alla sostituzione degli ioni Zn²⁺, più piccoli, con gli ioni Ce²⁺ (o Ce³⁺/Ce⁴⁺ a seconda dello stato di ossidazione), più grandi, e all’effetto della calcinazione ad alta temperatura che favorisce la crescita dei cristalliti.
• Spettroscopia Raman: Questa tecnica studia le vibrazioni molecolari. Un picco intenso tra 585-610 cm^-1 è presente in tutte le serie, con un aumento costante dell’intensità relativa dal campione 1 al campione 5, attribuibile all’incorporazione del cerio. Un restringimento e uno spostamento verso il blu (blue shift) di questa banda indicano un aumento della dimensione delle particelle di ceria con l’aumento della concentrazione di cerio. Un’altra banda tra 800-900 cm^-1 mostra uno spostamento verso frequenze più basse, corrispondente a una diminuzione del contenuto di cromo.
• Spettroscopia Mössbauer: Questa tecnica, specifica per il ferro, ci ha dato informazioni sul suo stato di ossidazione e sull’ambiente magnetico. I risultati hanno confermato la presenza di ioni Fe³⁺. Lo spettro mostra un doppietto di quadrupolo, che indica un comportamento paramagnetico o superparamagnetico, tipico delle nanoparticelle che si rilassano più velocemente del tempo di misurazione della spettroscopia Mössbauer. L’interazione iperfine aumenta con l’aumentare del contenuto di cerio.
• Analisi dell’area superficiale BET (Brunauer–Emmett–Teller): Questa analisi, basata sull’adsorbimento-desorbimento di azoto, ci ha detto che i materiali sono mesoporosi. L’area superficiale diminuisce con l’aumentare del contenuto di cerio, il che è coerente con l’aumento della dimensione delle particelle osservato al SEM. Anche il volume dei pori diminuisce.
• Determinazione del Potenziale Zeta: Il potenziale zeta ci dà un’idea della carica superficiale delle nanoparticelle in soluzione e della loro stabilità. Tutti i campioni hanno mostrato un potenziale zeta di circa -30 mV, indicando uno stato di carica negativa e una buona stabilità delle nanoparticelle in soluzione. Questa carica negativa è importante per l’interazione con le membrane batteriche, anch’esse cariche negativamente, potendo causare repulsione elettrostatica e disturbare l’integrità batterica.

E l’attività antibatterica? I risultati sono promettenti!

Finalmente, siamo arrivati al dunque: l’attività antibatterica! Abbiamo testato i nostri nanomateriali contro diversi batteri, usando il metodo della diffusione su piastra agar. In pratica, si creano dei “pozzetti” nell’agar precedentemente inoculato con i batteri, si inseriscono le soluzioni delle nostre nanoparticelle e si osserva se e quanto la crescita batterica viene inibita attorno al pozzetto. Abbiamo usato la Streptomicina come controllo positivo (un antibiotico noto).

I risultati sono stati davvero incoraggianti! In particolare, il campione ZnFeCr_0.25Ce_0.75O₄ (denominato C4 nello studio originale, corrispondente a x=0.75) ha mostrato un’eccellente attività battericida contro Staphylococcus aureus (un batterio Gram-positivo) ed Escherichia coli (un batterio Gram-negativo). Per darvi un’idea, le zone di inibizione erano di 20 mm per S. aureus e ben 26 mm per E. coli dopo 24 ore di incubazione. Questi risultati suggeriscono che queste nanoparticelle potrebbero essere utilizzate in dispositivi medici contro le infezioni batteriche.

L’attività antibatterica può essere correlata alle caratteristiche strutturali. L’aumento della dimensione dei cristalliti con il drogaggio di cerio, come confermato dall’XRD, potrebbe migliorare la penetrazione della membrana batterica. La morfologia uniforme osservata al SEM suggerisce un’interazione efficiente con le cellule batteriche. Inoltre, la carica superficiale negativa, come indicato dal potenziale zeta, può portare a forze repulsive con la membrana batterica, disturbandone la funzione. L’aumento del rapporto superficie/volume dovuto alla nanoscala delle particelle migliora ulteriormente l’inibizione batterica.

Conclusioni: un piccolo passo per le nanoparticelle, un grande potenziale per la biomedicina

In sintesi, siamo riusciti a sintetizzare nanoparticelle di ferricromito di zinco drogate con cerio usando il metodo sol-gel, ottenendo un sistema cubico a spinello policristallino. Le varie tecniche di caratterizzazione ci hanno svelato i segreti della loro struttura, morfologia e proprietà superficiali. E, cosa più importante, abbiamo dimostrato la loro notevole attività antibatterica, soprattutto per la composizione con x=0.75 di cerio.

Questi risultati aprono la strada a future applicazioni biomediche, come rivestimenti antimicrobici per dispositivi medici o persino come agenti in sistemi di drug delivery. Certo, la strada è ancora lunga e servono ulteriori studi, ma il potenziale di questi nanomateriali è davvero affascinante. Chissà quali altre sorprese ci riserverà il mondo infinitamente piccolo delle nanotecnologie!

Fonte: Springer