ETD

• ATRP
• auto-assemblamento in soluzione
• emina
• micelle unimere
• opolimeri anfifilici
• polimeri termoresponsivi

In questo lavoro di tesi sono stati progettati, sintetizzati e caratterizzati copolimeri anfifilici basati su poli(etilenglicol) metil etere metacrilato (PEGMA) e monomeri idrofobi fluorurati (perfluoroesiletil acrilato, FA) o non fluorurati (n-ottil acrilato, OA), con l’obiettivo di sviluppare piattaforme polimeriche, in grado di stabilizzare l’emina e l’analoga protoporfirina IX in soluzione acquosa, da utilizzare come nanocatalizzatori biomimetici in reazioni di polimerizzazione radicalica controllata ARGET-ATRP condotte in mezzo acquoso. I copolimeri sono stati sintetizzati mediante polimerizzazione controllata RAFT variando il grado di polimerizzazione medio numerale (DPn), in modo da ottenere tre diverse classi di copolimeri ad alto (A) (DPn = 82–111), medio (M) (DPn = 50–62) e basso (B) (DPn = 25–42) grado di polimerizzazione. Per ogni classe, il rapporto molare tra il monomero idrofilo ed idrofobo (PEGMA/FA(OA)) è stato mantenuto costante e pari a ∼ 70/30. Copolimeri PEGMA-co-FA e PEGMA-co-OA tal quali sono stati utilizzati per incapsulare emina e PPIX, evidenziando come l’elevata idrofobia/lipofobia delle catene FA favorisce una segregazione e stabilizzazione di emina e PPIX anche in soluzioni acquose ad elevata acidità (pH = 3). Inoltre, sono stati preparati copolimeri funzionalizzati covalentemente con emina e PPIX, sfruttando il meccanismo della polimerizzazione RAFT.
Le proprietà di auto-assemblamento e la risposta termoresponsiva dei copolimeri e delle formulazioni sono state studiate mediante turbidimetria e diffusione dinamica della luce (DLS). Tutti i sistemi mostrano termoresponsività di tipo LCST, con temperature di cloud point comprese fra 43 e 63 °C e dipendenti da DPn, natura dei comonomeri idrofobi e funzionalizzazione covalente o non-covalente dei sistemi contenenti emina e protoporfirina. In soluzione acquosa, i copolimeri non funzionalizzati formano micelle unimere ben definite con diametri di 7–10 nm. L’introduzione di emina mediante incapsulamento è possibile nelle micelle unimere dei copolimeri ad alto peso molecolare a pH ≥ 7, mentre comporta un aumento del diametro idrodinamico (20–40 nm) a pH = 3. Nei copolimeri a DPn inferiori, l’incapsulamento porta alla formazione di aggregati sub-micrometrici (300–1000 nm).
Il legame covalente con emina e protoporfirina promuove la formazione di grandi aggregati di dimensioni sub-micrometriche (300–900 nm) che rendono la soluzione meno stabile nel tempo, con formazione di un corpo di fondo dopo 8 ore dalla preparazione.
I copolimeri (A) PEGMA75-co-FA24-b-PPIX1 e la corrispondente formulazione (A) PEGMA71-co-FA29/PPIX sono stati analizzati mediante tecniche di fluorescenza. In particolare, l’anisotropia di fluorescenza ha dimostrato che l’ancoraggio covalente della PPIX al copolimero limita la mobilità del fluoroforo, a cui è associata un’anisotropia di circa 0,05–0,06. Nel caso della formulazione (A) PEGMA71-co-FA29/PPIX, dove l’emina è incapsulata fisicamente, è stata misurata un’anisotropia equivalente, testimoniando l’interazione forte della PPIX con il copolimero, paragonabile a quella del copolimero funzionalizzato covalentemente.
La funzionalizzazione covalente con emina consente di mantenere il centro Fe(III)/Fe(II) elettrochimicamente attivo in soluzione acquosa, come confermato dalle misure di voltammetria ciclica. La coppia redox risulta più accessibile nel caso del copolimero (A) PEGMA78-co-FA21-b-Hem1, il quale in presenza di iniziatore HEBiB dimostra una migliore capacità di attivare la reazione radicalica. In accordo con la caratterizzazione elettrochimica, prove di polimerizzazione ARGET-ATRP del PEGMA500 hanno evidenziato come il copolimero ad alto peso molecolare è l’unico in grado di avviare e sostenere la polimerizzazione fino a elevate conversioni. Infatti, con [Fe] = 2 mM, pH = 2,5 e 30 °C si ottengono conversioni dell’86% in 4 ore, con Mn, GPC di 142 kDa e Ð = 2.9. Al contrario, utilizzando come catalizzatori i copolimeri a medio e basso DPn non si raggiungono conversioni significative (<5%), confermando l’importanza critica della solubilità, dell’auto-assemblamento e dell’accessibilità del centro metallico nel determinare l’attività catalitica.
Nel complesso, i risultati ottenuti dimostrano la fattibilità della progettazione di nanocatalizzatori polimerici anfifilici in grado di incorporare, stabilizzare e utilizzare emina in ambiente acquoso, mimando in parte il comportamento di sistemi metallo-proteici come l’emoglobina. I copolimeri fluorurati ad alto peso molecolare risultano i più efficaci dal punto di vista catalitico e della stabilità verso pH bassi, mentre i copolimeri alchilici rappresentano un’alternativa più sostenibile, con prestazioni promettenti a pH neutro. L’insieme delle evidenze raccolte pone le basi per sviluppi futuri nell’ambito della catalisi biomimetica, basata su micelle unimere di copolimeri anfifilici casuali, cataliticamente attivi per la polimerizzazione ARGET-ATRP in mezzi acquosi.