Screening on the functionalization of carbon nanostructures and their compatibilization in polymer-based composite materials

Composites of carbon nanostructures (CNSs) and biocompatible polymers are promising materials for a series of advanced technological applications, ranging from biomedicine and bioelectronics to smart packaging and soft robotics. In this thesis, we present three types of organic functionalized CNSs, namely 4-methoxyphenyl functionalized multi-walled carbon nanotubes, carbon nanohorns and reduced graphene oxide, used as nanofillers for the preparation of homogeneous and well-dispersed composites of poly(l-lactic acid), a biocompatible and biodegradable FDA approved polymer. A thorough characterization of the composites is given in terms of calorimetric response, electrical and mechanical properties. Significant differences are observed among the different types of CNS nanofillers, underlying the key role played by the nanoscale shape, and distribution of the components in driving the macroscopic behavior of the composite material. Surface properties are probed through advanced atomic force microscopy techniques, on both flat substrates (films) and confined systems (nanofibers). All these composites are found to be fully biocompatible when tested as scaffolds for supporting the proliferation, and differentiations of human neuronal precursor cell line SH-SY5Y, and of human Circulating Multipotent stem Cells (hCMCs). Prototypes of Nerve Guide Conduits (NGCs) for in vivo tests were also designed, and obtained using the material based on functionalized Multi Walled Carbon Nanotubes (MWCNTs), and tested on mice, finding promising results. We also propose the functionalization of MWCNTs with “functional” organic groups (4-benzoic acids and styrene), and performed an additional derivatization on them respectively through an amidation reaction, and a “grafting from” polymerization. The so obtained CNSs are promising for the preparation of more complex composite materials. Finally, we analyzed the reaction pathway of the Tour functionalization of CNSs, and we hypothesized that the real reaction scheme could be a balance between two different pathways.

Le nanostrutture di carbonio (CNS) e i polimeri biocompatibili sono materiali molto promettenti in un grande numero di applicazioni tecnologicamente avanzate, che vanno dalla biomedicina e bioelettronica, allo smart packaging e alla robotica soft. In questa tesi presentiamo la funzionalizzazione organica tramite addizione della p-metossianilina di 3 diverse CNS: i nanotubi di carbonio a parete multipla, i nanoconi di carbonio e il grafene ossido risotto. Questi materiali sono impiegati come additivi per la preparazione di materiali compositi nanostrutturati a base di acido polilattico (PLLA). In questa tesi è riportata una completa caratterizzazione in termini di proprietà termiche, elettriche e meccaniche. Sono evidenti differenze significative tra le tre nanostrutture e sul loro effetto sulle proprietà dei compositi; ciò sottolinea il ruolo chiave giocato dalla morfologia e forma a livello nanometrico nell’interazione nanostruttura-polimero e quindi nella determinazione delle caratteristiche finali del composito. La superfice dei materiali è stata caratterizzata tramite AFM e CAFM sia nella forma di film piatti sia nella forma di nanofibre ottenute tramite eletrospinning. Sono state quindi testate le proprietà di biocompatibilità e induzione/controllo della differenziazione sia su cellule umane neuronali (SH-SY5Y), sia su cellule staminali umane (hCMCs). I materiali a base di nanotubi di carbonio a parete multipla (MWCNT) ottenuti sono stati utilizzati per la preparazione di prototipi di nerve guide conduits (NGC) per operazioni in-vivo su topi, ottenendo risultati molto promettenti. Presentiamo anche la funzionalizzazione dei MWCNT con 2 gruppi organici “funzionali” (l’acido p-benzoico e lo stirene) sui quali è stata effettuata una derivatizzazione aggiuntiva sfruttando rispettivamente una reazione di ammidazione e una reazione di polimerizzazione “grafting from”. Infine abbiamo analizzato lo schema di reazione della funzionalizzazione di Tour delle CNS a abbiamo ipotizzato che la reale via sintetica sia costituita da due differenti vie in equilibrio tra di loro.