Production and functionalization of graphene nanoparticles for application in drug-delivery systems

This work explores the potentialities of a physical method, based on ball milling of pure graphite, in establishing non-hazardous and scalable protocols to produce graphene nanoparticles (GNPs), suitable to improve drug-delivery systems. The aim was to produce a water dispersion of GNPs with a tailored structure, namely a rather sharp distribution of very thin particles formed by few graphene-like layers ( =3-7) with an average lateral size around 100 nm. This goal was previously achieved by means of an optimized four steps recipe, which exploits the subsequent sonication and centrifugation of the powders produced by the milling of a small amount (500 mg) of synthetic graphite. The present study paves the way to increasing the GNPs yield, by means of a different milling set-up, which allows the process of a bigger amount of raw material. We designed and carried out a set of experiments, focusing on the milling parameters that strongly influence the process, in order to guarantee a reproducible procedure. Several spectroscopic techniques (UV-vis absorption, IR and Raman spectroscopies) allowed the structural characterisation and a thorough comparison among the GNPs samples we obtained according to the different recipes. We demonstrated the crucial role played by the tailoring of the volume ratio among graphite, milling balls and empty space inside the milling jar, and we introduced the concept of milling recipe, i.e. a stepwise variation of this volume ratio during the milling process, in order to obtain higher efficiency. We also showed how the geometry of the jar has a fundamental influence over the material obtained. The comparative analysis of the products allowed to identify two suitable recipes that give GNPs samples with the desired properties. Finally, we discuss the possibility of achieving functionalization of the GNPs edges directly through ball milling simply by air exposure or by adding dry ice. We showed that the functionalization with -COOH groups can be monitored by means of IR spectroscopy. This result is important considering that an effective GNPs functionalization with carboxylic acid groups is mandatory for a subsequent facile grafting of molecular fragments (e.g. glycol chains or small peptides), which can improve the compatibility of graphene with a biological environment and/or impart specific targeting properties to the nano-carrier.

Questo lavoro esplora le potenzialità di un metodo fisico, basato sulla macinazione di grafite pura tramite sfere di acciaio inossidabile, nello stabilire protocolli non pericolosi e scalabili per produrre nanoparticelle di grafene (GNPs), adatti a migliorare i sistemi di somministrazione di farmaci. Lo scopo era quello di produrre una dispersione acquosa di GNP con una struttura ben definita, ovvero una distribuzione piuttosto stretta di particelle molto sottili formate da pochi strati grafenici ( =3-7) con una dimensione laterale media intorno a 100 nm. Questo obiettivo è stato precedentemente raggiunto per mezzo di una ricetta ottimizzata in quattro passaggi, che sfrutta la successiva sonicazione e centrifugazione delle polveri prodotte dalla macinazione di una piccola quantità (500 mg) di grafite sintetica. Il presente studio apre la strada all'aumento della resa nella produzione di GNPs, per mezzo di una diversa configurazione di macinazione, che consente di processare una maggiore quantità di materia prima. Abbiamo progettato ed eseguito una serie di esperimenti, concentrandoci sui parametri di macinazione che influenzano fortemente il processo, al fine di garantire una procedura riproducibile. Diverse tecniche spettroscopiche (in particolare, spettroscopie di assorbimento UV-vis, IR e Raman) hanno consentito la caratterizzazione strutturale e un confronto approfondito tra i campioni di GNPs ottenuti secondo le diverse ricette. Abbiamo dimostrato il ruolo cruciale svolto dalla scelta del rapporto di volume tra grafite, sfere di macinazione e spazio vuoto all'interno della giara di macinazione e abbiamo introdotto il concetto di ricetta di macinazione, ovvero una variazione graduale di questo rapporto di volume durante il processo di macinazione, al fine di per ottenere una maggiore efficienza. Abbiamo anche mostrato come la geometria della giara abbia un'influenza fondamentale sul materiale ottenuto. L'analisi comparativa dei prodotti ha permesso di identificare due migliori ricette che danno campioni di GNPs con le proprietà desiderate. Infine, discutiamo la possibilità di ottenere la funzionalizzazione dei bordi del GNPs direttamente attraverso la macinazione a sfere semplicemente mediante esposizione all'aria o aggiungendo ghiaccio secco. Abbiamo dimostrato che la funzionalizzazione con gruppi -COOH può essere monitorata mediante spettroscopia IR. Questo risultato è importante considerando che un'efficace funzionalizzazione dei GNPs con gruppi di acido carbossilico è obbligatoria per un successivo facile innesto di frammenti molecolari (es. catene di glicole o piccoli peptidi), che possono migliorare la compatibilità del grafene con un ambiente biologico e/o impartire una proprietà di targeting specifico del nano-vettore.