Photochromic materials interact with light converting into a different isomeric state when irradiated with a suitable wavelength. They constitute the building block of light driven molecular switches and machines, and their use in biological environment is currently being developed. The donor-acceptor Stenhouse adducts (DASAs) are an emerging family of photochromic compounds, able to switch from an open isomer to a closed one upon visible light irradiation. It is thought that, with some optimization, they could be well suited to act as all-optical probes to monitor and/or control the interaction of cells with their environment through their membrane. By properly designing the molecular structure of the DASAs, their photochromic properties, as their red-shift in absorption or their photoswitching kinetics, can be finely tuned. In this work, several new DASAs have been synthesized with different donor and acceptor moieties, in order to elaborate a proper structure able to be anchored in a cell membrane and featuring a rapid photoswitching rate. The attachment of a polar head onto the DASAs is one of the requirement for the desired application. Each new DASA synthesis has been followed by a photo-physical characterization realized by UV-vis spectroscopy, and emission excitation spectroscopy. The results of the performed spectral experiments show that the actuators prepared possess a well red-shifted absorption, up to 614 nm for one compound. Moreover, the kinetics study determined photoswitching rates faster than those previously reported in literature for bulk materials. Even though the photochromic switch still requires illumination times longer than biological events, possibly preventing cell membrane stimulation, some features have been uncovered that might allow for even further fastening of the switching rates. Still, many applications in the biological field are already attainable, such as photocages for drug delivery or platforms for controlled photorelease.

I materiali fotocromici interagiscono con la luce convertendosi in uno stato isomerico diverso sotto irradiazione con una lunghezza d’onda adeguata. Costituiscono l’elemento di base di interruttori e macchine molecolari azionati dalla luce ed il loro uso in ambiente biologico è in corso di sviluppo. I donor-acceptor Stenhouse adducts (DASAs) sono una famiglia emergente di composti fotocromici, in grado di passare da un isomero aperto a uno chiuso con l’irradiazione di luce visibile. Con una certa ottimizzazione, potrebbero essere adatti a fungere da sonde ottiche per monitorare e/o controllare l’interazione delle cellule con l’ambiente attraverso la loro membrana. Progettando adeguatamente la struttura molecolare dei DASAs, è possibile regolare finemente le loro proprietà fotocromatiche, come il red-shift dell’assorbimento o la cinetica di fotoswitching. In questo lavoro, sono stati sintetizzati nuovi DASAs con diversi gruppi donatori e accettori, al fine di elaborare una struttura molecolare in grado di essere ancorata alla membrana cellulare e caratterizzata da una rapida velocità di fotoswitching. Il fissaggio di una testa polare sui DASAs è uno dei requisiti per l’applicazione desiderata. La sintesi di ogni nuovo DASA è stata seguita da una caratterizzazione fotofisica realizzata mediante spettroscopia UV-vis e spettroscopia di eccitazione ed emissione. I risultati degli esperimenti spettrali effettuati mostrano che gli attuatori preparati possiedono un assorbimento ben spostato verso il rosso, fino a 614 nm per un composto. Inoltre, lo studio della cinetica ha determinato tassi di fotoswitching più rapidi di quelli precedentemente riportati in letteratura per le soluzioni. Anche se lo switch fotocromatico richiede ancora tempi di illuminazione più lunghi degli eventi biologici, impedendo forse la stimolazione della membrana cellulare, alcune caratteristiche non sono state studiate, che potrebbero consentire di accelerare ulteriormente i tassi di fotoswitching. Tuttavia, molte applicazioni in campo biologico sono già realizzabili, come le fotocage per la somministrazione di farmaci o le piattaforme per il fotorilascio controllato.

Donor acceptor Stenhouse adducts: novel photochromic nanoactuators for bio-optics

GALERON, MAÉNA MARLENE
2021/2022

Abstract

Photochromic materials interact with light converting into a different isomeric state when irradiated with a suitable wavelength. They constitute the building block of light driven molecular switches and machines, and their use in biological environment is currently being developed. The donor-acceptor Stenhouse adducts (DASAs) are an emerging family of photochromic compounds, able to switch from an open isomer to a closed one upon visible light irradiation. It is thought that, with some optimization, they could be well suited to act as all-optical probes to monitor and/or control the interaction of cells with their environment through their membrane. By properly designing the molecular structure of the DASAs, their photochromic properties, as their red-shift in absorption or their photoswitching kinetics, can be finely tuned. In this work, several new DASAs have been synthesized with different donor and acceptor moieties, in order to elaborate a proper structure able to be anchored in a cell membrane and featuring a rapid photoswitching rate. The attachment of a polar head onto the DASAs is one of the requirement for the desired application. Each new DASA synthesis has been followed by a photo-physical characterization realized by UV-vis spectroscopy, and emission excitation spectroscopy. The results of the performed spectral experiments show that the actuators prepared possess a well red-shifted absorption, up to 614 nm for one compound. Moreover, the kinetics study determined photoswitching rates faster than those previously reported in literature for bulk materials. Even though the photochromic switch still requires illumination times longer than biological events, possibly preventing cell membrane stimulation, some features have been uncovered that might allow for even further fastening of the switching rates. Still, many applications in the biological field are already attainable, such as photocages for drug delivery or platforms for controlled photorelease.
MORETTI, PAOLA
ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
6-ott-2022
2021/2022
I materiali fotocromici interagiscono con la luce convertendosi in uno stato isomerico diverso sotto irradiazione con una lunghezza d’onda adeguata. Costituiscono l’elemento di base di interruttori e macchine molecolari azionati dalla luce ed il loro uso in ambiente biologico è in corso di sviluppo. I donor-acceptor Stenhouse adducts (DASAs) sono una famiglia emergente di composti fotocromici, in grado di passare da un isomero aperto a uno chiuso con l’irradiazione di luce visibile. Con una certa ottimizzazione, potrebbero essere adatti a fungere da sonde ottiche per monitorare e/o controllare l’interazione delle cellule con l’ambiente attraverso la loro membrana. Progettando adeguatamente la struttura molecolare dei DASAs, è possibile regolare finemente le loro proprietà fotocromatiche, come il red-shift dell’assorbimento o la cinetica di fotoswitching. In questo lavoro, sono stati sintetizzati nuovi DASAs con diversi gruppi donatori e accettori, al fine di elaborare una struttura molecolare in grado di essere ancorata alla membrana cellulare e caratterizzata da una rapida velocità di fotoswitching. Il fissaggio di una testa polare sui DASAs è uno dei requisiti per l’applicazione desiderata. La sintesi di ogni nuovo DASA è stata seguita da una caratterizzazione fotofisica realizzata mediante spettroscopia UV-vis e spettroscopia di eccitazione ed emissione. I risultati degli esperimenti spettrali effettuati mostrano che gli attuatori preparati possiedono un assorbimento ben spostato verso il rosso, fino a 614 nm per un composto. Inoltre, lo studio della cinetica ha determinato tassi di fotoswitching più rapidi di quelli precedentemente riportati in letteratura per le soluzioni. Anche se lo switch fotocromatico richiede ancora tempi di illuminazione più lunghi degli eventi biologici, impedendo forse la stimolazione della membrana cellulare, alcune caratteristiche non sono state studiate, che potrebbero consentire di accelerare ulteriormente i tassi di fotoswitching. Tuttavia, molte applicazioni in campo biologico sono già realizzabili, come le fotocage per la somministrazione di farmaci o le piattaforme per il fotorilascio controllato.
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/10589/195577