One-pot functionalization and exfoliation of graphene-based adducts for antimicrobial applications

In this Thesis work two generations of bio-sourced chemicals, i.e. Serinol Pyrrole (SP) and Pyrone (Pyr-COOEt), were synthesized and exploited to functionalize High Surface Area Graphite (HSAG). As prepared adducts were deeply characterized by means of various physical techniques, such as UV spectroscopy, XRD and TGA analyses, while Hansen solubility parameters were evaluated as well to assess adducts solubility in commonly used solvents. The two adducts, namely HSAG/SP and HSAG/Pyr-COOEt showed different functionalization yields, dispersibility/stability in polar solvents and exfoliation grades. Moreover, the two adducts possess different chemical reactivity, hence it was possible to select them as alternative anchor points for subsequent functionalization. On the basis of the achieved results, we selected HSAG/SP as the adduct for the preparation of antimicrobial adducts, relying on the deposition Ag nanoparticles (NPs) as antimicrobial agent. The functionalizing method herein developed possesses one noticeable property: it promotes HSAG functionalization, exfoliation, and decoration with Ag NPs through a single, one-pot procedure. Moreover, the method could be easily and rapidly scalable since it is based on an industrially installed technology based on high shear mixing (HSM). In a last phase of this Thesis work, composite coatings based on a supra-molecular interaction between polyvinyl acetate (PVA) and antimicrobial adducts (HSAG/SP-Ag) were prepared. First screening tests evidenced the desired antibacterial properties of the as prepared coating, paving the way for further developments of the materials and processes herein developed in the Thesis work.

In questo lavoro di tesi sono state sintetizzate due generazioni di composti di origine naturale, ovvero Serinol Pirrolo (SP) e Pirone (Pyr-COOEt), enrtrambe sfruttate per funzionalizzare una Grafite ad Alta Area Superficiale (HSAG). Gli addotti preparati sono stati approfonditamente caratterizzati mediante varie tecniche fisiche, come spettroscopia UV, analisi XRD e TGA, mentre i parametri di solubilità di Hansen sono stati valutati per determinare la solubilità degli addotti in solventi comunemente usati. I due addotti, ovvero HSAG/SP e HSAG/Pyr-COOEt, hanno mostrato differenti rese di funzionalizzazione, dispersione/stabilità in solventi polari e diversi gradi di esfoliazione. Inoltre, i due addotti possiedono differente reattività chimica, quindi è stato possibile selezionarli alternativamente come punti di ancoraggio per la successiva funzionalizzazione. Sulla base dei risultati ottenuti, abbiamo quindi selezionato HSAG/SP per la preparazione di addotti antimicrobici, ricorrendo alla deposizione di nanoparticelle di Ag (NPs) come agente antimicrobico. Il metodo di funzionalizzazione sviluppato in questo lavoro possiede una caratteristica notevole: promuove la funzionalizzazione, l'esfoliazione e la decorazione di HSAG con NPs di Ag attraverso una procedura "one-pot". Inoltre, il metodo potrebbe essere facilmente e rapidamente scalato, in quanto si basa su una tecnologia industrialmente installata basata sulla miscelazione ad alti sforzi di taglio (HSM). Nella sua fase finale, questo lavoro di tesi ha previsto la preparazione di rivestimenti compositi basati su una interazione supra-molecolare tra acetato di polivinile (PVA) e gli addotti antimicrobici (HSAG/SP-Ag). I primi test di screening hanno evidenziato le proprietà antibatteriche desiderate del rivestimento, aprendo la strada a ulteriori sviluppi dei materiali e dei processi sviluppati in questa Tesi.