Electrospinning as a Platform for Functional Nanomaterials

This thesis investigates electrospinning as a versatile platform for the development of polymer-based functional materials, focusing on understanding how the molecular properties and nanoscale structural organization can be combined to control macroscopic functionalities. The work follows several research lines, all linked by the central role of morphology in defining functional behaviour. The first part analyses the doping mechanism of the n-type conjugated polymer P(NDI2OD-T2) using benzimidazole-based dopants, while assessing the effect of molecular structure on doping efficiency. The extension of these systems to electrospun fibers highlights the contribution of fibrous architectures in enhancing charge transport, demonstrating how electrical properties can be regulated through the combined control of chemical design and morphology. The second part focuses on the development of electrospun platforms for biomedical applications. Antibacterial membranes based on electrospun PVA fibers are functionalized using silver nanoparticles and inorganic coatings doped with Ag, allowing a direct comparison between uncontrolled ion release and diffusion-regulated release. The results show that inorganic coatings provide a more stable and prolonged antibacterial effect. In parallel, the conversion of perhydropolysilazane (PHPS) to silica under different gentle processing conditions is studied to establish a solution-based route toward inorganically functionalized fibrous systems. Moreover, aligned electrospun scaffolds are developed for biohybrid muscle structures, demonstrating that fiber alignment regulates cellular organization and enables coordinated contraction under optical stimulation. Finally, electrospun nanofibers are explored as platforms for plasmonic enhancement and molecular stabilization. The fibrous morphology improves nanoparticle coupling and surface accessibility, leading to enhanced Raman responses, while providing a confined environment capable of stabilizing reactive molecular species. Overall, the results demonstrate that the fibrous structures produced by electrospinning allow for the combination of structural and functional properties, providing a flexible platform for the development of materials with tunable properties across a wide range of applications.

Il presente lavoro ha analizzato la tecnica dell'elettrofilatura come soluzione versatile per lo sviluppo di materiali funzionali polimerici, sottolineando come le proprietà e l'organizzazione strutturale delle molecole su scala nanometrica contribuiscano a determinare la funzionalità macroscopica. Questo lavoro ha seguito diverse linee di ricerca, tutte accomunate dal ruolo centrale della struttura morfologica nello stabilire il comportamento funzionale. La prima parte ha analizzato il meccanismo di drogaggio del polimero coniugato di tipo n P(NDI2OD-T2) mediante dopanti benzimidazolici, valutando al contempo l'effetto della struttura molecolare sull'efficienza di doping. L'estensione di questi sistemi a fibre elettrofilate ha evidenziato il contributo delle architetture fibrose nel potenziare il trasporto di carica, dimostrando come le proprietà elettriche possano essere regolate attraverso il controllo combinato del design chimico e della morfologia. La seconda parte è stata dedicata allo sviluppo di sistemi elettrofilati per applicazioni biomediche. In questo caso, membrane antibatteriche in fibre di PVA sono state funzionalizzate con rivestimenti inorganici drogati con nanoparticelle di argento. I risultati hanno mostrato che i rivestimenti inorganici assicurano un effetto antibatterico più stabile e duraturo nel tempo, grazie al loro rilascio controllato di ioni argento. Parallelamente, è stata studiata la conversione del peridropolisilazano (PHPS) in silice in diverse condizioni di processo blande, allo scopo di definire un percorso di sintesi in soluzione per la realizzazione di sistemi fibrosi a funzionalità inorganica. Infine, sempre per applicazioni biomediche, sono stati realizzati scaffold elettrofilati per strutture muscolari ibride, dimostrando che l'allineamento delle fibre guida l'organizzazione cellulare e consente una contrazione coordinata sotto stimolazione ottica. Infine, le nanofibre elettrofilate sono state impiegate come substrati per l'amplificazione plasmonica e la stabilizzazione molecolare. La morfologia fibrosa ha migliorato l'accoppiamento tra le nanoparticelle e l'accessibilità della superficie, con un conseguente potenziamento del segnale Raman, offrendo al tempo stesso un ambiente confinato in grado di stabilizzare specie molecolari reattive. Nel complesso, i risultati ottenuti hanno dimostrato che le strutture fibrose realizzate mediante elettrofilatura consentono di combinare proprietà strutturali e funzionali, offrendo un approccio flessibile per lo sviluppo di materiali dalle proprietà modulabili, applicabili a un ampio ventaglio di settori.