Cyclodextrin-based nanosponges: a versatile class of cross-linked - - PowerPoint PPT Presentation

Cyclodextrin-based nanosponges: a versatile class of cross-linked polymers

¡

• Prof. ¡Francesco ¡Tro.a ¡

Department ¡of ¡Chemistry ¡ University ¡of ¡Torino ¡– ¡Italy ¡ francesco.tro.a@unito.it ¡

¡

A.D. ¡1404 ¡

CYCLODEXTRINS ¡(CDs): ¡cyclic ¡oligosaccharides ¡composed ¡of ¡glucopyranose ¡units ¡ linked ¡through ¡α-­‑1,4 ¡glycosidic ¡bonds. ¡

• CDs ¡ are ¡ produced ¡ from ¡ starch ¡ by ¡ means ¡ of ¡

enzymaQc ¡ conversion ¡ à à ¡ renewable ¡ and ¡ eco-­‑ friendly ¡materials. ¡ ¡

• CDs ¡ can ¡ host ¡ guest ¡ molecules ¡ containing ¡ non-­‑

polar ¡moieQes. ¡

• CDs ¡are ¡employed ¡in ¡many ¡industrial ¡fields ¡such ¡

as ¡ food, ¡ cosmeQcs, ¡ pharmaceuQcals, ¡ chemical ¡ products, ¡etc. ¡

Hydrophobic ¡ ether ¡groups ¡ Hydrophobic ¡ aliphaQc ¡ hydrogen ¡atoms ¡ Hydrophilic ¡ OH ¡groups ¡ 6 ¡glucopyranose ¡units ¡ 8 ¡glucopyranose ¡units ¡ 7 ¡glucopyranose ¡units ¡

From Frömming and Szejtli: Cyclodextrins in Pharmacy Kluwer Acad. Press, Dordrecht, 1994.

Complex Formation Complex Formation

SOME USES OF CYCLODEXTRINS

• Chiral selectors for chromatography
• preparation of cholesterol free products
• reduction of unwanted tastes and odour
• stabilization of volatile or unstable compounds
• Enzyme-like catalysis
• Drug delivery
• Textile applications
• Inverse phase transfer catalysis
• Molecular machines
• To be continued……..

Some ¡products ¡containig ¡cyclodextrins ¡

SOME ¡MORE ¡FROM ¡ PROCTER&GAMBLE ¡

And ¡many, ¡many ¡others… ¡

• ¡Native cyclodextrins are incapable of forming inclusion compounds

with hydrophilic or high-molecular-weight molecules.

• The cheapest and most useful cyclodextrin, i.e. β-cyclodextrin, has

low water solubility (1.85 wt% at r.t.) and is toxic when injected intravenously.

• Many chemical modifications of cyclodextrins have been studied in
• rder to overcome their drawbacks and to improve their technological

characteristics.

CD ¡dimers ¡ A possible solution is to synthesize dimers or trimers of cyclodextrins having the hydrophobic cavities positioned in such a way as to cooperate in forming the inclusion compound with the guest molecule. This leads to much higher binding constants in comparison with either native or modified cyclodextrin monomers. CD ¡trimers ¡

Unfortunately, due to the presence of many reactive hydroxyl groups on cyclodextrins, complex reactions are required in order to prepare the desired derivative, generally with very low yields and high cost.

NANOSPONGES ¡(NSs): ¡materials ¡with ¡nanometric ¡or ¡sub-­‑nanometric ¡pores ¡

Nanosponges ¡

Inorganic ¡ ¡ Organic ¡

• Silicon ¡NS ¡par.cles ¡
• Titanium ¡dioxide ¡NSs ¡
• Zeolite ¡NSs ¡
• Other ¡metal ¡oxide-­‑based ¡NSs ¡
• … ¡
• Polystyrene ¡NSs ¡
• Policarbonate ¡NSs ¡
• Polyvinyl ¡alcohol ¡NSs ¡
• Cyclodextrin-­‑based ¡NSs ¡
• … ¡
• Farrell, ¡D. ¡et ¡al, ¡Silicon ¡nanosponge ¡parQcles, ¡2006, ¡U.S. ¡patent ¡20060251561 ¡A1. ¡
• Guo, ¡L. ¡et ¡al, ¡PreparaQon ¡and ¡characterizaQon ¡of ¡TiO2 ¡nanosponge, ¡Mater. ¡Chem. ¡Phys., ¡2008, ¡111, ¡322-­‑325. ¡
• Jo, ¡C. ¡et ¡al, ¡MFI ¡zeolite ¡nanosponges ¡possessing ¡uniform ¡mesopores ¡generated ¡by ¡bulk ¡crystal ¡seeding ¡in ¡the ¡hierarchical ¡

surfactant-­‑directed ¡synthesis, ¡Chem. ¡Commun., ¡2014, ¡50, ¡4175-­‑4177. ¡

• Ataee-­‑Esfahani, ¡H. ¡et ¡al, ¡RaQonal ¡synthesis ¡of ¡Pt ¡spheres ¡with ¡hollow ¡interior ¡and ¡nanosponge ¡shell ¡using ¡silica ¡parQcles ¡as ¡

template ¡Chem. ¡Commun., ¡2011,47, ¡3885-­‑3887. ¡

• Davankov, ¡ V. ¡ A. ¡ et ¡ al, ¡ From ¡ a ¡ Dissolved ¡ Polystyrene ¡ Coil ¡ to ¡ an ¡ Intramolecularly-­‑Hyper-­‑Cross-­‑Linked ¡ “Nanosponge”, ¡

Macromolecules, ¡1996, ¡29 ¡(26), ¡8398–8403. ¡

• Stevens, ¡ D. ¡ M. ¡ et ¡ al, ¡ Nanosponge ¡ formaQon ¡ from ¡ organocatalyQcally-­‑synthesized ¡ poly(carbonate) ¡ copoplymers, ¡ ACS ¡

Macro ¡Le6, ¡2012, ¡1 ¡(7), ¡915–918. ¡ ¡

• Sharma, ¡R. ¡et ¡al, ¡Polymeric ¡nanosponges ¡as ¡an ¡alternaQve ¡carrier ¡for ¡improved ¡retenQon ¡of ¡econazole ¡nitrate ¡onto ¡the ¡

skin ¡through ¡topical ¡hydrogel ¡formulaQon, ¡Pharm ¡Dev ¡Technol, ¡2011,16 ¡(4), ¡367-­‑376. ¡ ¡

• Tro^a, ¡F., ¡Cyclodextrin ¡nanosponges ¡and ¡their ¡applicaQons, ¡in ¡Cyclodextrins ¡in ¡Pharmaceu=cs, ¡Cosme=cs, ¡and ¡Biomedicine: ¡

Current ¡and ¡Future ¡Industrial ¡Applica=ons, ¡Hoboken, ¡John ¡Wiley ¡& ¡Sons, ¡Inc., ¡2011, ¡323-­‑342. ¡

• CDs ¡ can ¡ be ¡ cross-­‑linked ¡ using ¡ a ¡ wide ¡ variety ¡ of ¡ chemicals ¡ (e.g. ¡

dianhydrides, ¡ diisocyanates, ¡ diepoxides, ¡ carboxylic ¡ acids ¡ with ¡ two ¡ or ¡ more ¡ func=onali=es, ¡ etc.), ¡ thus ¡ obtaining ¡ insoluble, ¡ 3-­‑dimensional ¡

• polymers. ¡ ¡
• The ¡final ¡proper=es ¡of ¡a ¡NS ¡are ¡strongly ¡influenced ¡by ¡the ¡nature ¡of ¡the ¡

cross-­‑linker, ¡the ¡degree ¡of ¡cross-­‑linking ¡and ¡the ¡reac=on ¡condi=ons. ¡ ¡

• NSs ¡ exhibit ¡ two ¡ different ¡ kinds ¡ of ¡ pores: ¡ the ¡ internal ¡ cavi=es ¡ of ¡ β-­‑CDs ¡

and ¡the ¡empty ¡spaces ¡among ¡β-­‑CD ¡molecules. ¡

+ ¡ Cross-­‑linker ¡ CD ¡ NS ¡

POSSIBLE MOLECULAR STRUCTURE OF NANOSPONGES

Synthesis ¡of ¡nanosponges: ¡ ¡

• Carbonate ¡CD-­‑based ¡NSs ¡
• PyromelliQc ¡CD-­‑based ¡NSs ¡
• (Urethane ¡CD-­‑based ¡NSs) ¡
• (Epoxy ¡CD-­‑based ¡NSs) ¡
• (Polyamidoamines ¡CD-­‑based ¡NSs) ¡
• ¡(many ¡other ¡ ¡cross-­‑linkers) ¡

Synthesis ¡of ¡a ¡carbonate ¡β-­‑CD-­‑based ¡nanosponge ¡(βNS-­‑CDI) ¡

ATR-­‑FTIR ¡ TGA ¡of ¡βNS-­‑CDI(1:8) ¡

10°C/min ¡in ¡N2 ¡

• Rigid, ¡compact ¡

structure ¡

• Low ¡water ¡

absorp.on ¡ capability ¡

• Resistant ¡to ¡

hydrolysis ¡

+

in ¡anhydrous ¡DMF ¡ at ¡90°C ¡

+

imidazole ¡

• Significant ¡water ¡

absorp.on ¡capability ¡

• Ability ¡to ¡exchange ¡

ca.ons ¡

• Hydrolyzed ¡in ¡acidic ¡

and ¡basic ¡solu.ons ¡

Synthesis ¡of ¡pyromelliQc ¡β-­‑CD-­‑based ¡nanosponges ¡(βNS-­‑PYRO) ¡

ATR-­‑FTIR ¡ TGA ¡of ¡βNS-­‑PYRO(1:4) ¡

10°C/min ¡in ¡N2 ¡

Microscopy ¡studies. ¡

Microphotograph ¡of ¡Nanosponges. ¡

[F. ¡Tro^a, ¡et ¡al. ¡J. ¡Incl. ¡Phen. ¡And ¡Macr. ¡Chem. ¡2006.] ¡

Spherical ¡Par.cles ¡are ¡seen ¡ ¡ in ¡the ¡microphotograph ¡

Acute toxicity studies

Specifications

• Guidelines-OECD Guidelines 423 (OECD, 2001)
• Animals- Female Wistar Albino rats (150–180 g)
• Fasted- over-night prior to dosing
• Samples- β-CD PMDA cross-linked NS (Plain 1:4)

ASA-loaded β-CD cross-linked NS

• Dose- 2,000 mg/kg
• Route –Oral with oral gavage
• Observations- individually after dosing at least once during the

first 30 min, periodically during the first 24 h, with special attention given during the first 4 h, and daily thereafter, for a total of 14 days

Discoloration of a methyl red water solution

Applications of nanosponges: Where it all started……….

Showed strong absorption of Persistent Organic Pollutants (POPs) like chlorobenzene, a common pollutant present in waste water.

.1 .2 .3 .4 .5 .6 .7 assorbanza 240 260 280 300 320 340 Nanometri

Chlorobenzene Chlorobenzene with NS after fixed time periods

This study indicated that NS showed strong affinity to aromatic compounds

430,9 349,8 269,0 214,0 235,8 229,7 219,8 128,3 94,6 67,1 209,5 145,7 16,4 31,2 1,2

0,0 50,0 100,0 150,0 200,0 250,0 300,0 350,0 400,0 450,0 500,0

Chlorobenzene 4-Chlorotoluene 2,6-Dichlorotoluene 1,3,5-Trichlorobenzene hexachlorobenzene

µg (ppb)

Blank Activeated carbon. Nanosponges

Comparison between nanosponges and activated carbons. Water decontamination from aromatic compounds after 4 hours batch treatment with 2% adsorbent.

Nanosponges ¡could ¡be ¡easily ¡restored ¡by ¡simply ¡washing ¡with ¡ ethanol ¡without ¡any ¡loss ¡of ¡acQvity ¡

NS-­‑PYRO(1:4) ¡

+ ¡H2O ¡

100 ¡mg ¡+ ¡ 1340 ¡mg ¡H2O ¡ ¡ 100 ¡mg ¡ ¡

β-­‑CD-­‑Pyro ¡NS ¡swell ¡to ¡a ¡ relevant ¡extent ¡

PotenQal ¡applicaQons: ¡complexaQon ¡of ¡metals ¡

NS-­‑PYRO(1-­‑6) ¡before ¡(lec) ¡and ¡acer ¡(right) ¡complexaQon ¡of ¡Cu+2 ¡caQons ¡

AdsorpQon ¡of ¡some ¡metal ¡caQons ¡on ¡Nanosponges ¡

More ¡details ¡on ¡Poster ¡n.2 ¡

OTHER ¡POSSIBLE ¡APPLICATIONS ¡OF ¡ NANOSPONGES

¡

Ø ¡ ¡INDUSTRIAL Ø PHARMACEUTICAL Ø FOOD Ø ENZYMATIC Ø COSMETIC Ø POLYMERS PROCESSING Ø PRECURSOR FOR MOLECULAR SIEVE CARBON Ø HYBRID MEMBRANE COMPONENT

PHARMACEUTICAL ¡APPLICATIONS ¡ ¡

• SOLUBILIZING AGENTS
• STABILIZATION AND PROTECTION OF DRUGS
• NANO-SIZED CARRIERS
• PROLONGED RELEASE SYSTEMS ¡

Enhanced ¡stability ¡and ¡solubility ¡of ¡drugs. ¡

CAMPTOTHECIN (CAM)

Molecular weight: 348.35 Solubility in water: Insoluble in water

Originally isolated from the stem wood of Camptotheca acuminata ü Potent cytotoxic alkaloid active against a variety of tumors ü The intracellular target is eukaryotic DNA topoisomerase I ü CAM delivery suffers mainly due to:

• Poor solubility related poor bioavailability.
• High systemic toxicity.
• Opening of lactone ring of CAM in vivo rendering it inactive.
• Photolabile nature.

Cytotoxicity studies:

HC PC ¡1 ¡72h ¡

20 40 60 80 100 120 Camptotechine 4 ¡nM 8nM 16 ¡nM 32 ¡nM 64 ¡nM 125 ¡nM 250 ¡nM P lain C omplex

Cytotoxicity studies show that the complex is more than 8 folds more cytotoxic than plain drug. Cytotoxicity even after 72 h symbolizes stability of lactone ring

CAM release in plasma (ex vivo)

2 4 6 8 10 12 F 12 F 14 F 18 F FNS Formulation type Amount released (mcg) 15 min 24 h

As the amount of drug released is higher after 24 h as compared to 15 min, it could be said that the drug is stable in plasma

4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

untreated campto libera campto spugne

inizio trattamento inoculo PC3

* * *** *** *** *** *** ***

giorni

diametro tumore (mm)

non trattati campto libera campto spugne

In-vivo prostate cancer results

SYNTHESIS ¡OF ¡GSH-­‑RESPONSIVE ¡NANOSPONGES* ¡

*Tro6a ¡et ¡al. ¡"Glutathione ¡Bioresponsive ¡Cyclodextrin ¡Nanosponges." ¡ChemPlusChem ¡(2015) ¡

InhibiQon ¡ of ¡ proliferaQon ¡ following ¡ doxorubicin-­‑loaded ¡ GSH-­‑NS ¡ (dark ¡ color) ¡ and ¡ doxorubicin ¡ treatment ¡ (pale ¡ color) ¡ The ¡release ¡of ¡doxorubicin ¡(anQtumoral) ¡grows ¡as ¡the ¡ concentraQon ¡of ¡GSH ¡is ¡increased ¡ NSs ¡containing ¡S-­‑S ¡groups ¡ are ¡sensiQve ¡to ¡SH ¡groups ¡ present ¡in ¡GSH ¡ ¡ The ¡concentraQon ¡of ¡GSH ¡is ¡ higher ¡in ¡chemo-­‑resistant ¡ tumor ¡cells ¡ ¡ GSH ¡is ¡an ¡ideal ¡sQmulus ¡for ¡ rapid ¡destabilizaQon ¡of ¡ nano-­‑carriers ¡to ¡accomplish ¡ a ¡targeQng ¡drug ¡release ¡

Tro6a ¡et ¡al. ¡"Glutathione ¡Bioresponsive ¡Cyclodextrin ¡Nanosponges." ¡ChemPlusChem ¡(2015) ¡

Molecularly ¡imprinted ¡βCD-­‑NSs ¡for ¡the ¡controlled ¡delivery ¡of ¡L-­‑DOPA: ¡ perspecQves ¡for ¡the ¡treatment ¡of ¡Parkinson’s ¡disease* ¡

*F. ¡Tro.a, ¡F. ¡Caldera, ¡R. ¡Cavalli, ¡M. ¡Soster, ¡C. ¡Riedo, ¡M. ¡Biasizzo, ¡G. ¡Uccello ¡Barre.a, ¡F. ¡Balzano, ¡V. ¡Brunella. ¡Expert ¡ Opinion ¡on ¡Drug ¡Delivery, ¡2016, ¡13, ¡(12), ¡1671–1680. ¡

Molecularly ¡imprinted ¡βCD-­‑NSs ¡for ¡the ¡controlled ¡delivery ¡of ¡L-­‑DOPA: ¡ perspecQves ¡for ¡the ¡treatment ¡of ¡Parkinson’s ¡disease ¡

OH N H2 O H O OH a b c d e d e c a b d e c 1 3 5,6 b 2 4 5,6 a 3 1 d e c 3 5,6 2 4 b b a O OH O H H H H H H O OH 7 1 2 3 4 5 6

H3 H5 O H N H2 O H O OH

a b c d e

Achievements: ¡

¡

• L-­‑DOPA ¡successfully ¡

encapsulated ¡in ¡βCD-­‑ NSs ¡(as ¡confirmed ¡by ¡ NMR ¡analysis) ¡and ¡ protected ¡from ¡ degradaQon ¡

• Slow ¡ and ¡ controlled ¡

release ¡kineQcs ¡

1,2-­‑dioxigenase ¡on ¡nanosponges ¡

¡

¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡

Enzyme catalysed reaction

Cathecol ¡ Muconic ¡acid ¡

Days ¡

Activity of Dioxygenase loaded on nanosponges

Ethylene inhibitors for long lasting plants, cut flowers and fruits

Norbornadiene 1-methylcyclopropene 1-methylcyclopentene

¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡1-­‑MCP ¡ ¡ CONTROL ¡ β-­‑NS ¡COMPLEX ¡

Long ¡las=ng ¡of ¡Carna=on ¡flowers ¡by ¡1-­‑MCP ¡entrapped ¡on ¡Nanosponges ¡

10 20 30 40 50 60 70 15 30 45 60 90 120 time [min] % linalool released

Nanospugne Beta-CD

Linalool release (essential oil) (aroma therapy)

Nanosponges as flame retardant agent

Fire retardants: Additives that can slow down and/or delay the combustion process in polymer materials before the fire is fully developed

Polymer

Volatiles

Flame

Oxygen

Heat

Products

(CO2, CO…)

Dispersion

Condensed Phase Gas Phase Char

Polymer Combustion Cycle

¡ ¡ ¡Flame ¡retardants: ¡

¡ ¡ v Inorganic ¡hydroxides ¡ v Halogen ¡ ¡and ¡metal-­‑halogen ¡derivates ¡ v Phosphorous ¡compounds ¡ v Surface ¡coaQngs ¡ ¡ ¡ ¡1. ¡Polymer ¡layered ¡nanocomposites ¡ ¡ ¡ ¡2. ¡Intumescent ¡system ¡of ¡three ¡ac.ve ¡ingredients ¡ ¡

• 1. an ¡acid ¡source: ¡generally ¡ammonium ¡polyphosphate ¡
• 2. a ¡carbon ¡source: ¡such ¡as ¡pentaerythritol ¡
• 3. a ¡blowing ¡agent: ¡most ¡olen ¡melamine ¡

nanosponge ¡ guest ¡molecule ¡ complex ¡

INTUMESCENT ¡SYSTEM: ¡ ¡ NANOSPONGE-­‑GUEST ¡MOLECULE ¡COMPLEX ¡

• 1. an ¡acid ¡source: ¡FR ¡
• 2. a ¡carbon ¡source: ¡nanosponge ¡
• 3. a ¡blowing ¡agent: ¡water ¡from ¡nanosponge ¡
• J. ¡Alongi, ¡M.Posskovic, ¡A. ¡Frache ¡and ¡F. ¡Tro^a ¡Pol. ¡Degrad. ¡Stability ¡95, ¡2093 ¡(2010) ¡

Recently ¡invesQgated ¡applicaQons: ¡ ¡

• EncapsulaQon ¡of ¡apple ¡polyphenols ¡in ¡β-­‑CD-­‑based ¡

nanosponges ¡ ¡

• PyromelliQc ¡CD-­‑based ¡nanosponges ¡as ¡media ¡for ¡

photochirogenesis ¡reacQons ¡

• PyromelliQc ¡β-­‑CD-­‑based ¡nanosponge ¡bioconjugates ¡as ¡

signal ¡enhancement ¡tools ¡

• ¡PreparaQon ¡on ¡funcQonalized ¡texQles ¡
• ¡PreparaQon ¡of ¡hybrid ¡membranes ¡for ¡Li/Air ¡ba.eries ¡

EncapsulaQon ¡of ¡apple ¡polyphenols ¡in ¡β-­‑CD-­‑based ¡nanosponges* ¡

0,5 ¡

Ru.n ¡ Phloridzin ¡ Chlorogenic ¡acid ¡

• Ru.n, ¡phloridzin ¡and ¡chlorogenic ¡acid ¡are ¡some ¡of ¡the ¡most ¡important ¡an.oxidant ¡

polyphenols ¡found ¡in ¡apples. ¡

• Their ¡ low ¡ stability ¡ under ¡ light ¡ or ¡ hea.ng ¡ condi.ons ¡ restricts ¡ the ¡ use ¡ of ¡ these ¡

molecules ¡as ¡nutraceu.cals. ¡

• Encapsula.on ¡may ¡represent ¡an ¡alterna.ve ¡solu.on. ¡
• The ¡encapsula.on ¡efficiencies ¡in ¡carbonate ¡and ¡urethane ¡NSs ¡and ¡the ¡release ¡of ¡

these ¡ polyphenols ¡ were ¡ determined ¡ quan.ta.vely ¡ by ¡ means ¡ of ¡ UV-­‑Vis ¡

• spectrophotometry. ¡

*Maria ¡Ramirez-­‑Ambrosi, ¡Fabrizio ¡Caldera, ¡Francesco ¡Tro^a, ¡Luis ¡A. ¡Berrueta, ¡Blanca ¡Gallo, ¡EncapsulaQon ¡of ¡ apple ¡polyphenols ¡in ¡β-­‑CD ¡nanosponges, ¡Journal ¡of ¡Inclusion ¡Phenomena ¡and ¡Macrocyclic ¡Chemistry, ¡2014. ¡

EncapsulaQon ¡of ¡apple ¡polyphenols ¡in ¡β-­‑CD-­‑based ¡nanosponges ¡

0,5 ¡

EncapsulaQon ¡efficiencies: ¡

• Encapsula.on ¡efficiencies ¡of ¡βNS-­‑CDI: ¡50–83 ¡% ¡
• Encapsula.on ¡efficiencies ¡of ¡βNS-­‑HMDI: ¡ ¡10–87 ¡%. ¡ ¡
• βNS-­‑CDI(1:3): ¡best ¡choice ¡for ¡the ¡encapsula.on ¡of ¡ru.n. ¡
• βNS-­‑HMDI(1:8): ¡highest ¡encapsula.on ¡efficiencies ¡for ¡chlorogenic ¡acid ¡and ¡phloridzin. ¡ ¡

PyromelliQc ¡CD-­‑based ¡nanosponges ¡as ¡media ¡for ¡photochirogenesis* ¡

Supramolecular ¡ approach: ¡ use ¡ of ¡ supramolecular ¡ structures ¡ as ¡ hosts ¡ for ¡ enan.odifferen.a.ng ¡reac.ons. ¡ ¡ Promising ¡ tool ¡ to ¡ facilitate ¡ the ¡ excited-­‑state ¡ chirality ¡ transfer ¡ from ¡ chiral ¡ host ¡ to ¡ prochiral ¡substrate ¡through ¡long-­‑las.ng ¡in.mate ¡supramolecular ¡contacts. ¡

*Wen.ng ¡Liang, ¡Cheng ¡Yang, ¡Dayang ¡Zhou, ¡Hitoshi ¡Haneoka, ¡Masaki ¡Nishijima, ¡Gaku ¡Fukuhara, ¡Tadashi ¡Mori, ¡ Franca ¡Cas.glione, ¡Andrea ¡Mele, ¡Fabrizio ¡Caldera, ¡Francesco ¡Tro^a ¡and ¡Yoshihisa ¡Inoue, ¡Phase-­‑controlled ¡ supramolecular ¡photochirogenesis ¡in ¡cyclodextrin ¡nanosponges, ¡Chem. ¡Comm., ¡2013, ¡49 ¡(34), ¡3510-­‑3512. ¡

Photochirogenesis: ¡photochemical ¡induc.on ¡of ¡molecular ¡chirality. ¡ ¡ Pyromelli.c ¡CD-­‑based ¡NSs ¡(βNS-­‑PYRO(1:2), ¡βNS-­‑PYRO(1:4) ¡and ¡γNS-­‑PYRO(1:4)) ¡were ¡ used ¡to ¡mediate ¡the ¡photoisomeriza.on ¡of ¡(Z,Z)-­‑1,3-­‑cyclooctadiene ¡(2ZZ) ¡to ¡chiral ¡ (E)-­‑isomer ¡2EZ. ¡

PyromelliQc ¡CD-­‑based ¡nanosponges ¡as ¡media ¡for ¡photochirogenesis ¡

0,5 ¡

Sol ¡ Suspension ¡ ¡ Precipitate ¡ Flowing ¡gel ¡ diphasic ¡ Rigid ¡gel ¡ βNS-­‑PYRO(1:2) ¡ βNS-­‑PYRO(1:4) ¡ γNS-­‑PYRO(1:4) ¡

2EZ ¡% ¡ee ¡ NS/H2O ¡(mg/mL) ¡

Phase-­‑dependent ¡photochirogenesis ¡ ¡

• A ¡ sol-­‑gel ¡ phase ¡ transi.on ¡ was ¡ observed ¡ when ¡ the ¡

concentra.on ¡of ¡the ¡NS ¡in ¡water ¡was ¡increased ¡from ¡ 0.2 ¡to ¡2000 ¡mg/ml. ¡

• At ¡0.2 ¡mg/mL ¡NS/H2O ¡the ¡photoisomeriza.on ¡of ¡2ZZ ¡

sensi.zed ¡by ¡βNS-­‑PYRO(1:2), ¡βNS-­‑PYRO(1:4) ¡and ¡γNS-­‑ PYRO(1:4) ¡ gave ¡ (+)-­‑2EZ ¡ in ¡ 4.7, ¡ 4.9 ¡ and ¡ 0.7 ¡ % ¡ enan.omeric ¡eccess ¡(ee) ¡respec.vely. ¡

• Differences ¡between ¡β ¡and ¡γ ¡à ¡clear ¡influence ¡of ¡the ¡

inner ¡cavity. ¡

• The ¡ ee ¡ of ¡ 2EZ ¡ decreased ¡ to ¡ zero ¡ by ¡ increasing ¡ the ¡

concentra.on ¡of ¡βNSs ¡from ¡0.2 ¡to ¡0.5 ¡mg/mL. ¡

• γNS-­‑PYRO(1:4) ¡ gave ¡ almost ¡ racemic ¡ 2EZ ¡ in ¡ both ¡ sol ¡

and ¡suspension ¡region. ¡

• the ¡ enan.oselec.vity ¡ rapidly ¡ increased ¡ to ¡ give ¡ the ¡

maximum ¡ee ¡at ¡the ¡border ¡of ¡the ¡rigid ¡gel ¡region. ¡

• Enan.oselec.vity ¡ is ¡ a ¡ cri.cal ¡ func.on ¡ of ¡ the ¡ NS ¡

concentra.on ¡or ¡the ¡phase ¡condi.on. ¡

• Similar ¡ results ¡ were ¡ observed ¡ in ¡

¡ the ¡ photoisomeriza.on ¡of ¡1Z. ¡

• The ¡interpar.cle ¡voids ¡created ¡in ¡the ¡gel ¡phase ¡act ¡as ¡

effec.ve ¡chiral ¡sensi.zing ¡sites. ¡

6.1 ¡% ¡ 11.1 ¡% ¡ 13.3 ¡% ¡

0,5 ¡

PyromelliQc ¡β-­‑CD-­‑based ¡nanosponge ¡bioconjugates ¡as ¡signal ¡enhancement ¡tools* ¡

0,5 ¡

Prepara.on ¡of ¡NS-­‑Ab-­‑HRP: ¡ ¡

• 1. The ¡ carboxyl ¡ groups ¡ of ¡ βNS-­‑PYRO(1:8) ¡

were ¡ac.vated ¡with ¡1-­‑ethyl-­‑3-­‑(3-­‑dimethyl-­‑ aminopropyl) ¡ carbodiimide ¡ hydrochloride ¡ (EDC) ¡and ¡N-­‑hydroxysuccinimide ¡(NHS) ¡and ¡ then ¡ reacted ¡ with ¡ an ¡ excess ¡ of ¡ an.-­‑IgG ¡ an.body. ¡ 2. The ¡ unreacted ¡ COOH ¡ groups ¡ were ¡ deac.vated ¡with ¡ethanolamine. ¡

• 3. NS-­‑Ab ¡ nanopar.cles ¡ were ¡ then ¡ loaded ¡

with ¡horseradish ¡peroxidase ¡(HRP). ¡ Sandwich ¡ construc.ons ¡ used ¡ in ¡ enzyme-­‑linked ¡ colorimetric ¡ assays ¡ with ¡Ab-­‑HRP ¡(lel) ¡and ¡NS-­‑Ab-­‑HRP ¡ (right). ¡

Gliadin ¡ Target ¡an.-­‑gliadin ¡an.body ¡ Streptavidin-­‑coated ¡plate ¡ *Ewelina ¡Wajs, ¡Fabrizio ¡Caldera, ¡Francesco ¡Tro^a ¡and ¡Alex ¡Fragoso, ¡Peroxidase-­‑encapsulated ¡cyclodextrin ¡ nanosponge ¡ immunoconjugates ¡ as ¡ a ¡ signal ¡ enhancement ¡ tool ¡ in ¡ opQcal ¡ and ¡ electrochemical ¡ assays, ¡ Analyst., ¡2014, ¡139 ¡(2),375-­‑380. ¡

PyromelliQc ¡β-­‑CD-­‑based ¡nanosponge ¡bioconjugates ¡as ¡signal ¡enhancement ¡tools ¡

0,5 ¡

• The ¡ op.cal ¡ response ¡ increased ¡ with ¡ both ¡ coa.ng ¡ and ¡ target ¡ concentra.ons ¡ and ¡ the ¡

response ¡is ¡markedly ¡higher ¡in ¡the ¡presence ¡of ¡the ¡NS ¡bioconjugate. ¡ ¡

• The ¡highest ¡sensi.vi.es ¡(taken ¡as ¡the ¡slope ¡of ¡the ¡A ¡vs ¡c ¡curve) ¡were ¡observed ¡at ¡6 ¡µg/

mL ¡coa.ng ¡concentra.on ¡with ¡values ¡of ¡0.78 ¡and ¡0.24 ¡AU ¡mL/µg ¡for ¡NS-­‑Ab-­‑HRP ¡and ¡ Ab-­‑HRP ¡systems, ¡respec.vely. ¡

• 3.2-­‑fold ¡signal ¡enhancement ¡was ¡achieved. ¡

0 ¡µg/mL ¡ 1.5 ¡µg/mL ¡ 3 ¡µg/mL ¡ 6 ¡µg/mL ¡ 0 ¡µg/mL ¡ 1.5 ¡µg/mL ¡ 3 ¡µg/mL ¡ 6 ¡µg/mL ¡

Comparison ¡of ¡the ¡calibra.on ¡curves ¡obtained ¡at ¡different ¡coa.ng ¡concentra.ons ¡(0, ¡1.5, ¡3 ¡and ¡6 ¡µg/mL). ¡

0,5 ¡

• Durable ¡physical ¡adsorpQon ¡of ¡NSs ¡on ¡co.on ¡fibers ¡
• Melatonin ¡loading ¡capacity ¡in ¡the ¡NS: ¡~ ¡8 ¡% ¡
• EncapsulaQon ¡of ¡melatonin ¡confirmed ¡by ¡DSC ¡and ¡XRD ¡analyses ¡
• Zero-­‑order ¡release ¡kineQcs ¡

Melatonin ¡

PreparaQon ¡of ¡funcQonalized ¡co.on ¡fabrics ¡by ¡means ¡of ¡melatonin ¡loaded ¡β-­‑CD ¡NSs* ¡

*M. ¡Mihailiasa, ¡F. ¡Caldera, ¡J. ¡Li, ¡R. ¡Peila, ¡A. ¡Ferri, ¡F. ¡Tro.a, ¡Carbohydrate ¡Polymers, ¡2016, ¡142. ¡ Release ¡kineQcs ¡from ¡loaded ¡co.on ¡fabrics ¡

With ¡NS ¡ Without ¡NS ¡

The Li-Air battery represents an opportunity to design rechargeable batteries using OXYGEN from air. The air moisture and other component can harm seriously metallic Lithium and decrease cell efficiency.

Lithium Air Battery

To ¡increase ¡the ¡energy ¡density, ¡ ¡it ¡is ¡ possible ¡ to ¡ increase ¡ the ¡ difference ¡

• f ¡voltage ¡

¡

For ¡Li-­‑O2 ¡the ¡energy ¡density ¡ is ¡ much ¡ higher ¡ than ¡ the ¡

• ther ¡electrochemical ¡power ¡

sources ¡

Li-­‑air ¡ba.eries ¡

Assembly ¡

Major ¡criQcal ¡issue ¡à à ¡Presence ¡of ¡water ¡

¡

• Water ¡affects ¡the ¡Li2O2/O2 ¡conversion, ¡changes ¡the ¡morphology ¡of ¡the ¡

discharge ¡products ¡and ¡decreases ¡dramaQcally ¡the ¡cell ¡capacity ¡upon ¡cycling. ¡

¡

• At ¡the ¡anode, ¡water ¡promotes ¡the ¡conversion ¡of ¡metallic ¡lithium ¡to ¡LiOH ¡

(dangerous ¡reacQon). ¡

Benefits ¡

• Less ¡expensive ¡than ¡Li-­‑O2 ¡

ba.eries ¡

• More ¡convenient ¡than ¡Li-­‑O2 ¡

also ¡in ¡terms ¡of ¡specific ¡energy ¡

• Ideal ¡ba.ery ¡for ¡future ¡electric ¡

vehicle ¡applicaQons ¡

Synthesis ¡of ¡LC-­‑βCD-­‑citric ¡acid ¡NS ¡

Strategy ¡à à ¡O2 ¡selecQve ¡membrane ¡capable ¡of ¡reducing ¡the ¡entry ¡of ¡water ¡ SoluQon ¡à à ¡dispersion ¡of ¡hydrophilic ¡LC-­‑βCD-­‑citric ¡acid ¡NS ¡in ¡a ¡PVDF-­‑HFP ¡membrane ¡

Result ¡à à ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡the ¡Li–air ¡cell ¡was ¡able ¡to ¡discharge ¡and ¡re-­‑charge ¡for ¡approximately ¡ ¡ ¡145 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ cycles, ¡much ¡more ¡than ¡most ¡of ¡the ¡available ¡results ¡in ¡the ¡literature ¡

• J. ¡Amici, ¡M. ¡Alidoost, ¡C. ¡Francia, ¡S. ¡Bodoardo, ¡S. ¡Mar.nez ¡Crespiera, ¡D. ¡Aman.a, ¡M. ¡Biasizzo, ¡F. ¡Caldera, ¡F. ¡Tro^a, ¡
• Chem. ¡Commun., ¡2016, ¡52, ¡13683-­‑13686 ¡

Without ¡the ¡ membrane ¡ With ¡the ¡ membrane ¡

CMS ¡are ¡microporous ¡carbon ¡solid. ¡ ¡ The ¡dis.nc.on ¡between ¡CMS ¡and ¡porous/ac.vated ¡carbon ¡is ¡ ¡ Related ¡to ¡the ¡presence ¡of ¡microporosity. ¡(< ¡20 ¡Amstrong) ¡ ¡ ¡ The ¡main ¡dis.nc.on ¡is ¡based ¡on ¡the ¡capacity ¡of ¡these ¡two ¡kind ¡

• f ¡carbon ¡materials ¡to ¡separate ¡molecules ¡in ¡gas ¡phase. ¡

Carbon ¡Molecular ¡Sieve ¡

¡The ¡selected ¡nanosponge ¡is ¡subjected ¡to ¡pyrolysis ¡ in ¡ a ¡ “single ¡ step”. ¡ Up ¡ to ¡ 800°C ¡ under ¡ controlled ¡ condi.ons ¡and ¡in ¡nitrogen ¡atmosphere ¡ ¡ ¡

Carbon ¡from ¡pyrolysis ¡of ¡nanosponges ¡

Pyrolysis

Pyrolysis

The pyrolysis conditions are: v Ramp to 10°C/min v Temperature 800°C v 1h isotherm v Nitrogen flux v Cooling to 200°C under N2

SEM

SEM analysis

C-βCD pyro

Synthesis

Gas-Volumetric analysis

Sample Surface Area Micropore Volume Pore Width (m2/g) (cm3/g) (Å) βCD pyro 490-560 0,15 5-13

C-βCD pyro

Microbalance Adsorption of CO2 on C-βCD pyro

Activation mechanism

Activation mechanism:

KOH solid

Sample Surface Area (m2/g) Micropore Volume (cm3/g) Pore Width (Å) C-βCD pyro KOH 1083 0,22 5-16 C-βCD Pyro 560 0,15 5-13

Commercial activated Carbon

See ¡Poster ¡n.1 ¡for ¡further ¡details ¡

Conclusions

¡ Cyclodextrin ¡nanosponges ¡are ¡easily ¡prepared ¡in ¡high ¡yields ¡and ¡ mild ¡reacQon ¡condiQons ¡from ¡molecule ¡of ¡natural ¡origin ¡ ¡ They ¡are ¡very ¡versaQle ¡ ¡and ¡quite ¡cheap ¡material ¡ ¡ They ¡are ¡biodegradable ¡and ¡non ¡toxic ¡ ¡ Cyclodextrin ¡nanosponges ¡behave ¡as ¡superior ¡drug ¡delivery ¡ system ¡ ¡ Cyclodextrin ¡nanosponges ¡are ¡the ¡starQng ¡material ¡for ¡the ¡ producQon ¡of ¡a ¡new ¡Molecular ¡Sieve ¡Carbon ¡ ¡

¡ ¡

Some ¡published ¡review ¡on ¡cyclodextrin ¡nanosponges ¡ Trotta, F. Cyclodextrin Nanosponges and Their Applications. In Cyclodextrins in Pharmaceutics, Cosmetics and Biomedicine: Current and Future Industrial Applications; Bilensoy, E., Ed.; John Wiley & Sons: Hoboken, NJ, USA, 2011; pp 323–342. ¡

• Swanimathan S, Cavalli R., Trotta F. Wire 8, 579 2016
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• Dom.Brev. ¡It ¡TO2010A000174 ¡
• EP ¡10425402 ¡
• Dom.Brev. ¡It ¡TO2011A000372 ¡
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• Dom ¡Brev. ¡It ¡ ¡BO2012A000710 ¡ ¡ ¡
• Dom.Brev. ¡It. ¡MI2001A000365 ¡
• WO ¡03/085002 ¡A1 ¡
• WO ¡2006/002814 ¡A1 ¡
• Dom.Brev. ¡It ¡MI2004A000614 ¡
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• ¡PCT/EP2014072142 ¡

¡

NS ¡ ¡team ¡@ ¡unito ¡2016 ¡