In vitro exposure to fullerene C60 influences redox state and lipid peroxidation in brain and gills from Cyprinus carpio (Cyprinidae)

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Water-soluble fullerene (C60) derivatives as nonviral gene-delivery vectors.

A new class of water-soluble C60 transfecting agents has been prepared using Hirsch-Bingel chemistry and assessed for their ability to act as gene-delivery vectors in vitro. In an effort to elucidate the relationship between the hydrophobicity of the fullerene core, the hydrophilicity of the water-solubilizing groups, and the overall charge state of the C60 vectors in gene delivery and expression, several different C60 derivatives were synthesized to yield either positively charged, negatively charged, or neutral chemical functionalities under physiological conditions. These fullerene derivatives were then tested for their ability to transfect cells grown in culture with DNA carrying the green fluorescent protein (GFP) reporter gene. Statistically significant expression of GFP was observed for all forms of the C60 derivatives when used as DNA vectors and compared to the ability of naked DNA alone to transfect cells. However, efficient in vitro transfection was only achieved with the two positively charged C60 derivatives, namely, an octa-amino derivatized C60 and a dodeca-amino derivatized C60 vector. All C60 vectors showed an increase in toxicity in a dose-dependent manner. Increased levels of cellular toxicity were observed for positively charged C60 vectors relative to the negatively charged and neutral vectors. Structural analyses using dynamic light scattering and optical microscopy offered further insights into possible correlations between the various derivatized C60 compounds, the C60 vector/DNA complexes, their physical attributes (aggregation, charge) and their transfection efficiencies. Recently, similar Gd@C60-based compounds have demonstrated potential as advanced contrast agents for magnetic resonance imaging (MRI). Thus, the successful demonstration of intracellular DNA uptake, intracellular transport, and gene expression from DNA using C60 vectors suggests the possibility of developing analogous Gd@C60-based vectors to serve simultaneously as both therapeutic and diagnostic agents.

Fulereno[C60]: química e aplicações

Fullerene chemistry has become a very active research field in the two last decades, largely because of the exceptional properties of the C60 molecule and the variety of fullerene derivatives that appear to be possible. In this review, a general analysis of fullerene C60 reactivity is performed. The principal methods for the covalent modification of this fascinating carbon cage are presented. The prospects of using fullerene derivatives as medicinal drugs and photoactive materials in light converting devices are demonstrated.

Étude de l'association supramoléculaire à l'état solide des fullerènes C60 et C70 avec des dérivés triptycényles fonctionnalisés

Le fullerène C60 est une molécule sphérique composée exclusivement d'atomes de carbone. Ce composé possède une surface aromatique convexe homogène et peut s'associer, entre autres, avec des molécules possédant des surfaces aromatiques par des interactions non-covalentes. Le triptycène est une molécule en forme de "Y" qui possède des surfaces aromatiques convexes. Cette molécule possède l'habileté de s'associer avec le C60 par des interactions de type π qui sont amplifiées par la complémentarité des surfaces concaves et convexes impliquées dans les arrangements cristallins. Nous avons synthétisé des dérivés triptycényles portant des groupements fonctionnels aux extrémités des bras de ce noyau de façon à étendre les cavités disponibles pour interagir avec le C60. En effet, nous avons découvert que les atomes de chlore, de brome et d'iode ainsi que les groupements méthyle permettent d'étendre les surfaces disponibles pour interagir avec les fullerènes C60 et C70. Nous avons étudié les associations entre les dérivés triptycényles et les fullerènes par l'analyse des structures cristallographiques résolues par diffraction des rayons-X. De plus, nous avons étudié les associations entre les molécules considérées par l'analyse des surfaces d'Hirshfeld entourant les fullerènes. Découlant de ces études, l'effet d'amplification des atomes de chlore, de brome et d'iode ainsi que les groupements méthyle a été employé pour identifier de nouveaux solvants aptes à solubiliser efficacement le C60.

Association supramoléculaire à l'état solide des fullerènes C60 et C70 avec le centrohexaindane

Le fullerène C60, une molécule sphérique, et le C70, un analogue ellisoïde, sont des composés aromatiques convexes constitués exclusivement d'atomes de carbone. La nature aromatique de la surface de ces cages de carbone rend possible leur association à l'état solide avec d'autres molécules aromatiques de topologie complémentaire. En particulier, l'association des fullerènes avec des composés présentant des motifs concaves aromatiques, via une association de type concave-convexe, est favorable. En effet, les interactions π•••π de type concave-convexe sont amplifiées grâce à la complémentarité topologique des partenaires impliqués. Le centrohexaindane est un hydrocarbure non planaire rigide qui a été synthétisé pour la première fois en 1988 par Kuck et collaborateurs. Cette molécule possède quatre surfaces aromatiques concaves orientées dans une géométrie tétraédrique qui sont susceptibles d'interagir favorablement avec les fullerènes. Nous avons ainsi avec succès cocristallisé le centrohexaindane avec les fullerènes C60 et C70. Puis, nous avons étudié les assemblages à l'état solide entre le centrohexaindane et les fullerènes par l'analyse des structures résolues via diffraction des rayons X. Les surfaces concaves aromatiques du centrohexaindane se sont révélées être propices à une association avec les fullerènes C60 et C70 via des interactions π•••π de type concave-convexe, tel que prévu. En outre, nous avons découvert que les liaisons C-H situées à la périphérie du centrohexaindane prennent part à une multitude de contacts C-H•••π avec les molécules de fullerène. Les échantillons de cocristaux composés de centrohexaindane et de fullerène ont aussi été caractérisés par diffraction de poudre des rayons X et par analyse thermogravimétrique dans le but d'en évaluer l'homogénéité.

Signature optique d’effet Stark dans une bicouche de CuPc:C60

Les hétérojonctions formées de deux matériaux, un donneur et un accepteur (D/A), sont la base de la majorité des mélanges photovoltaïques organiques. Les mécanismes de séparation des charges dans ces systèmes représentent aujourd'hui l'un des sujets les plus chauds et les plus débattus dans ce domaine. Nous entrons au coeur de ce débat en choisissant un système D/A à base de phtalocyanine de cuivre (CuPc) et de fullerène (C60). Pour sonder les états excités de nos molécules et obtenir de l'information sur les phénomènes à l'interface D/A, nous réalisons une expérience pompe-sonde, appelée absorption photoinduite (PIA). Nous y mesurons le changement fractionnaire de transmission au travers de l'échantillon. Les mesures de PIA sont réalisées à l'état de quasi équilibre, à T=10K. Nous observons une modulation prononcée dans la région du photoblanchiment de l'état fondamental qui nous indique que la pompe induit un décalage du spectre d'absorption de l'état fondamental. Ce décalage peut être expliqué par deux processus : soit l'échantillon est chauffé par la pompe (effet thermique) ou bien des charges sont créées à l'interface entre les deux matériaux (effet Stark). La dépendance en température du spectre d'absorption entre 10K et 290K montre une signature thermique pour un changement de température de 80K. Grâce au ratio des raies Raman anti-Stokes et Stokes, nous démontrons que la pompe chauffe l'échantillon de 34 K, température insuffisante pour attribuer notre signal à un effet thermique. Nous évaporons ensuite la bicouche CuPc/C60 sur de l'ITO et du saphir, substrats qui possèdent des conductivités thermiques différentes et nous observons le même signal de PIA, excluant par le fait même l'hypothèse de l'effet thermique. Puisque notre étude est comparable à la spectroscopie à effet Stark, nous procédons à une analyse similaire en comparant notre signal de PIA au spectre de la transmittance et à ses dérivés première et seconde. Nous observons alors que notre signal reproduit presque parfaitement la dérivée seconde de la transmittance. Ces résultats sont conformes à une signature optique d'effet Stark due à la création de charges à l'interface D/A.

Estudo do transporte eletrônico em nanoestruturas baseadas em carotenoides e tétrades com fulereno C60

Neste Trabalho é apresentado um estudo teórico da estrutura eletrônica de uma molécula de fulereno C60 com junções em quatro terminais baseados em grupos doadores de elétron – etratiofulvaleno (TTF) – e grupos aceitadores de elétrons – fenilpropanodinila (FPP) e dispositivos moleculares baseados em derivados dos Carotenoides. O mecanismo de transporte investigado para os derivados dos Carotenoides foram utilizados para o melhor entendimento das curvas de Fowler- Nordheim (FN) e Millikan-Lauritsen (ML) para os sistemas baseados em fulereno C60. Em todos os casos foi possível confirmar que a análise empírica de Millikan-Lauritsen (ML) também é suficiente para descrever em todos os aspectos a espectroscopia de voltagem de transição (TVS). Para estudar os sistemas, foram feitas otimizações de geometria sistematicamente e observado uma transferência eletrônica calculada por métodos derivados de Hartree-Fock e Teoria do Funcional Densidade (DFT). Os resultados apresentados mostram um estudo detalhado do rearranjo de carga molecular para a estrutura, que sob a ação de um campo elétrico externo apontou que o transporte de carga está diretamente ligado ao tipo de junção que esse sistema é submetido de forma que a voltagem aplicada é intensa o bastante para criar um potencial de saturação nos sistemas em estudo: fulereno C60 com três terminais de tetratiofulvaleno e um terminal de fenil-propanodinila (C60-(TTF)₃-FPP); fulereno C60 com quatros terminais de fenil-propanodinila (C60-(FPP)₄). Os resultados mostram que se tem um retificador molecular que pode trabalhar corretamente como um retificador macroscópico.

Fullerene-capped copolymers for bulk heterojunctions: device stability and efficiency improvements

A fullerene end-capped polymer-compatibilizer based on poly(3-hexylthiophene) (P3HT) was synthesized and demonstrated to have a remarkable effect on both the stability and efficiency of devices made from exemplar P3HT and [6,6]-phenyl C61-butyric acid methyl ester (PCBM). P3HT with ethynyl chain-ends and α-azido-ω-bromo-PS were prepared via Grignard metathesis (GRIM) and atom transfer radical polymerisation, respectively. “Click” chemistry resulted in the preparation of poly(3-hexylthiophene)-block-ω-bromo-polystyrene (P3HT-b-PS-Br), and subsequent atom transfer radical addition chemistry with fullerene (C60) yielded the donor–acceptor block copolymer P3HT-b-PS-C60. Both P3HT-b-PS-Br and P3HT-b-PS-C60 were considered as compatibilizers with P3HT/PCBM blends, with the study detailing effects on active-layer morphology, device efficiency and stability. When used at low concentrations, both P3HT-b-PS-Br (1%) and P3HT-b-PS-C60 (0.5%) resulted in considerable 28% and 35% increases in efficiencies with respect to devices made from P3HT/PCBM alone. Furthermore, P3HT-b-PS-C60 (0.5%) resulted in an important improvement in device stability.

Interação da cianotoxina microcistina e o nanomaterial de carbono fulereno (C60) em brânquias do peixe Cyprinus carpio (Teleostei: Cyprinidae) sob incidência de radiação UVA

A produção mundial de nanomateriais tem aumentado nos últimos anos, em função de suas variadas aplicações tecnológicas e, como consequência do seu crescente uso e demanda, poderão existir riscos ambientais sendo a água o ambiente onde muitas destas substâncias podem exercer efeitos deletérios. Um dos nanomaterias de carbono mais utilizados é o fulereno, um composto orgânico lipofílico que pode se comportar como carreador de moléculas tóxicas, potencializando a entrada de contaminantes ambientais em órgãos específicos, fenômeno conhecido como “cavalo de Troia”. As microcistinas (MC) são cianotoxinas produzidas por cianobactérias durante episódios de floração, afetando aos organismos aquáticos e ao ser humano. Diversos estudos demonstram que organismos expostos tanto às MCs quanto ao fulereno podem causar produção excessiva de espécies ativas de oxigênio e alterar os níveis de antioxidantes. Além disso, outro fator que pode vir a intensificar o potencial tóxico de ambos é a incidência de radiação UVA. Sendo assim, procurou-se avaliar os efeitos em parâmetros de estresse oxidativo da co-exposição ex vivo da cianotoxina microcistina-LR (MC-LR) e o nanomaterial de carbono fulereno em brânquias do peixe Cyprinus carpio sob incidência de radiação UVA. Os resultados mostraram que: (a) houve uma perda da capacidade antioxidante no tratamento com MC-LR (baixa concentração) quando coexposta com fulereno no UVA em relação com o tratamento realizado sem co-exposição com fulereno; (b) o fulereno no UV diminuiu a atividade da enzima glutationa-Stransferase (GST) quando comparado com o controle no UV; (c) a MC-LR (alta concentração) co-exposta com fulereno foi capaz de diminuir as concentrações do antioxidante glutationa (GSH) quando comparado com o mesmo tratamento tanto no UVA quanto no escuro sem a co-exposição ao fulereno; (d) o tratamento MC-LR (baixa concentração) com UVA aumentou o dano oxidativo lipídico quando comparado com o controle UVA; (e) o fulereno não causou uma maior bioacumulação da microcistina no tecido. Sendo assim, pode-se concluir que o fulereno não apresentou o potencial de carregador de moléculas nessas concentrações de microcistina, porém, a co-exposição dos compostos diminuem tanto capacidade antioxidante total, como a concentração da GSH, podendo gerar problemas a longo prazo na detoxificação da toxina.

Otimização e validação de um método para o preparo de suspensões e determinação de fulereno n-C60 em matriz aquosa

Com o aumento da produção do fulereno C60 e sua aplicação comercial é previsível que este composto acabe sendo liberado no ambiente, tornando-se um contaminante. Em razão das suas características físico-químicas e sua capacidade de formar agregados (n-C60) quando em contato com a água, o C60 pode se tornar um carreador de outros contaminantes (como metais e compostos orgânicos), facilitando a sua entrada nos organismos. Neste sentido, a sua toxicidade (tanto de forma isolada como em associação com outros contaminantes) vem sendo avaliada. Sendo assim, a fim de viabilizar os estudos com C60, uma metodologia para preparo de suspensões aquosas foi validada, sendo quantificada por CLAE/UV-Vis. As suspensões foram preparadas sem a adição de solvente de duas formas distintas, com aquecimento (50ºC) e à temperatura ambiente (≈20 ºC), onde se mantiveram sob agitação constante e exposição à luz artificial por até 2 meses. A cada 15 dias a suspensão foi quantificada. Além disso, três métodos distintos de extração e pré-concentração (extração líquido-líquido (ELL), extração em fase sólida (EFS) e micro-extração dispersiva líquido-líquido (MEDLL)) foram validados e comparados quanto a sua eficiência. Coeficientes de correlação ≥ 0,99 foram obtidos para as curvas de calibração. Os LDM e LQM foram de 0,08 e 0,3 ng mL-1 para EFS e ELL, considerando o fator de concentração de 500 vezes, e de 0,8 e 3,0 ng mL-1 para a MEDLL, considerando o fator de concentração de 50 vezes, respectivamente. A precisão (intermediária e repetitividade) variou entre 0,46 e 4,03 (%RSDpi) e entre 0,69 e 3,59 (%RSDr), enquanto que a exatidão ficou entre 72,3 e 85,6% para ELL, 86,1 e 115,5% para a EFS e 87,9 e 111,4% para MEDLL. Com base nestes parâmetros relativos a análise de suspensões aquosas de C60, a EFS foi considerada o método mais eficiente. O aquecimento se mostrou relevante no tamanho dos agregados, que foram significativamente maiores na suspensão sem aquecimento, porém o tempo de preparo da suspensão não influenciou na concentração final da suspensão. Portanto, recomenda-se o preparo das suspensões aquosas de C60 sem aquecimento por um período de agitação de 30-45 dias.

Síntese de um novo polímero conjugado e reticulável e sua aplicação em células fotovoltaicas

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Química e Biológica

Fluorescence in nanostructured fulleride films

Applied Physics Letters, 89

Effect of triplet encapsulated atoms in [60] fullerenes: a theoretical analysis

The present investigation reports on the interaction of the C/O triplet atoms inside of the [60] fullerene (C60) species with small polar molecules (H²O, CH³OH, HF, NH³) using Density Functional Theory (DFT) calculations. The calculations show that in all the computed cases the encapuslated complexes with the molecules are more stable than without internal atoms.

Stimuli-responsive Novel Amphiphilic Polymers for Chemical and Biomedical Applications

Amphiphilic polymers are a class of polymers that self-assemble into different types of microstructure, depending on the solvent environment and external stimuli. Self assembly structures can exist in many different forms, such as spherical micelles, rod-like micelles, bi-layers, vesicles, bi-continuous structure etc. Most biological systems are basically comprised of many of these organised structures arranged in an intelligent manner, which impart functions and life to the system. We have adopted the atom transfer radical polymerization (ATRP) technique to synthesize various types of block copolymer systems that self-assemble into different microstructure when subject to an external stimuli, such as pH or temperature. The systems that we have studied are: (1) pH responsive fullerene (C60) containing poly(methacrylic acid) (PMAA-b-C60); (2) pH and temperature responsive fullerene containing poly[2-(dimethylamino)ethyl methacrylate] (C₆₀-b-PDMAEMA); (3) other responsive water-soluble fullerene systems. By varying temperature, pH and salt concentration, different types microstructure can be produced. In the presence of inorganic salts, fractal patterns at nano- to microscopic dimension were observed for negatively charged PMAA-b-C60, while such structure was not observed for positively charged PDMAEMA-b-C60. We demonstrated that negatively charged fullerene containing polymeric systems can serve as excellent nano-templates for the controlled growth of inorganic crystals at the nano- to micrometer length scale and the possible mechanism was proposed. The physical properties and the characteristics of their self-assembly properties will be discussed, and their implications to chemical and biomedical applications will be highlighted.

Fabrication and characterization of hybrid ferromagnetic-organic heterostructures for spintronics application

Recent research in the field of organic spintronics highlighted the peculiar spin-dependent properties of the interface formed by an organic semiconductor (OSC) chemisorbed over a 3d ferromagnetic metal, also known as spinterface. The hybridization between the molecular and metallic orbitals, typically π orbitals of the molecule and the d orbitals of the ferromagnet, give rise to spin dependent properties that were not expected by considering the single components of interfaces, as for example the appearance of a magnetic moment on non-magnetic molecules or changes in the magnetic behavior of the ferromagnet. From a technological viewpoint these aspects provide novel engineering schemes for spin memory and for spintronics devices, featuring unexpected interfacial magnetoresistance, spin-filtering effects and even modulated magnetic anisotropy. Applications of these concepts to devices require nevertheless to transfer the spinterface effects from an ideal interface to room temperature operating thin films. In this view, my work presents for the first time how spinterface effects can be obtained even at room temperature on polycrystalline ferromagnetic Co thin films interfaced with organic molecules. The considered molecules were commercial and widely used in the field of organic electronics: Fullerene (C60), Gallium Quinoline (Gaq3) and Sexithiophene (T6). An increase of coercivity, up to 100% at room temperature, has been obtained on the Co ultra-thin films by the deposition of an organic molecule. This effect is accompanied by a change of in-plane anisotropy that is molecule-dependent. Moreover the Spinterface effect is not limited to the interfacial layer, but it extends throughout the whole thickness of the ferromagnetic layer, posing new questions on the nature of the 3d metal-molecule interaction.