NANOMATERIALI PER SOLUZIONI INNOVATIVE NELLA SALVAGUARDIA DEI BENI CULTURALI

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1 NANOMATERIALI PER SOLUZIONI INNOVATIVE NELLA SALVAGUARDIA DEI BENI CULTURALI (CUP J15C ) Progetto di ricerca cofinanziato dalla Il percorso di ricerca è stato svolto nel corso del Con questo progetto si è voluto dimostrare che con le soluzioni di nanoparticelle a base di rame è possibile mettere a punto una metodologia di disinfestazione di materiali organici d interesse storico-artistico da mettere a disposizione a soggetti coinvolti nella tutela e conservazione di questi reperti. Abbiamo testato la validità delle nanoparticelle a base di rame come una metodologia innovativa, estremamente efficace per tenere sotto controllo lo stato di conservazione dei reperti organici. Per stabilire l'efficacia di questa metodologia sono stati necessari test distruttivi su campioni antichi e recenti degradati in modo naturale o artificiale. E stato necessario caratterizzare le nanoparticelle per studiarne le caratteristiche chimico-fisiche e selezionare i prodotti più compatibili con il restauro e conservazione dei reperti. INTRODUZIONE I campioni organici analizzati sono stati tutti prelevati da teste umane Mummificate e uno di pelle moderna che è servito per il confronto. Per l effettuazione delle analisi, è stata utilizzata la tecnica di spettrofotometria in assorbimento IR in trasformata di Fourier perché in tempi brevi e con piccole quantità di campioni ha fornito adeguate informazioni sui gruppi funzionali delle molecole. L obiettivo che ci si è prefissati di raggiungere, è stato capire il grado di conservazione dei tessuti umani mummificati per valutare la formulazione più idonea di un prodotto a base di nano particelle di rame che svolga una funzione protettiva nei confronti dei tessuti organici soggetti ad attacchi di muffe e batteri. Le mummie sottoposte ad analisi avevano tutte subito un processo di ASP - ASSOCIAZIONE PER LA PROMOZIONE DELLO SVILUPPO SCIENTIFICO E TECNOLOGICO DEL PIEMONTE Sede di Corso Trento, TORINO Tel /Fax info@asp.torino.it - Domicilio Elettronico dell Impresa: corep.pec.amm@pec.it - C.F

2 2 imbalsamazione artificiale. STRUMENTAZIONE FT-IR Si è deciso di utilizzare la tecnica FT-IR in trasmissione su pasticche di bromuro di potassio (KBr) in cui i materiali organici prelevati sono stati dispersi in forma di polvere, in questo modo il rumore di fondo è stato decisamente ridotto. Negli ultimi anni, la spettroscopia infrarossa si è imposta quale potente strumento d'indagine nello studio di molecole complesse, in particolare in seguito allo sviluppo ed alla disponibilità di spettrofotometri operanti in trasformata di Fourier, nonché ai progressi raggiunti nella costruzione di più sensibili sistemi di rivelazione, come i detector a semiconduttore. Nella figura sottostante vediamo uno schema di funzionamento di uno spettrofotometro che lavora in trasformata di Fourier (Spettrofotometro FTIR). I campioni sono stati preparati utilizzando delle pastiglie di Bromuro di Potassio. L utilizzo del KBr trova largo impiego nella spettroscopia infrarossa. Essendo trasparente alla luce infrarossa viene usato come supporto per preparare pastiglie in cui il campione da analizzare viene incluso per pressatura o su cui viene spalmato. Tali pastiglie vengono poi poste sul cammino della luce infrarossa per raccoglierne lo spettro.

3 3 LA PELLE E I SUOI COSTITUENTI La pelle è un organo costituito da diversi tessuti la cui funzione è quella di rivestire il corpo umano, assicurare la protezione all'organismo e permettere i rapporti con il mondo esterno. La pelle è composta da 3 tipi di tessuto: - Epidermide - Derma ( che compongono la cute) - Ipoderma L epidermide è la parte della pelle direttamente a contatto con l'esterno, avente essenzialmente la funzione di protezione. E' costituita da 4 strati: basale, spinoso, granuloso e corneo, mentre in sede palmo-plantare presenta un quinto strato (lucido). L'epidermide si accresce dalle cellule basali verso lo strato corneo, con un processo di Cheratinizzazione che ha una durata di 3-4 settimane e che si conclude con la formazione di cheratina (ammassi cornei) a diretto contatto con l'esterno. Il derma si trova sotto all'epidermide con la quale ha intimi rapporti, perché la sostiene, la nutre ed offre sede alle appendici epidermiche, cioè le ghiandole e i peli. Il derma è spesso circa 2-3 mm. ed è costituito da 2 parti: papillare e reticolare; mentre la prima, che è costituita dalle papille e dallo strato subpapillare ha una vita metabolica molto attiva per la sua vicinanza all'epidermide, la seconda può essere considerata come uno stroma di sostegno. Costituenti del derma sono: il collagene, che assicura robustezza alla pelle, l'elastina, che la rende elastica e la sostanza fondamentale, formata da mucopolisaccaridi che ha funzioni di cementante. Nel derma sono presenti i vasi sanguigni, le innervazioni e gli annessi cutanei, cioè le ghiandole sudoripare, i follicoli piliferi, i peli, le ghiandole sebacee e il muscolo del pelo. Nel derma è presente un fitto intreccio di vasi linfatici che si dirigono verso il sottocutaneo o ipoderma. L'epidermide e il derma sono uniti tramite le papille dermiche, cioè dei prolungamenti conici di tessuto connettivo che dal derma si estendono a compenetrare l'epidermide. I capillari sanguigni si portano fino all'apice delle papille e costituiscono la fonte di nutrimento per l'epidermide che non è vascolarizzata. Il disegno superficiale della cute è in rapporto al variare della disposizione e dello spessore delle fibre connettive del derma e questo dà origine ad una precisa disposizione papillare. Questo disegno è così tipico che viene usato per l'identificazione di un individuo con l'impronta digitale. L ipoderma è un tessuto che si trova al di sotto del derma di natura prevalentemente adiposa. La funzione di questo tessuto è quella di cuscinetto, di isolante ed è una riserva di calorie per i periodi di digiuno. L'ipoderma è riccamente innervato e vascolarizzato.

4 4 La struttura e lo sviluppo dell'ipoderma dipendono dalle zone corporee, dall'età, dal sesso, dalla nutrizione e da influenze ormonali soggettive. Con l'avanzare dell'età si verifica una deplezione del tessuto adiposo e questo rende la pelle flaccida ed avvizzita. Le proteine sono tra i composti organici più complessi e sono i costituenti fondamentali di tutte le cellule animali e vegetali. Dal punto di vista chimico, una proteina è un polimero (e anche una macromolecola) di residui amminoacidi, uniti mediante un legame peptidico, spesso in associazione con altre molecole e/o ioni metallici (in questo caso si parla di proteina coniugata). Le proteine hanno una organizzazione tridimensionale (struttura) molto complessa a cui è associata sempre una funzione biologica. Da questa considerazione deriva uno dei dogmi fondamentali della biologia: "Struttura <--> Funzione", nel senso che ad ogni diversa organizzazione strutturale posseduta da una proteina (detta proteina nativa) è associata una specifica funzione biologica. Da questo punto di vista le proteine possono essere classificate in due grandi famiglie: le proteine globulari e le proteine a struttura estesa o fibrosa. La proteina può essere paragonata ad una struttura tridimensionale articolata su 4 livelli, in relazione fra di loro. - La struttura primaria è formata dalla sequenza specifica degli amminoacidi, dalla catena peptidica e dal numero stesso delle catene. - La struttura secondaria: si definisce in questo modo la conformazione locale che assumono tratti più o meno lunghi della catena polipeptidica. Come abbiamo già osservato, la conformazione della catena è fortemente condizionata dalle restrizioni cui devono sottostare le coppie di angoli diedrici, ψ e ϕ, che definiscono la reciproca angolazione di due piani peptidici consecutivi. È quindi intuitivo comprendere come la struttura secondaria sia in buona parte correlata con la

5 5 sequenza amminoacidica (struttura primaria) della proteina. Un altro contributo determinante alla organizzazione conformazionale della catena deriva dalla tendenza a generare ripiegamenti che consentano di ottimizzare la formazione di legami a ponte di idrogeno intracatena. I legami a H hanno di fatto un ruolo fondamentale nella genesi di conformazioni della massima stabilità. In sintesi, sono quindi due i fattori che determinano la struttura secondaria di una proteina e che hanno l'effetto di rendere minima l'energia potenziale della molecola: minimizzazione dell'ingombro sterico fra i gruppi R ottimizzazione della formazione di legami H intracatena Il risultato di queste restrizioni fa sì che gli elementi di struttura secondaria si possano ricondurre sostanzialmente a tre sole diverse tipologie stabili: α-elica strutture β anse o ripegamenti (loop) - La struttura terziaria (dal punto di vista della termodinamica è la forma con la più bassa energia libera) è rappresentata dalla configurazione tridimensionale che la catena polipeptidica assume nell'ambiente in cui si trova. Viene consentita e mantenuta da diversi fattori, come i ponti disolfuro, e le forze di Van der Waals. Ma fondamentali all'aggregazione sono le chaperonine, proteine chiamate anche "dello stress" o "dello shock termico", per il loro ruolo nella rinaturazione delle proteine denaturate. Gran parte delle strutture terziarie può essere classificato come globulare o fibrosa. - La struttura quaternaria è quella che deriva dall'associazione di due o più unità polipeptidiche, unite tra loro da legami deboli (e a volte ponti disolfuro) in un modo molto specifico, come ad esempio avviene nella costituzione dell'enzima fosforilasi, costituito da quattro sub-unità, o dall'emoglobina, la molecola responsabile del trasporto dell'ossigeno nell'organismo. Un gran numero di polipeptidi sintetici sono statti studiati con la tecnica FTIR per la caratterizzazione degli spettri infrarossi di proteine con una determinato contenuto di struttura secondaria. I risultati ottenuti sono stati analizzati per mezzo di modelli teorici e confrontati con i risultati ottenuti su proteine. Il gruppo peptidico, l unità strutturale ripetitiva delle proteine, dà origine a 9 bande caratteristiche dette Amide A, B, I, II, VII.

6 6 I lipidi (detti anche grassi, dal greco lypos, grasso) sono molecole organiche, presenti in natura, raggruppate sulla base delle loro proprietà comuni di solubilità: sono insolubili in acqua (per questo si definiscono idrofobi), mentre sono solubili in solventi organici non polari, come l'etere dietilico o l'acetone. Dal punto di vista chimico si dividono in: SAPONIFICABILI O COMPLESSI: possono essere scissi, mediante idrolisi, in acidi grassi e molecole portanti uno o più gruppi alcolici (gliceridi, fosfolipidi, glicolipidi, cere, steridi); NON SAPONIFICABILI O SEMPLICI: non contengono acidi grassi nella loro struttura (terpeni, steroidi, prostaglandine). La posizione e la forma delle bande non è fissa ma dipende dalla lunghezza della catena idrocarburica dei lipidi, dal grado di idratazione e dalla temperatura alla quale è mantenuto il campione, se cioè il sistema si trova ad una temperatura più o meno vicina alla temperatura della transizione di fase. Nell organismo umano esistono diversi tipi di pigmenti di grande importanza. Il più diffuso è probabilmente la melanina, derivata da una serie di reazioni che hanno come capostipite un amminoacido, la tirosina. La melanina si trova concentrata in particolare in alcuni tessuti fra i quali i più importanti sono la pelle, le mucose, la coroide. La melanina viene secreta da apposite cellule, i melanociti, che sono dotati di prolungamenti dendriti formi tramite i quali il pigmento, sotto forma di granuli di piccolissime dimensioni, viene passato alle cellule epiteliali. Il quantitativo di melanina presente nella pelle determina la colorazione di base della pelle stessa, e varia significativamente da razza a razza, essendo massima nelle razze negre e minima in quelle nordiche. Le mummie sottoposte ad analisi infrarossa provengono tutte dall Egitto, è perciò legittimo supporre che il colore della loro carnagione fosse piuttosto scura o perlomeno olivastra.

7 7 La presenza di melanina nella pelle determina anch essa la presenza di bande caratteristiche nello spettro IR, le quali però risultano di difficile identificazione poiché vanno a cadere in aree dello spettro in cui sono presenti bande di altre molecole con intensità maggiore. Dallo studio della pelle e del suo stato di salute, sono emersi dati differenti a seconda anche del trattamento post-mortem subito dal corpo mummificato. Per meglio investigare le cause del degrado sono state campionati lembi di pelle che presentavano, anche ad occhio nudo, evidenti attacchi da parte di muffe. Su questi campioni sono state eseguite le analisi biologiche. ANTIMICROBICI E FUNGICIDI La crescita dei microrganismi può essere controllata, oltre che con il calore, anche mediante l uso di agenti chimici. Un agente antimicrobico è un composto chimico che uccide i microrganismi o ne inibisce la crescita e può essere sia un composto naturale che un composto chimico di sintesi. Spesso, per designare sostanze dotate di questo tipo di attività, si utilizzano parole composte dal nome del tipo di microrganismo che ne subisce l'azione e dal suffisso cida o statico, che indicano rispettivamente se il composto determini la morte o semplicemente inibisca la crescita del microrganismo. Quindi, un fungicida sarà un composto che provoca la morte di funghi, ma non necessariamente di batteri o alghe, mentre un batteriostatico sarà un composto che inibisce la crescita di batteri. ma non necessariamente di altri tipi di microrganismi. La distinzione tra la capacità di un composto di determinare la morte o l'inibizione della crescita di microrganismi è spesso arbitraria, in quanto lo stesso composto può essere letale ad alte concentrazioni, mentre, a basse concentrazioni, può limitarsi ad avere effetto inibente. Per essere efficace, un agente inibente la crescita deve essere costantemente presente,poiché, se viene rimosso o neutralizzato, il microrganismo che ne subisce l'azione potrebbe, se le condizioni sono favorevoli, ricominciare a crescere. Gli agenti antimicrobici possono essere anche molto diversi tra di loro per quanto riguarda la loro tossicità selettiva. Alcuni sono poco selettivi e hanno effetti simili su tutti i tipi di cellule, altri sono molto più selettiví e possono, ad esempio. essere più tossici per i batteri che per i tessuti animalì. Agenti antimicrobici dotati di tossicità selettiva sono particolarmente utili come chemioterapici per il trattamento delle malattie infettive, in quanto possono essere usati per uccidere i microrganismi patogeni senza danneggiare l'ospite. NANOPARTICELLE A BASE DI RAME (RISULTATI) Per molti secoli la gente ha usato il rame per le sue proprietà antibatteriche. Tuttavia dagli studi effettuati dai ricercatori è emerso che, le nano particelle a base di rame hanno mostrato un attività

8 8 antibatterica migliore di quella del rame stesso. Negli ultimi anni, l azione antibatterica di nanoparticelle, di metalli ed ossidi metallici, è stata studiata adottando varie metodologie per valutare quale fosse la migliore. Traendo insegnamento dai lavori pregressi, le nano particelle sono state sintetizzate in laboratorio usando più metodologie. La migliore è risultata essere quella in elettrolisi utilizzando l energia elettrica. L attività antibatterica è stata quindi valutata dopo un periodo di due mesi sia sui batteri Gram + e Gram -. E emerso che l azione antibatterica delle particelle di rame, sintetizzate in laboratorio, ha inibito in entrambi i casi la crescita dei batteri. Inoltre, le particelle sintetizzate per elettrolisi hanno svolto un azione più efficace rispetto a quelle ottenute per riduzione chimica. Le nano particelle sono state quindi applicate sui campioni organici antichi e recenti i quali sono stati sottoposti a test degradati in modo naturale o artificiale. La positività dei risultati preliminari ottenuti ai quali si aggiungono l economicità, la disponibilità e la non tossicità della particelle di rame, suggeriscono un utilizzo del materiale su campioni organici a favore della preservazione dei reperti antropologici. RICADUTE SUL TERRITORIO I principali settori di applicazione, che sono interessati al progetto proposto, sono quelli legati alla conservazione e al restauro del materiale organico di interesse storico-artistico. Grazie ai risultati dello studio, questa metodologia potrà essere impiegate da numerose PMI presenti sul territorio che si occupano di conservazione e restauro. Le nanoparticelle a base di rame hanno dimostrato grandi potenzialità per la conservazione di materiale di interesse storico-artistico permettendone una migliore salvaguardia. Pertanto le attività sviluppate in questo progetto avranno un immediata risonanza e impatto a livello nazionale. Si fa inoltre presente che potrà essere d aiuto anche per i principali Musei in Italia e all'estero che devono fronteggiare problematiche di degrado acuto delle loro collezioni di materiale organico. Si ringrazia la Camera di commercio di Torino che ha creduto e sostenuto il presente progetto di ricerca.