Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug...

150
Università degli Studi di Trieste XXIII ciclo del Dottorato di Ricerca in Scienze e Tecnologie Chimiche e Farmaceutiche PhD in Chemical and Pharmaceutical Sciences and Technologies Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery Settore scientifico-disciplinare CHIM/06 PhD student PhD School Director Chiara Fabbro Prof. Enzo Alessio Advisor Prof. Maurizio Prato Università degli Studi di Trieste Co-Advisor Dr. Tatiana Da Ros Università degli Studi di Trieste academic year 2009/2010

Transcript of Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug...

Page 1: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

Università degli Studi di Trieste

XXIII ciclo del

Dottorato di Ricerca in Scienze e Tecnologie Chimiche e Farmaceutiche

PhD in Chemical and Pharmaceutical Sciences and Technologies

Carbon Nanotechnologies for Drug

Delivery

Settore scientifico-disciplinare CHIM/06

PhD student PhD School Director

Chiara Fabbro Prof. Enzo Alessio

Advisor

Prof. Maurizio Prato

Università degli Studi di Trieste

Co-Advisor

Dr. Tatiana Da Ros

Università degli Studi di Trieste

academic year 2009/2010

Page 2: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then
Page 3: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

Table of Contents

Abbreviations I

Abstract III

Riassunto V

1 INTRODUCTION 1

1.1 Carbon nanotubes 1

1.2 CNT functionalization 3

1.2.1 Non-covalent functionalization 4

1.2.2 Covalent functionalization 4

1.2.2.1 Oxidation and defect site chemistry 6

1.2.2.2 1,3-dipolar cycloaddition of azomethine ylides 7

1.3 CNT characterization 7

1.3.1 UV-vis-NIR spectroscopy 8

1.3.2 Resonant Raman spectroscopy 9

1.3.3 Thermogravimetric analysis (TGA) 11

1.3.4 TGA-coupled mass spectrometry (TGA-MS) 11

1.3.5 Transmission electron microscopy (TEM) 12

1.3.6 Atomic force microscopy (AFM) 12

1.4 CNT Toxicity 13

1.5 CNT as delivery system for cancer 16

1.5.1 Uptake Mechanism 18

1.5.2 Delivery of antineoplastic chemotherapeutic drugs 24

1.5.3 Delivery of nucleic acids 37

1.6 Alternative CNT-based anticancer strategies 39

1.6.1 Thermal ablation 40

1.6.2 Radiotherapy & BNCT 42

1.7 References 43

2 SHORTENING OF SWCNTs 53

Page 4: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

Table of Contents

2.1 Oxidative shortening of SWCNTs 53

2.1.1 Re-pristinization of the oxidized SWCNTs 57

2.1.2 Sodium Hydroxide washing 60

2.2 Mechanochemical shortening of SWCNTs 63

2.3 Acknowledgments 71

2.4 References 71

3 CONJUGATION OF ANTIBODIES TO CNTs 73

3.1 IgG-DWCNT 74

3.1.1 Preparation 74

3.1.2 Characterization 77

3.2 Fab’-MWCNT and scFv-MWCNT 81

3.2.1 Preparation 82

3.2.2 Characterization 87

3.2.3 Preliminary biological results 91

3.3 Acknowledgments 95

3.4 References 95

4 CONJUGATION OF DOXORUBICIN TO CNSs 97

4.1 Fullerene derivatives 98

4.1.1 Synthesis 98

4.1.2 Spectroscopic characterization 101

4.2 CNT derivatives: preparation and characterization 102

4.3 Preliminary biological results with fullerene derivatives 109

4.4 Acknowledgments 112

4.5 References 113

5 EXPERIMENTAL PART 115

5.1 Materials and Methods 115

5.2 Instrumentation 116

5.3 Experimental Procedures 118

5.3.1 Organic compounds 118

5.3.2 Fullerene derivatives 122

5.3.3 Antibodies 126

Page 5: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

Table of Contents

5.3.4 CNT derivatives 127

5.4 References 138

Page 6: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then
Page 7: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

I

Abbreviations

°C degree Celsius µm micrometre 111In Indium 111 2-IT 2-iminothiolane Å Angstrom a.a. aminoacid Ab antibody AcOEt ethyl acetate AFM atomic force microscopy Alloc allyloxycarbonyl aq. aqueous Ar Argon Boc tert-butoxycarbonyl C carbon CH2Cl2 dichloromethane CNS carbon nanostructure CNT carbon nanotube CO carbon monoxide DIEA N,N-diisopropylethylamine DiOC6 3,3′-dihexyloxacarbocyanine iodide DMF N,N-dimethylformamide DMSO dimethylsulfoxide DOS density of states DTNB 5,5'-dithio-bis-(2-nitrobenzoic acid) DTPA diethylenetriaminepentaacetic acid or diethylenetriaminepentaacetic dianhydride DWCNT double-walled carbon nanotube EDC·HCl N-ethyl-N′-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimide hydrochloride EDTA ethylenediaminetetraacetic acid ESI-MS electrospray ionization mass spectrometry Et2O diethyl ether Fab’ antigen-binding fragment FITC fluorescein isothiocyanate GFLG glycine-phenylalanine-leucine-glycine h hour/hours H2 hydrogen (molecular) H2O water H2SO4 sulphuric acid HCl hydrochloric acid He Helium HEPES 4-(2-hydroxyethyl)-1-piperazineethanesulfonic acid HNO3 nitric acid HOBt 1-hydroxybenzotriazole

IC50 half maximal inhibitory concentration

Page 8: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

Abbreviations

II

ID injected dose IgG immunoglobulin G IgG-SH thiol-bearing immunoglobulin G KMnO4 potassium permanganate MALDI-TOF-MS matrix-assisted laser desorption/ionization time-of-flight mass spectrometry MeOH methanol MFI mean fluorescence intensity min minute/minutes mm millimetre MW microwave or molecular weight MWCNT multi-walled carbon nanotube N2 Nitrogen (molecular) NaHCO3 sodium bicarbonate (or sodium hydrogen carbonate) NaOH sodium hydroxide NHS N-hydroxysuccinimide nm nanometre NMR Nuclear magnetic resonance O2 Oxygen (molecular) PBS phosphate buffered saline Pd(PPh3)4 palladium tetrakis p-HCHO paraformaldehyde Pht phthalimide PI propidium iodide PyAOP (7-azabenzotriazol-1-yloxy)tripyrrolidinophosphonium hexafluorophosphate r.t. room temperature RBM radial breathing mode RPM revolutions per minute scFv single-chain variable fragment SDBS sodium dodecylbenzenesulfonate s-DWCNT shortened double-walled carbon nanotube s-MWCNT shortened multi-walled carbon nanotube SO3 sulphuric anhydride SPR surface plasmon resonance s-SWCNT shortened single-walled carbon nanotube SWCNT single-walled carbon nanotube TB trypan blue Tc Technetium TEA triethylamine TEM transmission electron microscopy TFA trifluoroacetic acid TGA thermogravimetric analysis TGA-MS TGA-coupled mass spectrometry THF tetrahydrofuran TLC thin layer chromatography TM-AFM tapping mode-AFM UV-vis-NIR ultraviolet-visible-near infrared

Page 9: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

III  

Abstract 

Nanotechnology underwent a very rapid development in the last decades, thanks to the 

invention of different  techniques  that allow  reaching  the nanoscale. The great  interest  in  this 

area arises from the variety of possible applications in different fields, such as electronics, where 

the miniaturization  of  components  is  a  key  factor,  but  also medicine.  The  creation  of  smart 

systems able to carry out a specific task in the body in a controlled way, either in diagnosis or in 

therapy,  is  the ultimate  goal of  a newborn  area of  research,  called nanomedicine.  In  fact,  to 

reach such an outstanding objective, a nanometre‐sized vector is needed and carbon nanotubes 

(CNTs) are among the most promising candidates. 

The  aim  of  this  thesis was  to  study  this  opportunity,  and  in  particular,  the  possible 

application of carbon nanostructures for drug delivery. 

In  the  Introduction  (Chapter  1),  an  overview  on  CNTs  is  given,  explaining  their main 

features  and  the  key  issues  associated  with  their  manipulation.  The  different  existing 

possibilities  for  CNT  functionalization  are  described,  focusing  the  attention  on  the  covalent 

approaches  exploited  in  this  thesis,  namely  oxidation  and  subsequent  amidation  of  carboxyl 

groups,  and  1,3‐dipolar  cycloaddition  of  azomethine  ylides.  The  main  characterization 

techniques  used  are  then  described,  illustrating  their  advantages  and  their  limitations. 

Subsequently,  the  very  controversial  issue  of  CNT  toxicity  is  analysed,  in  terms  of  possible 

consequences to CNT exposure and risk for the workers in the field. Finally, a detailed account of 

the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of 

non‐covalent approaches, and then focusing on the different targeted strategies studied so far in 

CNT‐based nanomedicine. 

In  Chapter  2,  a  study  on  shortening  of  single‐walled  carbon  nanotubes  (SWCNTs)  is 

presented,  as  a  strategy  to  obtain  a more  soluble material,  quite  important  for  any medical 

application.  Two  different  options  are  explored.  In  the  first  part,  an  oxidative  treatment  of 

SWCNTs,  with  a  mixture  of  oleum  and  nitric  acid,  is  described,  reporting  a  detailed 

characterization,  for  the  production  of  shortened  and  disentangled  CNTs,  bearing  carboxyl 

groups, with a big  improvement  in dispersibility. Subsequently, an alkaline  treatment,  for  the 

removal of  the amorphous carbonaceous material  introduced with  the oxidation,  is  shown.  In 

addition, a laser‐mediated re‐pristinization of the oxidized SWCNTs is reported for the first time. 

Page 10: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

Abstract 

IV  

In the second part of Chapter 2, a mechanochemical shortening of SWCNTs is presented, 

as an alternative to the wet chemistry approach. Different complementary characterizations of 

the  SWCNTs  obtained  are  shown,  to  highlight  the  very  interesting  possibility  to  control  the 

quality of the final product, by tuning experimental conditions. 

In Chapter 3, the covalent conjugation of CNTs and antibodies  (Abs)  is presented, with 

the aim of  studying  two different opportunities. Abs could mediate  the  specific  targeting of a 

CNT‐based nanovector with possible applications  in both  therapy and diagnosis. On  the other 

hand,  CNTs  could mediate  the  cellular  uptake  of  Abs,  thus  paving  the  way  to  a  variety  of 

unexplored  intracellular, Ab‐based,  therapeutic possibilities. The preparation of different kinds 

of  covalent  Ab‐CNT  conjugates  is  described,  with  both  double‐walled  carbon  nanotubes 

(DWCNTs) and multi‐walled carbon nanotubes (MWCNTs), using either the whole Ab or smaller 

fragments.  Moreover,  a  double  functionalization  strategy  is  reported,  for  the  simultaneous 

introduction  of  a  probe,  required  for  biological  studies.  Different  complementary 

characterizations of  the  conjugates  are presented,  to prove  the  effectiveness of  the  covalent 

strategy  and  the  preserved  capability  of  the  Ab,  bound  to  CNTs,  to  specifically  recognize  its 

antigen. Also, some preliminary biological data are shown. 

In  Chapter  4,  the  functionalization  of  both  fullerene  C60  and  CNTs,  either  pristine  or 

oxidized, is presented, for studying the delivery of the antineoplastic drug doxorubicin. The drug 

is  attached  either  directly  or  introducing  a  cleavable  peptidic  sequence  to  trigger  its  release 

inside cells. A detailed account on  the adopted synthetic procedure  is reported,  together with 

the spectroscopic characterization of all the constructs. Furthermore, preliminary biological data 

on the fullerene derivatives are presented. 

In conclusion, the present thesis reports the covalent modification of different kinds of 

CNTs,  described  in  a  critical way, with  the  aid  of many  characterization  techniques.  All  the 

different constructs prepared could find an application in nanomedicine, giving a contribution to 

the understanding and the development of this fascinating and promising field. 

Page 11: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

V  

Riassunto 

Le  nanotecnologie  si  sono  sviluppate molto  rapidamente  negli  ultimi  decenni,  grazie 

all’invenzione  di  un  crescente  numero  di  tecniche  che  permettono  di  lavorare  su  scala 

nanometrica.  Il  grande  interesse  in  quest’area  trae  origine  dalle  sue  svariate  possibili 

applicazioni  in  diversi  campi,  quali  l’elettronica,  dove  la  miniaturizzazione  ha  un  ruolo 

fondamentale, ma la medicina. Infatti, lo sviluppo di un sistema ‘intelligente’ capace di eseguire 

un  compito  specifico  all’interno  del  nostro  organismo  in  modo  controllato,  sia  in  campo 

diagnostico che terapeutico, è lo scopo di una nuova branca della ricerca, la nanomedicina. Per 

raggiungere un così notevole obiettivo, è necessario un vettore di dimensioni nanometriche, e i 

nanotubi di carbonio (CNTs) rappresentano uno dei migliori candidati. 

Lo  scopo di questo  lavoro di  tesi era  lo  studio di questa opportunità e,  in particolare, 

della possibile applicazione di nanostrutture di carbonio per la veicolazione di farmaci. 

Nell’Introduzione (Capitolo 1), viene fatta una breve panoramica sui CNTs, spiegando le 

loro più importanti caratteristiche e le questioni fondamentali associate alla loro manipolazione. 

Vengono  descritte  le  diverse  possibilità  esistenti  per  la  funzionalizzazione  dei  CNTs, 

concentrandosi soprattutto sugli approcci covalenti sfruttati  in questa tesi, ossia  l’ossidazione e 

la conseguente amidazione dei gruppi carbossilici così introdotti, e la cicloaddizione 1,3‐dipolare 

di  ilidi  azometiniche.  Sono  poi  trattate  le  principali  tecniche  di  caratterizzazione  impiegate, 

illustrandone  i vantaggi e  le  limitazioni.  In  seguito viene affrontato  il  tema molto  controverso 

della tossicità dei CNTs, in termini di possibili conseguenze a una loro esposizione e di rischio per 

chi lavora in questo campo. Infine viene fatto un dettagliato resoconto della letteratura esistente 

sull’applicazione dei CNTs per  la veicolazione di  farmaci, ponendo  l’accento  in particolare sugli 

svantaggi  connessi  agli  approcci  non‐covalenti,  e  focalizzando  poi  l’attenzione  sulle  diverse 

strategie di indirizzamento specifico studiate a oggi nella nanomedicina con i CNTs. 

Nel Capitolo 2, viene presentato uno studio sull’accorciamento di nanotubi di carbonio a 

parete singola (SWCNTs), come strategia per ottenere un materiale con migliori caratteristiche di 

solubilità, estremamente  importante per qualsiasi  applicazione biomedica. Vengono esplorate 

due diverse possibilità. Nella prima parte,  si descrive  il  trattamento ossidativo di SWCNTs con 

una miscela di oleum e acido nitrico, e  la  loro completa caratterizzazione, per  la produzione di 

nanotubi accorciati e disaggregati, recanti  funzioni carbossiliche, con un grande miglioramento 

Page 12: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

Riassunto 

VI  

nella  dispersibilità.  In  seguito  viene  descritto  un  trattamento  basico  per  la  rimozione  delle 

impurezze  carboniose  amorfe  introdotte  dall’ossidazione.  In  aggiunta,  viene  riportato  per  la 

prima volta un fenomeno di ri‐pristinizzazione dei SWCNTs ossidati, mediante trattamento laser. 

La seconda parte del Capitolo 2 riguarda  l’accorciamento meccano‐chimico di SWCNTs, 

come  alternativa  all’approccio  in  soluzione.  Vengono  mostrate  diverse  caratterizzazioni 

complementari  dei  SWCNTs  ottenuti,  sottolineando  la  possibilità,  molto  interessante,  di 

controllare la qualità del prodotto finale variando le condizioni sperimentali. 

Il Capitolo 3 tratta  la coniugazione covalente di CNTs e anticorpi  (Abs), con  lo scopo di 

valutare  due  diverse  opportunità.  Gli  anticorpi,  infatti,  possono  mediare  l’indirizzamento 

specifico  di  un  nanovettore  a  base  di  CNTs,  con  possibili  applicazioni  terapeutiche  e 

diagnostiche. Viceversa, i CNTs possono mediare l’internalizzazione cellulare degli Abs, aprendo 

così  la  strada  a  svariate  possibilità  terapeutiche  a  livello  intracellulare,  a  oggi  inesplorate.  La 

preparazione di diversi coniugati covalenti Ab‐CNT viene descritta, utilizzando nanotubi a parete 

doppia (DWCNTs) o multipla (MWCNTs), e sia Abs interi, sia frammenti degli stessi. Inoltre viene 

descritta una doppia funzionalizzazione dei CNTs, volta a introdurre simultaneamente una sonda 

necessaria  per  gli  studi  biologici.  Vengono  poi  presentate  diverse  caratterizzazioni 

complementari dei coniugati, per dimostrare  l’efficacia della  strategia covalente adottata, e  la 

preservata  capacità  dell’Ab  legato  ai  CNTs  di  riconoscere  il  suo  specifico  antigene.  Infine, 

vengono presentati alcuni risultati biologici preliminari. 

Nel  Capitolo  4,  viene  descritta  la  funzionalizzazione  del  fullerene  C60  e  dei  CNTs,  sia 

pristine  che  ossidati,  per  lo  studio  della  veicolazione  della  doxorubicina,  un  farmaco 

antineoplastico.  Il  farmaco  viene  legato  sia  in  maniera  diretta  che  indiretta,  mediante 

l’introduzione  di  una  catena  peptidica  scindibile  a  livello  intracellulare,  al  fine  di mediarne  il 

rilascio. Viene  data  una  dettagliata  descrizione  delle  procedure  sintetiche  adottate,  oltre  alla 

caratterizzazione  spettroscopica  di  tutti  i  composti  preparati.  Infine  vengono  illustrati  i  primi 

risultati biologici ottenuti sui derivati fullerenici. 

In conclusione,  il presente  lavoro di  tesi descrive  la  funzionalizzazione di diversi  tipi di 

CNTs mediante  un  approccio  covalente,  con  un’analisi  critica  dei  risultati,  tramite  l’utilizzo  di 

svariate  tecniche di caratterizzazione. Tutti  i derivati preparati  trovano potenziale applicazione 

nel campo della nanomedicina, contribuendo alla comprensione e allo sviluppo di questa scienza 

così affascinante e promettente. 

Page 13: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

 

 

1.1 

field

com

atte

the 

arom

ther

Cha

givin

(DW

of ca

the 

CNT

Figu

of 

Carbon nan

The rapi

ds  rendered

mmunity. Thi

ntion on the

present thes

matic conjug

refore subjec

pter 1.2.2). T

ng raise to d

WCNTs) up to

a. 0.35 nm.  

The coili

angle betwe

T will depend

ure 1. Graph

rolling up of

notubes 

id developm

  this  mater

s paragraph 

e key issues r

sis work. CN

gated netwo

cted to a cur

The number 

ifferent kind

o generic mu

ing up direct

een C‐C bond

d on this ang

ical explanat

f a CNT. Thus

Intr

ent of carbo

rial  not  as 

gives a brie

related to CN

Ts are tubul

ork as  they a

rvature, with

of cylinders 

s of CNTs, na

lti‐walled CN

tion of the g

ds and the a

le. 

tion of the ch

s, each CNT c

two

roduc

on nanotube

much  unkn

ef overview 

NTs, necessa

ar structure

are  in graphi

h important

 that constit

amely single

NTs (MWCNT

graphene she

axis of the tu

hiral vector θ

can be descr

o examples d

ction

s (CNTs)‐bas

nown  as  fe

to  remind  t

ry as a backg

s made of o

ite, but  rolle

consequenc

tute a CNT ca

e‐walled CNT

Ts), where th

eet determin

ube can vary

θ of a CNT. T

ibed by the c

depicted. 

 

sed technolo

w  years  ag

heir main  fe

ground for th

nly carbon a

ed up  in a cy

es in the che

an vary from

Ts (SWCNTs),

he distance b

ne different k

y, and the so

 

The vector re

couple of val

ogy in many 

go  for  the 

eatures and 

he comprehe

atoms arrang

ylindrical sh

emical react

m only one to

, double‐wal

between two

kinds of CNT

o‐called chir

efers to the d

lues (n,m), a

 

different 

scientific 

to  focus 

ension of 

ged in an 

ape, and 

ivity (see 

o several, 

led CNTs 

o walls is 

T. In fact, 

ality of a 

direction 

s in the 

Page 14: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

Chapter

2  

T

Figure 1

former h

with 0° <

tube inc

a  comm

chiral ve

or  chira

example

exist.1 

being  sc

ballistic 

stability,

addresse

irreprod

mean ge

of  a  CN

syntheti

content 

structur

pentago

other th

Figure 2

T

pristine 

 1 

Thus, differe

1. The two ex

having θ = 0

< θ < 30° are

creases. The 

mon  vocabula

ector. In fact,

al  CNTs  are 

e of small dia

Additionally,

cattered.  Th

transport an

Besides  the

, together w

Nevertheles

ed by the re

ducibility. In f

etting the sa

NT  sample, 

c  process.  T

(i.e. metal a

es  are  vac

ons/heptagon

han carbon.2 

2. Example o

strain. Note 

The other b

CNTs  are  i

ent kinds of 

xtremes of th

0° and m=0, 

e defined as c

description o

ary, but ma

, infinite‐len

semi‐condu

ameter tube

, as a result 

he  absence 

nd it allows t

se  unique  e

with extremel

s  they  still 

esearch  in th

fact, buying 

ame product

that  make 

This  variabili

and carbona

ancies,  i.e. 

ns interrupti

of pentagons

the change 

ig  limitation 

nsoluble  in 

CNTs are de

he huge vari

and the  latt

chiral. Of cou

of this featur

inly because

gth armchair

cting,  even 

s, where the

of the 1‐D n

of  scattering

he nanotube

electronic  pr

ly high tensil

present  to 

he field. One

the same kin

t. This  lack o

it  subjected

ity  is  associa

ceous impur

incomplete

ing the hexa

s/heptagons 

in tube chira

associated w

water  and 

escribed acco

iety of possib

ter with θ = 

urse, with in

re is importa

e  electronic 

r SWCNTs ar

though  the

e curvature p

nature of CN

g  of  the  ele

e to conduct

roperties,  id

le strength a

date  some 

e of the majo

nd of CNTs b

of reliability  i

d  to  too  ma

ated with  C

rities) and pr

e  bonding 

agonal netwo

defect in the

ality between

with CNT re

in  any  orga

ording to a c

bilities are zi

30° and n = 

creasing n a

ant not only t

properties  v

re metallic, w

ese  are  not 

plays an imp

NTs, electron

ectrons  duri

t without diss

eal  CNTs  ex

nd elasticity

important  d

or problems

by the same s

is probably d

any  unpredi

CNT  length, 

resence of d

defects,  top

ork (Figure 2

 

e hexagonal 

n left and rig

search  is the

anic  solvent

chiral vector

gzag and arm

m ≠ 0. In‐be

nd/or m, the

to define dif

vary  a  lot de

whereas infin

strict  rules. 

ortant role, 

ns can be co

ing  conducti

sipating ene

xhibit  chemi

drawbacks  t

  is related to

supplier doe

due to the b

ictable  varia

diameter,  ch

efect. The p

pological  ch

2), and dopin

CNT networ

ght side of th

eir poor disp

t,  and  a  fun

r, as explaine

mchair CNTs

etween, all C

e diameter o

fferent CNTs 

epending on

nite‐length z

  In  the  case

some except

nducted wit

ion  is  know

rgy as heat. 

ical  and  the

that  need  t

o batch‐to‐b

es not necess

big heteroge

ables  during

hirality,  imp

possible defe

hanges,  suc

ng with elem

rk, inducing l

he defect. 

persibility. In

nctionalizatio

ed  in 

s, the 

CNTs 

of the 

with 

n  the 

igzag 

e  for 

tions 

thout 

wn  as 

ermal 

o  be 

batch 

sarily 

neity 

g  the 

purity 

ctive 

h  as 

ments 

ocal 

n fact 

on  is 

Page 15: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

 

 

requ

1.2)

deve

The 

and 

gas 

prop

SWC

carb

Amo

CNT

proc

carb

tech

prec

and 

of SW

1.2 

hand

For 

of  fu

can 

furth

uired in orde

Differen

eloped for fu

first two me

form CNTs a

phase and it

per  metallic 

CNTs. Usual 

bonaceous m

ong the thre

Ts  and  can 

cesses  have 

bon  monoxi

hnique  explo

cursor. The p

C for the CN

WCNTs with

CNT functio

As  alrea

dling. In fact

this reason, 

unctionalizat

be  introduc

her modifica

Figure 3

er to improve

t synthetic t

ullerene synt

ethodologies

at high temp

t takes place

catalyst  ca

impurities  d

material othe

ee different s

be  scaled  u

been  devel

de  dispropo

oits  carbon 

process take

NT growth o

 diameters r

onalization

ady mention

t, as produce

in most case

tion,  the  str

ed to  increa

ations. 

. Non‐covale

e dispersibilit

techniques e

thesis, laser 

s involve high

erature (tho

at relatively

n  switch  fro

deriving  from

er than the d

synthetic me

up  to  indust

oped,  amon

ortionation 

monoxide  (C

es place at 8

n the iron na

anging from

ned,  CNT  us

ed, they are 

es, a chemic

ong  inter‐tu

ase solubility

ent (a) and co

ty for a bette

exist for CNTs

ablation and

h‐power ene

ousands of Ce

y low temper

om  the  pro

m  the  synth

desired CNTs

ethods, CCV

try  level  be

ng which  on

process  (Hi

CO)  as  the 

800‐1000°C t

anoparticles

 0.7 to 1.4 n

efulness  is 

not soluble i

cal modificat

ube  interacti

y  in certain s

ovalent (b) a

er manipulat

s. The main 

d catalytic ca

ergy to vapo

elsius), while

ratures (500

oduction  of 

hetic  process

s, represente

D provides a

ecause  of  th

ne  of  the mo

iPCO),  used

carbon  sour

through the 

. Optimized 

m, with a go

strongly  hin

in water and

tion is neede

ons are  red

solvents, and

approaches f

tion of the m

ones are arc

rbon vapour

rize solid‐sta

e CCVD uses 

‐1000 °C). In

MWCNTs  to

s  are metall

ed mainly by

a better cont

he  lower  co

ost  famous 

for  produ

rce,  and  Fe(

disproportio

conditions le

ood level of p

ndered  by  th

d in all comm

ed prior to ap

uced. Moreo

d to provide

for CNT funct

Intr

material  (see

c discharge, o

r deposition 

ate carbon (g

carbon prec

n general the

o  the  produ

ic  nanoparti

y amorphous

trol  in the g

osts.  Differe

is  the  high‐

cing  SWCNT

(CO)5  as  the

onation of C

ed to the pr

purity. 

he  difficulty

mon organic 

pplication. B

over,  specifi

e an anchor 

 

tionalization

oduction 

e Chapter 

originally 

(CCVD).3 

graphite) 

cursors in 

e use of a 

uction  of 

icles  and 

s carbon. 

rowth of 

nt  CCVD 

‐pressure 

Ts.4  This 

e  catalyst 

O to CO2 

oduction 

  in  their 

solvents. 

By means 

c groups 

point for 

n. 

Page 16: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

Chapter 1 

4  

The  main  distinction  to  be  underlined  when  speaking  of  CNT  functionalization  is 

between non‐covalent and  covalent approaches  (Figure 3). They both present pros and  cons, 

which should be carefully  taken  into account when deciding which  is  the best route  to  follow, 

according to the desired application. 

1.2.1 Non‐covalent functionalization 

Among non‐covalent CNT  functionalization strategies, one possibility  is based on small 

aromatic molecules, bound to the tubes by means of π‐π stacking,5 while another one  is based 

on the wrapping of polymeric molecules around the tubes. The  latter method can  involve both 

biological macromolecules, such as nucleic acids,6  lipids7 or peptides8 and synthetic polymers,9 

and  it  occurs  via  π‐π  stacking  and/or  van  der Waals  interactions.  Another,  quite  particular, 

approach for the non‐covalent modification of CNTs is the filling of their inner cavity.10 The main 

advantage  of  the  non‐covalent  modification  of  CNTs  is  that  the  electronic  and  mechanical 

properties of the tubes are preserved. Therefore this should be the first choice when CNTs are 

exploited  in  fields  such  as molecular  electronics. On  the other hand,  the drawback of  a non‐

covalent approach is the possible reversibility of the bonds involved, which can result in the loss 

of  the  functionalization.  This  risk  needs  to  be  considered  for  example  in  the  case  of most 

biomedical applications, since it is difficult to exactly foresee the fate of a non‐covalently bound 

molecule when  the  functionalized  CNTs  are  administered  in  vivo.  For  this  reason,  a  covalent 

approach  should  be  preferred  if  CNTs  will  serve  as  drug  delivery  system,  as  in  the  work 

presented in this thesis. 

1.2.2 Covalent functionalization 

The reactivity of CNTs  in terms of covalent chemistry on the C backbone  is due to  local 

strain,  which  is  caused  by  two  main  reasons:  the  first  one  is  the  curvature‐induced 

pyramidalization of the conjugated carbon atoms, and the second is the π orbital misalignment 

between adjacent pairs of conjugated carbon atoms.11 Since pyramidalization angle gives a good 

measure of the local weakening of π‐conjugation and of the strain energy of pyramidalization, it 

appears clear why this effect is quite important for fullerenes and for CNTs caps, that are like an 

hemi‐fullerene, while  it  carries  less weight  in  the  case  of  the  flatter  CNT  sidewalls  (Figure  4, 

upper part). 

On  the  other  hand,  π  orbital misalignment  accounts  for  strain  in  CNT  sidewall much 

more  than  in  fullerenes, where  it  is  very  little  (in  fullerene  C60  π  orbitals  alignment  is  even 

perfect) (Figure 4, lower part). 

Page 17: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

 

 

Fig

geom

angl

tube

stra

the 

hexa

nano

As a

and 

CNT

mod

usua

first 

func

Afte

com

nucl

gure 4. Repre

Therefor

metry‐depen

les and  the 

es, a higher 

in‐induced r

reactivity of

agons  netw

ostructures, 

already antic

of  the  rem

Ts, which dis

dification of 

ally harsh co

  covalent  r

ctionalization

erwards  CNT

mpounds.13  O

leophilic16 or

esentation o

re  C60  and 

ndent strain,

π‐orbital mi

reactivity  is 

reactivity. Ne

f CNT sidewa

ork,  that  re

and can cau

cipated, cova

arkable mec

rupt the ban

the unsatur

onditions, gr

eactions  eve

n could reac

Ts  can  be  f

Other  existin

r electrophili

of pyramidali

for fulleren

CNT  reacti

, but  for diff

salignment a

expected  fo

evertheless, 

alls: the pres

esult  in  a 

use an unpre

alent sidewa

chanical  pro

nd‐to‐band t

rated  carbon

ew up a  lot 

er  performe

h such high 

further  mod

ng  possibiliti

ic17 additions

zation angle

e C60 and for

ivity  toward

ferent reaso

angles of CN

or smaller  tu

there  is ano

sence of defe

locally  enha

dictable che

all functional

operties  of  C

transitions o

n network o

in  the  last 

ed  on  SWCN

levels that  i

dified  using 

ies  include  a

s and cycload

e (θ – 90°) an

r a (5,5) SWC

ds  addition 

ons. Furtherm

NTs scale  inv

ubes  than  fo

other param

ects, such as

anced  chem

mical behav

lization caus

CNTs,  since  i

f π electrons

of CNTs,  tho

years, starti

NTs  in  1998

in the end th

Grignard  r

addition  of 

dditions.18 

 

d of π orbita

CNT. 

reactions  a

more, since  t

versely with 

or  larger one

eter that co

s pentagon‐h

mical  reactivi

iour of differ

e a  loss of t

t  generates 

s. The possib

ugh being  li

ng  from  fluo

8.12  In  this 

he tubes can

eagents  or 

both  alkyl14

Intr

al misalignm

are  both  d

the pyramid

the diamete

es,  if conside

ould deeply  i

heptagon pa

ity  of  the 

rent diamete

the high con

sp3  carbon 

bilities for a 

imited  and  r

orination, on

case  the  d

n become  in

with  organ

4  and  aryl15 

oduction 

ent (Φ) 

riven  by 

dalization 

er of  the 

ering  just 

influence 

irs in the 

graphitic 

ers CNTs. 

nductivity 

sites  on 

covalent 

requiring 

ne of  the 

egree  of 

nsulators. 

nolithium 

radicals, 

Page 18: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

Chapter 1 

6  

Herein  the attention will be  focused mainly on oxidation of CNTs and  the  subsequent 

defect site chemistry, and on 1,3‐dipolar cycloaddition of azomethine ylides, widely exploited in 

this thesis. 

1.2.2.1 Oxidation and defect site chemistry 

The most common way to oxidize CNTs involves acid treatments, with sonication of CNTs 

in  concentrated  acid mixtures, where  nitric  acid  or  hydrogen  peroxide  plays  the  role  of  the 

oxidative agent.19 Also other oxidative agents have been used, such as phosphomolybdic acid,20 

potassium permanganate,21 or oxygen O2, by heat treatment of the CNTs in O2 atmospheres.22 

CNTs are oxidized with multiple aims, mainly purification and shortening.  In  fact, CNTs 

are  typically  synthesized  with  poly‐disperse  micrometre  lengths,  bound  together  into 

macroscopic entangled  ropes, and  they  contain metallic  impurities, deriving  from  the  catalyst 

used during their synthesis. Many applications, however, require  individual short CNTs, void of 

metallic  impurities.  Oxidative  treatments  reduce  metal  content  due  to  the  removal  of  the 

amorphous  carbon  usually  covering metallic  particles,  or  the  etching  of  CNTs  caps when  the 

particles  are  still  inside  them,  and  the  subsequent  oxidation  of  the metal  to  soluble  species, 

which are  then easily removed. Moreover, as a result of chemical oxidation,  the ends and  the 

sidewalls of CNTs are covered with oxygen containing groups, mainly carboxylic groups, useful 

for further derivatization.23 The process of the oxidation of CNTs can be described as step‐wise 

with (i) an  initial attack on the originally existing reactive sites, such the terminal fullerene‐like 

caps, and the heptagon‐pentagon defects, which carry the higher strain, (ii) a defect‐generation 

step, when additions  to hexagon π bonds  take place, generating new defects, and  introducing 

hydroxyl  groups,  then  further  oxidized  to  carboxyl  groups,  and  (iii)  a  defect‐consuming  step, 

when the graphene structure around the defect sites  is broken, and the tube  is cut. Depending 

on the strength of the conditions, oxidation can stop at the first step, thus attacking only already 

existing defects, or proceed with  the generation of new defects and  finally with  the cutting of 

the nanotubes. A detailed  study of diameter‐dependent oxidative  stability  confirmed  a direct 

relationship  between  diameter  and  reactivity,  as  expected  on  the  basis  of  what  has  been 

previously explained in this chapter. Studying the resonant Raman radial breathing mode (RBM), 

the authors clearly showed that smaller diameter tubes are more easily air‐oxidized than larger 

diameter ones.24 

As  already  anticipated,  the  introduction  of  carboxylic  groups  allows  a  further 

derivatization  of  CNTs.  Esterification  and  amidation  reactions  are  in  fact  widely  exploited 

possibilities  for  the covalent modification of oxidized CNTs,  since  they usually permit  to easily 

Page 19: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

 

 

obta

envi

1.2.2

func

from

addi

reac

bon

are 

equi

func

whe

Sinc

diam

diffe

diam

the 

bein

grou

grou

1.3 

appr

synt

ain  highly  fu

isaged applic

2.2 1,3‐dipo

The  1,3

ctionalization

m  2002.27  Th

ition  of  a  d

ction of an a

d on the full

Scheme 1. 

In fullere

all equivalen

ivalent.  In 

ctionalization

ereas  zigzag 

ce  real  samp

meter,  length

erent  CNTs.

meter, and o

π‐orbital mi

ng the dipole

ups  in  the d

ups introduc

CNT charac

A  great 

roach  is cho

thesis cannot

unctionalized

cation.25 

lar cycloadd

3‐dipolar  cyc

n  since 1993

his  very  ver

ipole  to  a  d

aldehyde  (or

erene cage o

General mec

ene C60, the 

nt. Instead, C

fact,  it  w

n  at  C‐C  bo

CNTs  prefer

ples  of  CNTs

h, chiralities 

  Theoretica

only weakly o

salignment 

e a nucleoph

ipole, and e

ed on the tu

cterization 

difficulty  a

osen,  is  their

t be translat

d material,  b

dition of azom

cloaddition 

3,26 was  tran

satile  reacti

dipolarophile

r a ketone) w

or on the CN

chanism of 1

first addition

CNTs sidewal

was  found 

onds  tilted  w

r  attachmen

s  are  norma

and defects

al  calculatio

on the chiral

angles.29 Mo

hile,  is  in pri

lectron‐with

bes by an ox

ssociated  w

r characteriz

ed to this m

bearing  the 

methine ylid

of  azometh

nslated  to  ca

on  consists 

e, where  the

with an α‐am

T (Scheme 1

1,3‐dipolar cy

n takes place

ll is made on

by  theoret

with  respect

nt  of  the  ylid

ally made  o

s, we should

ns  showed 

lity, as expec

oreover, this

nciple accele

hdrawing gro

xidation step

with  CNT  fun

zation.  In  fac

aterial. The 

desired mo

des 

hine  ylides, 

arbon nanot

in  the  conc

e  dipole  is  a

mino acid, a

1). 

ycloaddition 

e in any of th

nly of [6,6] d

ical  studies

t  to  tube  ax

des  at  segm

of  a mixture

 ask ourselv

that  react

cted conside

s particular k

erated by th

oups  in  the d

p.29,30 

nctionalizatio

ct all  the no

main reason

olecule  accor

widely  exp

tubes  chemis

certed  [π4  +

an  azomethi

nd  the dipo

of azomethi

he [6,6] doub

ouble bonds

s  that  arm

xis,  (i.e.  bon

ments  paralle

of  differen

es which  is t

ivity  depen

ring pyramid

kind of 1,3‐d

e presence 

dipolarophile

on,  especial

rmal  techniq

n is that the a

Intr

rding  to  the

ploited  in  f

stry as well,

+  π2]  pericy

ine  ylide,  fo

larophile  is 

ine ylides to 

ble bonds, si

s, but they a

chair  tubes

nd  A‐C  in  F

el  to  the  tub

nt  tubes  in  t

the behavio

ds  mainly 

dalization an

dipolar cyclo

of electron‐

e, such as c

lly  when  a 

ques used  in

amount of fu

oduction 

e  specific 

fullerene 

,  starting 

yclic  1,3‐

ormed  by 

a double 

C60. 

ince they 

re not all 

s  favour 

igure  4), 

be  axis.28 

terms  of 

ur of the 

on  tube 

ngles and 

addition, 

donating 

arboxylic 

covalent 

n organic 

unctional 

Page 20: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

Chapter

8  

groups  i

Also, for

function

what  co

paramag

1.3.1 UV

T

continuo

singular

observe

apprecia

interacti

commer

singular

semicon

transitio

Figure 

In  fact, 

structur

 

 1 

is usually  to

r techniques

nalized CNT, 

oncerns  NM

gnetic metal

Herein some

V‐vis‐NIR spe

The  electron

ous  function

ities  (Figure

d  in  the  UV

able  due  to 

ions  betwee

rcial HiPCO  S

ities in meta

nducting tub

on is inversel

5. a) Density

UV‐vis‐NIR s

covalent m

e, and hence

o  low, with 

s performed 

and the req

MR,  further 

lic particles 

e of the main

ectroscopy 

nic  density 

n  of  energy

e  5a).  Optic

V‐vis‐NIR  re

the  overlap

en  nanotube

SWCNTs,  the

allic tubes (M

es (S11 and S

y proportion

y of states di

spect

spectroscopy

modifications 

e perturb the

respect  to  t

in solution, 

uired concen

problems 

in CNT samp

n characteriz

of  states  of

y,  but  it  p

ally  allowed

gion  as  sha

p  of  similar 

es  in  a  bun

e main  featu

M11) and betw

S22), as indica

nal to tube d

iagrams for m

rum of pristi

y could prov

can  disrupt

eir electronic

 

the CNT com

the choice 

ntrations are

are  given 

ples, due to t

zations explo

f  SWCNTs,  b

ossesses  sp

d  transitions

arp  peaks,  e

transitions 

ndle  broade

ures  represe

ween the firs

ated in Figur

iameter.31 

metallic and 

ine HiPCO SW

ide informat

t  the  period

c transitions,

mponent of 

of the solve

e usually far 

by  the  pre

the magnetic

oitable for CN

being  one  d

pike‐like  fea

s  between  t

even  though

given  by  di

n  optical  lin

ent  transitio

st and the se

e 5b. Moreo

semiconduc

WCNTs (DMF

tion on the f

dicity  of  SW

, resulting in

the  sample,

nt  is highly 

too high to 

sence  of  fe

c field. 

NT will be pre

imensional  o

tures  know

these  featur

h  the  sharpn

fferent  SWC

nes.  In  the 

ns between 

cond pairs o

over, the ene

cting SWCNT

F). 

functionaliza

WCNTs  conju

 a loss of van

,  to be dete

limited, eve

be achieved

erromagneti

esented. 

objects,  is  n

wn  as  van  H

res  are  typ

ness  is  not 

CNTs. Moreo

specific  cas

  the  first pa

of singularitie

ergy of elect

Ts; b) UV‐vis‐

ation of SWC

ugated  elect

n Hove featu

cted. 

n for 

d. For 

c  or 

not  a 

Hove 

ically 

fully 

over, 

se  of 

air of 

es for 

ronic 

 

NIR 

CNTs. 

ronic 

ures. 

Page 21: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

 

 

1.3.2

and 

than

coul

wea

i.e. u

mat

reso

excit

of  tu

typic

Fi

exac

inve

is pa

also

band

ones

due 

2 Resonant 

When a 

a small  frac

n  the  incide

ld result in a

ak. However,

using a laser

erial studied

SWCNTs

onance Rama

ting laser en

ubes  in a he

cal SWCNT R

gure 6. a) Ra

Radial b

ctly as if the 

ersely propor

articularly hig

G‐mode

  in graphite,

d  (1580 cm−

s are normal

to  vibration

Raman spec

beam of ligh

ction of  this 

nt  light.  In  f

an energy ex

,  its  intensity

r energy that

d. 

s,  due  to  th

an response,

nergy are pro

eterogeneou

Raman spect

aman spectr

breathing mo

tube was br

rtional to tub

gh, weak ove

  correspond

,  from which

−1)  is split  int

lly considere

ns  in  the  cir

troscopy 

ht pass acros

small  fractio

fact,  the  int

change, nam

y can be stro

t matches th

heir  broad 

 and conseq

obed. Theref

us  SWCNT  sa

rum are dep

a of pristine 

SWC

ode  (RBM) c

eathing. In f

be diameter

ertones can 

ds  to  tangen

h  the name 

to up  to six 

ed, i.e. the G+

rcumferentia

ss a transpar

on  is scatter

teraction  bet

mely the Ram

ongly enhan

e energy of 

range  of  o

quently only t

fore, using d

ample are a

picted in Figu

HiPCO SWC

CNT Raman f

corresponds

fact, it depen

. RBM range

be observed

tial planar v

derives. Ho

peaks, due 

+, which is gi

al  direction 

ent sample, 

red  inelastic

tween  the  i

man effect. U

ced working

optically allo

ptically  allo

tubes with o

different lase

nalysed  (Fig

ure 6b. 

NTs obtained

features. 

to  radial ex

nds on nanot

e is typically 

d at double fr

vibrations of

wever, diffe

to  the  loss 

ven by vibra

(Figure  6b). 

a small fract

ally,  i.e. at d

ncident  pho

Usually Rama

g  in resonanc

owed electro

wed  transit

one of the ba

er energies, d

ure 6a). The

d with differ

pansion‐con

tube diamete

100‐350 cm‐

requency. 

f  carbon ato

rently  from 

of symmetry

ations along t

In  this  latte

Intr

tion of it is sc

different  fre

oton  and  the

an scattering

ce Raman sc

onic transitio

tions,  alway

and‐gaps equ

different pop

e main  featu

rent lasers; b

ntraction of S

er: RBM freq

‐1, and, if its 

oms and  it  is

graphite, SW

y.  Just  the  t

tube axis, an

er  band,  the

oduction 

cattered, 

quencies 

e  sample 

g signal is 

cattering, 

ons in the 

s  give  a 

ual to the 

pulations 

ures of a 

 

b) main 

SWCNTs, 

quency is 

intensity 

s present 

WCNT G‐

wo main 

nd the G‐, 

ere  is  an 

Page 22: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

Chapter 1 

10  

evident difference in the line‐shape between semiconducting SWCNTs, which give a Lorentzian‐

like peak  (as G+) and metallic ones, where the peak  is broadened, due  to the presence of  free 

electrons.32 This difference can be clearly appreciated comparing the spectra depicted in Figure 

6a: when using 532 nm laser, mainly metallic tubes are in resonance, due to their M11 transition 

(see Figure 5 in Chapter 1.3.1), and in fact the G‐ line‐shape is  much broader than in the case of 

the 785 nm laser, which is instead in the semiconductor S22 transition region. 

Another important  Raman feature is the D band, whose position is at around 1300 cm‐1, 

and  it  shifts  to higher wavenumbers  as  the  laser excitation energy  is  increased. This mode  is 

associated with disorder, i.e. with the sp3‐hybridized carbon atoms present in the tube or in the 

carbonaceous  impurities.  Therefore,  it  is  often  used  to  evaluate  the  structural  quality  of 

SWCNTs,  expressed  usually  as  D/G  ratio. Moreover,  the  full‐width‐at‐half‐maximum  (FWHM) 

intensity of the D‐band of the various carbon  impurities  is generally much broader than that of 

CNT D‐band, and thus D‐band line‐width could give an indication of the SWNCT purity level.33 

Other  less significant bands are  typically present  in a SWCNT Raman spectrum, due  to 

overtone modes of single bands or combinations of different ones. Among them the strongest 

one  is usually the G’ band. The name of this band  is misleading, since  it derives from graphite, 

where this mode is usually the second strongest after the G mode, but it is actually the overtone 

of the defect‐induced D mode,  even though being present even in defect‐free nanotubes. 

The  main  changes  that  could  be  appreciated  in  a  SWCNT  Raman  spectrum  upon 

chemical modification are the following: 

‐  loss  or  decrease  of  some  RBM  bands,  due  to  destruction  or  extensive modification  of  the 

corresponding kind of CNTs; 

‐ change  in the D/G ratio, due to modification of sp3/sp2 carbon atoms ratio (an  increased D/G 

ratio could give a quali‐quantitative information on the degree of covalent functionalization, but 

it could also be due to increased amorphous carbon content); 

‐ change  in the FWHM  intensity of the D‐band, according to the amorphous carbon content of 

the sample, as already explained; 

‐  change  in  the  baseline  height  (a  great  content  of  amorphous  carbon  can  give  a  strong 

fluorescence, perturbing the Raman spectrum). 

A  big  drawback  of  the  two  characterizations  just  described  is  that  their  usefulness  is 

usually limited  to SWCNTs. 

In  fact, MWCNT  UV‐vis‐NIR  absorption,  deriving  from  the  overlap  of many  different 

contributions  in each  tube, does not  result  in  the  typical well‐defined van Hove  features of a 

SWCNT spectrum, and thus it cannot give information on CNT covalent functionalization. 

Page 23: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

  Introduction 

11  

Concerning Raman, MWCNTs  do  not  present  defined  RBM,  being  each  tube made  of 

several concentric walls. Moreover,  the D band  is quite  intense, often more  than  the G‐band, 

because of the high extent of defects usually present in MWCNTs. Consequently, it is difficult to 

appreciate an  increase  in  the D/G  ratio due  to  functionalization. For DWCNTs  the  situation  is 

intermediate  between  single  and multi‐walled  CNTs  and  it  is  normally  possible  to  appreciate 

RBM and D/G ratio variations. 

1.3.3 Thermogravimetric analysis (TGA) 

TGA  is an analytical  technique  for determination of  the  thermal stability of a material. 

The  weight  of  the  sample  is  recorded,  while  heating  it  in  a  furnace  under  a  controlled 

atmosphere, which can be either  inert (using gases as N2 or He), or oxidative (using air or pure 

O2). 

In  the  latter  case  CNT  combustion  takes  place  usually  between  400  and  600°C, 

depending  on  different  factors,  and  resulting  in  the  formation  of  CO2.  CNT  combustion 

temperature, easily determined as the maximum  in the first derivative (see Figure 4  in Chapter 

2.1),  depends  on  different  factors.  For  example,  smaller  diameter  nanotubes  are  believed  to 

oxidize at lower temperature due to higher curvature strain. The same effect could be given by 

defects  in  the  CNT  structure.  Also  the  presence  of metal  particles  could  lower  combustion 

temperature,  since  they can catalyse carbon oxidation.34 Furthermore,  it  is possible  to use air 

TGA to determine the metal content of a sample, since the residual weight after completeness 

of CNT combustion is ascribable to metals in their oxidized form. 

On the other hand, in the case of TGA run under inert atmosphere, CNTs are stable up to 

ca. 800°C, and  therefore  it  is possible  to ascribe  the weight  loss at  lower  temperatures  to  the 

organic material present  in  the sample,  thus estimating  the degree of  functionalization after a 

chemical modification of CNTs. Nevertheless,  it  is  important  to underline  that also amorphous 

carbonaceous  species possibly present  in  a CNT  sample  could burn  in  the  same  temperature 

range,  and  this  fact  should  be  taken  into  account  when  using  TGA  measurements  for 

quantitative characterization. 

1.3.4 TGA‐coupled mass spectrometry (TGA‐MS) 

  The possibility offered by MS‐TGA  is quite  interesting: a mass  spectrometer has been 

coupled to the vent‐hole of the TGA furnace,  in order to analyse the gaseous material evolving 

during  the experiment,  thus giving precious  information on what  is going on.  In  this case,  the 

TGA analysis should be performed in He, thanks to its low molecular weight (4), so that the mass 

Page 24: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

Chapter 1 

12  

spectrometer could screen all the masses with molecular weights bigger than 4. Otherwise the 

signal given by  the gas would completely saturate  the  instrument.  It  is  important  to point out 

that the mass spectra obtained are not like normal ones. In fact a massive fragmentation occurs 

during  TGA,  and  so  very  small  fragments  are  produced.  In  a  typical  analysis  a  big  CO2  peak 

appears in correspondence of every combustion taking place, associated with a decrease in the 

O2 signal (inert gas cylinders always contain some), which is being consumed by the combustion 

itself. However, also higher molecular weight peaks appear, making it possible to determine the 

presence of  certain molecules  if  very  characteristic  fragments are produced  (see  Figure 5b  in 

Chapter  2.1)  or by  comparison of  the pattern obtained with  known  samples  (see  Figure  5  in 

Chapter 4.2). 

1.3.5 Transmission electron microscopy (TEM) 

TEM is a major tool for the morphological characterization of CNTs. A TEM image derives 

from the  interference of the sample, deposited onto a grid, with an electron beam transmitted 

through  it. Thus, metal particles  interfere more, producing  spots with higher contrast. On  the 

other hand,  individual SWCNTs are usually very difficult to visualize (with a non‐high resolution 

TEM), due to the low contrast with the grid surface, which is usually made of carbon. Bundles of 

SWCNTs  instead,  as well  as DWCNTs  or MWCNTs,  can  be  easily  detected  providing  different 

useful information, such as CNT length and diameter, together with a rough assessment of their 

purity,  in  terms  of metals  and  amorphous material  content.  Regarding  the  evaluation  of  the 

dispersibility of a sample, it should be underlined that, during the drying procedure that follows 

the deposition of  the CNT dispersion on  the grid, CNTs can easily  re‐aggregate. Therefore  the 

TEM analysis do not provide reliable information on their original aggregation state. 

1.3.6 Atomic force microscopy (AFM) 

AFM  is  a  particular  kind  of  Scanning  Probe Microscopy, which  consists  in  scanning  a 

sharp tip (radius of curvature = 3‐50 nm) over a surface and detect one or more probe/surface 

interactions. In AFM the result is a topographical image of the surface. The tip is mounted on a 

flexible cantilever, allowing it to follow the surface profile, and its deflection is measured using a 

laser  spot  reflected  from  the  top  surface of  the cantilever  into an array of photodiodes. AFM 

could be performed  in Contact Mode, when the tip actually touches the surface, thus possibly 

moving objects or damaging soft samples, in Non‐Contact Mode, when the tip scans the surface 

at a certain distance, with a consequent lower resolution, and in Tapping Mode (TM), when the 

tip is oscillated rapidly against the surface during scanning, and the microscope extrapolates the 

Page 25: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

 

 

surf

inte

imag

acro

this 

shad

How

the 

depo

prec

diam

inte

obje

16c 

1.4 

dive

the 

synt

chem

appl

ace  topogra

ractions (Fig

Typically

ge, while  th

oss the surfa

image  show

dows  on  sha

wever, shado

set value, an

TM‐AFM

osited on  a 

cise  enough 

meter  of  a 

ractions. Ne

ects on the s

in Chapter 2

CNT Toxicit

One of  t

ersity of this 

modified  on

thetic metho

mical modif

lications, thu

aphy  by  th

gure 7). 

F

y, when  scan

e  other  sho

ce, being a s

ws  where  a

arp  feature 

ows are actu

nd the real to

M analysis co

surface,  suc

(being  in  t

SWCNT,  du

vertheless, i

surface, sinc

2.2). 

ty 

the big conc

material sh

nes.  In  fact 

odologies an

ication  (cov

us leading to

e  change  i

Figure 7. Can

nning a  surf

ows  the  amp

sort of “erro

and  how  mu

boundaries,

ally areas w

opographical

ould be explo

ch  as  length

the  range  1

e  to  the  de

t is possible 

e vertical re

cerns  regard

ould be take

not  only  co

nd  the  suppl

alent  or  no

o changes in 

n  the  oscil

ntilever tappi

face  in TM,  t

plitude  of  th

r” image (se

uch  the  am

,  which ma

where the am

l image is the

oited  to gat

h distribution

1‐5  nm)  to  e

elay  in  the 

to obtain th

esolution doe

ing CNTs  is, 

en  into acco

ommercial  p

ier, but, mo

n‐covalent) 

 their water 

lation  ampl

ing on a surf

two  images 

he  tapping  o

e Figure 16a

mplitude  cha

kes  it  look 

mplitude had

e first one.36

her structur

n. However, 

evaluate  ve

response  o

his informati

es not suffer

of course,  t

ount, both  fo

pristine  samp

ore  importan

when  inten

dispersibilit

itude,  trigge

 

ace.35 

are obtaine

oscillation  as

a and 16b in 

nged,  giving

like  a  snaps

d not yet bee

 

al  informatio

lateral  reso

ry  short  dis

of  the  canti

on from the 

r from this  li

their  toxicity

or the as‐pro

ples  can  diff

ntly, CNTs al

ded  to  be 

y and in tox

Intr

ered  by  tip

ed: one  is  th

s  the  probe 

Chapter 2.2

g  the  impre

shot  of  the 

en corrected

on on a CNT

olution  is us

stances,  such

ilever  to  tip

 height prof

imitation (se

y. First of all

oduced CNTs

fer  accordin

lways under

used  for  bio

xicological be

oduction 

13 

p/surface 

he height 

scanned 

). In fact, 

ession  of 

surface. 

d back to 

T sample 

ually not 

h  as  the 

p/surface 

ile of the 

ee Figure 

l,  the big 

s and  for 

g  to  the 

rgo  some 

omedical 

ehaviour. 

Page 26: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

Chapter 1 

14  

Therefore  results  should always be considered as  referred  to  the particular kind of CNTs  they 

have been obtained with, and could not be generalized. 

When considering CNT  toxicity  it  is  important  to distinguish among  (i) biocompatibility 

related to possible biomedical application of CNT‐based systems, and (ii) safety related to CNT 

manipulation by all the workers in the field. In the first case it will be referred to processed CNTs, 

likely administered  in solution via  injection  (this  topic will be reviewed  later, see Chapter 1.5),  

while in the second case the main risk is related to inhalation, and it refers not only to processed 

CNTs but, primarily, to pristine ones. 

Pristine MWCNTs  have  been  compared  to  asbestos,  since  they  tend  to  form  fibrous 

aggregates whose dimensions (in the micrometre range) and shape are similar to those reported 

to be carcinogenic for asbestos. Once the latter non‐degradable and bio‐persistent particles are 

inside  the body,  they deposit. Thus, unsuccessful  inflammation and  scavenging occur  towards 

them  (frustrated phagocytosis),  leading  to continuous oxidative stress. Furthermore,  there  is a 

contribution, given by iron impurities in the samples, that accelerates the generation of reactive 

oxygen  species  (ROS). This being  true  for asbestos,  the possibility  for CNTs  to  share  the  same 

carcinogenic mechanism was investigated.37 Experiments on p53 heterozygous mice (reported to 

be sensitive to asbestos and to fast develop mesothelioma), intraperitoneally administered with 

MWCNTs,  showed  the  induction of mesothelioma,  leading  to death of  the  animals within  25 

weeks. Nevertheless,  it  is necessary to underline that these experiments were carried out with 

micrometre sized MWCNTs particles (10‐20 µm) and there is no evidence, as the authors pointed 

out, that the same effect would occur using pure nanometre‐sized CNTs. In a similar study CNTs, 

introduced into the abdominal cavity of mice, were proved to cause asbestos‐like pathogenicity 

(inflammation  and  granulomas  formation)  in  a  length‐dependent manner,  namely  only  fibers 

long  enough  (>  20 micrometre) were  able  to  cause  pathogenic  response  during  the  7  days 

experiment.38 

Nonetheless, being based on  intraperitoneal  injection, none of these studies addresses 

the question if and how much CNTs accumulate in the mesothelium after inhalation. To answer 

this question other studies on inhaled CNT effects should be considered. Mitchell et al. exposed 

male mice to MWCNTs (5‐15 µm long) aerosol in a whole body inhalation chamber.39 The aerosol 

was generated by a jet mill and particles bigger than 3 µm were removed in order to work within 

a range respirable by a rodent. It  is necessary to underline the difference between “inhalable”, 

which refers to the fraction of airborne material which enters nose and mouth during breathing 

and  is  therefore available  for deposition  in  the  respiratory  tract, and “respirable”,  referring  to 

the fraction able to penetrate to the gas exchange region of the lung. The authors observed the 

Page 27: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

 

 

pres

dam

Nev

afte

MW

5‐15

mg/

fibro

asbe

Baro

typic

proc

part

pred

gene

volu

part

was 

from

mon

F

hand

duri

sence  of  bla

mage  were 

ertheless  th

r  inhalation

WCNTs  in sub

5 µm) and th

/m3 for 6 h w

osis,  which 

estos causes 

It  is  imp

on et al. stud

cal workplac

cess)  led  to

ticles smaller

dominantly  o

eration rates

ume of fume

ticles. A field

also conduc

m one contai

nitoring of ae

Figure 8. Pou

There  w

dling  of  unr

ng material 

ack  particles 

evidenced  w

he  treatment

n  of  environ

b‐pleural mac

he treatmen

with a nose‐o

could  be  c

pleural infla

portant  to  a

died,  in 2003

ce exposure 

  the  genera

r than 100 n

of  nanotube

s were appr

ed alumina, a

 evaluation o

cted. The bul

ner into ano

erosol numb

uring HiPCO S

was  no  clea

refined  nano

handling we

inside  alve

with  exposu

t  caused  sys

nmental  poll

crophages.40

t consisted 

only inhalatio

onsistent  w

ammation an

nalyze  the  r

3, the tende

to this mate

ation  of  par

nm, even  if  i

es,  catalyst  p

oximately tw

another low‐

of the airbor

lk material w

other one) in

er and mass

SWCNTs for 

r  evidence 

otube mater

ere estimated

olar macrop

ure  to  up  t

stemic  imm

lutants.  Oth

0 In this case

in a single  in

on chamber.

with  the  ind

nd diffuse ple

real  risk  for 

ency of SWC

erial.41 Vigor

rticles  below

t was unclea

particles,  or 

wo orders of

‐density mat

rne contamin

was removed

n a closed are

s concentrati

airborne con

of  increase

rial  in  the  f

d to be lowe

phages,  but 

to  5  mg/m

unosuppress

her  authors 

e CNTs were

nhalation ex

. The author

uction  of  m

eural fibrosis

people wor

NTs to form

ously agitati

w  10  μm  ae

ar whether t

compact  ca

f magnitude 

terial compr

nation, while

d from the re

ea with inlet 

on (Figure 8

ntamination

d  aerosol  m

field.  The  ae

er than 53 μg

no  lung  inf

3  for  a  max

sion,  respon

also  report

longer (0.5‐

xposure at a 

s also observ

mesotheliom

s.  

rking with C

 aerosols,  in

ng SWCNTs 

erodynamic 

these smalle

arbonaceous

lower than 

ised of nano

e manipulati

eactors and m

of filtered a

). 

study (adapt

mass  concen

erosol  nano

g/m3, a value

Intr

flammation  o

ximum  of 

nse  already 

ted  accumu

‐50 µm com

 concentrati

ved focal su

ma,  even  if 

CNTs  to  inha

n order to ev

(produced b

diameter, 

er particles c

s  particles. H

those from 

ometre‐sized

ng the bulk S

manipulated

air, with a co

ted from Ref

ntrations  du

otube  concen

e that is belo

oduction 

15 

or  tissue 

14  days. 

reported 

lation  of 

pared to 

on of 30 

b‐pleural 

normally 

ale  them. 

valuate a 

by HiPCO 

and  also 

consisted 

However, 

a similar 

d primary 

SWCNTs, 

d (poured 

ntinuous 

f. 41). 

uring  the 

ntrations 

ow those 

Page 28: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

Chapter 1 

16  

associated  with  re‐suspension  of  ambient  dust  due  to  personal  movement,  and  cleaning 

operations following handling of material.  Importantly, these experiments could therefore  lead 

to the conclusion that a typical aerosol concentration of CNTs during handling of the material is 

far below  the ones used  in  the  in vivo  inhalation studies conducted so  far,  thus making  those 

results not relevant. Nevertheless, the CNTs are not the same, so it is necessary to be careful in 

making comparison. 

It  is  still  not  possible  to  reach  a  clear,  unambiguous  conclusion  on  CNTs  inhalation 

toxicity,  and  therefore,  precautions  should  be  taken  to  prevent  any  unnecessary  release  of 

respirable particles, when handling CNTs, especially the pristine ones, but without getting into a 

panic.  Also,  to  avoid  exposure  and  guarantee  respiratory  protection,  an  adequate  personal 

protective equipment should be used. 

1.5 CNT as delivery system for cancer 

Anticancer  therapy,  though  being  often  very  effective,  still  suffers  of  some  severe 

drawbacks,  which  render  vital  and  urgent  the  need  for  further  research.  One  of  the  main 

limitations of almost every cancer treatment so far is the lack of selectivity for tumour tissues. In 

fact cytotoxic drugs (or other therapies) do not exert their action solely on cancer cells, but also 

on  healthy  organs,  resulting  in  severe  side  effects  for  patients,  therefore  limiting  their 

compliance  and  the  maximum  administrable  dose.  Another  major  problem  related  to  anti‐

neoplastic  chemotherapy  is Multi‐Drug  Resistance  (MDR).42  This  phenomenon  can  be  often 

ascribed  to  the activity of an efflux pump, namely P‐glycoprotein  (P‐gp), able  to  recognize  the 

drug  and  transport  it  out  of  the  cell  once  it  has  been  internalized,  thus  preventing  it  from 

exerting its cytotoxic action.43 Importantly, the P‐gp mediated MDR often characterizes residual 

tumour cells after chemotherapy and tumour stem cells. Once this capability  is acquired,  it can 

be directed towards many different drugs to which the tumour had never been exposed before, 

thus heavily hampering chemotherapy’s efficacy. 

Nanotechnology can help in overcoming these limitations; in fact a nanovector could be 

conceived  to be  targeted  towards cancer, either only  in a non‐specific way, or with a  specific 

targeting  agent  attached  to  the  carrier  itself.  The  non‐specific  targeting  is  based  on  the 

Enhanced  Permeability  and  Retention  (EPR)  effect  (Figure  9).44  Cancer  tissue  is  usually 

characterized by a rapid and defective angiogenesis, resulting  in  leaky blood vessels with  large 

fenestrations, due to endothelial cell disorganization. Moreover, the smooth‐muscle layer in the 

vascular wall  is  frequently  absent  or  abnormal,  leading  to  passive  dilatation  of  vessels.  The 

consequence  of  these  characteristics  is  an  enhanced  extravasation  of macromolecules  in  the 

Page 29: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

 

 

tum

and 

rete

on N

drug

bind

spec

diffe

F

curr

part

whe

lipos

or si

its t

plet

func

solu

pres

as g

betw

our  tissue, w

undergo ren

ention of acc

Nano‐sized s

g  (small mo

ding to the n

cific  tumour 

erent metabo

Figure 9. Enh

Carbon 

rently under 

ticles coming

en  a  biologi

somes or po

ilica ones. 

When a 

oxicity profil

hora  of  vari

ctionalized  C

uble  function

serving their 

good dispers

ween a high

whereas  low

nal clearance

umulated m

systems  (ma

lecule). Mor

nanocarrier t

markers. At

olic and cellu

hanced Perm

nanotubes 

study. They

g from the sy

cal  applicat

olymeric nan

material  is 

le and its in 

iables  such 

CNTs  are  no

nalized  CNT

 activity,46 a

ions.47 Cohe

er degree of

w molecular 

e. Moreover,

acromolecul

cromolecule

reover,  this 

targeting age

t  the same  t

ular pathway

eability and 

(CNTs)  are 

y are made 

ynthetic proc

ion  is  inten

oparticles, w

proposed fo

vivo fate. Ev

as  the  diffe

on‐cytotoxic. 

s  are  uptak

nd it has bee

rently with t

f  functionali

weight‐mol

, slow venou

les in the tum

es) would ac

effect  can 

ents as antib

time,  the de

ys, thus givin

Retention e

system.

among  the 

almost entir

cedure, whic

nded.  They 

with the stab

or biomedica

ven though t

rent  CNT  fu

  In  fact,  it 

ken  by  imm

en found tha

these obser

zation  for SW

ecules  can  r

us return and

mour. For th

cumulate m

be  further  e

bodies or ot

elivery of a c

ng the possib

ffect for a m

most  prom

rely of carbo

ch are usuall

combine  th

bility of inorg

al application

the question

nctionalizati

has  been  d

mune  system

at CNTs are 

vations, oth

WCNTs and 

rapidly diffu

d poor lymph

ese reasons,

ore  in the tu

enhanced  in

ther molecul

carrier driven

bility to elude

model CNT‐ba

ising  possib

on, a part  fr

y removed b

erefore  the 

ganic nanopa

ns,  it  is fund

 is still unde

ons,  it  appe

emonstrated

m  cells  witho

more toxic a

er authors r

a  lower tox

Intr

use  in  the  ci

hatic drainag

, drug delive

umour than 

n  a  specific 

les able to r

n drug could

e MDR.45 

ased drug de

le  drug  nan

rom  residual

by a purifica

e  biocompat

articles, such

damental to 

er debate, du

ears  that  ad

d  that  highl

out  being  t

as agglomera

reported cor

xicity toward

oduction 

17 

rculation 

ge lead to 

ery based 

the  free 

way,  i.e. 

recognize 

d  involve 

 

elivery 

novectors 

 metallic 

tion step 

ibility  of 

h as gold 

establish 

ue to the 

equately 

y  water‐

oxic  and 

ates than 

rrelations 

s human 

Page 30: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

Chapter 1 

18  

dermal fibroblast. Interestingly, covalently modified SWCNTs appeared to be less cytotoxic than 

the ones stabilized trough surfactants.48 Importantly, numerous studies by different groups have 

proven  so  far how  surface‐modified CNTs  are well  tolerated  in  vivo.49  In  general  they have  a 

blood clearance half‐life  in the order of hours. Moreover, tissue biodistribution studies showed 

that  they  are  eliminated  into urine,  via  glomerular  filtration, or  into  faeces with  low  residual 

amounts  in  the body. All  these  results  indicate how  the  in  vivo behaviour of  these materials 

could be modulated by the degree and kind of functionalization, two critical aspects that need to 

be accurately controlled. 

Furthermore,  some  recent works  showed  in  vitro  enzymatic  degradation  of  SWCNTs, 

thus presenting another possibility  for  the elimination of  this  carrier  from  the body once  the 

therapeutic  function  has  been  exerted.50  Importantly,  it  has  been  shown  that MWCNTs  take 

more  time  to be degraded  than SWCNTs, and  the process  seems  to occur gradually  from  the 

external walls towards the inner ones. Moreover oxidized MWCNTs were more easily degraded 

than pristine tubes,  indicating that defects  introduced through oxidation probably facilitate the 

attack from the enzyme.51 Anyway further studies, especially  in vivo, are necessary to assess  if 

CNT metabolic digestion is actually possible. 

1.5.1 Uptake Mechanism 

Carbon nanotubes are able to enter cells, as recognized by the scientific community, but 

the way it happens is still controversial. In fact, although many studies have been carried out so 

far  to  understand which  is  the  uptake mechanism,  still  there  is  not  a  unique  answer  to  the 

question. The type of cell should be  taken  into account when comparing different results and, 

more importantly, the type of CNTs could play a crucial role. In fact, the great heterogeneity of 

this material  implies  the  possibility  of  heterogeneous  behaviour  in  a  biological  environment. 

CNTs  can differ  a  lot  in  size  and  functionalization,  thus  giving  a plethora of derivatives,  from 

almost naked to differently coated ones. 

Among the existing hypotheses, one is phagocytosis, a process employed by specialized 

cells,  in  fact  different  authors  observed  engulfment  of  CNTs  by  phagocytes.  Cherukuri  et  al. 

treated mouse  peritoneal macrophage‐like  cells  with  SWCNTs  and  visualized  the  nanotubes 

inside  the  cells  exploiting  their  spontaneous  NIR  fluorescence.52  They  observed  the  tubes 

confined  in  small  vesicles,  probably  phagosomes,  derived  from  an  active  ingestion  process, 

which is consistent with their observation of a temperature‐dependence of the uptake. Porter et 

al.  studied  the  uptake  of  SWCNTs  by  human monocyte  derived macrophage  cells  and  found 

them  inside  lysosomes  and  phagosomes,53  while  the  treatment  of  the  same  cell  line  with 

Page 31: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

 

 

MW

size 

µm)

were

cons

in th

obse

did 

poss

whic

show

mem

of C

in 2

biot

over

cons

the 

sugg

WCNTs  led  to

of  the nano

.54 Four wee

e found insid

sequent cell

his case from

erved  their  i

not  specifi

sibilities: pha

ch  are  phag

wing single n

The  nee

mbranes, and

NTs by mam

Figu

Kam et 

004,  treatin

in and fluore

rlap  the  sig

sistently with

lack  of  int

gested an en

o  frustrated 

otubes used 

eks after  the

de lysosome

ular stress w

m few to seve

internalizatio

ically  invest

agocytosis, s

gocytic  cells,

nanotubes pi

edle‐like  pe

d the endocy

mmalian cells 

ure 10. Nano

al. proposed

g human  le

esceinated s

gnal  of  an 

h energy‐dep

tracellular  fl

ndocytotic pr

phagocytosi

(diameter o

e subcutaneo

s of macroph

was observed

eral µm).56 O

on by mouse

tigate  the 

supported by

  and  a  nee

iercing the ce

enetration,  c

ytosis repres

(Figure 10).

o‐needle (a) a

d for the firs

ukaemia  cel

streptavidin. 

endosome 

pendent end

uorescence 

rocess for SW

s, an  incom

of about 70 

ous  implanta

hages.55 On 

d for human 

Other author

e microglia c

uptake  mec

y the higher

dle‐like  pen

ell membran

consisting  i

sent the two

and endocyt

st time the e

lls  and hum

The intrace

marker.  Mo

docytosis.58 S

at  4°C  and

WCNTs funct

plete phago

nm and  len

ation of 200

the other ha

monocytes 

rs also used 

cells and mu

chanism,  th

r  internalizat

etration,  su

ne. 

n  a  direct 

o more impo

tosis (b) pene

endocytosis  i

an  T  cells w

llular fluores

oreover,  the

Similarly, in o

d  the  co‐sta

tionalized w

cytosis, prob

gth  ranging 

0 nm  long M

and, frustrate

treated with

long MWCNT

urine glioma

heir  results 

tion observe

pported  by 

insertion  o

rtant mecha

etration mec

nternalizatio

with  SWCNTs

scence distri

e  uptake  w

other works 

aining  with 

ith fluoresce

Intr

bably due  to

from  few  to

MWCNTs  in  r

ed phagocyt

h long MWCN

Ts (200‐400 

a cells.57 Eve

suggest  tw

ed for microg

TEM  image

of  CNTs  ac

nisms for th

 

chanism. 

on pathway 

s  functionali

ibution was 

was  blocked 

by the same

endosome 

ently labelled

oduction 

19 

o  the big 

o several 

ats,  they 

osis with 

NTs (also 

µm) and 

n  if  they 

wo  main 

glia cells, 

es  clearly 

ross  cell 

e uptake 

for CNTs 

zed with 

found to 

at  4°C, 

e authors 

markers 

d DNA or 

Page 32: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

Chapter 1 

20  

proteins (MW < 80kDa).59 The authors speculated about a hydrophobic interaction between the 

naked SWCNTs surface and the cell membrane as the driving force for the  internalization.  In a 

later work,  they  expanded  the  studies  to  precisely  understand  the  uptake mechanism.60  The 

internalization  inhibition  was  observed  with  NaN3  pre‐incubation  of  the  cells,  confirming 

endocytosis,  since  ATP‐production  and  therefore  energy‐dependent  activities  are  strongly 

reduced by  this chemical agent. Moreover, with a well‐designed experimental  set endocytosis 

was  found  to  happen  through  clathrin‐coated  pits,  rather  than  through  caveolae  or  lipid‐raft 

pathway. Endocytosis has been suggested as  the uptake pathway also by other authors. DNA‐

wrapped  SWCNTs  were  tracked  during  in  vitro  trafficking  exploiting  their  intrinsic  NIR 

fluorescence.61 Each  trajectory was  then associated with a specific kind of motion, recognizing 

that SWCNTs were adsorbed onto  the membrane and  internalized  through endocytosis. Once 

inside  the  cell  they  diffused  consistently  with  confinement  inside  vesicles,  and  they  finally 

underwent  exocytosis.  Moreover,  co‐localization  experiments  showed  an  overlap  between 

SWCNTs and  lysosomes  inside  the cells, confirming again  the endocytotic uptake. The authors 

proposed  this mechanism as a  result of  the  SWCNTs  coverage by  the proteins present  in  the 

medium. This coating should lead to a subsequent clustering in aggregates, big enough to reach 

the  radius  cutoff  thermodynamically  required  for  being  endocytosed.62  Wang  et  al. 

functionalized MWCNTs with  the enzymatic  toxic domain of ricin  (RTA)  in a non‐covalent way, 

and studied its uptake mechanism by HeLa cells, observing clathrin‐mediated endocytosis.63 The 

internalization  of  SWCNTs‐QD‐streptavidin  by  CD3  positive‐leukaemia  cells  was  also  studied, 

monitoring the  intracellular QDs fluorescence.64  In this case the system was rather complex,  in 

fact the uptake was mediated by the recognition of three components. First, a biotinylated anti 

CD3‐antibody bound CD3 receptor on cell membrane and subsequently the streptavidin‐bearing 

SWCNTs attached the biotinylated antibody, showing high internalization. On the contrary, poor 

internalization was observed when  the antibody was absent, with  the use of non‐biotinylated 

antibody, when experiments were carried out at 4°C and when  the cells did not express CD3‐

receptor on the membrane (CD3 negative cell  line). All these data suggest a receptor‐mediated 

endocytosis for this construct. 

To target cancer cells, Bhirde et al. described the use of a drug delivery system based on 

a  cisplatin‐SWCNT  conjugate,  exploiting  the  interaction  of  the  epidermal  growth  factor  (EGF) 

with  its  receptor  (EGFR),  over‐expressed  on  the  surface  of many  cancer  cells.65  The  authors 

demonstrated the efficient internalization of the SWCNT‐EGF conjugate in vitro. Moreover they 

proved  that  it  is  actually mediated  by  the  ligand‐receptor  interaction,  since  the  uptake was 

drastically  reduced knocking down  the  receptor expression. These  findings are consistent with 

Page 33: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

  Introduction 

21  

receptor‐mediated endocytosis. Nevertheless, a certain degree of internalization observed even 

without receptor  let consider other possibilities, as stated by the authors themselves. Another 

paper  conceiving  two  options  for  the  uptake mechanism  has  been  published  in  2008.66  The 

authors  prepared  SWCNTs  bearing  taxoids  and  biotin molecules,  as  a  drug  delivery  system 

targeted  towards  cancer  cells  over‐expressing  the  biotin  receptor,  demonstrating  the  actual 

internalization  of  the whole  conjugate,  hindered  by  both  incubation  at  4°C  and  presence  of 

NaN3,  and  strongly  reduced by  saturation of  accessible  receptors  via biotin pre‐treatment,  in 

accordance with  receptor‐mediated  endocytosis. On  the  other  hand,  they  observed  a  strong 

decrease  in the uptake of SWCNT derivatives without biotin at  low temperatures (4°C), but no 

changes when NaN3 was added. This behaviour is consistent with a non‐endocytotic process, as 

the  needle‐like  diffusion  through membranes,  which  is  temperature‐dependent  but  energy‐

independent.

It  is  necessary  to  consider  that  temperature  can  affect  not  only  endocytosis  but  also 

membrane  piercing,  in  fact  as  simple  diffusion  of  a  molecule  in  a  liquid  is  influenced  by 

temperature, the same could happen to CNTs in biological media. More importantly, the fluidity 

of  cellular membranes, which  are made  of  phospholipidic  bilayers,  is  strongly  dependent  on 

temperature.  As  a  consequence,  the mobility  of  an  object  in  the  bilayer  will  increase  with 

temperature.  Thus,  it  is  not  surprising  that  a  decrease  in  temperature  has  been  sometimes 

correlated with a decrease  in cellular uptake of CNTs, and this experimental observation alone 

should not necessarily mean endocytosis, unless it is corroborated by other evidences. Therefore 

some  cases  of  CNTs  internalization  ascribed  to  endocytosis  by  the  authors  could  be  also 

differently  interpreted.67 The same observation can be applied to the work published by Cheng 

et al.68  In  this well‐conceived study of cellular  internalization of  fluorescently  labelled SWCNTs 

derivative by several mammalian cell lines, the authors compared the results obtained in normal 

conditions with  the ones obtained at 4°C and  in  the presence of  sodium azide. While  for  the 

former the uptake was almost completely blocked, the latter showed an intracellular fluorescent 

signal weaker but comparable with the normal conditions, differently from what stated by the 

authors (for a better understanding see Fig. 2B of Ref. 68). Therefore  it  is possible to conclude 

that both an energy‐dependent and an energy‐independent mechanism are contributing to the 

CNTs uptake by cells in this case. Moreover the author co‐incubated cells with labelled Dextran, 

known  to be uptaken by endocytosis, and  found  it  in  the endosomes, while  the  fluorescence 

from  the  SWCNTs  was  in  the  nucleus,  indicating  that  either  the  retention  time  inside  the 

endosomes or the entire uptake pathway was not the same for the two compounds. 

Page 34: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

Chapter 1 

22  

The nano‐needle penetration mechanism for CNTs was proposed in 2004. Internalization 

of functionalized CNTs was found even  in energy‐depleting conditions, and ultrathin transverse 

sections of HeLa cells incubated with the CNTs were analyzed by TEM, observing MWCNTs inside 

cells and  in  the act of crossing  the membrane.69 Therefore  the authors hypothesized  that  the 

cylindrical  shape  of  CNTs  let  them  directly  insert  across  biological membranes,  like  a  Nano‐

needle. This description  is  in accordance with what observed  for  some peptides and proteins 

exhibiting non‐classical transport activity70 and also with what has been predicted for nanotube‐

shaped objects.71 Another theoretical study, instead, reported that the energy cost for a SWCNT 

to insert into a model phospholipid bilayer is too high to occur only because of thermal motion 

energy.72 Nevertheless  further studies on  the penetration of a patterned CNT were performed 

by  the  same  authors.  Since  probably  CNTs  in  a  biological  environment  will  not  have  a 

homogeneous  surface,  but will  be  covered  by  biomolecules,  they  studied  a  CNT  covered  by 

alternating bands of hydrophilic and hydrophobic regions. This model can be also representative 

of a CNT functionalized with hydrophilic groups, since usually functionalization do not cover the 

whole CNT surface.  In this case the energy required by CNTs to traverse the bilayer was much 

lower, thus resulting in enhanced penetration.73 The same internalization pathway was proposed 

for  a  huge  selection  of  cell  types,  since  a  comprehensive  study  revealed  effective  CNTs 

internalization even by cells unable  to carry out endocytosis or under conditions  that prevent 

energy‐dependent processes.74  The  cells were  treated with differently  functionalized  SWCNTs 

and MWCNTs, which were not  coated by macromolecules. As  speculated by  the authors,  the 

discrepancy between these results and the endocytotic hypothesis can lie in the different kind of 

CNTs derivatives used. 

Zeineldin  et  al.  wrapped  PL‐PEG2000  onto  SWCNTs  and  found  that  when  the  PEG 

integrity was preserved, the coating prevented the non‐specific uptake by cells (different ovarian 

cancer cell lines), while the PEG fragmentation (by sonication for a prolonged period, i.e. 1 hour) 

allowed  CNTs  internalization  by  cells.75  A  further  functionalization  of  the  PEGylated,  not 

sonicated,  SWCNTs with  a  specific  targeting molecule  led  to  selective  uptake  by  cancer  cells 

over‐expressing  the  receptor  for  that molecule.  Although  the  authors  did  not  speculate  on 

possible  uptake  mechanisms,  these  findings  underline  the  importance  of  CNTs  coatings  in 

determining their biological fate. 

CNT  size  seems  to have a  role as well. A  recent work  compares  the  internalization by human 

hepatocellular carcinoma cells of different CNTs: namely MWCNTs with a diameter of 10‐30 nm 

(long and short, i.e. 1‐2 µm or 0.5‐1 µm long) and SWCNTs with a diameter of 1‐3 nm (long and 

short,  i.e.  100‐200 nm or  50‐100 nm  long).76.All  the CNTs were non‐covalently  functionalized 

Page 35: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

  Introduction 

23  

with  chitosan.  The  authors  reported  internalization  only  for  SWCNTs,  and  with  different 

mechanism according  to  size:  for  long SWCNTs  the mechanism observed was mainly  clathrin‐

mediated endocytosis, while for short SWCNTs they describe also endocytosis via caveolae and 

direct insertion across cell membrane.  

Evidences  supporting  the piercing hypothesis were  reported elsewhere. SWCNTs were 

observed  translocating  across  the  lipid  bilayer  and  entering  the  cytoplasm.53,77  SWCNTs  and 

MWCNTs were  found  across  the  plasma,  lysosomal,  and  nuclear membranes,78  and,  by  TEM, 

MWCNTs  were  observed  both  inside  cytoplasmic  vacuoles  of  epidermal  keratinocytes 

(consistently  with  endocytosis)  and  piercing  the  nuclear  membrane.79  Similarly,  as 

aforementioned,  Kateb  et  al.  presented  TEM  visual  confirmation  of membrane  insertion  of 

MWCNTs.57 

A  very  interesting  study,  published  in  2008,  confirmed  the  ability  of  CNTs  to  cross 

biological membranes, considering the question from a rather different point of view. MWCNTs 

were visualized while traversing the fenestrated endothelium in the glomerular filtration system 

of mice and crossing the renal filtration membrane. In order to do so the tubes had to adopt an 

adequate  spatial  conformation,  facing  the  filtration  barrier  perpendicularly,  since  the 

fenestration size is compatible only with the traverse dimension of these MWCNTs, to let them 

pass and pierce the underlying basal membrane.49c 

Further hint  for understanding CNT ability  to  cross  cell membranes  could be given by 

another paper.80 During an  in vitro experiment MWCNTs were guided through a magnetic field 

towards mammalian cells and they cross the membrane spearing it, and thus translocating inside 

cells their cargo, i.e. a vector containing the sequence for a fluorescent protein, that allowed the 

recognition of cells  internalizing  it. SEM pictures of cell surface confirmed  the presence of  the 

CNTs  that  actually  look  like  spearing  it.  This work  aimed  to  prove  that  actively  guiding  CNTs 

towards cells,  it  is possible to  induce a temporary permeabilization of the membrane, as effect 

of  its  Nano‐mechanical  penetration.  The  system  was  thought  to  be  exploited  for  delivery 

purposes,  since, despite  the great efficiency of  transfection,  it  leads  to minor perturbation of 

cells. A recently published work confirmed this property, suggesting the possible use of CNTs as 

cellular endoscopes.81 The authors of this paper prepared an endoscope ending with a MWCNT 

(with a diameter in the range of 50‐200 nm or more and a length of 50‐60 µm) and found that, 

thanks  to  its  narrow  cylindrical  shape,  it  produced  no  cell  damage,  and  it  resulted  in  less 

mechanical stress  for  the cell compared  to common conical glass pipettes, even  for prolonged 

periods. 

Page 36: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

Chapter 1 

24  

In conclusion, many different studies aimed at understanding CNT uptake mechanism by 

cells,  considering  the  question  from  different  points  of  view.  The  discrepancy  between  the 

results present in literature can lie in the different kind of CNTs derivatives used. Considering all 

the works published so far, we could conclude that both endocytosis and needle‐like piercing of 

the membrane  exist  and  can  contribute  to  internalization  of  CNTs, with  a  predominance  of 

needle penetration when internalization is driven by the CNTs, i.e. when CNTs are functionalized 

with  non‐bulky  molecules.  Whereas,  when  CNTs  are  coated  with  big  molecules  or  with 

molecules that trigger a specific receptor‐mediated endocytosis, this mechanism prevails. 

1.5.2 Delivery of antineoplastic chemotherapeutic drugs 

  The most studied possibility in CNT‐based cancer therapy is drug delivery, in which CNTs 

are used as vehicles for a chemotherapeutic agent, in order to improve its delivery to the target. 

Doxorubicin is a drug widely used in clinical cancer treatment and it is very interesting to 

study  its delivery  through nanocarriers. So  far, a number of works  in which carbon nanotubes 

were used for this purpose has been published. In one of the first papers doxorubicin was bound 

to copolymer‐coated MWCNTs forming a supramolecular complex based on π‐π stacking.82 The 

cytotoxicity  of  this  derivative  was  tested  in  vitro  on  human  breast  cancer  cells  showing  an 

increased  mortality  rate  in  comparison  with  doxorubicin  alone.  This  drug  was  also  bound, 

through  supramolecular  chemistry,  to  two  different  water‐soluble  SWCNTs:  non‐covalently 

functionalized with a phospholipidic‐PEG surfactant and oxidized SWCNTs covalently PEGylated 

through  amidation  of  the  carboxylic  moieties.83  The  authors  suggested  π‐π  stacking  and 

hydrophobic  interactions as the binding forces between doxorubicin and nanotubes. Moreover 

they  report  a  pH‐dependent  interaction:  the  loading was made  at  pH  9,  condition  at which 

doxorubicin is deprotonated and so has low water solubility, reaching a doxorubicin/nanotubes 

weight ratio of ~4:1; a decrease in the pH led to the release of the drug from the SWCNT carrier 

due to the  its consequent higher hydrophilicity. This mechanism could be very useful  in cancer 

therapy due to the acidic environment of extracellular tissues  in tumour, potentially  leading to 

selective  drug  release  in  vivo.  The  cytotoxicity  of  the  phospholipidic‐PEG  wrapped  SWCNT‐

doxorubicin  construct was  tested on human glioblastoma  cancer  cells. The derivative  induced 

cell death similarly to free doxorubicin at a concentration of 10 µM, although the observed IC50 

value  was  higher  (~8  µM  for  the  carbon  nanotube  conjugate  compared  to  ~2  µM  for  free 

doxorubicin). Furthermore, a  targeted doxorubicin delivery was  tested using a cyclic arginine–

glycine–aspartic acid (RGD) peptide, which acts as recognition moiety for integrin αVβ3 receptors, 

over‐expressed  in a wide  range of  solid  tumours. The  targeting agent was bound on  the PEG 

Page 37: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

  Introduction 

25  

chain of the non‐covalent SWCNT derivative, and then doxorubicin was  loaded. This conjugate, 

tested  on  integrin  αVβ3‐positive  cells,  showed  enhanced  drug  delivery  compared  to  the 

derivative  without  RGD,  according  to  the  degree  of  brightness  in  confocal  fluorescence 

experiments and  to  the  IC50 value, which was  smaller  (~3 µM)  for  the RGD‐bearing derivative 

than  for  the  one  void  of  any  targeting  agent.  The  behaviour  of  phospholipidic‐PEG wrapped 

SWCNT‐doxorubicin  complex was  studied  also  in  vivo  into  SCID mice  bearing  Raji  lymphoma 

xenografts.84  The  authors  observed  higher  tumour  uptake,  probably  due  to  the  prolonged 

circulation half‐life of the construct, and greater inhibition of tumour growth with respect to the 

free drug but the therapeutic efficacy was not better than DOXIL (liposomal Doxorubicin). On the 

other hand, differently  from DOXIL, SWCNT‐doxorubicin caused neither  significant  toxicity nor 

mortality, allowing the use of higher doses. Treatments with 10 mg/kg  (instead of 5 mg/kg) of 

SWCNTs‐doxorubicin  (dose  normalized  on  doxorubicin)  led  to  improved  efficacy,  still without 

causing any  severe  toxicity, whereas 5 mg/kg of  free doxorubicin or DOXIL  resulted  in  strong 

decrease  in  the weight of  the animals and mortality  rates of 20% and 40%,  respectively. The 

possible  reasons  for  this  behaviour  involve  different  aspects:  the  bigger  size  of  the  SWCNT 

construct with  respect  to  free  doxorubicin  probably  slowed  down  glomerular  filtration,  and, 

moreover,  the  PEG  coating  could  have  hidden  doxorubicin  from  macrophages.  Both  these 

effects  could  determine  prolonged  blood  circulation,  thus  enhancing  tumour  accumulation 

because  of  EPR  effect.  Moreover  the  slightly  acidic  microenvironment  of  tumours  should 

facilitate doxorubicin detachment from the SWCNTs, as previously reported,83 therefore leading 

to selective drug release. Nevertheless the same authors observed a slow in vivo dissociation of 

doxorubicin from the SWCNTs after administration, and this fact can suggest that non‐covalent 

constructs  cannot  guarantee  proper  in  vivo  stability.  An  in  vivo  targeting  study  was  also 

performed with PEGylated SWCNTs  functionalized with RGD peptide.85 After  tail vein  injection 

into U87MG  tumour‐bearing mice,  the nanotubes accumulated  in  tumour  (13%  ID/g  in 24 h), 

with  no  obvious  toxicity  or  negative  health  effects  for  the  animals.  Zhang  et  al.  prepared  a 

different  kind  of  SWCNT‐based  vector  for  doxorubicin.86  First  CNTs  were  oxidized,  thus 

introducing  carboxylic  groups,  and  then  derivatized  via  wrapping  with  two  different 

polysaccharides,  namely  sodium  alginate,  which  is  anionic,  and  chitosan,  which  is  cationic. 

Doxorubicin  was  then  loaded  on  the  modified  SWCNTs  and  the  interaction  was  mediated 

probably  by  electrostatic  interactions  and  π‐π  stacking.  The  release  of  doxorubicin  in  acidic 

condition  (pH  5.5) was  assessed,  in  order  to mimic  the  typical  environment  of  lysosomes  or 

cancerous tissues, finding a release of almost 40% in 72 h, while the construct was stable at pH 

7.4. Finally, an identical conjugate bearing folic acid (linked to chitosan) was prepared, to target 

Page 38: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

Chapter 1 

26  

tumours  overexpressing  the  folate‐receptor.  In  vitro  tests  on  HeLa  cells  were  performed  to 

evaluate  cellular uptake, by  fluorescence microscopy,  and  cell  viability.  The  compound  led  to 

stronger  reduction  in cell viability  then  the drug  itself, proving  its efficacy as  targeted delivery 

system. A triple functionalized SWCNT derivative was prepared, bearing doxorubicin, fluorescein 

and  a  targeting  antibody  that  recognizes  carcinoembryonic  antigen  (CEA),  a  tumour marker 

relevant for a variety of adenocarcinomas.87 Doxorubicin was non‐covalently loaded on oxidized 

SWCNTs by π‐π stacking. Afterwards a fluorescein‐labelled BSA was covalently attached through 

its  amines  to  the  carboxylic  groups present on  the  oxidized  SWCNTs,  via  amidation  reaction. 

Finally the antibody was tethered through its amines to the BSA carboxylic groups again with an 

amidation  step.  In  this  way  the  authors  designed  a  construct  that  should  target  CEA‐

overexpressing cancer cells, be internalized by endocytosis, and release doxorubicin at lysosomal 

acidic pH. The  fluorescein was  introduced  to  localize  the SWCNT  construct by  the  fluorescent 

signal  after  doxorubicin  release.  The  internalization  by WiDr  human  colon  cancer  cells  was 

studied by confocal microscopy: after a 4 h treatment, the fluorescently  labelled SWCNTs were 

found in the cytoplasm, while doxorubicin was localized in the nucleus, where the drug exerts its 

activity. As a control, the fluorescein‐labelled BSA did not show internalization to the same high 

extent, indicating the good ability of CNTs to act as vectors. Nevertheless no information on the 

cytotoxicity  of  the  complex  is  reported,  nor  any  stability  study  to  evaluate  the  release  of 

doxorubicin  from CNTs. With a different approach, doxorubicin was  linked  to pyrene and  this 

system was non‐covalently bound to SWCNTs via π‐π bonding driven by the polyaromatic unit.88 

The linker between doxorubicin and pyrene was a short chain with a carbamate group, designed 

to be enzymatically  cleaved  inside  lysosomes.  In  vitro  studies on a mouse melanoma  cell  line 

were performed to assess the internalization of the construct and its cellular toxicity. The results 

showed accumulation in the lysosomes and cell growth inhibition (via apoptosis) in a time‐ and 

dose‐dependent  manner,  approaching  the  doxorubicin  profile  for  the  72  h  treatment. 

Furthermore,  the  therapeutic efficacy was evaluated  in  vivo on melanoma‐bearing mice.  Free 

doxorubicin  and  SWCNT‐doxorubicin  induced  similar  reduction  of  tumour  volume,  with  a 

significant decrease of systemic toxicity for the CNT construct, according to animal body weight, 

organs weight and histopathological analyses. Also in this case the release of the drug from the 

CNTs was  studied,  comparing  the  effect  of  incubation with  cell  lysate  to  the  use  of  normal 

buffer.  Though  the  former  system was  significantly more  efficient,  proving  that  intracellular 

enzymes play a fundamental role, a release was observed also in the latter case, demonstrating 

how  a  non‐covalent  construct  is  not  completely  stable  in  biological  environment. With  the 

double aim of obtaining a targeted drug delivery system and of overcoming MDR, SWCNTs were 

Page 39: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

  Introduction 

27  

functionalized via amidation with an antibody directed towards P‐glycoprotein, one of the main 

actors  of  MDR.89  Subsequently  the  Ab‐SWCNTs  construct  was  non‐covalently  loaded  with 

doxorubicin,  via  π‐π  stacking.  This  construct  was  tested  in  vitro  on  human  leukaemia  cells, 

overexpressing P‐gp on their surface and, therefore, resistant to doxorubicin. Cells were exposed 

to NIR radiation to trigger doxorubicin release, as a consequence of NIR absorption by SWCNTs. 

This  system was  indeed  able  to  triplicate  the  amount of doxorubicin  released  in  24  h,  but  it 

should be underlined that a partial release was observed without NIR radiation as well. The Ab‐

CNT construct resulted to be bound to the cell membrane and doxorubicin was  localized  inside 

cells,  in much  higher  amount with  respect  to  treatments with  free  doxorubicin. Doxorubicin 

alone or together with anti P‐gp antibody (at a concentration of 5 µg/mL) could partially inhibit 

cell growth, but,  increasing  the  incubation  time after  treatment  (from 24 h,  to 48 h,  to 72 h), 

cells  gradually  recovered  and  started  growing  again.  Instead,  very  interestingly,  the  SWCNT 

construct, used  at  an  equivalent  concentration of drug,  inhibited  cell  growth more  efficiently 

than the free drug and in a time‐dependent way, probably due to a slow drug release from the 

vector surface.  

Methotrexate  is  another well‐known  anticancer  drug, which  suffers,  as many  others, 

from  low bioavailability and  toxic  side effects. Preliminary  studies of CNT‐based drug delivery 

with this drug were performed by Pastorin et al.90 MWCNTs were covalently functionalized with 

methotrexate  and  fluorescein  at  the  same  time  and  results  obtained  on  human  Jurkat  T 

lymphocytes showed a rapid  internalization of  the compound, even  though  the efficacy of  the 

construct was  lower  than  the  free drug.  In a more  recent work  the  same drug was bound  to 

MWCNTs  through cleavable  linkers. The use of a peptide recognized by  intracellular proteases 

led  to  a  significant  decrease  in  MCF‐7  breast  cancer  cell  viability  if  compared  to  free 

methotrexate.91 Therefore it is possible to conclude that the lower efficacy in the first approach 

was probably due to the lack of drug release once the construct was internalized.  

Taxanes represent another class of antineoplastic drugs that, to date, have already been 

conjugated  to CNTs  for new drug delivery approaches. Paclitaxel  (PTX), which belongs  to  this 

class, was  covalently  bound  through  an  ester  bond  to  the  PEG  of  non‐covalently  PEGylated 

SWCNTs and  i.v.  injected  into xenograft  tumour‐mice  (PTX  resistant 4T1 murine breast cancer 

mice model) to test the in vivo efficacy.92 Results were very promising, showing a tumour growth 

inhibition  value  of  almost  60%  for  the  SWCNT‐PTX  derivative,  much  higher  than  the  one 

reported  for Taxol and PEG‐PTX  (28% and 21%  respectively). Higher apoptosis  level and  lower 

proliferation active cells level were observed after CNT derivative treatment, when compared to 

the  drug  alone.  It  is  important  to  underline  the  lack  of  toxicity  in mice  for  these  PEGylated 

Page 40: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

Chapter 1 

28  

SWCNTs  themselves,  demonstrated  by  the  authors  in  another work.49e  The  evaluation  of  the 

pharmacokinetics  showed  a  longer  plasmatic  half‐life  for  SWCNT‐PTX,  coherently  with  the 

enhanced hydrophilicity of  the conjugate with respect  to  the drug  itself, and much higher PTX 

presence  in  RES  organs  (liver/spleen)  and  intestine  2  h  after  injection.  This  is  a  predictable 

behaviour  for nanomaterials  in general and  could give  concern  for  the  toxicity  towards  these 

organs. Nevertheless  the  authors  reported differences between  the biodistribution of  SWCNT 

and  PTX,  indicating  a  rapid  release  of  the  drug  from  the  conjugate  probably  due  to  ester 

cleavage  by  carboxylesterases.  As  a  consequence  the  drug  seemed  to  be  rapidly  excreted, 

lowering  its  toxicity.  Importantly,  tumour  PTX  levels  were  10  times  higher  for  SWCNT‐PTX 

derivative than for free taxol 2 h after injection and tumour‐to‐normal organ/tissue PTX uptake 

ratio  was  bigger,  thus  indicating  a  better  selectivity  of  the  CNTs‐delivered  drug.  Chen  et  al 

performed another study with the same class of drugs.66 They prepared a covalent derivative of 

SWCNTs  bearing  a  taxoid  molecule  and  biotin  as  targeting  unit  towards  cancer  cells 

overexpressing  its receptor, thus  leading to receptor‐mediated endocytosis. This construct was 

intended  to  be  a  prodrug, which  frees  its  cargo,  once  inside  the  cell,  upon  reduction  of  the 

disulphide  bond  by  endogenous  thiols  such  as  glutathione  (GSH), whose  concentrations  are 

typically more  than  103  times  higher  in  tumour  tissues  than  in  blood  plasma.  Therefore,  the 

system should act specifically on cancer cells, leading the taxoid to carry out its mitosis inhibition 

action  only  in  the  desired  sites.  The  authors  demonstrated  the  actual  internalization  of  the 

whole  conjugate  in  leukaemia  L1210FR  cells,  by means  of  confocal  fluorescence microscopy, 

thanks to the presence of a fluorescent tag covalently bound to the taxoid molecule. Moreover, 

in  the  case  of  a  control  SWCNT  derivative  without  biotin,  they  observed  a  temperature‐

dependent  but  energy‐independent  internalization.  This  is  coherent  with  a  non‐endocytotic 

mechanism,  in accordance with  the hypothesis of a needle‐like diffusion of carbon nanotubes 

through cell membranes. On the other hand, for the biotin‐conjugate, the mechanism observed 

was endocytosis, and the  internalization degree was far higher  if compared to the one for cells 

not expressing the biotin receptor. Furthermore the authors proved the efficient release of the 

drug by GSH and  the binding of  the conjugate  to  the microtubule network, where  it exerts  its 

cytotoxic action, with an IC50 value smaller than the one for the drug alone, probably due to the 

increase in the drug uptake. 

Also platinum analogues have been  investigated  in CNT‐based drug delivery  for cancer 

treatment.  In a  first work,  Lippard and  co‐workers  reported  the preparation of a Pt(IV)‐based 

SWCNTs  prodrug  able  to  deliver  and  release  the  drug  inside  cells,  leading  to  intracellular 

concentrations  6  times  higher  than  the  ones  reached  treating  the  cells with  the  free  drug.93 

Page 41: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

  Introduction 

29  

More recently the same group prepared another Pt‐based targeted prodrug using SWCNTs as a 

longboat.94 The derivative was prepared binding folic acid, whose receptors are overexpressed in 

many cancer cells, to a Pt(IV) compound, and tethering this conjugate to CNTs through an amidic 

coupling with terminal amines of wrapped phospholipid‐PEG chains. The Pt(IV), once inside cells, 

can be reduced thanks to acidic endosomal pH, therefore losing the two axial ligands and leading 

to  the  active  Pt(II)  compound.  The  authors  demonstrated  internalization  via  folate  receptor‐

mediated endocytosis  (FRME), and the to kill cancer cells (human choriocarcinoma and human 

nasopharyngeal  carcinoma)  with  IC50  values  more  than  8  times  lower  than  cisplatin  alone. 

Moreover the formation of the major reaction product of cisplatin with DNA was detected, using 

a  specific monoclonal  antibody,  proving  the  actual  ability  of  the  system  to  act  as  a  prodrug, 

generating  the  cytotoxic derivative once  internalized and  thus killing  in a  selective way  folate 

receptor  overexpressing  cells.  Also  cisplatin‐delivery  systems  based  on  drug‐SWCNT  covalent 

bioconjugates were investigated.65 The interaction of the epidermal growth factor (EGF) with its 

receptor (EGFR), overexpressed on the cell surface of a big variety of cancers, was exploited to 

target  CNTs  both  in  vitro  and  in  vivo.  The  efficient  in  vitro  internalization  in  head  and  neck 

squamous  carcinoma  cells  of  the  SWCNTs‐EGF  conjugate  was  proved  and  resulted  to  be 

mediated  by  the  EGF‐EGFR  ligand‐receptor  interaction.  Furthermore  quantum  dot  (Qdot)‐

functionalized  SWCNTs  were  administrated  to  a  tumour‐bearing  athymic mice  to  study  the 

short‐term biodistribution. The results showed a much higher accumulation within the tumour 

mass of the EGF‐conjugate compared to the control without EGF. Small amounts of CNTs were 

found within spleen,  lungs,  liver, kidneys and heart, regardless of the presence of EGF. Finally, 

the animals were treated with SWCNT‐cisplatin‐EGF showing a decrease in the tumour growth in 

comparison with  the untargeted SWCNTs‐cisplatin conjugate, demonstrating  that SWCNTs can 

selectively deliver cisplatin in vivo towards EGFR overexpressing cancer. 

Another  interesting  approach  for  the  functionalization  of  CNTs,  exploited  also  in 

oncology studies,  is the  filling of the nanotubes. This method was  first  investigated by Green’s 

group  in 1994 and  involves  the opening of MWCNTs’  caps by a nitric acid  treatment and  the 

filling of the inner cavity through a wet chemistry approach.95 It was applied to fill the tubes with 

different materials, among which carboplatin, a widely used chemotherapeutic agent for cancer 

treatment.96 MWCNTs were opened with nitric acid and subsequently filled sonicating them in a 

carboplatin  solution  at  different  temperatures.  Finally,  they  were  cleaned  from  particles 

deposited on  the outer  surface, washing  them  in water  and  in ethanol.  The derivatives were 

characterized trough different techniques to confirm the presence of the drug inside the tubes, 

and  it was shown that the best temperature for the filling protocol was 90°C, leading to a drug 

Page 42: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

Chapter 1 

30  

loading of 30 %  in weight.  This derivative was  then  tested on human bladder  cancer  cells  to 

evaluate its cytotoxicity and the test showed reduced cell viability compared to the drug alone. 

More  recently  also  cisplatin was  encapsulated  into  CNTs,  in  this  case  single‐walled  ones,  the 

diameter of which is big enough to host the drug.97 The SWCNTs were opened by concentrated 

acid  treatment,  and  subsequently  annealed  at  850°C  under  high  vacuum  in  order  to  remove 

oxygen functional groups  introduced  in the first step. The filling with cisplatin was achieved by 

stirring at 40°C the SWCNTs  in a DMF solution of the drug for 48 h. The release of the drug  in 

physiological solution was studied,  finding  that  it started after 24 h and continued up  to 72 h, 

and the  inhibition of cell growth on two prostate cell  lines (DU145 and PC3) obtained with the 

construct was comparable to the one caused by the free drug.  

Another  antineoplastic  drug,  namely  10‐hydroxycamptothecin  (HCPT), was  covalently 

attached  to MWCNTs  to  study  the  influence  of  CNTs  on  drug  efficacy.98 MWCNTs were  first 

oxidized with a 36 h acid  treatment, and  the carboxylic groups  thus  introduced underwent an 

amidation step to introduce a spacer bearing a terminal protected amine. After deprotection of 

the amino group, an ester derivative of HCPT was bound to the construct via an amide bond. The 

ester linkage, hydrolytically unstable, was introduced to subsequently trigger the release of the 

drug. The authors observed a small drug release (< 15% after 128 h) under both acidic or basic 

conditions, and a much higher  release  (80% after 128 h), when  incubating  the  construct with 

fetal bovine serum, which contains esterases that could catalyse the hydrolysis. Furthermore a 

fluorescein molecule was  bound  to  the  unreacted  amine  after HCPT  conjugation,  for  in  vitro 

tests on human gastric carcinoma cells. Fluorescence confocal microscopy permitted to  localize 

intracellularly the constructs, with a uniform distribution in the cytoplasm. WST‐1 assay revealed 

a  significantly  improved  cytotoxicity with  respect  to  equal  concentrations  of  HCPT, whereas 

CNTs alone did not cause any decrease in cell viability. Finally, a different construct bearing DTPA 

was  prepared,  in  order  to  chelate  technetium  (Tc),  a  radioactive  nuclide,  for  in  vivo 

biodistribution studies in tumour‐bearing mice. High uptake was found in the liver, spleen, lung, 

kidney, stomach,  femur and  tumour.  In  the  latter  the maximum uptake  level  (3.6 %  ID/g) was 

reached within 4 h post  injection. The observed blood circulation half‐life was of 3.6 h, versus 

the  30 min  reported  for  HCPT.  Since  the  in  vitro  drug  release  tests  showed  that  4  h  after 

incubation with  serum  only  12%  of  the HCPT was  released,  the  authors  considered  that  the 

majority of the conjugate could reach the different organs (and the tumour) without releasing a 

big amount of drug in the blood stream. The in vivo antitumor performance of the HCPT‐bearing 

MWCNTs was also studied, finding a tumour growth  inhibition much more efficient than HCPT 

alone, without causing any severe toxicity to the animals. 

Page 43: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

  Introduction 

31  

Yang  et  al.  delivered  gemcitabine‐MWCNTs  construct  to  lymphatic  vessels,  exploiting 

EPR effect and the specific guidance of an external magnetic field.99 SWCNTs were functionalized 

with poly(acrylic  acid)  and  then decorated with magnetite nanoparticles  (FeO∙Fe2O3) by  a  co‐

precipitation  step with Fe2+ and Fe3+. Three hours after  subcutaneous  injection  in SD  rats,  the 

construct was able to reach popliteal lymph nodes without accumulation in the major organs as 

liver, spleen, kidney, heart and lung, simply by EPR effect. The same CNTs were loaded with the 

antineoplastic drug gemcitabine by physical adsorption. The system was guided in vivo applying 

a  permanent magnet  on  the  projection  surface  of  one  popliteal  lymph  node  and  very  high 

accumulation of gemcitabine was detected  in the  lymph node, with a maximum after 24 h. At 

the same time, the blood plasma concentration was lower if compared to gemcitabine alone, to 

the  treatment without  the magnetic  field, or  to a  control  represented by nanosized activated 

carbon decorated with magnetic nanoparticles. 

CNTs‐based  antitumor  immunotherapy was  explored by Meng  et  al.100  This  technique 

employs tumour cell vaccines (TCV), which are made of inactivated cancer cells or dendritic cells 

presenting tumour antigens, in order to trigger the immune response of the patient against the 

tumour  itself. With  the  aim  of  improving  the  efficacy  of  TCV,  tumour  lysate  proteins  were 

covalently  coupled  to  oxidized  MWCNTs  via  an  amidic  bond.  The  conjugate  was  injected 

subcutaneously to H22 hepatoma‐bearing mice treated with TCV (controls were performed with 

TCV  +  CNTs  only  and  TCV  +  tumour  lysate  proteins  only).  The  cure  rate  was  significantly 

increased with respect to animals treated only with TCV or with TCV + tumour  lysate proteins, 

even if a partial effect was exerted by CNTs alone as well. To assess whether or not the immunity 

was tumour‐specific, the animals survived after treatment with tumour  lysate proteins‐bearing 

MWCNTs were challenged again with subcutaneous injection of tumour cells. In the case of H22 

cells they rejected the tumour, while they did not reject mouse breast cancer, proving how the 

therapeutic system made them develop a specific immunity. 

 

Page 44: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

C

T

Chapter 1 

32 

Table 1 

Commpound 

 

 

 

 

CNT type 

MWCNTs  D

SWCNTs  D

SWCNTs  D

SWCNTs  D

Drug cov

Doxorubicin 

Doxorubicin 

Doxorubicin 

Doxorubicin 

Bond drug‐CNT 

valent non‐

covalent

   

   

   

   

Specific release 

mechanism (if any) 

‐ 

acidic tumour or lysosomal 

pH 

R

acidic tumour or lysosomal 

pH 

acidic tumour or lysosomal 

pH 

Specific targeting (if any)  I

‐  bre

RDG peptide  glioca

‐ 

‐  cca

Biological studie

In vitro  In 

human ast cancer cells 

human oblastoma ncer cells 

‐ lympbeari

human cervical ncer cells 

es 

Ref. vivo 

‐  82 

‐  83 

phoma‐ng mice 

84 

‐  86 

Page 45: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

 

 

 

 

 

 

SWCNTs  D

SWCNTs  D

SWCNTs  D

MWCNTs  M

Doxorubicin 

Doxorubicin 

Doxorubicin 

Methotrexate 

   

   

   

   

acidic tumour or lysosomal 

pH 

c

enzymatic cleavage of carbamate 

NIR radiation 

g

‐ 

anti‐carcinoembr

yonic antigen antibody 

humca

‐  m

anti‐P‐glycoprotein antibody 

le

‐ h

lym

man colon ancer cell line 

murine elanoma cell 

melabeari

human eukemia cells 

human T mphocytes 

Introductio

3

‐  87 

anoma‐ng mice 

88 

‐  89 

‐  90 

on 

33 

Page 46: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

C

Chapter 1 

34 

 

 

 

MWCNTs  M

SWCNTs 

SWCNTs 

Methotrexate 

Paclitaxel 

Taxoid 

   

   

   

enzymatic cleavage of peptidic linker 

enzymatic cleavage of ester (by 

carboxylesterases) 

reduction of the 

disulphide bond (by 

endogenous thiols) 

‐  bre

‐  bre

biotin  le

human ast cancer cells 

murine ast cancer cell 

mubrca

beari

murine eukemia cells 

‐  91 

urine reast ncer‐ng mice 

92 

‐  66 

Page 47: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

 

 

 

 

 

 

SWCNTs 

SWCNTs 

SWCNTs 

MWCNTs  C

Cisplatin 

Cisplatin 

Cisplatin 

Carboplatin 

   

   

   

   

reduction from Pt(IV) to Pt(II) due 

to endosomal acidic pH 

reduction from Pt(IV) to Pt(II) due 

to endosomal acidic pH 

ligand exchange 

(hypothesized) 

‐ 

‐ teca

folic acid 

cho

nas

caandca

epidermal growth factor 

humasqca

‐  bca

human esticular arcinoma cells 

human oriocarcino

ma, sopharyngeal 

arcinoma d testicular arcinoma cells 

man head nd neck quamous arcinoma cells 

humaandsquacarcbeari

human bladder ncer cells 

Introductio

3

‐  93 

‐  94 

an head d neck amous inoma‐ng mice 

65 

‐  96 

on 

35 

Page 48: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

C

 

Chapter 1 

36 

 

 

 

 

SWCNTs 

MWCNTs 

SWCNTs  G

 

MWCNTs Tp

Cisplatin 

HCPT 

Gemcitabine 

Tumor lysate proteins (for 

TCV) 

   

   

   

   

‐ 

enzymatic cleavage of ester (by esterases) 

‐ 

n

‐ 

‐ pro

‐ ca

magnetite nanoparticles guided with an external magnetic field 

‐ 

human ostate cell 

human gastric arcinoma cells 

hetu

beari

‐ SprDaw

‐ hepabeari

‐  97 

epatic mor‐ng mice 

98 

ague–ley rats 

99 

atoma‐ng mice 

100 

Page 49: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

  Introduction 

37  

1.5.3 Delivery of nucleic acids 

The way CNTs  can  interact with nucleic acids has been extensively  studied because  it 

could have very  interesting applications. Both antisense oligonucleotides and  small  interfering 

RNA  (siRNA) are very promising  techniques  for gene  silencing, applicable  for  the  treatment of 

many diseases.  In  fact,  they  can  inhibit protein  expression, potentially blocking many  cellular 

pathways. Cancer therapy is one of the possible applications, when the targets are oncogenes or 

genes involved for instance in angiogenesis or chemotherapy resistance. 

One of the first studies in this field was performed by Zhang et al.101 SWCNTs, covalently 

functionalized via amidation and bearing a terminal ammonium group, were used to complex a 

siRNA able to silence the expression of telomerase reverse transcriptase and thus to inhibit cell 

growth. This activity was proved in vitro, on different cell lines, both murine and human, and in 

vivo, after  intra‐tumour  injection  in xenografted mice. The  in vivo antitumor activity of a CNT‐

based  siRNA  delivery  system  was  also  assessed  by  Podesta  et  al,  using  a  different  kind  of 

construct. MWCNTs, covalently functionalized via 1,3‐dipolar cycloaddition and bearing terminal 

amino  groups, were  used  to  load  the  proprietary  siRNA  sequence  siTOX.102  The  system was 

injected  within  the  tumour mass  on  human  lung  carcinoma  (Calu  6)  xenografted mice  and 

compared with MWCNTs with a non‐coding  sequence  (siNEG),  functionalized MWCNTs alone, 

and  both  siTOX  and  siNEG  delivered  with  cationic  liposomes.  MWCNTs‐siTOX  significantly 

inhibited tumour growth in comparisons to the controls, while cationic liposomes based systems 

did not affect  tumour growth nor  increase animal  survival. Moreover,  tumour  tissue analyses 

revealed extended necrosis  in the regions where CNTs accumulated.  In the context of targeted 

delivery, Yang et al. reported the preparation of a folate targeted DNA transporter with CNTs, in 

principle  exploitable  to  deliver  siRNA  to  cancer  cells  as well.103  In  fact  also  in  this  case  the 

covalently  functionalized SWCNTs presented positive charges to  form electrostatic  interactions 

with nucleic acids. They bound fluorescently  labelled‐dsDNA to this derivative, proving by UV a 

strong enhancement in the loading of ds‐DNA for the positively charged SWCNTs in comparison 

to  non‐charged  SWCNTs.  They  further  functionalized  the  derivative  by wrapping  a  folic  acid 

modified phospholipid. The complex was  tested on mouse ovarian epithelial cells,  showing an 

increased  uptake  for  the  derivative  with  the  folic  acid,  compared  to  the  one  without  the 

targeting unit. Furthermore,  the  fluorescently  labelled dsDNA alone was  internalized only at a 

very poor  level,  thus demonstrating  the carrier  role of CNTs.  In a  final experiment, HeLa  cells 

were  induced  to overexpress  folate  receptor, culturing  them with  folic acid  free medium, and 

these  cells  showed  a much  higher  internalization  of  the  derivative  than  normal  HeLa  cells, 

Page 50: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

Chapter 1 

38  

confirming  the  efficacy  of  the  delivery  system.  In  another  study,  oxidized  MWCNTs  were 

complexed  to  polyethylenimine,  to  which  an  antisense  sequence  was  bound  by  means  of 

electrostatic  interactions.67a The oligonucleotide was coupled  to  fluorescent cadmium  telluride 

quantum  dots  in  order  to  follow  the  cellular  trafficking  of  the  complex.  The  authors 

demonstrated  for  the  system  an  efficient  uptake  and  the  expected  apoptotic  activity. 

Dendrimer‐CNT  constructs  were  also  exploited  for  gene  delivery.  The  anti‐survivin 

oligonucleotide  was  anchored  onto  the  polyamidoamine  (PAMAM)  dendrimer  covalently 

attached to the CNTs and transfected into MCF‐7 cells.104 The conjugate distributed mainly in the 

cytoplasm,  endosomes  and  lysosomes  of  the  cells  and  was  able  to  release  the  antisense 

oligonucleotide,  which  then  exerted  its  apoptotic  activity.  The  PAMAM  dendrimer  was  also 

grown directly on MWCNT surface and used as anchoring point for siRNA, after introduction of a 

trimethylammonium  unit  on  each  branch  termination. Different  dendrimer  generations were 

prepared and their efficacy in delivering a fluorescent oligonucleotide was compared, obtaining 

the best results for the second generation.105 

A  unique  approach  conjugated  the  use  of  CNTs  as  nucleic  acids  delivery  system with 

photodynamic  therapy.106  This  therapy  represents  a  very  interesting  option  for  cancer 

treatment,  and  it  is based on  the delivery of  a photosensitizer, which, upon  activation by  an 

appropriate  light  source,  transfers  the  light  energy  to  tissue  oxygen  thus  generating  singlet 

oxygen, which  can  react  rapidly with  cellular molecules  and  trigger  a  cellular damage.  In  this 

study an aptamer, a synthetic DNA/RNA probe able to recognize and bind a specific target, was 

covalently  bound  to  chlorine  e6  (Ce6),  a well‐known  photosensitizer.  Then  the  aptamer was 

wrapped on SWCNTs, and they were able to quench 98% of the singlet oxygen generation (SOG) 

normally occurring upon excitation of Ce6. When the aptamer was involved in the binding to its 

target,  in this case human α‐thrombin,  it was released  from the CNTs, and therefore SOG was 

not quenched anymore. Phototoxicity on human lymphoma cells treated with the construct was 

studied,  showing  a  reduction  in  cell  viability  comparable  to  treatment with  Ce6  alone, when 

thrombin  was  added,  indicating  the  feasibility  of  a  targeted  SWCNTs‐based  system  for 

photodynamic therapy. 

All  the  examples  reported  demonstrate  that  CNTs,  both  single‐  and multi‐walled,  are 

good vectors  for nucleic acid delivery and  that  the  transported sequences retain  their activity. 

These  results are even more attractive  considering  that CNTs exert also an  important activity 

against  enzymatic  digestion.107  In  fact  oligonucleotides,  when  wrapped  on  SWCNTs,  are 

protected  from  enzymatic  cleavage  and  interference  from  nucleic  acid  binding  proteins, 

increasing their stability in cells. 

Page 51: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

  Introduction 

39  

Furthermore,  Li  et  al.  reported  that  oxidized  SWCNTs  induced  a  stabilization  of  the 

human  telomeric  i‐motif of DNA. Even  though  the question still needs  to be studied,  this very 

particular  possibility  could  be  exploited  in  anti‐neoplastic  systems,  since  the  stabilization  of 

telomeric quadruples  inhibits telomerase, which  is an essential enzyme  for the proliferation of 

cancer cells.108 

1.6 Alternative CNT‐based anticancer strategies 

Cancer  treatments  can  be  exerted not only by  the  administration of drugs,  and CNT‐

based systems have been explored also with different approaches. 

Some of  these works  focus mainly on  the  targeting  issue, which  is of  course of  great 

importance  in  cancer  therapy,  without  studying  a  specific  therapeutic  possibility.  A  specific 

recognition of membrane receptor was achieved with Ab‐functionalized SWCNTs.109 They were 

functionalized  with  a  phospholipid‐PEG,  in  order  to  increase  solubility  and  to  prevent  non‐

specific binding in the biological environment, and subsequently the terminal amines of the PEG 

were  covalently  functionalized  with  two  different  antibodies  (Rituxan  and  Herceptin).  The 

binding to corresponding membrane receptors (CD20 on B‐cells, and HER2/neu on breast cancer 

cells, respectively) was proved in vitro exploiting the intrinsic near‐infrared fluorescence of CNTs, 

thus demonstrating the feasibility of using antibodies as targeting agent  in applications such as 

imaging  or  drug  delivery.  Raman  spectroscopy  was  also  used  as  an  imaging  technique  for 

CNTs.110  Also  in  this  case  a  phospholipid‐PEG‐CNT  construct was  used.  Derivatives  bound  to 

different  antibodies  or  to  RGD  peptide were  prepared  using  SWCNTs with  different  isotope 

composition,  that  display  well‐shifted  Raman  G‐band  peaks.  In  this  way,  it  was  possible  to 

distinguish  the different CNT  constructs  in mixed  cellular populations, proving  that  they were 

able to selectively recognize their specific target. Raman imaging was used also for both in vitro 

and direct  in  vivo  studies by Zavaleta et al., with PEGylated  SWCNTs  functionalized with RGD 

peptide  (same  construct  of  ref.  85).111  The  in  vitro  data  showed  that  αVβ3  integrin‐positive 

tumour  cells  (U87MG)  internalized  the  construct much better  than SWCNTs without RGD and 

more  than  αVβ3  integrin‐negative  cells  (HT29). Direct  in  vivo data  showed  selective prolonged 

accumulation of the RGD‐bearing SWCNTs in the tumour, while the non‐targeted SWCNTs gave 

an  initial tumour accumulation, followed by a rapid decrease. With an alternative approach, an 

antibody was bound to SWCNTs exploiting  the high affinity  interaction between protein A and 

the  Fc  portion  of  the  antibody  itself.112  SWCNTs wrapped with  phospholipid‐PEG‐COOH were 

bound  to  protein  A  by  amidation.  Then,  an  anti‐integrin  antibody,  previously  marked  with 

fluorescein, was linked to the system. This antibody recognizes a specific integrin overexpressed 

Page 52: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

Chapter 1 

40  

on  various  cancer  cells,  rendering  the  construct  suitable  for  cancer  targeting.  After 

demonstrating  that  the  construct  was  not  cytotoxic,  its  internalization  was  studied  via 

fluorescence confocal microscopy both in integrin‐positive (U87MG human glioblastoma cancer 

cells)  and  integrin‐negative  (MCF‐7  human  breast  cancer  cells)  cell  lines,  proving  the  specific 

targeting.  In  fact,  only U87MG  cells  internalized  the  SWCNT  construct, while  no  intracellular 

fluorescence was detected for MCF‐7 cells or for U87MG cells after a pre‐treatment with the Ab 

alone.  The  authors  therefore  hypothesized  an  integrin‐mediated  endocytosis  as  uptake 

mechanism. Bottini et al. studied the internalization of SWCNTs‐Quantum Dot (QD)‐streptavidin 

complexes by CD3 positive‐leukaemia  cells, monitoring  the  intracellular QD  fluorescence.64  In 

this case the process was rather complex and the uptake was mediated by a multi‐component 

recognition. First, a biotinylated anti CD3‐antibody bound the CD3 receptor on cell membrane, 

then  the  streptavidin‐bearing  SWCNTs  attached  the  biotinylated  antibody,  showing  high 

internalization. On the contrary, poor uptake was observed when: i) the antibody was absent, ii) 

a non‐biotinylated antibody was used,  iii)  the experiments were carried out at 4°C and  iv)  the 

cells  did  not  express  CD3‐receptor  on  the membrane  (CD3  negative  cell  line). All  these  data 

suggest a receptor‐mediated endocytosis for this construct. 

1.6.1 Thermal ablation 

A very  interesting application of carbon nanotubes  in cancer  therapy could arise  from 

their  intrinsic optical properties, which  can be  exploited  to  kill  cancer  cells by photo‐thermal 

destruction. In fact the optical absorbance of this material is very high in the NIR (near‐infrared) 

region, 700‐1100 nm, while biological systems are transparent to these wavelength lights. 

It  is worth notice  that,  to our best knowledge, gold nanoshells and gold nanoparticles 

represent  the  only  other  materials  which  have  given  good  results  in  photothermal  cancer 

treatment with NIR radiation.113  In this case the  laser  intensity and the radiation time used are 

often higher  than  the ones needed  to kill  the cells with CNTs. This observation make CNTs an 

even more promising candidate in the field, opening the way to further exploration, to reach the 

laser energy level of 35‐45 mJ/cm2, established as the safety standard for medical lasers.114 

Among the studies carried out, it is important to distinguish the non‐targeted ones, both 

in vitro,115 and  in vivo, when CNTs were directly  injected  in the tumour,116 and the ones where 

CNTs were specifically targeted to tumour cells. 

The first paper reporting this possibility was published in 2005 by Dai and co‐workers.59a 

SWCNTs were non‐covalently functionalized with phospholipid‐PEG chains bearing a fluorescent 

tag or a folic acid molecule. The complex was then administered to HeLa cells overexpressing the 

folate  receptor  (FR+  cells) and  to normal HeLa  cells as a  control. The  FR+  cells  showed a high 

Page 53: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

  Introduction 

41  

internalization of  the  folic  acid‐SWCNTs derivative,  imaged by  fluorescence microscopy, while 

the normal cells showed poor uptake. Cells were then radiated by an 808 nm laser (1.4 W/cm2) 

for 2 minutes,  this  treatment  resulting  in extensive FR+  cell death and  in normal proliferation 

behaviour for cells that did not  internalize the carbon nanotubes. A multi‐component targeting 

system was created, binding to SWCNTs two different monoclonal antibodies, specific for breast 

cancer cells antigens (IGF1R and HER2).117 The double targeting should ensure high efficacy and 

selectivity.  The  derivatives  were  prepared  functionalizing  CNTs  with  1‐pyrenebutanoyl 

succinimmide,  able  to  stick  to  the  aromatic  surface of  the nanotubes by  π‐π  interaction,  and 

bearing  an  anchoring  group  for  linking  the  antibodies.  Cells  were  incubated  with  different 

conjugates and they were then excited by 808 nm photons at 800 mW/cm2 for 3 minutes. As a 

consequence,  the nanotubes were heated and  the  increased  temperature destroyed  the  cells 

that  internalized  them. After  this  treatment,  all  the  cells  incubated with  the  IGF1R  and HER2 

antibody/SWCNTs  hybrids  were  destroyed,  while  the  80%  of  the  cells  incubated  with  non‐

specific  antibody/SWCNTs  hybrids  survived,  indicating  the  specific  internalization  of  the 

nanotubes driven by  the presence of specific  receptors on cancer cells.  In another work, non‐

covalent  SWCNTs‐Ab  derivatives  were  prepared  exploiting  the  strong  binding  between 

neutravidin attached to the Ab and biotin present on a polymer coating of SWCNTs.118 They were 

targeted  to human  cells presenting  the  specific antigen  for  the Ab and  subsequent  treatment 

with  a NIR  laser  (808 nm, 5000 mW/cm2  for 7 min)  resulted  in  a  significant decrease  in  cells 

viability.  Since  the  disadvantage  of  non‐covalent  constructs  is,  as  already  mentioned,  the 

possible  dissociation  in  biological  fluids,  the  same  authors  prepared  a  covalent  SWCNTs‐Ab 

construct by forming amidic bonds between carboxylic groups of oxidized SWCNTs and amines 

of two different Ab (anti‐CD22 or anti‐CD25).119 To assess the specific binding to human Burkitt’s 

lymphoma  cells  (CD22+CD25‐)  and  phytohemagglutinin‐activated  normal  human  peripheral 

blood mononuclear  cells  (CD22‐CD25+),  the  cells  were  treated  with  the  constructs  and  with 

fluorescein‐conjugated  goat  anti‐mouse  immunoglobulin  (FITC‐GAMIg)  and  analysed  through 

flow  cytometry.  The  results  clearly  showed  specific  recognition  of  the  correspondent  cell 

receptor  by  the  two  Ab‐SWCNTs  conjugates.  Finally  the  thermal  ablation  of  the  specifically 

targeted cells was achieved after exposure to NIR radiation (808 nm laser, 9.5 W/cm2, for 4 min). 

Among  cancer  thermal  ablation  studies  involving  CNTs,  an  interesting  option  was 

recently  described  by  Peng  and  co‐workers.120  Targeting  cancer  could  be  translated  more 

specifically  into  targeting  cancer  stem  cells.  These  cells  are  responsible  for  formation  of 

metastases, resistance to therapies and restoration of tumours, and therefore they represent a 

very  important  target  to study and more efforts should be made  in  this direction. The chosen 

Page 54: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

Chapter 1 

42  

targets were  CD133+  glioblastoma  cells,  presenting  high  tumorigenicity  and  cancer  stem‐like 

properties. SWCNTs were wrapped with chitosan, which was then covalently coupled to CD133 

monoclonal  antibody.  These  CNTs  were  tested  in  vitro  with  both  CD133+  and  CD133‐ 

glioblastoma  cells,  and  internalization  was  observed  only  by  the  CD133+  cells,  which  were 

subsequently  killed  upon  exposure  to  NIR  laser  radiation  (808  nm,  2  W/cm2,  for  5  min). 

Furthermore  the  treatment  with  CNTs  followed  by  NIR  radiation  inhibited  spheroid  body 

formation, which  represents  an  index of  cells  self‐renewal.  To partially  translate  the  study  in 

vivo, CNTs‐treated or untreated cells were used to induce tumour formation in nude mice. Two 

days after the subcutaneous injection the mice were subjected to NIR laser radiation, resulting in 

significant inhibition of tumour growth when CNTs were used. 

All these reports are a further confirmation of the ability of carbon nanotubes to serve as 

a targeted nanovector for cancer, exploiting in this case a NIR‐induced thermal ablation. 

1.6.2 Radiotherapy & BNCT 

As  already  mentioned,  the  main  purpose  of  attaching  radioisotopes  to  CNTs  is 

represented by  imaging  studies,  to determine  their biodistribution  following  the  radioisotope 

traces,  but  also  a  therapeutic  application  can  be  envisaged.  McDevitt  et  al.  reported  the 

preparation of a SWCNT derivative bearing an 111In (Indium 111) chelate and they have studied 

its  biodistribution,  finding  accumulation  mainly  in  kidney,  spleen  and  liver.121  The  same 

derivative was  then  further  functionalized with a  tumour  specific monoclonal antibody, and  it 

was delivered in vivo in a murine model of disseminated human lymphoma, showing a selective 

tumour  targeting.  Therefore,  the  replacement  of  indium  with  a  proper  radionuclide  would 

render  these  constructs  ideal  for  their application  in  radiotherapy.  In  fact,  the preparation of 

covalent CNTs‐Ab  constructs  intended  to  target  tumour neo‐vasculature  for  radiotherapy was 

reported  recently  by  same  authors.122 Angiogenic  endothelial  cells  express  on  their  surface  a 

monomeric  cadherin  that,  forming dimers with  cadherins on  close  cells,  constitutes  the  tight 

junctions of normal vascular endothelium. In tumours, these cells are poorly connected (that  is 

one of the reasons for EPR effect) and the cadherin are in the monomeric form, which is the only 

one  recognized by antibody E4G10. Doubly  functionalized SWCNTs were prepared, binding  to 

the CNTs the specific antibody and the alpha particle‐emitting 225Ac (actinium 225) radionuclide 

generator, able to kill the targeted cell and the tissue in its proximity. The compound was tested 

in  vivo  via  intravenous  injection  on  xenografted  tumour‐mice:  it  reduced  tumour  growth, 

improving mice survival in comparison to controls bearing different antibody. The success of this 

approach  is very promising because,  in principle,  the  targeting of  tumour vasculature  renders 

these kinds of constructs suitable for any kind of solid tumour. 

Page 55: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

  Introduction 

43  

The  interesting possibility of employing CNTs  in boron neutron capture therapy (BNCT) 

was explored.18a BNCT is based on the reaction between 10B, after it reached the target cells, and 

a neutron beam, that generates 11B, which subsequently ejects an energetic short‐range alpha 

particle and a  lithium  ion. These species deposit most of their energy within the cell, seriously 

damaging DNA. In order to be effective in cancer therapy, the boron needs to reach tumour cells 

with  an  adequate  concentration  and  CNTs  could  be  the  right  candidate,  considering  their 

capacity to cross biological membranes. Carborane were derivatized with azides and allowed to 

react  with  the  double  bonds  of  SWCNTs,  leading  to  the  formation  of  aziridine  rings, 

subsequently opened  to  give  a water‐soluble  ethoxo‐derivative  suitable  for  in  vivo  tests.  The 

derivatives  were  used  in  tissue  distribution  experiments  on  mice  transplanted  with  EMT6 

mammary  cancer  cells,  achieving  a maximum  boron  concentration  in  tumour  tissue  (27.9  μg 

boron/g tissue) 16 hours after administration. The tumour‐to‐blood boron ratio was favourable, 

with a much higher concentration in tumour cells than in the bloodstream, probably due to EPR 

effect. These results permit to seriously consider boron‐CNT derivatives suitable for BNCT, even 

though, to the best of our knowledge, no further toxicity studies on these derivatives have been 

reported so far. 

1.7 References 

1.  X. Lu and Z. Chen, Chem. Rev., 2005, 105, 3643‐3696. 

2.  J.‐C. Charlier, Acc. Chem. Res., 2002, 35, 1063‐1069. 

3.  a) A. Govindaraj and C. N. R. Rao, Chapter 2 in Carbon Nanotechnology, edited by Liming 

Dai, Elsevier B.V., 2006, 15‐51; b) Q. Fu and J. Liu, Chapter 4 in Carbon Nanotechnology, 

edited by Liming Dai, Elsevier B.V., 2006, 81‐107. 

4.  P. Nikolaev, M. J. Bronikowski, R. K. Bradley, F. Rohmund, D. T. Colbert, K. A. Smith, and 

R. E. Smalley, Chem. Phys. Lett., 1999, 313, 91‐97. 

5.  a) C. Ehli, G. M. A. Rahman, N. Jux, D. Balbinot, D. M. Guldi, F. Paolucci, M. Marcaccio, D. 

Paolucci, M. Melle‐Franco, F. Zerbetto, S. Campidelli, and M. Prato,  J. Am. Chem. Soc., 

2006, 128, 11222‐11231; b) R. J. Chen, Y. Zhang, D. Wang, and H. Dai, J. Am. Chem. Soc., 

2001, 123, 3838‐3839. 

6.  M. Zheng, A. Jagota, E. D. Semke, B. A. Diner, R. S. McLean, S. R. Lustig, R. E. Richardson, 

and N. G. Tassi, Nat. Mater., 2003, 2, 338‐342. 

7.  a) R. Qiao  and P. C. Ke,  J. Am. Chem.  Soc., 2006, 128, 13656‐13657; b) C. Richard,  F. 

Balavoine, P. Schultz, T. W. Ebbesen, and C. Mioskowski, Science, 2003, 300, 775‐778. 

Page 56: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

Chapter 1 

44  

8.   a) X. Li, W. Chen, Q. Zhan, L. Dai, L. Sowards, M. Pender, and R. R. Naik, J. Phys. Chem. B, 

2006, 110, 12621‐12625; b) V. Zorbas, A. L. Smith, H. Xie, A. Ortiz‐Acevedo, A. B. Dalton, 

G. R. Dieckmann, R. K. Draper, R. H. Baughman, and I. H. Musselman, J. Am. Chem. Soc., 

2005, 127, 12323‐12328. 

9.  A.  Star,  J.  F.  Stoddart, D.  Steuerman, M. Diehl, A. Boukai, E. W. Wong, X. Yang,  S.‐W. 

Chung, H. Choi, and J. R. Heath, Angew. Chem. Int. Ed., 2001, 40, 1721‐1725. 

10.  a) E. Dujardin, T. W. Ebbesen, A. Krishnan, and M. M.  J. Treacy, Adv. Mater., 1998, 10, 

1472‐1475; b) B. W. Smith, M. Monthioux, and D. E. Luzzi, Chem. Phys. Lett., 1999, 315, 

31‐36; c) M. Wilson and P. A. Madden, J. Am. Chem. Soc., 2001, 123, 2101‐2102. 

11.   S. Niyogi, M. A. Hamon, H. Hu, B. Zhao, P. Bhowmik, R. Sen, M. E. Itkis, and R. C. Haddon, 

Acc. Chem. Res., 2002, 35, 1105‐1113.  

12.  E.  T. Mickelson,  C.  B.  Huffman,  A.  G.  Rinzler,  R.  E.  Smalley,  R.  H.  Hauge,  and  J.  L. 

Margrave, Chem. Phys. Lett., 1998, 296, 188‐194. 

13.  a) R. K. Saini,  I. W. Chiang, H. Peng, R. E. Smalley, W. E. Billups, R. H. Hauge, and  J. L. 

Margrave, J. Am. Chem. Soc., 2003, 125, 3617‐3621; b) P. Boul, Chem. Phys. Lett., 1999, 

310, 367‐372. 

14.  Y. Ying, R. K. Saini, F.  Liang, A. K. Sadana, and W. E. Billups, Org.  Lett., 2003, 5, 1471‐

1473. 

15.  a) J. L. Bahr, J. Yang, D. V. Kosynkin, M. J. Bronikowski, R. E. Smalley, and J. M. Tour, J. 

Am. Chem. Soc., 2001, 123, 6536‐6542; b) J. L. Hudson, M. J. Casavant, and J. M. Tour, J. 

Am. Chem. Soc., 2004, 126, 11158‐11159. 

16.  a) M. Holzinger, O. Vostrowsky, A. Hirsch, F. Hennrich, M. Kappes, R. Weiss, and F. Jellen, 

Angew. Chem. Int. Ed., 2001, 40, 4002‐4005; b) R. Graupner, J. Abraham, D. Wunderlich, 

A. Vencelová, P.  Lauffer,  J. Röhrl, M. Hundhausen,  L.  Ley, and A. Hirsch,  J. Am. Chem. 

Soc., 2006, 128, 6683‐9; c) Z. Syrgiannis, F. Hauke, J. Röhrl, M. Hundhausen, R. Graupner, 

Y. Elemes, and A. Hirsch, Eur. J. Org. Chem., 2008, 2008, 2544‐2550. 

17.  J.‐P. Tessonnier, A. Villa, O. Majoulet, D.  S.  Su, and R.  Schlögl, Angew. Chem.  Int. Ed., 

2009, 48, 6543‐6546. 

18.  a) Z. Yinghuai, A. T. Peng, K. Carpenter, J. A. Maguire, N. S. Hosmane, and M. Takagaki, J. 

Am. Chem. Soc., 2005, 127, 9875‐98801; b) C. Ménard‐Moyon, F. Dumas, E. Doris, and C. 

Mioskowski, J. Am. Chem. Soc., 2006, 128, 14764‐14765; c) D. Ogrin, J. Chattopadhyay, A. 

K. Sadana, W. E. Billups, and A. R. Barron, J. Am. Chem. Soc., 2006, 128, 11322‐11323. 

19.  a) J. Liu , A. G. Rinzler , H. J. Dai , J. H. Hafner , R. K. Bradley , P. J. Boul , A. Lu , T. Iverson , 

K. Shelimov , C. B. Huffman , F. Rodriguez‐Macias , Y. S. Shon , T. R. Lee , D. T. Colbert , R. 

Page 57: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

  Introduction 

45  

E. Smalley  , Science 1998  , 280  , 1253; b) K.  J. Ziegler, Z. Gu, H. Peng, E.  L. Flor, R. H. 

Hauge, and R. E. Smalley, J. Am. Chem. Soc., 2005, 127, 1541‐1547. 

20.  C. Warakulwit, J. Majimel, M.‐H. Delville, P. Garrigue, J. Limtrakul, and A. Kuhn, J. Mater. 

Chem., 2008, 18, 4056‐4061. 

21.  T.  J. Aitchison, M. Ginic‐Markovic,  J. G. Matisons, G. P. Simon, and P. M. Fredericks,  J. 

Phys. Chem. C, 2007, 111, 2440‐2446. 

22.  a) I. W. Chiang, B. E. Brinson, A. Y. Huang, P. A. Willis, M. J. Bronikowski, J. L. Margrave, 

R. E. Smalley, and R. H. Hauge, J. Phys. Chem. B, 2001, 105, 8297‐8301; b) K. L. Strong, D. 

P. Anderson, K. Lafdi, and J. N. Kuhn, Carbon, 2003, 41, 1477‐1488. 

23.  J. Zhang, H. Zou, Q. Qing, Y. Yang, Q. Li, Z. Liu, X. Guo, and Z. Du, J. Phys. Chem. B, 2003, 

107, 3712‐3718. 

24.  W. Zhou, Y. H. Ooi, R. Russo, P. Papanek, D. E. Luzzi, J. E. Fischer, M. J. Bronikowski, P. a 

Willis, and R. E. Smalley, Chem. Phys. Lett., 2001, 350, 6‐14. 

25.  a)  J. Chen, M. A. Hamon, H. Hu,  Y. Chen, A. M. Rao, P. C.  Eklund,  and R. C. Haddon, 

Science, 1998, 282, 95‐98; b) M. A. Hamon, J. Chen, H. Hu, Y. Chen, M. E. Itkis, A. M. Rao, 

P. C. Eklund, and R. C. Haddon, Adv. Mater., 1999, 11, 834‐840; c) E. Del Canto, K. Flavin, 

D. Movia, C. Navio, C. Bittencourt, and S. Giordani, Chem. Mater., 2011, 23, 67‐74. 

26.  M. Maggini, G. Scorrano, and M. Prato, J. Am. Chem. Soc., 1993, 115, 9798‐9799. 

27.   V. Georgakilas, K. Kordatos, M. Prato, D. M. Guldi, M. Holzinger, and A. Hirsch,  J. Am. 

Chem. Soc., 2002, 124, 760‐761. 

28.  E. Cho, S. Shin, and Y.‐G. Yoon, J. Phys. Chem. C, 2008, 112, 11667‐11672. 

29.  X. Lu, F. Tian, X. Xu, N. Wang, and Q. Zhang, J. Am. Chem. Soc., 2003, 125, 10459‐10464. 

30.  a) F. A. Carey and R.  J. Sundberg, Chapter 10    in Advanced Organic Chemistry, 5th ed. 

2007,  ISBN: 978‐0‐387‐68346‐1; b) D. H. Ess and K. N. Houk,  J. Am. Chem. Soc., 2008, 

130, 10187‐10198. 

31.   H.  Kataura,  Y.  Kumazawa,  Y. Maniwa,  I. Umezu,  S.  Suzuki,  Y. Ohtsuka,  and  Y. Achiba, 

Synth. Met., 1999, 103, 2555‐2558. 

32.   A. Jorio, A. G. Souza Filho, G. Dresselhaus, M. S. Dresselhaus, A. K. Swan, M. S. Unlu, B. B. 

Goldberg, M. A. Pimenta, J. H. Hafner, C. M. Lieber, and R. Saito, Phys. Rev. B, 2002, 65, 

155412(9). 

33.  A. C. Dillon, M. Yudasaka, and M. S. Dresselhaus, J. Nanosci. Nanotechnol., 2004, 4, 691‐

703. 

34.   S.  Arepalli,  P. Nikolaev, O. Gorelik,  V. G. Hadjiev, W. Holmes,  B.  Files,  and  L.  Yowell, 

Carbon, 2004, 42, 1783‐1791. 

Page 58: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

Chapter 1 

46  

35.  MultiMode SPM  Instruction Manual, Copyright © 1996, 1997, 2004 Veeco  Instruments 

Inc. 

36.  SPM Training Notebook Copyright © 2003 Veeco Instruments Inc. 

37.   A. Takagi, A. Hirose, T. Nishimura, N. Fukumori, A. Ogata, N. Ohashi, S. Kitajima, and  J. 

Kanno, J. Toxicol. Sci., 2008, 33, 105‐116. 

38.  C. A. Poland, R. Duffin, I. Kinloch, A. Maynard, W. A. H. Wallace, A. Seaton, V. Stone, S. 

Brown, W. MacNee, and K. Donaldson, Nat. Nanotechnol., 2008, 3, 423‐428. 

39.  L. A. Mitchell, J. Gao, R. V. Wal, A. Gigliotti, S. W. Burchiel, and J. D. McDonald, Toxicol. 

Sci., 2007, 100, 203‐214. 

40.  J. P. Ryman‐Rasmussen, M. F. Cesta, A. R. Brody, J. K. Shipley‐Phillips, J. I. Everitt, E. W. 

Tewksbury, O. R. Moss, B. A. Wong, D. E. Dodd, M. E. Andersen, and J. C. Bonner, Nat. 

Nanotechnol., 2009, 4, 747‐751. 

41.  Baron, P.A., Maynard, A.D., Foley, M., NIOSH DART‐02‐191 Rev. 1.1, 2003. 

42.  D.  S.‐W. Tan, M. Gerlinger, B.‐T. Teh,  and C.  Swanton, Eur.  J. Cancer, 2010, 46, 2166‐

2177. 

43.  S. V. Ambudkar, S. Dey, C. A. Hrycyna, M. Ramachandra, I. Pastan, and M. M. Gottesman, 

Ann. Rev. Pharmacol. Toxicol., 1999, 39, 361‐398. 

44.  Y. Matsumura and H. Maeda, Cancer Res., 1986, 46, 6387‐6392., A. K. Iyer, G. Khaled, J. 

Fang, and H. Maeda, Drug Discov. Today, 2006, 11, 812‐818. 

45.  a) K. T. Oh, H. J. Baik, a H. Lee, Y. T. Oh, Y. S. Youn, and E. S. Lee, Int. J. Mo.l Sci., 2009, 10, 

3776‐3792;  b)  L.  S.  Jabr‐Milane,  L.  E.  van Vlerken,  S.  Yadav,  and M. M. Amiji,  Cancer 

Treat. Rev., 2008, 34, 592‐602. 

46.  H. Dumortier,  S.  Lacotte, G.  Pastorin, R. Marega, W. Wu, D. Bonifazi,  J.‐P. Briand, M. 

Prato, S. Muller, and A. Bianco, Nano Lett., 2006, 6, 1522‐1528. 

47.   P. Wick, P. Manser, L. K. Limbach, U. Dettlaff‐Weglikowska, F. Krumeich, S. Roth, W. J. 

Stark, and A. Bruinink, Toxicol. Lett., 2007, 168, 121‐131. 

48.  C. M. Sayes, F. Liang,  J. L. Hudson,  J. Mendez, W. Guo,  J. M. Beach, V. C. Moore, C. D. 

Doyle, J. L. West, W. E. Billups, K. D. Ausman, and V. L. Colvin, Toxicol. Lett., 2006, 161, 

135‐142. 

49.  a) R. Singh, D. Pantarotto, L. Lacerda, G. Pastorin, C. Klumpp, M. Prato, A. Bianco, and K. 

Kostarelos,  Proc.  Natl.  Acad.  Sci.  USA,  2006,  103,  3357‐3362;  b)  L.  Lacerda,  H.  Ali‐

Boucetta,  M.  A.  Herrero,  G.  Pastorin,  A.  Bianco,  M.  Prato,  and  K.  Kostarelos, 

Nanomedicine, 2008, 3, 149‐161; c) L. Lacerda, M. A. Herrero, K. Venner, A. Bianco, M. 

Prato,  and  K.  Kostarelos,  Small,  2008,  4,  1130‐1132;  d)  M.  R.  McDevitt,  D. 

Page 59: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

  Introduction 

47  

Chattopadhyay, J. S. Jaggi, R. D. Finn, P. B. Zanzonico, C. Villa, D. Rey, J. Mendenhall, C. A. 

Batt, J. T. Njardarson, and D. A. Scheinberg, PloS ONE, 2007, 2, e907; e).Z. Liu, C. Davis, 

W. Cai, L. He, X. Chen, and H. Dai, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2008, 105, 1410‐1415; f) B. 

Kang, D. Yu, Y. Dai, S. Chang, D. Chen, and Y. Ding, Carbon, 2009, 47, 1189‐1192; g) A. 

Ruggiero, C. H. Villa, E. Bander, D. A. Rey, M. Bergkvist, C. A. Batt, K. Manova‐Todorova, 

W. M. Deen, D. A. Scheinberg, and M. R. McDevitt, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2010, 107, 

12369‐12374. 

50.  a) B. L. Allen, P. D. Kichambare, P. Gou,  I.  I. Vlasova, A. A. Kapralov, N. Konduru, V. E. 

Kagan, and A. Star, Nano Lett., 2008, 8, 3899‐3903; b) B. L. Allen, G. P. Kotchey, Y. Chen, 

N. V.  K.  Yanamala,  J.  Klein‐Seetharaman, V.  E.  Kagan,  and A.  Star,  J. Am.  Chem.  Soc., 

2009, 131, 17194‐205; c) V. E. Kagan, N. V. Konduru, W. Feng, B. L. Allen,  J. Conroy, Y. 

Volkov,  I.  I. Vlasova, N. A. Belikova, N. Yanamala, A. Kapralov, Y. Y. Tyurina, J. Shi, E. R. 

Kisin, A. R. Murray,  J. Franks, D. Stolz, P. Gou,  J. Klein‐seetharaman, B. Fadeel, A. Star, 

and A. A. Shvedova, Nat. Nanotechnol., 2010, 5, 354‐359. 

51.  Y. Zhao, B. L. Allen, and A. Star, J. Phys. Chem. A, 2011, doi/10.1021/jp112324d. 

52.  P. Cherukuri, S. M. Bachilo, S. H. Litovsky, and R. B. Weisman, J. Am. Chem. Soc., 2004, 

126, 15638‐15639. 

53.  A.  E.  Porter, M.  Gass,  K. Muller,  J.  N.  Skepper,  P.  A. Midgley,  and M. Welland,  Nat. 

Nanotechnol., 2007, 2, 713‐717. 

54.  C. Cheng, K. H. Müller, K. K. K. Koziol, J. N. Skepper, P. A. Midgley, M. E. Welland, and A. 

E. Porter, Biomaterials, 2009, 30, 4152‐4160. 

55.  Y.  Sato, A.  Yokoyama,  K.‐I.  Shibata,  Y. Akimoto,  S.‐I. Ogino,  Y. Nodasaka,  T.  Kohgo,  K. 

Tamura, T. Akasaka, M. Uo, K. Motomiya, B. Jeyadevan, M.  Ishiguro, R. Hatakeyama, F. 

Watari, and K. Tohji, Mol. BioSyst., 2005, 1, 176‐182. 

56.  D. M. Brown,  I. A. Kinloch, U. Bangert, A. H. Windle, D. M. Walter, G. S. Walker, C. A. 

Scotchford, K. Donaldson, and V. Stone, Carbon, 2007, 45, 1743‐1756. 

57.  B.  Kateb, M.  Van  Handel,  L.  Zhang, M.  J.  Bronikowski,  H. Manohara,  and  B.  Badie, 

NeuroImage, 2007, 37, S9‐S17. 

58.  N. W. S. Kam, T. C. Jessop, P. A. Wender, and H. Dai, J. Am. Chem. Soc., 2004, 126, 6850‐

6851. 

59.  a) N. W. S. Kam, M. O. Connell, J. A. Wisdom, and H. Dai, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2005, 

102, 11600‐11605; b) N. W. S. Kam and H. Dai, J. Am. Chem. Soc., 2005, 127, 6021‐6026. 

60.  N. W. S. Kam, Z. Liu, and H. Dai, Angew. Chem. Int. Ed., 2006, 45, 577‐581. 

61.  H. Jin, D. A. Heller, and M. S. Strano, Nano Lett., 2008, 8, 1577‐1585. 

Page 60: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

Chapter 1 

48  

62.  H. Jin, D. A. Heller, R. Sharma, and M. S. Strano, ACS Nano, 2009, 3, 149‐158. 

63.  M. Wang, S. Yu, C. Wang, and J. Kong, ACS Nano, 2010, 4, 6483‐6490. 

64.  M.  Bottini,  F.  Cerignoli,  M.  I.  Dawson,  A.  Magrini,  N.  Rosato,  and  T.  Mustelin, 

Biomacromolecules, 2006, 7, 2259‐2263. 

65.  A. A. Bhirde, V. Patel, J. Gavard, G. Zhang, A. A. Sousa, A. Masedunskas, R. D. Leapman, 

R. Weigert, J. S. Gutkind, and J. F. Rusling, ACS Nano, 2009, 3, 307‐316. 

66.  J. Chen, S. Chen, X. Zhao, L. V. Kuznetsova, S. S. Wong, and  I. Ojima, J. Am. Chem. Soc., 

2008, 130, 16778‐16785. 

67.  a) N. Jia, Q. Lian, H. Shen, C. Wang, X. Li, and Z. Yang, Nano Lett., 2007, 7, 2976‐2980; b) 

Y. Liu, W. De‐Cheng, W.‐D. Zhang, X. Jiang, C.‐bin He, T. S. Chung, S. H. Goh, and K. W. 

Leong, Angew. Chem. Int. Ed., 2005, 44, 4782‐4785. 

68.  J. Cheng, K. A.  S.  Fernando,  L. M. Veca, Y.‐P.  Sun, A.  I.  Lamond, Y. W.  Lam, and  S. H. 

Cheng, ACS Nano, 2008, 2, 2085‐2094. 

69.  a) D. Pantarotto, J.‐Paul Briand, M. Prato, and A. Bianco, Chem. Commun., 2004, 16‐17; 

b) D. Pantarotto, R. Singh, D. McCarthy, M. Erhardt, J.‐P. Briand, M. Prato, K. Kostarelos, 

and A. Bianco, Angew. Chem. Int. Ed., 2004, 43, 5242‐5246. 

70.  L. A. Kueltzo and C. R. Middaugh, J. Pharm. Sci., 2003, 92, 1754‐1772. 

71.  C. F. Lopez, S. O. Nielsen, P. B. Moore, and M. L. Klein, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2004, 

101, 4431‐4434. 

72.  S. Pogodin and V. A. Baulin, ACS Nano, 2010, 4, 5293‐300. 

73.  S. Pogodin, N. K. H. Slater, and V. A. Baulin, ACS Nano, 2011, 5, 1141–1146. 

74.  K. Kostarelos, L. Lacerda, G. Pastorin, W. Wu, S. Wieckowski, J. Luangsivilay, S. Godefroy, 

D.  Pantarotto,  J.‐Paul  Briand,  S. Muller, M.  Prato,  and  A.  Bianco,  Nat.  Nanotechnol., 

2007, 2, 108‐113. 

75.  R. Zeineldin, M. Al‐Haik, and L. G. Hudson, Nano Lett., 2009, 9, 751‐757. 

76.  B. Kang, S. Chang, Y. Dai, D. Yu, and D. Chen, Small, 2010, 6, 2362‐2366. 

77.  A. E. Porter, M. Gass, J. S. Bendall, K. Muller, A. Goode, J. N. Skepper, P. A. Midgley, and 

M. Welland, ACS Nano, 2009, 3, 1485‐1492. 

78.  C. Cheng, A. E. Porter, K. Muller, K. Koziol, J. N. Skepper, P. Midgley, and M. Welland, J. 

Phys. Conf., 2009, 151, 1‐15. 

79.  N. A. Monteiro‐Riviere, R. J. Nemanich, A. O. Inman, Y. Y. Wang, and J. E. Riviere, Toxicol. 

Lett., 2005, 155, 377‐384. 

80.  D.  Cai,  J. M. Mataraza,  Z.‐hong Qin,  Z. Huang,  J. Huang,  T.  C.  Chiles, D.  Carnahan,  K. 

Kempa, and Z. Ren, Nat. Methods, 2005, 2, 449‐454. 

Page 61: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

  Introduction 

49  

81.  R. Singhal, Z. Orynbayeva, R. V. K. Sundaram, J. J. Niu, S. Bhattacharyya, E. A. Vitol, M. G. 

Schrlau, E. S. Papazoglou, G. Friedman, and Y. Gogotsi, Nat. Nanotechnol., 2011, 6, 57‐

64. 

82.  H.  Ali‐Boucetta,  K.  T.  Al‐Jamal,  D. McCarthy, M.  Prato,  A.  Bianco,  and  K.  Kostarelos, 

Chem. Commun., 2008, 459‐461. 

83.  Liu, X. Sun, N. Nakayama‐Ratchford, and H. Dai, ACS Nano, 2007, 1, 50‐56. 

84.  Z. Liu, A. C. Fan, K. Rakhra, S. Sherlock, A. Goodwin, X. Chen, Q. Yang, D. W. Felsher, and 

H. Dai, Angew. Chem. Int. Ed., 2009, 48, 7668‐7672. 

85.  Z.  Liu,  W.  Cai,  L.  He,  N.  Nakayama,  K.  Chen,  X.  Sun,  X.  Chen,  and  H.  Dai,  Nat. 

Nanotechnol., 2007, 2, 47‐52. 

86.  X. Zhang, L. Meng, Q. Lu, Z. Fei, and P. J. Dyson, Biomaterials, 2009, 30, 6041‐6047. 

87.  E. Heister, V. Neves, C. Tîlmaciu, K. Lipert, V. S. Beltran, H. M. Coley, S. R. P. Silva, and J. 

McFadden, Carbon, 2009, 47, 2152‐2160. 

88.  P. Chaudhuri, S. Soni, and S. Sengupta, Nanotechnology, 2010, 21, 025102 (11pp). 

89.  R. Li, R. Wu, L. Zhao, M. Wu, L. Yang, and H. Zou, ACS Nano, 2010, 4, 1399‐1408. 

90.  G. Pastorin, W. Wu, S. Wieckowski, J.‐Paul Briand, K. Kostarelos, M. Prato, and A. Bianco, 

Chem. Commun., 2006, 1182‐1184. 

91.  C. Samorì, H. Ali‐Boucetta, R. Sainz, C. Guo, M. F. Toma, C. Fabbro, T. Da Ros, M. Prato, K. 

Kostarelos, and A. Bianco, Chem. Commun., 2010, 46, 1494‐1496. 

92.  Z. Liu, K. Chen, C. Davis, S. Sherlock, Q. Cao, X. Chen, and H. Dai, Cancer Res., 2008, 68, 

6652‐6660. 

93.  R. P. Feazell, N. Nakayama‐Ratchford, H. Dai, and S. J. Lippard, J. Am. Chem. Soc., 2007, 

129, 8438‐8439. 

94.  S.Dhar, Z. Liu, J. Thomale, H. Dai, and S. J. Lippard, J. Am. Chem. Soc., 2008, 130, 11467‐

11476. 

95.  S. C. Tsang, Y. K. Chen, P. J. F. Harris and M. L. H. Green, Nature, 1994, 372, 159‐162. 

96.  S. Hampel, D. Kunze, D. Haase, K. Krämer, M. Rauschenbach, M. Ritschel, A. Leonhardt, J. 

Thomas, S. Oswald, V. Hoffmann, and B. Büchner, Nanomedicine, 2008, 3, 175‐182. 

97.  C. Tripisciano, K. Kraemer, a Taylor, and E. Borowiak‐Palen, Chem. Phys. Lett., 2009, 478, 

200‐205. 

98.  W. Wu, R. Li, X. Bian, Z. Zhu, D. Ding, X. Li, Z. Jia, X. Jiang, and Y. Hu, ACS Nano, 2009, 3, 

2740‐2750. 

99.  D. Yang, F. Yang, J. Hu, J. Long, C. Wang, D. Fu, and Q. Ni, Chem. Commun., 2009, 4447‐

4449. 

Page 62: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

Chapter 1 

50  

100.  J. Meng, J. Meng, J. Duan, H. Kong, L. Li, C. Wang, S. Xie, S. Chen, N. Gu, H. Xu, and X.‐da 

Yang, Small, 2008, 4, 1364‐1370. 

101.  Z. Zhang, Y. Zhang, B. Zeng, S. Wang, T. Zhu, R. B. S. Roden, Y. Chen, and R. Yang, Clin. 

Cancer Res., 2006, 12, 4933‐4939. 

102.  J. E. Podesta, K. T. Al‐Jamal, M. A. Herrero, B. Tian, H. Ali‐boucetta, V. Hegde, A. Bianco, 

M. Prato, and K. Kostarelos, Small, 2009, 5, 1176‐1185. 

103.  X. Yang, Z. Zhang, Z. Liu, Y. Ma, R. Yang, and Y. Chen, J. Nanopart. Res., 2008, 10, 815‐

822. 

104.  B. Pan, F. Liu, Q. Li, T. Huang, X. You, J. Shao, C. Bao, D. Cui, P. Xu, H. Chen, F. Gao, R. He, 

M. Shu, and Y. Ma, Chin. J. Cancer Res., 2007, 19, 1‐6. 

105.  M.A. Herrero, F.M. Toma, K.T. Al‐Jamal, K. Kostarelos, A. Bianco, T. Da Ros, F. Bano, L. 

Casalis, G. Scoles, M. Prato, J. Am. Chem. Soc., 2009, 131, 9843–9848. 

106.  Z. Zhu, Z. Tang, J. A. Phillips, R. Yang, H. Wang, and W. Tan, J. Am. Chem. Soc., 2008, 130, 

10856‐10857. 

107.  Y. Wu, J. A. Phillips, H. Liu, R. Yang, and W. Tan, ACS Nano, 2008, 2, 2023‐2028. 

108.  X. Li, Y. Peng, J. Ren, and X. Qu, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2006, 103, 19658‐19663. 

109.  K. Welsher, Z. Liu, D. Daranciang, and H. Dai, Nano Lett., 2008, 8, 586‐590. 

110.  Z. Liu, X. Li, S. M. Tabakman, K. Jiang, S. Fan, and H. Dai, J. Am. Chem. Soc., 2008, 130, 

13540‐13541. 

111.  C. Zavaleta, A. de La Zerda, Z. Liu, S. Keren, Z. Cheng, M. Schipper, X. Chen, H. Dai, and S. 

S. Gambhir, Nano Lett., 2008, 8, 2800‐2805. 

112.  Z. Ou, B. Wu, D. Xing, F. Zhou, H. Wang, and Y. Tang, Nanotechnology, 2009, 20, 105102 

(7pp). 

113.  a) L. R. Hirsch, R. J. Stafford, J. A. Bankson, S. R. Sershen, B. Rivera, R. E. Price, J. D. Hazle, 

N.  J. Halas,  and  J.  L. West,  Proc. Natl. Acad.  Sci. USA,  2003,  100,  13549‐13554;  b)  X. 

Huang, I. H. El‐Sayed, W. Qian, and M. A. El‐Sayed, J. Am. Chem. Soc., 2006, 128, 2115‐

2120; c) D. P. O’Neal, L. R. Hirsch, N.  J. Halas,  J. D. Payne, and  J. L. West, Cancer Lett., 

2004, 209, 171‐176. 

114.  American National Standard for Safe Use of Lasers. ANSI Z136.1, 2000 

115.  a) S. V. Torti, F. Byrne, O. Whelan, N. Levi, B. Ucer, M. Schmid, F. M. Torti, S. Akman, J. 

Liu, P. M. Ajayan, O. Nalamasu, and D. L. Carroll, Int. J. Nanomedicine, 2007, 2, 707‐714; 

b)  L.  Gomez‐De  Arco,  M.‐T.  Chen,  W.  Wang,  T.  Vernier,  P.  Pagnini,  T.  Chen,  M. 

Gundersen, and C. Zhou, Mater. Res. Soc. Symp. Proc., 2008, 1065, QQ04‐07. 

Page 63: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

  Introduction 

51  

116.  a) H. K. Moon, S. H. Lee, and H. C. Choi, ACS Nano, 2009, 3, 3707‐3713; b) S. Ghosh, S. 

Dutta, E. Gomes, D. Carroll, R. D’Agostino, J. Olson, M. Guthold, and W. H. Gmeiner, ACS 

Nano, 2009, 3, 2667‐2673. 

117.  N. Shao, S. Lu, E. Wickstrom, and B. Panchapakesan, Nanotechnology, 2007, 18, 315101 

(9pp). 

118.  P.  Chakravarty,  R.  Marches,  N.  S.  Zimmerman,  A.  D.  E.  Swafford,  P.  Bajaj,  I.  H. 

Musselman, P. Pantano, R. K. Draper, and E. S. Vitetta, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2008, 

105, 8697‐8702. 

119.  R. Marches,  P.  Chakravarty,  I.  H. Musselman,  P.  Bajaj,  R.  N.  Azad,  P.  Pantano,  R.  K. 

Draper, and E. S. Vitetta, Int. J. Cancer, 2009, 125, 2970‐2977. 

120.  C.‐H.  Wang,  S.‐H.  Chiou,  C.‐P.  Chou,  Y.‐C.  Chen,  Y.‐J.  Huang,  and  C.‐A.  Peng, 

Nanomedicine: NBM, 2011, 7, 69‐79. 

121.  M. R. McDevitt, D. Chattopadhyay, B. J. Kappel, J. S. Jaggi, S. R. Schiffman, C. Antczak, J. 

T. Njardarson, R. Brentjens, and D. A. Scheinberg,  J. Nuclear Medicine, 2007, 48, 1180‐

1189. 

122.  A. Ruggiero, C. H. Villa, J. P. Holland, S. R. Sprinkle, C. May, J. S. Lewis, D. A. Scheinberg, 

and M. R. McDevitt, Int. J. Nanomedicine, 2010, 5, 783‐802. 

Page 64: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

 

52  

 

Page 65: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

 

men

intro

whic

cova

nam

with

2.1 

and 

an in

of C

help

SWC

orde

supe

whic

anio

Figu

This  firs

ntioned, the 

oduction of 

ch not only 

alent derivat

mely a strong

h a ball‐mill. 

Oxidative s

The acid

co‐workers 

ntercalation 

CNTs in solut

p  intercalatio

CNTs  ropes, 

ered  layers 

eracids, whe

ch disrupts v

ons.3 

ure 1. A mod

Sho

st  part  of  t

shortening o

oxidized  fun

contribute t

tization of th

g oxidative t

shortening 

d oxidation o

in 2006.1 Nit

step with ol

ion. Oleum i

on  inside SW

making  the

of  acid  (Fig

ere no compe

van der Waa

del illustratin

orten

the  work  is

of the CNTs g

nctions, mai

o solubility  i

he material. T

reatment, w

of SWCNTs

of SWCNTs w

tric acid was 

leum was pe

s a solution 

WCNTs ropes

em  swell  and

gure  1).2  The

eting base is 

als  inter‐tube

g the swellin

ing o

s  focused  o

goes with an

nly carboxyl

improvemen

To reach this

with the use 

was perform

 employed a

erformed, in 

of sulphuric

s.  In  fact,  it w

d  resulting 

e  mechanis

present, sin

e  interaction

ng of a SWCN

2). 

of SW

on  shortenin

n improveme

ic groups, a

nt, but offer 

s objective w

of acids, an

ed exploiting

as the oxidizi

order to ob

c anhydride i

was observe

in  individua

m  for  this  i

ce it consists

ns and trigge

NTs rope in s

CNTs

ng  HiPCO  S

nt in their so

t  their  tips a

also an anch

we explored 

d a mechano

g a procedur

ng agent, bu

tain a homo

n sulphuric a

ed that oleum

l  nanotubes 

intercalation

s in the proto

ers surround

 

sulphuric acid

SWCNTs.  As

olubility and 

and on  the 

hor point fo

two distinct

ochemical a

re described

ut, ahead of t

ogeneous dis

acid, whose 

m  intercalat

  surrounded

n  is  possible

onation of th

ing by sulph

d (adapted f

53 

  already 

with the 

sidewall, 

or further 

 options, 

pproach, 

d by Tour 

this step, 

tribution 

aim is to 

es  inside 

d  by  few 

e  only  in 

he tubes, 

huric acid 

rom Ref. 

Page 66: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

Chapter 

54  

atmosph

final rat

the  reac

thoroug

vacuum

T

differen

increase

T

with  res

certain 

aggressi

tubular 

content 

probably

with the

sample. 

 2 

We  treated

here, and we

io oleum/nit

ction mixtur

ghly washed 

The  shorten

t compleme

ed with respe

Figur

TEM images

spect  to  the

amount  of 

ve acid trea

structure an

of  oxidized

y  removed d

e observed o

From  image

d  HiPCO  SW

e subsequen

tric acid of 3

e was dilute

the nanotu

ned  SWCNT

ntary techni

ect to the pr

re 2. DMF dis

 clearly show

e pristine on

amorphous 

tment oxidiz

nd underwe

d  groups.  A

during  the  f

overall weigh

es,  it  is also 

WCNTs  with 

tly added a 

/1, exposing

ed  in water 

bes with H2O

S

Ts  thus  obt

ques. The di

istine SWCN

spersions of 

w how the tr

es  (Figures 

carbonaceo

zed the tube

nt  fragment

Among  these

iltration pro

ht yield of 77

possible  to 

oleum  for

mixture of o

g the mixture

and  filtered 

O, MeOH an

Scheme 1 

tained,  s‐SW

ispersibility i

Ts (Figure 2)

pristine SWC

reatment pro

3a  and 3b).

ous material 

es at a high 

tation  in  sma

e  highly  da

ocedure  carr

7%, but a gr

appreciate 

r  12  h  stirr

oleum and aq

e to air at 65

to  remove 

nd Et2O, and

WCNT‐1,  we

n both organ

). 

CNTs (left) a

oduced short

Neverthele

was  presen

extent, and 

all pieces,  li

maged  piec

ied out afte

reat part of t

the decreas

ring  the  mi

queous nitric

5°C for 2 h (S

the acid  sol

d we dried  t

re  fully  cha

nic solvents 

 

nd s‐SWCNT

ter and less a

ss,  they  also

nt  in  our  sa

part of them

kely  charact

ces,  the  sma

r  the oxidat

them was st

e  in  the  iron

ixture  unde

c acid (65%),

Scheme 1). T

vent. Finally

them under 

 

aracterized 

and water h

T‐1 (right). 

aggregated C

o  indicate  th

ample.  The  q

m finally  lost

terized by a 

aller  ones  w

tion,  consiste

till present  in

n content of

er  Ar 

, to a 

Then, 

y, we 

high 

with 

ighly 

CNTs 

hat  a 

quite 

t the 

high 

were 

ently 

n the 

f  the 

Page 67: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

  

 

sam

ope

reac

off d

inte

and 

Fi

Lo

in ai

and 

deri

incre

mple, even  th

ning of CNT 

ction depicte

during the w

Metal  p

rfere more 

d (Figure 3) 

igure 3. Repr

ower panels 

More in

ir (Figure 4).

oxygenated

vative of  the

ease of 35°C

hough  this o

caps and the

ed  in Scheme

work‐up. 

particles  app

with  the ele

clearly show

resentative T

show enlarg

formation co

 In the lowe

d groups  tak

e curve  indi

C  in this valu

bservation  i

e oxidation o

e 2: an  iron 

pear  as  spot

ectron‐beam

ws how the tr

TEM images 

gements of a

poin

ould be obta

r temperatu

es place. At 

cates  the pr

ue  is consiste

s only qualit

of the metal 

water‐solub

Scheme 

ts with  high

 of  the micr

reatment str

of pristine S

area indicate

nt at metal p

ained from t

ure part of th

  temperatur

recise  tempe

ent with the

tative. This p

which was i

ble salt  is for

er  contrast 

roscope. The

rongly reduc

WCNTs (a an

ed by the squ

particles. 

he thermogr

he curve, com

res above 30

erature at w

e decrease o

Sh

phenomenon

nside the tub

rmed that co

 

in  TEM  ima

e  compariso

ed their pres

nd c) and s‐S

uare in the up

ravimetric pr

mbustion of 

00‐400°C CN

which  this ev

of  iron conte

hortening of 

n  is  triggere

bes, accordin

ould then be

ages,  since  t

on between 

sence. 

 

SWCNT‐1 (b a

pper ones. A

rofile of the 

amorphous 

NTs burn, an

vent  takes pl

ent  in the sa

SWCNTs 

55 

ed by  the 

ng to the 

e washed 

they  can 

images c 

and d). 

Arrows 

material 

material 

d  the 1st 

lace. The 

ample, as 

Page 68: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

Chapter 

56  

observe

since it 

tempera

which is

be  used

SWCNTs

content 

iron. Ho

groups a

CNTs wo

(Figure 5

40%),  a

pictures

fact,  TG

thermog

correspo

which is

 2 

d at the TEM

creates hot 

ature of CNT

Furthermore

s oxidized du

d  to  obtain 

s the residue

of 19.8%. F

owever, we n

and amorph

ould be highe

Comparing s

5a), a big inc

scribable  to

s, to the carb

GA‐MS  of  s‐

gravimetric 

ond  to  SO+ 

 in turn gene

M. In fact, the

spots in the

T oxidation.4 

e,  the  residu

uring this ana

a  quantitati

e is of 26.1% 

For s‐SWCNT

need to cons

hous carbon,

er. 

Figure 4. TG

s‐SWCNT‐1 T

crease in the

o  different  m

boxylic acids

‐SWCNT‐1  le

experiment 

and  SO2+  re

erated by su

e presence o

sample dur

ual weight o

alysis, resulti

ve  data  for 

(in the form

T‐1  the Fe2O

sider that a b

 and  therefo

GA (air) of pr

TGA under N

e weight loss

material,  na

  introduced 

et  us  analys

and  peaks 

spectively,  d

lfonic acid, in

of metal part

ring the ther

of air TGA  is 

ing in iron(II

r  the  iron  co

 of Fe2O3). It

3  residue  is 

big part of th

ore  the perc

ristine SWCN

N2 atmosphe

s was observ

mely  to  the

with the cu

se  the  gas 

of mass  48

deriving  from

n the same w

ticles decrea

mal experim

due  to  the 

I) oxide (Fe2

ontent  of  th

t is therefore

of 4.7%, wh

his sample is

centage of  ir

NTs and s‐SW

ere with the 

ed at tempe

e  amorphou

tting, but al

evolving  fr

8  and  64  we

m  decompos

way CO2 is ge

ses thermal 

ment, and thu

iron presen

O3). This val

he  CNT  sam

e possible to 

hich gives a v

s represente

ron with  res

 

WCNT‐1. 

one of the 

eratures belo

us  carbon  se

so to some 

om  the  sam

ere  found  (F

sition  and  io

enerated by 

stability of C

us it reduces

nt  in  the  sam

ue can there

mple.  For  pri

calculate an

value of 3.3

ed by oxygen

spect  to  the 

pristine SWC

ow 800°C (al

een  in  the 

sulfonic acid

mple  during

Figure  5b). 

onization  of 

carboxylic ac

CNTs, 

s the 

mple, 

efore 

stine 

n iron 

3% of 

nated 

only 

CNTs 

most 

TEM 

ds. In 

g  the 

They 

SO2, 

cid. 

Page 69: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

  

 

Figu

and 

chan

sing

sem

a  bi

toge

sam

tube

Figu

2.1.

in b

ure 5. a) TGA

Other  in

Raman  spe

nges  in both

ularities  wa

miconducting 

ig  increase  i

ether with a

me time, a los

es were dest

ure 6. a) UV‐v

nm) of pristi

1 Re‐pristini

During t

etter unders

A (N2) of prist

nformation r

ctroscopies, 

h kind of spe

as  found,  es

one. Regard

in  the  D/G 

 background

ss of most o

troyed by the

vis‐NIR spect

ne SWCNTs 

ization of the

the Raman a

standing the

tine SWCNTs

regarding the

since disrup

ectra, as can

specially  in 

ding the Ram

ratio,  becau

d  fluorescen

f the RBM b

e harsh cond

tra of pristin

and s‐SWCN

e oxidized SW

analyses, we 

e nature of t

s and s‐SWCN

e modificatio

ption of  the

 be observe

the  metallic

man spectra, 

use  of  the  i

ce, due  to  t

bands was ob

ditions of the

e SWCNTs a

NT‐1. In the in

shown.

WCNTs 

observed a 

he product o

NT‐1; b) TGA

on of CNT st

  sp2 networ

ed  in Figure 6

c  region  of 

the oxidativ

ntroduction 

the presence

bserved, sinc

e treatment.

nd s‐SWCNT

nset, the enl

 

very particu

obtained. Qu

Sh

A‐MS analysis

tructure are 

k of  the CN

6. A partial  l

the  spectru

ve treatment

of many  d

e of amorph

ce the smalle

T‐1 (DMF); b)

argement of

ular behaviou

uite surprisin

hortening of 

s (He) of s‐SW

e given by UV

Ts  resulted 

loss of the v

um,  but  als

t led, as exp

efects  on  th

hous materia

er and more

) Raman spec

f the RBM zo

ur, which m

ngly,  increas

SWCNTs 

57 

 

WCNT‐1. 

V‐vis‐NIR 

in major 

van Hove 

o  in  the 

ected, to 

he  CNTs, 

al. At  the 

e reactive 

 

ctra (633 

one is 

ight help 

sing  laser 

Page 70: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

Chapter 2  

58  

power a sort of re‐pristinization of the sample occurred, as can be clearly observed  in Figure 7. 

We analysed the Raman bands of the sample using not only the 633 nm laser, but also the 785 

nm and the 532 nm ones and we obtained spectra similar to the one at 633 nm, in terms of D‐

band and loss of RBM. The slight differences are, of course, due to the fact that different tubes 

are in resonance at the energy of the specific laser used. 

Considering  the 785 nm  laser,  the  starting  laser power used was 0.57 mW/µm2. Laser 

power density was then gradually increased. At 2.86 mW/µm2 we started to observe a decrease 

in the D/G ratio, a lower baseline and a better definition of RBM bands. Afterwards we exposed 

the  sample  to  a  laser  power  density  of  5.73  mW/µm2,  which  gave  a  too  high  response, 

corresponding  to  a  saturated  spectrum  (not  reported),  but  resulted  in  a  complete  re‐

pristinization of  the  sample, appreciable when  the analysis was  repeated again at  lower  laser 

power (Figure 7a). By comparison of this spectrum with the one of the pristine SWCNTs obtained 

using the same  laser wavelength, we can clearly notice that the two profiles are pretty similar, 

apart  from  the  RBM  zone, where  an  enrichment  of  certain  tubes with  respect  to  others  is 

evident (Figure 7b). Also, an overall increase in the Raman cross section was observed (note that 

all  the spectra are normalized  to  the G band maximum),  in  fact we needed  to  lower  the  laser 

power density to collect the spectrum after the re‐pristinization took place (Figure 7a). 

The same phenomenon was observed using  the 532 nm and 633 nm  lasers, with  laser 

power  of  2.07 mW/µm2  and  2.55 mW/µm2  respectively.  In  both  cases,  the main  difference 

between the pristine SWCNTs and the re‐pristinized ones were in the RBM zone and in the shape 

of the G‐band, both correlated with different composition of the SWCNT sample (Figures 7c and 

7d). 

We hypothesize that this phenomenon  is due to thermal effects.  In  fact, treating CNTs 

with  a  high  power  laser  resulted  in  a  local  increase  of  temperature,  to which we  ascribe  an 

annealing of amorphous carbon and structural defects, and, consequently a re‐establishment of 

the  sp2 network. Of  course,  the  tubes  that where  completely destroyed during  the oxidation 

were not present anymore,  therefore  leading  to an enrichment of  the  sample with  remaining 

tubes, as confirmed by the changes in the RBM and G‐band patterns. In particular, the loss of the 

higher  wavenumber  RBM  bands,  observed  with  all  the  lasers,  confirmed  the  selective 

destruction of smaller diameter tubes by the aggressive acid treatment. 

A confirmation for this thermal effect could arise from the reversible shift in the G‐band 

to  lower wavenumbers  (from  approximately  1593  nm  to  1584  nm)  upon  increasing  of  laser 

power density (Figure 7a), since this downshift has been correlated with a lengthening of the C‐C 

distances as the nanotube undergoes thermal expansion.5 

Page 71: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

  

 

Fig

en

lase

refe

lase

a rev

with

repo

high

anne

lase

out 

betw

relia

Ano

lowe

gure 7. a) Ra

largement o

ers, before a

Few  pap

er  to pristine

r power den

versible shift

h  an  increas

orted,  explai

her  Raman 

ealing of the

r power den

that  this  va

ween  Stoke 

able method

ther  report 

ering of the 

aman re‐prist

of the G‐band

nd after re‐p

In the in

pers  appeare

e CNTs.  In  tw

nsities of 1 or

t of the G pe

e  in  their  in

ined  as  a  re

response.  B

e CNTs. They

nsity used, w

alue  should 

and  anti‐Sto

. In fact diffe

appeared, 

D/G ratio, fu

tinization pro

d zone is sho

pristinization

sets, the enl

ed  in  the  lit

wo  cases, pr

r 0.1 mW/µm

eak to lower 

ntensities. A

esult of  the 

Both  authors

y calculated 

which was in 

be  consider

oke  intensit

erent kind of

regarding  p

urther confirm

ocess of s‐SW

own; b, c, d) 

n of the samp

largement of

terature  so 

ristine SWCN

m2, and the a

wavenumbe

Also  a  genera

higher purit

s  explained 

the temper

the range 30

red  just  as  i

ies, which, 

f CNTs are re

pristine MWC

ming a sort o

WCNT‐1 with

Raman spect

ple, in compa

f the RBM zo

far,  reportin

NTs were  tre

authors obse

ers, and a ch

al  increase  i

ty of  the  sam

the  fact  as

ature reache

00‐450°C. Ne

ndicative,  si

in  resonance

esonant in th

CNTs,  where

of annealing 

Sh

h 785 nm lase

tra of s‐SWC

arison with t

one is shown

ng  a  similar 

eated with  t

erved a decre

ange in the R

in  the  Rama

mple,  since 

s  a  thermal 

ed  in their s

evertheless, 

nce  it  is  cal

e  Raman  sp

he Stoke and

e  a  laser  tre

and purifica

hortening of 

er. In the ins

CNT‐1 with d

the pristine S

n. 

behaviour, 

the 633 nm 

ease in the D

RBM peaks, 

an  cross  sec

more CNTs 

  effect,  res

ample, at th

it should be

culated  by  t

pectroscopy, 

d anti‐Stoke 

eatment  res

ation effect.7

SWCNTs 

59 

 

set, the 

ifferent 

SWCNTs. 

but  they 

laser, at 

D/G ratio, 

together 

tion was 

produce 

ulting  in 

he higher 

e pointed 

the  ratio 

is  not  a 

spectra.6 

sulted  in 

Page 72: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

Chapter 

60  

of our k

mW/µm

authors 

defects, 

zone.8 A

contrary

the D/G 

reported

method 

apprecia

harsh tre

2.1.2 So

washing

amorph

highly o

that wou

We  trea

Afterwa

and thor

T

successf

content 

 2 

Regarding o

knowledge. A

m2) of oxidize

ascribed  to

 since  they 

Another repo

y to our find

ratio, and a 

In  conclusio

d  for  oxidize

for  the  oxi

ate their Ram

eatment. 

odium Hydro

In  the  atte

gs with  sodiu

ous impuriti

xidized carb

uld bring the

ated  s‐SWC

rds, purified

roughly wash

The  purifie

fulness of th

of  amorpho

xidized SWC

A paper pub

ed SWCNTs, 

o  degassing 

did not obse

ort on 633 n

ings, the sele

decrease in 

on,  this  is  th

ed  CNTs.  Th

dized  SWCN

man features

oxide washin

mpt  to  pur

um  hydroxid

es deriving f

onaceous m

em in solutio

NTs‐1  in  aq

d CNTs were 

hed with H2O

d  s‐SWCNT

e procedure

ous materia

CNTs, no sim

lished  in 20

resulting  in 

of  the  samp

erve any dec

nm  laser trea

ective destru

the Raman c

e  first  time 

his  effect  co

NTs,  and,  qu

s, many of th

ng 

rify  the  oxid

de  (NaOH). 

from the stro

material, and 

on, allowing t

queous  NaO

separated f

O, MeOH and

S

Ts‐2  and  th

. TEM image

l,  found  ins

milar results a

00 described

a change of

ple  due  to  h

crease  in  the

atment of pr

uction of me

cross section

that  such  a

ould  in  princ

uite  importa

he CNTs are 

dized  s‐SWC

In  fact,  as  d

ong oxidative

could there

their remova

OH  8M  at  1

from the dis

d Et2O to aff

Scheme 3 

he  filtrate 

es clearly sho

stead  in  the 

are present 

d a similar  la

f the  line sha

heating  effec

e D/G ratio, 

ristine SWCN

etallic tubes, 

n.9 

a  laser‐induc

ciple  be  exp

ntly,  it  tells 

still present 

CNT‐1  we  d

described  by

e treatment 

efore be rem

al through fil

100°C  for  4

solved amor

ord s‐SWCNT

were  char

owed much c

filtrate whe

in the  literat

aser treatme

ape of the G

cts,  but  not 

nor any cha

NTs at 1 mW

together wi

ced  re‐pristin

loited  to  fin

us  that,  ev

in the samp

ecided  to  p

y  several  rep

are probably

oved by an 

tration.10 

48h,  under 

rphous mate

T‐2 (Scheme

acterized  to

cleaner CNTs

ere  no  CNTs

ture, to the 

ent  (633 nm

G bands, tha

  to  annealin

ange  in  the 

W/µm2 descr

ith an increa

nization  effe

nd  a  purifica

ven  if we  ca

ple even afte

perform  alk

ports,  the m

y represente

alkaline was

Ar  atmosph

erial by filtra

e 3). 

 

o  evaluate 

s, with a red

s were  dete

best 

m, 2.2 

t the 

ng  of 

RBM 

ribes, 

se in 

ect  is 

ation 

nnot 

r the 

aline 

major 

ed by 

shing 

here. 

ation, 

the 

uced 

ected 

Page 73: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

  

 

(Figu

SWC

this 

Figu

for 

sam

Figu

ure 8). Neve

CNTs‐1, and T

product, diff

ure 8. Repres

Coheren

N2  and  air 

mple the amo

ure 9. TGA of

ertheless, the

TEM images

ferently from

sentative TE

ntly with the

measureme

orphous mate

f pristine SW

e dispersibil

 confirmed i

m s‐SWCNT‐1

M images of

se observati

nts,  confirm

erial, which b

WCNTs, s‐SWC

ity of s‐SWC

t, since man

1. 

f s‐SWCNT‐2

the filtrate 

ions, TGA sh

ming  that  ou

burns at low

CNT‐1 and s‐

CNTs‐2 stron

ny bundles an

at different 

(d). 

owed a big d

ur  treatmen

w temperatur

‐SWCNT‐2, p

Sh

gly decrease

nd big aggreg

magnificatio

decrease in t

t  effectively

res (Figure 9)

performed in

hortening of 

ed with resp

gates were f

 

on (a, b and c

the weight lo

y  removed  f

). 

n air (a) and i

SWCNTs 

61 

pect  to s‐

found for 

c) and of 

oss, both 

from  the 

 

n N2 (b). 

Page 74: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

Chapter 

62  

T

fact, as c

and  the

fluoresc

Figure 

T

pristine 

effective

obtained

that not

introduc

Figure 1

nm (

obtained

 2 

The Raman a

can be seen 

 Raman  spe

ence backgr

10. Raman s

The Raman 

SWCNTs,  a

ely  cleaned 

d  for  s‐SWC

t all the nano

ced on the st

11. Raman sp

(a) and the 7

Finally,  we 

d  exactly  th

analyses sho

in Figure 10

ectrum  of  th

ound, did no

spectra (633 

In the inset,

spectra obta

as  shown  in 

the  sample 

NT‐2 were d

otubes in th

tructure, by t

pectra of pris

85 nm laser 

performed 

e  same  pro

owed that th

, the profile 

he  filtrate,  b

ot present RB

nm) of prist

, the enlarge

ained at 532

Figures  11

from  carbon

different acc

e sample we

the oxidative

stine SWCNT

(b). In the in

the  re‐prist

file  previous

he NaOH trea

became mo

besides  havin

BM bands. 

ine SWCNTs

ement of the

2 nm and 78

a  and  11b, 

naceous  imp

cording  to  th

ere modified

e treatment.

Ts, s‐SWCNT‐

nsets, the en

tinization  ex

sly  reported

atment deep

re similar to

ng  a  very hi

, s‐SWCNT‐1

RBM zone is

85 nm resem

indicating  t

purities. Mo

he  laser wav

d at the sam

‐1 and s‐SWC

largement o

xperiment  al

  for  re‐prist

ply cleaned th

 the one of p

gh D‐band  a

 

, s‐SWCNT‐2

s shown. 

mbled even m

that  the  alk

reover,  since

velength, we

e extent, in 

CNT‐2, obtain

f the RBM zo

lso  for  s‐SW

tinized  s‐SW

he nanotube

pristine SWC

and  a  signif

2 and its filtra

more the on

kaline  treatm

e  the D/G  r

e could conc

terms of de

ned with the

one is shown

WCNT‐2,  and

WCNT‐1  (data

es. In 

CNTs, 

icant 

ate. 

es of 

ment 

atios 

clude 

fects 

 

e 532 

n. 

d  we 

a  not 

Page 75: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

  Shortening of SWCNTs  

63  

shown). This is a further confirmation that the phenomenon we observed consisted not only in a 

purification of the sample from the amorphous carbon content, but also in a structural recovery.  

In  conclusion,  oleum/nitric  acid  treatment  of  SWCNTs  resulted  in  the  production  of 

shortened and disentangled CNTs, bearing carboxyl and sulfonic groups, with a big improvement 

in dispersibility. On the other hand, the treatment produced a  lot of amorphous carbonaceous 

material,  which  was  successfully  removed  by  a  subsequent  NaOH  washing  treatment.  In 

addition, we observed for the first time a laser‐mediated re‐pristinization of the SWCNT tubular 

structure, that effectively mended the defects introduced by the oxidation. 

2.2 Mechanochemical shortening of SWCNTs 

One of  the main  limitations of  a wet  approach  for  SWCNT  shortening  is  their  lack of 

solubility as pristine material that can determine a non‐homogenous cutting, since the material 

is in form of bundles and therefore the oxidation will not evenly affect all the nanotubes in each 

bundle.  With  the  oleum‐based  treatment,  as  already  explained,  the  intercalation  step  was 

intended for a better homogeneity of the dispersion.  In the case of the ball milling shortening, 

the problem of the lack of solubility has been directly bypassed, since we worked in the absence 

of any solvent. At the same time a dry approach has the advantage of reduced pollution, lower 

costs,  and  ease  of  scale‐up.  Mechanochemistry  involves  the  transformation  of  mechanical 

energy into the driving force for chemical modifications, that can be seen as an alternative way 

to overcome thermodynamic barriers with respect to more classical systems, such as heating or 

enzymatic catalysis, and  it  is generally performed  in the absence of any solvent. Few examples 

have been reported so far in this field: e.g. stress‐induced homolytic bond cleavage for polymers 

has been extensively studied.11 

In the case of CNTs, the mechanical stress should break them in correspondence of pre‐

existing defects, where  local strain  is higher, but could also  induce  local deformations, such as 

kinking or twisting, that cause strain energy to concentrate in some points, where breaking will 

occur. Some studies have already been published where ball milling was used to cut MWCNTs, 

leading  to  the  formation  of  carbon  nanoparticles  similar  to  carbon  onions  (spherical  form  of 

carbon  made  of  concentric  fullerenes),12  or  to  shortened  MWCNTs.13  Also  a  study  on  the 

shortening of SWCNTs has been published, but in this case the authors observed an aggregation 

effect of the ball milling treatment on the CNTs.14 

We have studied the possibility of using mechanical activation through a planetary ball 

mill, for obtaining large‐scale quantities of shortened SWCNTs (s‐SWCNT), with a homogeneous 

distribution of  length. The  instrument  is made of a  steel grinding  jar containing  steel grinding 

Page 76: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

Chapter 

64  

balls, wh

in one d

our instr

with the

of the m

Fig

time of 

HCl in or

milling, 

or  D  ac

calculate

the  tech

structur

milling  t

formatio

eliminat

with exp

indeed  t

 2 

here the ma

direction, and

rument), thu

e inner walls

material. 

gure 12. Plan

HiPCO SWCN

milling were

rder to remo

and the air o

cording  to  t

ed and the m

hnique  succ

es,  the  weig

times  led  to

on  of  volatil

ted during th

periments pe

that  the cor

terial is plac

d the wheel 

us subjecting

 of the jar ca

netary ball m

NTs were ba

e varied (Sch

ove any Fe2O

oxidation of 

the  differen

material was

cessfully  sho

ght  yields  w

o  almost  com

le  by‐produc

he washing t

erformed  in 

rect choice 

ced (Figure 1

in the oppos

g the balls to

auses frictio

mill apparatus

all‐milled  in a

eme 4). Foll

O3 possibly d

the iron pre

t  speed  and

s fully charac

ortened  the 

were  not  sat

mplete  destr

cts  and  high

treatment. F

N2 atmosph

of  the exper

12). Once ins

site one (up 

o superimpos

nal and imp

s. Red arrow

a set of expe

lowing the tr

eriving from

esent inside, 

d  time  of  tr

cterized. Eve

  CNTs  with

tisfactory.  In

ruction of  SW

hly  oxidized 

For this reaso

here, giving 

rimental con

side the plan

to a maximu

sed rotationa

act forces, t

ws indicate th

eriments  in 

reatment, th

m the opening

and MeOH, 

eatment).  F

en though ch

out  causing

n  fact,  high 

WCNTs,  that

material w

on, we decid

s‐SWVNT‐4

nditions cou

netary mill, t

um of 650 rp

al movement

hus leading t

he direction o

which rotati

he material w

g of the tube

to afford s‐S

inally,  the w

haracterizatio

g  severe  alt

rotational  s

t  could be  e

hich  could 

ded to compa

(B, C, E or F

ld  lead  to  re

the jar is rota

pm in the ca

ts. Their coll

to size reduc

of rotation. 

ional speeds

was washed 

es during the

SWCNT‐3 (A,

weight  yield 

ons showed

teration  of 

speeds  and 

explained by

be  subseque

are these re

F). We  found

easonable yi

ating 

se of 

ision 

ction 

 

s and 

with 

e ball 

, B, C 

was 

that 

their 

long 

y  the 

ently 

esults 

d out 

ields, 

Page 77: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

  

 

whil

weig

our 

prod

SWC

prob

the 

dich

perm

pres

info

char

the 

the 

of th

le  retaining 

ght yields are

 

s‐SWCNT‐3

s‐SWCNT‐3

s‐SWCNT‐4

s‐SWCNT‐3

s‐SWCNT‐4

s‐SWCNT‐3

s‐SWCNT‐4

s‐SWCNT‐4

Tab

The disp

results, the 

ducing in gen

CNT‐3, obtai

bably due to

other  hand

hloromethan

mitted  to  b

sented good 

The UV‐

rmation  on

racteristic va

Raman spec

one of the p

he nanotube

the structur

e summarize

Atm

3A 

3B 

4B 

3C 

4C 

3D 

4E 

4F 

le 1. Differen

persibility of 

milling treat

neral better 

ned in air, p

o the oxidativ

d  these  tub

e.  Different

boost  more

dispersibility

‐vis‐NIR and 

n  SWCNTs. 

an Hove sing

ctra of s‐SWC

pristine SWC

es remained 

ral  integrity 

ed in Table 1

mosphere 

air 

air 

N2 

air 

N2 

air 

N2 

N2 

nt experimen

s‐SWCNT de

tment decrea

dispersions. 

resented en

ve defects cr

es  did  not 

ly,  the  use 

  experimen

y both in me

the Raman 

The  UV‐vis

gularities, as

CNT obtained

CNTs (Figure 

largely intact

of SWCNTs. 

Scheme 

Speed (rp

100

250 

250 

500 

500 

650 

650 

650 

ntal conditio

epended crit

ases the am

 But the atm

hanced disp

reated along

give  good 

of  a  nitrog

ntal  conditio

ethanol and i

spectra, as a

s‐NIR  spectr

s  the examp

d with mech

13b). These

t after ball m

The differe

m)  Tim

ons for the ba

tically on the

ount of bund

mosphere cho

persibility in 

g the tube du

dispersions 

gen  atmosph

ons,  thus  o

in dichlorom

already expla

rum  display

le  reported 

hanochemica

e findings ind

milling. 

Sh

nt condition

me (min) 

30

120 

120 

30 

30 

30 

120 

360 

all milling tre

e milling con

dles and the

osen played 

polar solven

uring the me

in  less  pol

here  for  the

obtaining  sm

methane. 

ained, provid

ed  for  all 

in Figure 13

al treatment 

dicate that th

hortening of 

ns used and 

 

Yield (wt%

39 

43 

70 

35 

74 

71 

48 

eatment. 

ditions. Acco

e length of th

an importan

nts such as m

echanical pro

ar  solvents 

e  milling  tre

maller  tubes

de reliable s

the  s‐SWC

3a shows. M

 were very s

he intrinsic s

SWCNTs 

65 

the  final 

%) 

ording to 

he tubes, 

nt role: s‐

methanol, 

ocess. On 

such  as 

eatment, 

s,  which 

structural 

CNTs  the 

Moreover, 

similar to 

structure 

Page 78: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

Chapter 

66  

Figure

rpm, 1

120

SWCNTs

D/G  rati

SWCNT‐

nm  indic

contrary

mechan

Figure 1

T

organic 

a higher

tubes by

 2 

e 13. a) UV‐vi

120 min, N2);

0 min, air), 4

By comparis

s (see Figure 

io of  s‐SWC

‐1, all the RB

cates that b

y  to  the  be

isms were in

14. TGA (N2) 

min

TGA  data  ca

moieties att

r weight loss

y  the milling

is‐NIR spectr

 b) Raman sp

B (250 rpm, 

enla

son of these 

 6b in Chapt

NT‐3 and 4 

BM peaks we

igger diamet

ehaviour  ob

nvolved in th

of pristine S

, air), 3D (65

an  be  used 

tached to CN

s (Figure 14) 

g  treatment,

ra of DMF dis

pectra (633 n

120 min, N2)

argement of 

spectra wit

er 2.1), rema

did not pre

ere preserve

ter tubes we

bserved  for 

e two cases.

SWCNTs and 

50 rpm, 30 m

to  estimate

NT sidewalls.

that may ar

, but  could 

spersions of 

nm) of pristi

) and 4E (650

f the RBM zo

h the one o

arkable diffe

sent a dete

ed. Interestin

ere the mos

the  oxidati

s‐SWCNT‐3A

min, air) and 4

e  CNT  purit

. The thermo

ise from dec

also  result  f

pristine SWC

ne SWCNTs 

0 rpm, 120 m

ne is shown.

btained with

erences could

ctable  increa

ngly, the low

t affected by

ve  shorteni

A (100 rpm, 3

4C (500 rpm,

y  and  the  p

ogravimetric 

composition 

from adsorb

CNTs and s‐S

and s‐SWCN

min, N2). In th

h the oxidati

d be appreci

ase, and, dif

decrease in

y the mecha

ng,  meaning

 

30 min, air), 

, 30 min, N2)

presence  an

profiles of s

of defects c

ed molecule

SWCNT‐4E (6

NT‐3B (250 rp

he inset, the

ive shortenin

iated. In fact

fferently  fro

n the peak at

anical treatm

g  that  diffe

3C (500 rpm

nd  abundanc

s‐SWNTs sho

created along

es.  In  fact  it

 

650 

pm, 

 

ng of 

t, the 

om  s‐

t 193 

ment, 

erent 

m, 30 

ce  of 

owed 

g the 

 was 

Page 79: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

  

 

repo

resu

resp

stru

amo

12‐1

basi

milli

subs

auth

carb

aggr

disp

Mor

trea

Fig

orted  that C

ults suggeste

pect  to  s‐SW

cture occurr

Accordin

ount of iron 

14%  for  the 

s of a decom

ing  treatme

sequently re

Figure  1

hors  have  p

bon,  due  to

regates  of  e

persed  tubes

reover, as ex

tment. 

gure 15. Rep

120 min

CNTs  treated

ed the prese

WCNT‐3,  cor

red thanks to

ng  to  the  re

present in th

milling  trea

mposition of 

ent.  Thus,  i

moved with 

15  shows  so

reviously  de

o  the  mech

entangled  S

s, and  to exf

xpected, tub

resentative T

n, air) (b), 4B 

 with ball m

nce of much

roborating  t

o the inert at

esidual mas

he samples f

ted ones. Th

the carbon s

n  the  prese

the acid was

me  typical  T

escribed  the

anochemica

WCNTs.14  N

foliate  the o

es shorten w

TEM images 

(250 rpm, 1

mill  increase 

h less impuri

the  hypothe

tmosphere.

s  in  the  TG

falls from 19

his decrease

shells that su

ence  of  O2

shings.  

TEM  images

e  undesired 

l  treatment

Nevertheless,

original bund

with the incr

of s‐SWCNT

20 min, N2) (

their adsor

ties on s‐SW

esis  that  less

GA  performe

9.8% for pris

e  could be e

urround the 

,  Fe  is  oxid

s  of  the  tub

formation  o

t  of  SWCNT

,  our  treatm

dles, as  can 

rease in the 

T‐3A (100 rpm

(c) and 4E (6

Sh

ptive  capaci

WCNT‐4, prep

s  oxidative 

ed  in  air  (da

tine tubes to

explained, as

metal partic

dized  to  Fe

es  obtained 

of  large  amo

Ts,  and  the 

ment  seems

be apprecia

rotational sp

m, 30 min, ai

50 rpm, 120

hortening of 

ity.15 Moreo

pared under

damage  of 

ata  not  sho

o values in t

s anticipated

les, promote

e2O3,  which 

  after millin

ounts  of  am

formation 

s  to  give  cl

ated by TEM

peed and the

 

ir) (a), 3B (25

0 min, N2) (d)

SWCNTs 

67 

ver, TGA 

N2, with 

the  CNT 

wn),  the 

he range 

d, on  the 

ed by the 

can  be 

ng. Other 

morphous 

of  large 

ean  and 

M  images. 

e time of 

50 rpm, 

). 

Page 80: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

Chapter 

68  

we  dec

meaning

individu

effective

water di

surfaces

an oven

reports 

the  tub

bundles

good ag

vertical 

Figure

rp

the  leng

between

conditio

 2 

In order to e

ided  to  pe

gful evaluatio

ally disperse

e  in  helping 

ispersions of

s by spin‐coa

.16 Finally, th

a representa

ular  objects

. The height 

greement wit

sample com

e 16. Repres

pm, 120 min

Samples s‐SW

gth distributi

n  the milling

ons  led  to a 

evaluate the

rform  statis

on, however

ed CNTs wer

CNTs  dispe

f the selecte

ating, and we

he surfaces w

ative TM‐AFM

s  observed 

profile show

th the typica

pression of C

entative TM

n, N2); c) heig

WCNT‐3B an

ion of the tu

g  treatment

narrow dist

e  length dist

stical  analys

r, we could n

e needed. T

ersion,  i.e.  so

d samples. W

e thermally r

were analyze

M image of s

at  the  AFM

wn in Figure 

al HiPCO SWC

CNTs when t

‐AFM height

ght profile of

nd 4B, and s

ubular object

  at  250  rpm

ribution of  s

ribution of t

ses  using  a

not settle for

herefore we

odium  dode

We deposited

removed the

ed through t

s‐SWCNT‐4B

M  let  us  dis

16b, shows a

CNT diamete

they are touc

t (a) and amp

f the line ind

s‐SWCNT‐4E

ts observed 

m  for  120 m

shorter CNT

the s‐SWCNT

tomic  force

r the thin bun

e used a surf

ecylbenzenes

d the dispers

e surfactant, 

tapping mod

B, showing in

tinguish  bet

a vertical dis

ers, consider

ched by the A

plitude (b) im

icated in the

were chosen

in the TM‐A

min  in  air  or 

s  (Figure 17

Ts obtained w

e  microscop

ndles observ

factant know

sulfonate  (SD

sions on fres

heating the 

de‐AFM (TM‐

dividual tub

tween  indiv

stance of 0.7

ring the well

AFM tip.17 

mages of s‐SW

e topographic

n as represe

AFM  images. 

N2  revealed

a). The mea

with ball mi

py  (AFM).  F

ved at TEM, s

wn as being q

DBS),  to  pre

shly cleaved 

 mica surfac

‐AFM). Figur

es. The heig

vidual  tubes 

71 nm, which

l‐known effe

 

WCNT‐4B (2

c image a. 

entative, to s

The compa

d  that  the  l

an  lengths of

lling, 

or  a 

since 

quite 

epare 

mica 

ces in 

re 16 

ht of 

and 

h is in 

ect of 

50 

study 

rison 

atter 

f  the 

Page 81: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

  

 

sam

N2 

dest

our 

ther

the 

and 

atm

redu

conf

leng

Fi

SW

mille

N2, s

of th

SWC

to  t

pow

decr

micr

cons

mples were 0

(s‐SWCNT‐4B

truction of S

results we ca

refore leadin

lower yields

4B  respect

osphere  is u

uced  the me

firming our h

gth distributi

igure 17. a) L

WCNT‐4B (250

120 min, 

In order

ed SWCNTs 

strongly low

he tubes to 

CNT‐4F (Figu

We tried

his  sample, 

wer  laser  tr

reased,  and

roscope  aft

stituted by v

.74 ± 0.51 µ

B)  respectiv

SWCNTs with

an hypothes

ng to the two

s relative to 

tively).  Ther

used. Under 

ean  length  t

hypothesis th

on of the s‐S

Length distri

0 rpm, 120 m

N2, count = 

r to determin

at 650 rpm,

wered the we

quite a cons

re 18). 

d to apply th

but  it was u

eatment,  b

  the  focal 

er  the  trea

very short tub

µm and 0.46 

vely.  In  fact

h respect to 

size that shor

o different le

s‐SWCNT‐3 w

refore  the 

N2  instead, 

to  0.36  ±  0.

hat, tuning t

SWCNT. 

bution of s‐S

min, N2, coun

315). Vertica

ne  if there w

 for much  lo

eight yield (4

siderable ext

he laser re‐p

unsuccessful

ut  the  opp

area  appea

atment.  The

bes or by am

± 0.35 µm f

t,  as  previo

N2, speed a

rter tubes, o

ength distrib

with respect

production 

the  increase

.16  µm, with

he condition

SWCNT‐3B (2

nt = 775); b) l

al lines indica

was a  limit  in

onger time, 

48 %). Moreo

tent, as can 

ristinization 

l.  In  fact,  tu

posite  effect

ared  emptie

erefore,  we 

morphous ma

for the treat

ously  discus

nd time bei

nce formed,

bution profile

t to s‐SWCNT

of  short  SW

e  in the rota

h  no  tubes 

ns, it would h

250 rpm, 120

length distrib

ate the avera

n boosting e

namely 6 h. 

over, these c

be clearly se

observed fo

bes not only

t  occurred: 

ed  when  lo

could  con

aterial, was b

Sh

ment in air (

ssed,  air  co

ng equal. M

 are more ea

es. This fact 

T‐4 (43% vs.

WCNTs  is  p

tional speed

longer  than

have been po

0 min, air, co

bution of s‐S

age length of

experimental

The treatm

conditions tr

een by the Ra

or s‐SWCNT‐1

y did not  re

Raman  cro

oking  at  th

clude  that 

burned by th

hortening of 

(s‐SWCNT‐3B

ould  lead  to

oreover, con

asily destroy

can also acc

 70% for sam

prevented  w

d to 650 rpm

n  1  μm  (Figu

ossible to co

ount = 1288) 

SWCNT‐4E (6

f the sample

l conditions,

ent, though 

riggered the

aman spectr

1 (see Chapt

ecover after 

oss  section 

he  sample  w

the  sample

he laser. 

SWCNTs 

69 

B) and in 

o  higher 

nsidering 

yed in air, 

count for 

mples 3B 

when  air 

m further 

ure  17b), 

ntrol the 

 

and s‐

650 rpm, 

es. 

 we ball‐

being  in 

e damage 

rum of s‐

ter 2.1.1) 

the high 

strongly 

with  the 

e,  either 

Page 82: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

Chapter 

70  

Figure 1

objects 

average 

(such as

individu

of shorte

Figure

r

shortene

these tu

the poss

it a good

 

 2 

18. Raman sp

Nevertheles

that  appear

  length was

s HR‐TEM) w

ally disperse

er treatment

e 19. Represe

report the sa

In  conclusio

ed  SWCNTs 

ubes showed

sibility to co

d alternative

pectra (633 n

s, we could 

red  as  3 D w

 measured  t

would be nee

ed without th

t time is reco

entative TEM

ame image w

on,  we  repo

with  a  pla

d that the tre

ntrol the qu

e to wet chem

nm) of pristin

visualize the

when  adjust

to be 0.15 ±

ded to asses

he need of a

ommended.

M image of s‐

with white lin

orted  an  ea

netary mill. 

eatment did

ality of the f

mistry appro

 

ne SWCNTs a

e material ob

ting  the  foc

± 0.09 µm  (

ss it doubtle

any surfactan

‐SWCNT‐4F (

nes drawn to

sy  procedur

The  differe

d not compro

final product

aches. 

and s‐SWCN

btained at T

us  of  the m

count = 84)

ss, these ob

nt. However

(650 rpm, 36

 help the eye

re  for  prep

ent  complem

omise their t

ts tuning exp

 

T‐4F (650 rp

EM, finding 

microscope  (F

. Even  if dee

jects seemed

, given these

60 min, N2). T

e in recogniz

aring  scalab

mentary  cha

tubular struc

perimental c

pm, 360 min,

very short li

Figure  19).  T

eper evaluat

d to be SWC

e results, the

 

The right pan

zing CNTs. 

ble  quantitie

racterization

cture. Moreo

conditions re

N2). 

inear 

Their 

tions 

CNTs, 

e use 

nel 

es  of 

ns  of 

over, 

ender 

Page 83: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

  Shortening of SWCNTs  

71  

2.3 Acknowledgments 

The study on mechanochemical shortening of SWCNTs was carried out  in collaboration 

with Noelia Rubio, Prof. M. Antonia Herrero and Prof. Ester Vázquez (Departamento de Química 

Orgánica, Facultad de Químicas‐IRICA, Universidad de Castilla‐La Mancha in Ciudad Real, Spain). 

In particular, I wish to thank Noelia Rubio for some of the milling treatment and TGA. 

2.4 References 

1.  Z. Chen, K. Kobashi, U. Rauwald, R. Booker, H. Fan, W.‐F. Hwang, and J. M. Tour, J. Am. 

Chem. Soc., 2006, 128, 10568‐10571. 

2.  L. M. Ericson, H. Fan, H. Peng, V. A. Davis, W. Zhou,  J. Sulpizio, Y. Wang, R. Booker,  J. 

Vavro, C. Guthy, A. N. G. Parra‐Vasquez, M. J. Kim, S. Ramesh, R. K. Saini, C. Kittrell, G. 

Lavin, H. Schmidt, W. W. Adams, W. E. Billups, M. Pasquali, W.‐F. Hwang, R. H. Hauge, J. 

E. Fischer, and R. E. Smalley, Science, 2004, 305, 1447‐1450. 

3.  S. Ramesh, L. M. Ericson, V. A. Davis, R. K. Saini, C. Kittrell, M. Pasquali, W. E. Billups, W. 

W. Adams, R. H. Hauge, and R. E. Smalley, J. Phys. Chem. B, 2004, 108, 8794‐8798. 

4.  S.  Arepalli,  P. Nikolaev, O. Gorelik,  V. G. Hadjiev, W. Holmes,  B.  Files,  and  L.  Yowell, 

Carbon, 2004, 42, 1783‐1791. 

5.  P.V. Huong, R. Carvagnat, P.M. Ajayan, O. Stephan, Phys. Rev. B 51 (1995) 10048. 

6.  a) P. Corio, P. S. Santos, M. a Pimenta, and M. S. Dresselhaus, Chem. Phys. Lett., 2002, 

360, 557‐564; b) L. Zhang, H. Li, K.‐T. Yue, S.‐L. Zhang, X. Wu, J. Zi, Z. Shi, and Z. Gu, Phys. 

Rev. B, 2002, 65, 07340 (4). 

7.  J. S. Kim, K. S. Ahn, C. O. Kim, and J. P. Hong, Appl. Phys. Lett., 2003, 82, 1607. 

8.  Z. Yu and L. E. Brus, J. Phys. Chem. A, 2000, 104, 10995‐10999. 

9.  H. Huang, R. Maruyama, K. Noda, H. Kajiura, and K. Kadono, J. Phys. Chem. B, 2006, 110, 

7316‐7320. 

10.  a)  E.  Heister,  C.  Lamprecht,  V.  Neves,  C.  Tilmaciu,  L.  Datas,  E.  Flahaut,  B.  Soula,  P. 

Hinterdorfer, H. M. Coley, S. R. P. Silva, and J. McFadden, ACS Nano, 2010, 4, 2615‐2626; 

b) B. C. G.  Salzmann,  S. A.  Llewellyn, G.  Tobias, M. A. H. Ward,  Y. Huh,  and M.  L. H. 

Green, Adv. Mater., 2007, 19, 883‐887. 

11.  M. K. Beyer and H. Clausen‐Schaumann, Chem. Rev., 2005, 105, 2921‐2948. 

12.  Y. B. Li, B. Q. Wei, J. Liang, Q. Yu, and D. H. Wu, Carbon, 1999, 37, 493‐497. 

13.  a) N. Pierard, A. Fonseca, Z. Zonya,  I. Willems, G. Van Tendeloo, and  J. B. Nagy, Chem. 

Phys. Lett., 2001, 335, 1‐8; b) Z. Kónya, J. Zhu, K. Niesz, D. Mehn, and  I. Kiricsi, Carbon, 

2004, 42, 2001‐2008. 

Page 84: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

Chapter 2  

72  

14.  N.  Pierard, A.  Fonseca,  J.‐F.  Colomer,  C.  Bossuot,  J.‐M.  Benoit, G. Van  Tendeloo,  J.‐P. 

Pirard, and J. B. Nagy, Carbon, 2004, 42, 1691‐1697. 

15.  Y. F. Sun, A. M. Zhang, Y. Yin, Y. M. Dong, Y. C. Cui, X. Zhang, and  J. M. Hong, Mater. 

Chem. Phys., 2007, 101, 30‐34. 

16.  M. F.  Islam, E. Rojas, D. M. Bergey, A. T.  Johnson, and A. G. Yodh, Nano Lett., 2003, 3, 

269‐273. 

17.  a) T. DeBorde, J. C. Joiner, M. R. Leyden, and E. D. Minot, Nano Lett., 2008, 8, 3568‐3571; 

b) V. Zorbas, A. Ortiz‐Acevedo, A. B. Dalton, M. M. Yoshida, G. R. Dieckmann, R. K. 

Draper, R. H. Baughman, M. Jose‐Yacaman, and I. H. Musselman, J. Am. Chem. Soc., 

2004, 126, 7222‐7227.

Page 85: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

 

Anti

play

they

outs

canc

read

an  i

canc

diffe

shou

cons

stab

disp

CNT

poly

tum

deri

one,

Conj

The pos

ibodies, or im

y a crucial ro

y have rema

standing  ant

cer. Neverth

dily cross cel

intracellular 

cer therapy, 

erent approa

uld specifica

With  the

structs.  To  d

bility  to  the 

placement by

Ts using diffe

The  ant

ymorphic  ep

ours.1 The  t

ving  from  a

, in order to 

jugat

sibility  to co

mmunoglobu

ole in the rec

rkable select

tineoplastic 

heless, to dat

ll membrane

environmen

and paving 

ach, Abs can

lly direct the

e aim of stu

do  so,  we  d

final  constru

y other biolo

rent covalen

Figure 1. A

tibody  hCTM

pithelial  muc

term “human

  non‐human

avoid recogn

ion o

ombine  the  t

ulins, are a f

cognition and

tivity and pi

agent,  since

te, they hav

es. The conju

nt,  addressin

the way to 

n also serve a

e system and

udying  these

decided  to  u

ucts,  avoidin

ogical macro

nt approache

A typical IgG 

M01  IgG  is

cins  (PEM),

nized”  is use

n  immunoglo

nition of the

of ant

technologies

family of pro

d neutralizat

comolar pot

e  they  can  ta

ve not been 

ugation of an

ng  one  of  t

a variety of 

as targeting 

d thus they w

 different o

use  a  coval

ng  an  in  vivo

omolecules. 

es. 

(lysine resid

s  a  human

the  overexp

ed  to descri

obulin,  and 

e antibody fro

tibod

s of CNTs an

oteins produ

tion of foreig

tency, and th

arget  key  re

used for  int

ntibodies to 

he  importan

unexplored 

agents.  If w

will enable a t

pportunities

ent  approac

o dissociatio

As a model,

dues are high

ized  monoc

pression  of 

be an antibo

the  remaini

om the body

ies to

nd antibodie

ced by the i

gn objects in

his quality co

egulators  in 

racellular ta

CNTs should

nt  limitation

therapeutic

we conjugate

targeted dru

we prepare

ch,  that  sho

on of  the Ab

, hCTM01 Ab

 

hlighted in re

clonal  antib

which  is  as

ody with an 

ing  part  der

y as “foreigne

o CNT

es  (Abs) was

mmune syst

n the body. T

ould render 

the develop

rgets as the

d enable the

ns  of  antibod

c possibilities

e them to CN

ug delivery. 

ed different 

ould  guarant

b due  to  its 

b was conju

ed). 

body  that  b

ssociated  wi

antigen‐bin

riving  from  a

er”. 

73 

Ts 

studied. 

tem, that 

To do so, 

them an 

pment of 

ey do not 

eir use  in 

dy‐based 

s. With a 

NTs, they 

CNTs‐Ab 

tee  good 

possible 

ugated  to 

binds  to 

th  many 

ding site 

a  human 

Page 86: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

Chapter

74  

3.1 IgG‐

3.1.1 Pre

T

mainly  a

reaction

solubiliz

azometh

shortene

diamete

TEM let 

of 400 ±

Figu

correspo

carboxy

Ab. As  i

carboxy

purificat

lysine sid

 3 

‐DWCNT 

eparation 

The  first syn

at  the  tips o

n  to  tether  t

zing  chain  v

hine ylides o

ed  and  oxid

er of 3.5 nm,

us evaluate

± 368 nm. 

re 2. Length

In  the  firs

ondence of t

lic functions 

illustrated  in

lic  groups o

tion of  this 

de chains of 

nthetic strate

of oxidized C

the antibody

ia  amidation

on the CNT s

dized  and  th

, according t

e the length 

 distribution

indica

t  conjugatio

the sidewall 

 of s‐DWCNT

n  Scheme  1,

n  the  s‐DWC

construct  fr

the Ab, with

Schem

egy exploite

CNTs. An  alt

y on amino‐f

n  of  the  ca

sidewall. We

hus  bearing 

to the suppl

distribution 

 of s‐DWCNT

ates the aver

on  strategy

defect sites 

T and the am

,  a  two‐step

CNT  to  their

om  any exce

hout using ad

me 1. (Ab and

ed an amidat

ternative  ap

functionalize

rboxylic  gro

e used DWCN

carboxylic  a

ier, and con

of the samp

T analysed b

rage length o

y,  the  Ab 

of CNTs, per

mine groups 

p  amidation

r  correspond

ess  reagent,

dditional cou

d CNT are no

tion process

proach was 

ed CNTs,  foll

oups  or  via 

NTs, provide

acids  (s‐DW

nfirmed by o

ple (Figure 2

y TEM (coun

of the sampl

was  introd

rforming an a

of the lysine

was  perform

ding NHS‐es

, we made  i

upling agents

ot in size sca

s  to  immobil

based on  a

lowing  the  i

1,3‐dipolar 

ed by the su

CNT).  They 

our TEM ana

), whose ave

 

nt = 127). The

e. 

duced  at  th

amidic coupl

e side chains

med.  First, w

ter,  and  sub

it  statisticall

s, to obtain s

le) 

lize  the anti

a  chemosele

ntroduction 

cycloadditio

pplier as alr

had  an  ave

lyses. Moreo

erage length

e vertical line

he  tips  an

ling between

s available on

we  activated

bsequently, 

y  react with

s‐DWCNT‐1. 

body 

ctive 

of a 

on  of 

eady 

erage 

over, 

h was 

d  in 

n the 

n the 

d  the 

after 

h  the 

 

Page 87: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

 

 

conj

dens

coup

betw

this 

afte

s‐DW

Thes

bear

was 

to  f

invo

trea

lysin

dete

sulfh

lysin

This stra

jugation  of 

sity of both c

As an al

pling of  the 

ween a solub

case, we  fir

r cleavage o

WCNT‐2.  The

se  amines w

ring a malei

 evaluated b

The mal

form  stable 

olved  in disu

t  the Ab wi

ne residues i

ermined  by 

hydryl group

ne amines (m

ategy was re

Ab  would  h

carboxyl and

ternative to 

Ab  in  the  s

bilizing chain

rst modified 

of the Boc pr

e  amount of

were  subseq

mide group,

by the differe

Sc

eimide grou

thioether  b

ulphide bond

th 2‐iminoth

ntroducing s

Ellman’s  ass

ps per Ab, a 

more or less 2

equired to av

have  been  p

d amine grou

the direct c

same positio

, which serv

the carboxy

otecting gro

f  amine  gro

quently mod

,  to give s‐D

ence in the K

cheme 2. (Ab

p allows the

bonds,  but  a

ds  to  form  it

hiolane  (Tra

sulfhydryl gro

say.4  In  a  ty

ratio  that  is

20 in a IgG) c

void any und

possible  in  a

ups on the pr

conjugation t

on  (i.e. main

ved also as a 

ylic groups b

oup with HCl 

ups was det

ified  by  rea

DWCNT‐3  (Sc

Kaiser test to

b and CNT ar

e covalent co

all  the  cyste

ts quaternar

ut’s  reagent

oups (Schem

ypical  exper

s considered

could advers

Scheme 

C

desirable side

a  one‐step  a

rotein. 

to the carbo

nly  the  tips o

spacer betw

by an amidat

(4 M) in dio

termined by

ction with  a

cheme 2), w

be 60 μmol/

re not in size

onjugation of

eine  residue

ry  structure

t),3 which  re

me 3), the am

iment we  in

d  reasonable

sely affect Ab

onjugation o

e reactions, 

amidation,  b

oxylic groups

of  the CNTs

ween the nan

tion step wit

oxane, ammo

y  Kaiser  test

an NHS‐activ

hose degree

/g. 

e scale) 

f sulfhydryl‐c

es  within  th

.  Therefore, 

eact with  the

mount of whi

ntroduced  a

e, since  react

b function. 

 

of antibodies

since interm

because  of 

s we studied

), but  introd

notube and t

th amine 1, 

onium‐funct

t2  to be 120

vated  propio

e of  function

containing m

e  IgG  seque

it was nece

e primary  a

ich was subs

n  average  o

cting all  the 

s to CNTs 

75 

molecular 

the  high 

 also the 

ducing  in 

he Ab. In 

yielding, 

ionalized 

  μmol/g. 

onic  acid 

nalization 

 

molecules 

ence  are 

essary  to 

mines of 

equently 

of  5  free 

available 

Page 88: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

Chapter

76  

T

(Scheme

at highe

through

perform

azometh

cleavage

group  a

maleimi

bearing 

s‐DWCN

T

spectros

high  spe

superna

280  nm 

superna

Followin

tubes w

fresh PB

 3 

The  SH‐bea

e 2). Maleim

er pH  the ma

 Traut’s reag

med at pH 6.6

With  a  third

hine ylides w

e of the Boc

at  the  end 

de group, as

antibody pre

NT‐7. 

The  three  d

scopy. At  ce

eed  (16000 

tant) from C

  (due  to  the

tant  of  the

ng the coupli

as eventuall

BS. 

aring  antibo

mide reaction

aleimide gro

gent could u

6. 

d  synthetic 

was performe

 protecting g

of  the  triet

s we did for 

epared as pr

Schem

different  cou

ertain  time  in

g)  to  sepa

CNTs and Ab

e  side  chain

  solution  de

ing, the rem

y eliminated

ody  was  the

 with sulfhy

oup could hy

undergo cycl

approach,  il

ed on s‐DWC

group (amin

hylene  glyco

s‐DWCNT‐3,

reviously des

me 4. (Ab and

upling  reacti

ntervals, an 

arate  the  so

‐CNT conjug

s  of  the  aro

ecreased  as

aining free A

d by cycles of

en  conjugat

dryl groups 

ydrolyse. Mo

lization at p

lustrated  in 

CNT, using a

ne content b

ol  chain  wa

, obtaining a

scribed was t

d CNT are no

ons  betwee

aliquot of  t

olution  cont

gates precipi

omatic  amin

  the  antibo

Ab or the Ab

f centrifugat

ted  to  s‐DW

should be pe

oreover, the 

H ≥ 7.5 Ther

Scheme  4, 

minoacid 3 a

y Kaiser test

as  further  d

a functionaliz

then conjuga

ot in size sca

n  CNTs  and

the  reaction

taining  the 

tating to the

no  acids  pres

ody  bound  t

b simply adso

tion and rem

WCNT‐3,  giv

erformed at 

chain  introd

refore coupl

1,3‐dipolar 

and paraform

t was 80 μm

erivatized  t

zation of 30 

ated to s‐DW

le) 

  Ab were m

mixture wa

unreacted  a

e bottom. Th

sent  in  the 

to  the  nano

orbed on the

oval of the s

ving  s‐DWC

pH 6.5‐7.5 s

duced on th

ing reaction

cycloadditio

maldehyde. A

mol/g), the a

to  introduce

μmol/g. The

WCNT‐6, to af

 

monitored  by

as  centrifuge

antibody  (in

he absorban

antibody)  in

otube  (Figure

e sidewalls o

supernatant 

NT‐4 

since 

e Ab 

 was 

on  of 

After 

mine 

e  the 

e SH‐

fford 

y UV 

ed at 

n  the 

ce at 

n  the 

e  3). 

f the 

with 

Page 89: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

 

 

3.1.2

com

stru

(Figu

Fig

abse

elec

thro

Figure 3. U

s‐DWCN

2 Characteri

To  prov

mplementary 

cture of  the

ure 4). 

gure 4. Repr

Gel  elec

ence  of  any 

ctrophoretic 

ough the gel,

UV‐Vis spect

NT‐3 and the 

ization 

ve  the  succe

techniques.

e nanotubes 

esentative T

ctrophoresis

unbound  A

apparatus, t

 and only un

tra of the sup

Ab, showing

essful  immo

 TEM image

was not aff

TEM images o

DWCNT‐

  analysis  u

Ab.  In  fact,  a

the nanotube

nbound mate

pernatant fo

g the decrea

bilization  of

s of the Ab‐C

fected by  th

of pristine DW

‐4 (d) and s‐D

nder  non‐re

as  Figure  5

es are stayin

erial is movin

C

ollowing the c

se of the abs

f  the  antibo

CNT conjuga

he conditions

WCNTs (a), s

DWCNT‐7 (e)

educing  con

shows, whe

ng in the load

ng. 

onjugation o

 

coupling rea

sorption pea

dy  on  CNTs

tes show tha

s used  for  th

s‐DWCNT (b)

). 

ditions  was

en  loading  a

ding well, sin

of antibodies

ction betwe

ak at 280 nm

s,  we  used 

at the morp

he  coupling 

 

), s‐DWCNT‐

s  used  to  a

a  CNT  samp

nce they can

s to CNTs 

77 

en 

different 

hological 

reaction 

1 (c), s‐

assess  to 

le  in  the 

nnot pass 

Page 90: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

Chapter

78  

Figure

the sam

CNT  usi

molecul

the effec

Figu

DWCNT

of  the A

DWCNT 

 3 

e 5. Electrop

For derivativ

me did not ap

ng  a memb

ar weight is 

ctiveness of 

re 6. Electro

‐4 (lane 2), s

A possible e

Ab  to naked 

previously f

horetic appa

ves s‐DWCNT

pply to s‐DW

brane with  a

of 150 kDa) 

this step (lan

ophoretic gel

s‐DWCNT‐7 (

explanation f

s‐DWCNT, w

functionalize

aratus used f

T‐4 and 7 we

WCNT‐1 (Figu

a  300  kDa  c

adsorbed on

ne 5 vs. lane

s under non‐

lane 3) and s

for this even

while  in  the 

ed with a cha

for the analy

wells. 

e did not ob

ure 6). There

cutoff,  in  ord

n CNT surfac

e 4). 

‐reducing or

s‐DWCNT‐1 b

nt is that s‐D

  case of  s‐D

ain. As a con

ysis with an e

serve any un

efore we per

der  to  remo

ce, and the e

r reducing co

before (lane 

WCNT‐1 der

DWCNT‐4 an

nsequence, it

enlargement 

nbound prot

rformed a di

ove  any  resi

electrophoret

nditions of A

4) and after

rived from th

d 7  the Ab w

t was probab

 

t of the loadi

teic material

ialysis of the

idual  Ab  (w

tic gel confir

 

Ab (lane 1), s

r (lane 5) dia

he direct bin

was bound 

bly easier fo

ng 

, but 

e Ab‐

hose 

rmed 

s‐

lysis. 

nding 

to  s‐

r the 

Page 91: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

 

 

Ab t

by t

port

redu

the 

to th

Ab‐C

DWC

the 

func

nano

of p

prec

com

to adsorb on

he functiona

Furtherm

tions of  the 

uced. As exp

light chains 

he CNT, but t

Thermog

CNT  conjuga

CNTs were s

oxidized gro

ctionalized  s

otube could 

proteic mate

cursors at  th

mplete (Figure

n CNT surfac

alization, and

more,  electr

Ab,  since  in

pected, a pat

(25 kDa) of 

they also sug

gravimetric a

ates.  Figure 

table up to 8

oups introduc

‐DWCNT‐2, 

burn. For th

rial bound  t

he  temperat

e 7). 

F

e in the first

d therefore n

rophoresis 

n  this case  th

ttern of two

the Ab. Thes

ggest that it 

analysis was

7  shows  t

800°C, while

ced on their 

3, 5 and 6, 

he final Ab‐C

to CNTs, by 

ure at which

Figure 7. TGA

t case, while

no longer ava

under  redu

he disulphur

o bands appe

se results no

was intact a

s used to eva

the  weight 

e s‐DWCNT s

 structure. T

in which als

CNTs conjug

comparison 

h, according

A (N2) of DW

C

e in the seco

ailable to the

cing  condit

ric bonds be

eared, due t

ot only confi

fter the conj

aluate the d

loss  under 

howed an in

This thermal 

so  the molec

ates TGA res

with  the  th

g  to  the  first

WCNTs deriva

onjugation o

nd case the 

e Ab. 

ions  can  be

etween  the c

o the heavy 

rm that the 

jugation. 

egree of fun

inert  atmos

ncrease in th

weight loss f

cules covale

sults  let us e

hermogravim

 derivative, 

tives. 

of antibodies

surface was

e  used  to 

chains of  th

 chains (50 k

Ab was real

nctionalizatio

sphere.  The

e weight los

further incre

ently attache

estimate the

metric profile

the weight 

s to CNTs 

79 

s covered 

visualize 

e Ab are 

kDa) and 

ly bound 

on of the 

pristine 

s, due to 

eased for 

ed  to  the 

e amount 

e of  their 

loss was 

 

Page 92: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

Chapter 3 

80  

We could calculate a  loading of 24% of Ab with  respect  to  the whole conjugate  for  s‐

DWCNT‐1  (in  terms of weight). Similarly,  loading values of 25% and 28% were obtained  for  s‐

DWCNT‐4  and  7,  respectively.  These  values  are  in  good  agreement with  the  decrease  of  Ab 

concentration  in the supernatants of the coupling reactions (Figure 3), considering that part of 

the antibody disappearing  from the supernatant was simply adsorbed on CNT and therefore  it 

was washed  off  after  the  reaction.  The  loading  calculated  by  TGA,  if  expressed  in molarity, 

correspond  to  concentrations  of  2.1,  2.2  and  2.6  µmol  of Ab  per  gram  of  CNT  for  the  three 

conjugates  respectively, meaning  that only  a  small  fraction  (less  than  10%) of  the maleimide 

groups reacted with the antibody, probably due to steric hindrance. 

Finally, the functional activity of the Ab coupled to carbon nanotubes was studied. This is 

the first fundamental step to prove that the Ab is still able to exert its activity. In this context, we 

assessed  by  surface  plasmon  resonance  (SPR)  the  recognition  capability  of  the  CNT‐coupled 

antibody  towards  its  antigen.6  This  technique  allows  the  measurement  of  the  specific 

interactions between the antibody and  its antigen  in real time. For this purpose, the antigen  is 

immobilized on a sensor chip surface while the antibody is allowed to continuously flow over it, 

in  order  to  let  it  bind  to  the  surface  if  the  recognition  takes  place.  The  interaction  is  then 

detected as a change  in the refractive  index at the  interface between the chip surface and the 

aqueous media above it, and it is presented as a sensorgram. The registered sensorgram offers 

the  possibility  to  calculate  the  kinetic  parameters  of  the  interaction  (i.e.  the  association  and 

dissociation  rate  constants).  First of all,  the antigen  sequence  296HGVTSAPDTRPAPGSTAPPA315, 

which belongs  to  the  antibody‐recognized domain of PEM,7 was  synthesized,  together with  a 

control peptide (called “scrambled” antigen, APHADPSTPGAPSVTPRTAG) with the same number 

and type of amino acids, but placed at different positions in the sequence. This control enabled 

us to evaluate the non‐specific component of the binding between the antibody and the antigen. 

Each  sensorgram  was  obtained  measuring  simultaneously  (in  two  different  channels)  the 

response to the analyte with the real antigen and with the scrambled one,  in order to subtract 

the non‐specific component of the binding. Indeed, the antibody recognized only the antigen but 

not  the  “scrambled”  antigen,  thus  confirming  its  high  selectivity. We  also  performed  control 

experiments using  s‐DWCNT‐2  to evaluate  the possibility of non‐specific binding between  the 

antigen and the nanotubes and we found a response close to zero (data not shown). Finally, we 

assessed  the  interaction of  the  three Ab‐CNT constructs obtained. All conjugates were able  to 

recognize the antigen on the sensor chip, giving a positive response (Figure 8). 

Page 93: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

 

 

qua

weig

and 

conj

bind

atta

feas

3.2 

the 

to m

orde

to  g

bett

to  p

intro

func

we 

Figure

Howeve

ntitative  bin

ght for CNTs

dissociation

jugates are l

ding  capabil

chment  of 

sibility of the

Fab’‐MWC

Exploitin

effort to pre

move  to a di

er to assess 

get  an  impro

ter dispersio

prepare  a  d

oducing  two

ctionalization

choose  to

e 8. SPR anal

er, it is worth

nding  inform

, being an he

n  rate  const

ikely distribu

ity.  Neverth

Ab  on  CNT

e system. 

NT and scFv

ng  the exper

epare covale

ifferent kind

the reprodu

ovement  in 

ns in both or

oubly  funct

o  chains  bea

n strategies 

o  place  it 

lyses of hCTM

h pointing ou

mation  from 

eterogeneou

tants  could 

uted with dif

heless,  these

Ts  does  not

v‐MWCNT

rience gaine

ent CNTs‐Ab 

 of CNTs,  i.e

cibility of ou

the  solubilit

rganic solven

ionalized  de

aring  termin

studied so f

on  the  ch

M01 IgG (a) a

ut that it is n

the  SPR,  fo

us material, c

not  be  obt

fferent orien

e  results  hig

t  affect  the

d  in  the con

conjugate. C

e. MWCNTs,

ur functional

ty  of  the  de

nts and wate

erivative,  us

nal  amines  o

far for the co

hain  introd

C

and s‐DWCN

ot possible, 

r  two main 

cannot be de

ained  from 

ntations, and

ghlight  very 

ir  recognitio

njugation of 

Considering 

 with a com

lization strat

erivatives. M

er, with respe

ing  both  am

orthogonally

oupling of th

duced  throu

onjugation o

NT‐1 (b), 4 (c)

with an Ab‐C

reasons:  1) 

etermined an

the  sensorg

 this fact ma

importantly

on  capability

IgG  to DWC

our previou

mpletely diffe

tegy with dif

MWCNTs  are 

ect to DWCN

midation  and

y  protected. 

he Ab prove

ugh  the  cy

of antibodies

) and 7 (d). 

CNT constru

a  precise m

nd hence ass

grams;  2)  A

ay affect the

y  how  the 

y,  thus  pro

CNTs, we we

s results we

erent aspect

fferent mate

in  fact  able

NTs. Also, we

d  cycloaddit

  Since  the 

ed all to be e

ycloaddition,

s to CNTs 

81 

 

ct, to get 

molecular 

sociation 

Ab  in  the 

ir overall 

covalent 

ving  the 

ent on  in 

e decided 

 ratio,  in 

erials and 

e  to  give 

e decided 

tion,  and 

different 

effective, 

,  whose 

Page 94: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

Chapter

82  

function

to  leave

biologica

the anti

specifica

the conj

3.2.1 Pre

sulphuri

CNTs,  a

shorteni

their  str

shortene

the cutt

Figure

length d

 3 

nalization in t

e the chain  in

al studies. Fu

gen‐binding 

ally recogniz

jugation with

Figu

eparation 

First of all, 

ic and nitric 

s we  alread

ing  the nano

ructure.  The

ed MWCNTs

ing did not a

e 10. a) Repre

distributions 

terms of ma

ntroduced w

urthermore, 

fragment  (F

ze  the antige

h the CNTs, f

re 9. Schema

MWCNTs un

acid and son

dy  explained

otubes,  imp

ese  carboxyl

s  (s‐MWCNT

affect their st

esentative T

of pristine M

in

aleimide grou

with amidatio

we moved f

Fab’) and  th

en  (Figure 9)

for reasons t

atic represen

nderwent an

nicating them

  in  Chapter

roving  their 

ic  groups  ar

T) were analy

tructure (Fig

EM images o

MWCNTs (cou

ndicate the a

ups was by f

on for the a

from the wh

he  single‐cha

), which  in p

hat will be d

ntation of a f

n oxidative c

m for 24 h in

r  2.1  in  rega

solubility,  a

re  necessary

ysed by TEM

gure 10a). 

of pristine M

unt = 125) an

average leng

far high enou

ttachment o

ole Ab to sm

ain variable  f

principle sho

discussed in d

full IgG, a Fa

cutting  step, 

 a sonic bath

ard  to  SWCN

and of  intro

y  for  the  fo

M,  to check 

MWCNTs (left

nd s‐MWCNT

gth values. 

ugh for the p

of a probe, n

maller fragme

fragment  (sc

uld offer a b

details later. 

 

b’ and a scFv

using a mix

h. An oxidati

NTs,  has  the

ducing  carbo

llowing  amid

that  the har

) and s‐MWC

T (count = 15

purpose, in o

necessary fo

ents of it, na

cFv),  still ab

better contr

v. 

xture of aqu

ive treatmen

e  double  aim

oxylic  group

dation  step.

rsh condition

CNTs (right);

56). Vertical 

order 

r the 

mely 

le  to 

rol of 

eous 

nt for 

m  of 

ps on 

  The 

ns of 

 

; b) 

lines 

Page 95: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

 

 

distr

occu

one 

Inde

268 

app

two 

sele

isoth

Sche

The ave

ribution of p

urred upon t

Moreove

of  pristine 

eed, the MW

nm ± 174 nm

s‐MWCN

roaches, nam

chains with 

After  th

ctively  depr

hiocyanate  (

emes 6 and 7

rage diamet

pristine  and 

he oxidation

er TEM let u

MWCNTs,  i

WCNTs that w

m after oxida

NT  were  fu

mely amidat

orthogonall

ese steps,  th

rotected  wit

(FITC)  or  wi

7. 

ter of pristin

shortened 

n, and indeed

s study the l

n  order  to  v

we used had a

ation. 

nctionalized

tion and 1,3‐

y protected 

he phthalim

th  hydrazine

th  diethylen

ne MWCNTs

MWCNTs  to

d it remained

length distrib

verify  the  a

an average l

d  in  two  co

‐dipolar cycl

amino group

Scheme

ide‐protecte

e,  in  order 

netriaminepe

Scheme 

C

 being 34 ± 

o  further  con

d unchanged

bution of s‐M

ctual  shorte

ength of 428

onsecutive 

loaddition o

ps (Scheme 5

ed amine  int

to  make  i

entaacetic  d

onjugation o

10 nm, we 

nfirm  that n

d (data not sh

MWCNT, and

ening  of  the

8 nm ± 354 n

steps,  explo

f azomethin

5). 

roduced  thr

t  react  eith

dianhydride 

of antibodies

compared d

no  extensive 

hown). 

d compare it 

e  tubes  (Figu

nm as pristin

oiting  two 

ne ylides,  int

 

rough amida

her  with  flu

(DTPA)  as  s

s to CNTs 

83 

diameter 

damage 

with the 

ure  10b). 

e, and of 

different 

roducing 

tion was 

uorescein 

shown  in 

 

Page 96: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

Chapter

84  

fluoroph

which w

the  seco

with a m

allow th

made of

Kaiser te

degree o

170  µm

while th

T

spectra 

intensity

 3 

Fluorescein 

hore, will all

will be used  t

ond  amine w

maleimide gr

e coupling w

In  this way, 

f s‐MWCNT‐

est values fo

of  functiona

ol/g, where

e DTPA load

Fig

The  effectiv

of s‐MWCNT

y. 

and DTPA a

ow  to  ident

to  trap a rad

was deprote

roup (Schem

with free thio

two distinct

2A, 3A and 4

or the two se

alization obta

as  cycloadd

ding was 50 µ

gure 11. Kais

veness  of  FI

T‐2A (Figure 

S

re both need

tify CNTs  in 

dionuclide  fo

ected  from  t

mes 6 and 7),

ols in the Ab 

t series of co

4A, and the 

eries of comp

ained  in  the

ition  gave  3

µmol/g. The 

ser test trend

TC  coupling

12), though

Scheme 7 

ded for biolo

in vitro  test

or  in vivo  lo

the Boc  grou

, as we did f

fragments.

ompounds w

DTPA series

pounds, as d

e different  st

35  µmol/g.  T

maleimide f

d for the two

g  was  also 

 quenching b

ogical assays

s, while  the 

calization of

up  and both

for preparing

were basical

s, made of s‐

depicted in F

teps. The on

The  fluoresc

unctionalizat

o series of co

confirmed  b

by CNTs stro

s: the first m

second  is a

f  the constru

h MWCNTs w

g Ab‐DWCNT

ly prepared:

‐MWCNT‐2B

Figure 11, let

ne  relative  to

ein  loading 

tion was 35 µ

 

ompounds. 

by  absorptio

ongly decreas

molecule, be

a chelating a

ucts. Afterw

were deriva

Ts conjugate

:  the FITC se

B, 3B and 4B

t us calculate

o amidation

was  60  µm

µmol/g. 

on  and  emis

sed fluoresc

 

ing a 

agent 

ards, 

tized 

es, to 

eries, 

. The 

e the 

 was 

mol/g, 

ssion 

ence 

Page 97: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

 

 

F

f

conj

with

mol

whe

as d

free

glut

cyst

redu

conj

befo

the 

exist

Ab f

high

with

Figure 12. a) 

fluorescence

Once ob

jugation wit

hout  further

ecule.  In  the

ereas on the 

dimers, due t

e thiols in tw

athione, der

eine  thiol.  T

uced in orde

As alrea

jugation with

ore, and to d

exact positio

ting thiol wa

fragments, t

her and a po

h CNTs. With

Absorption 

e spectra of F

btained  the 

h  thiol grou

r modificatio

e Fab’  the  th

scFv it was i

to the spont

wo different m

riving  from t

Therefore,  p

r to restore t

dy anticipate

h the CNTs. 

do so some 

on of the thi

as exploited,

here was on

ossible undes

 Fab’ and scF

spectra of FI

FITC and s‐M

recorded u

maleimide‐f

ps. Fab’ and

on  of  the  pr

hiol derives 

introduced o

aneous form

monomers. M

their produc

prior  to  con

the free thio

ed, the use o

With the ful

of the amin

iols was unk

 thus knowi

nly one thiol

sired conseq

Fv we did no

ITC and s‐MW

MWCNT‐2A (1

upon excitat

functionalize

d  scFv offere

roteins,  sinc

from a disu

on purpose. A

mation, upon

Moreover, F

ction, and so

njugation  wi

ols. 

of these two 

ll IgG we had

es were mo

nown. Instea

ng precisely 

 per molecu

quence were

ot have this r

Scheme 

C

WCNT‐2A (10

10‐6 M in DM

tion at 488 n

ed CNTs  4A

ed us  the op

ce  they  both

lphide bond

As a consequ

n storage, of

ab’ and scFv

o they could 

ith  CNTs,  th

fragments s

d to introdu

dified using 

ad, with the 

its position.

ule, while for

 cross‐coupl

risk. 

onjugation o

0‐6 M in DMS

MSO/TEA 0.1 

m. 

and  4B, we 

pportunity  to

h  present  al

d already pre

uence, Fab’ a

a disulphide

v preparation

form a disu

he  disulphid

should offer a

ce thiols tha

a statistic a

use of Fab’ 

. Furthermor

r the thiolate

ing reaction

of antibodies

SO/TEA 0.1 M

M). Spectra 

e were  ready

o use  this  c

lready  one  t

esent  in  the

and scFv exis

e bond betw

ns contain a

ulphide bond

de  bonds  ha

an advantag

at where not

pproach.  In 

and scFv, an

re, in the ca

ed  IgG the r

ns during con

 

s to CNTs 

85 

 

M); b) 

were 

y  for  the 

hemistry 

thiol  per 

  full  IgG, 

st in part 

ween two 

lso some 

d with  its 

ad  to  be 

ge for the 

t present 

this way 

n already 

se of the 

ratio was 

njugation 

Page 98: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

Chapter

86  

T

cysteam

monitor

the dim

efficacy 

(MW = 3

both for

KDa  (th

cleavage

Figure 

simply m

room  te

was cen

(absorpt

this way

the reac

centrifug

7.4) usin

unbound

construc

or scFv. 

 3 

The  reductio

mine  (Schem

red the react

er  from  the 

of the reduc

30 KDa), and

r Fab’, where

e  presence 

e of heavy an

13. Electrop

(lane 2) 

As we alread

mixing  the  t

emperature 

ntrifuged, to 

tion peak at

y we could f

ction, and w

gation and r

ng a membra

d  proteic  m

cts depicted 

on  step was

e  8),  follow

tion via elect

monomer, 

ction. In the 

d, more impo

e it was at m

of  some  m

nd light chain

phoretic gels 

reduction an

dy did for th

two  compon

(Scheme 9).

precipitate 

 280 nm), co

ollow the co

e thoroughly

removal of s

ane with a c

material  from

in Scheme 9

s performed,

wed  by  a  pu

trophoresis (

according  to

gel we can s

ortantly, we c

ore or less 1

minor  bands 

ns during the

under non‐r

nd of scFv be

he DWCNTs a

nents  in  PBS

At certain  t

CNTs, and t

orresponding

oupling react

y washed th

upernatant. 

ut‐off of 300

m  the  MWC

9, each one

,  for both  F

urification  w

(Figure 13). W

o  their differ

see the Fab’

can apprecia

100 KDa, and

at  smaller 

e heating ste

reducing con

efore (lane 3)

and the IgG,

S‐EDTA  (pH 

time points,

he concentr

g to the unr

tions. When

he crude wit

Afterwards 

0 KDa, to ma

CNTs.  In  thi

bearing, alt

ab’ and  scFv

ith  size  exc

With this tec

rent size, an

 band (MW 

ate the disap

 for scFv, wh

MW  is  due

ep in the pre

 

nditions of Fa

) and after (l

, we perform

6.6),  and  ge

 a  small aliq

ration of Fab

reacted Ab f

 the couplin

h fresh PBS 

we perform

ake sure of t

s  way  we  p

ernatively, f

v,  through a

lusion  chrom

chnique we c

d  thus we c

= 48 KDa) an

ppearance of

here it was at

e  to  some  s

paration of t

ab’ before (la

ane 4) reduc

med the coup

ently  shaking

quot of  the 

b’ or scFv  in 

ragments, w

g was comp

(pH 7.4) by 

ed a dialysis

the complete

prepared  th

luorescein o

a  treatment 

matography.

could disting

could contro

nd the scFv 

f the dimer b

t more or les

slight  proteo

the gel). 

ane 1) and af

ction. 

pling reactio

g  the mixtur

reaction mix

the superna

was measure

plete we stop

several cycle

s against PBS

e removal of

he  four  diffe

or DTPA and 

with 

. We 

guish 

l  the 

band 

band, 

ss 60 

olytic 

fter 

on by 

re  at 

xture 

atant 

ed.  In 

pped 

es of 

S (pH 

f any 

erent 

Fab’ 

Page 99: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

 

 

3.2.2

alre

conj

all th

cond

2 Characteri

For  the 

ady used  fo

jugates obta

he synthetic 

Figure 14

 An  ele

ditions (Figu

Schem

ization 

characteriz

or  the Ab‐DW

ained, and  im

steps (Figur

. Representa

ctrophoretic

re 15). In th

me 9. (Fab’/

ation  of  the

WCNTs  const

mages clearly

e 14). 

ative TEM im

c  analysis  w

e first case w

scFv and CN

e  final  conj

tructs. TEM 

y showed th

mages of s‐MW

was  perform

we assessed

C

T are not in s

ugates  we 

was used  t

hat CNT stru

WCNT‐5A (a

med  both 

 the lack of 

onjugation o

size scale) 

exploited  th

o  assess  the

cture was pr

 

), 5B (b), 6A 

in  reducing

unbound pro

of antibodies

he  same  te

e quality of 

reserved thr

(c) and 6B (d

g  and  non‐

oteic materi

s to CNTs 

87 

 

chniques 

the  final 

roughout 

d). 

‐reducing 

al, since, 

Page 100: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

Chapter

88  

when ru

could m

could ob

did not 

related 

located 

in  fact  t

reductio

the  two

interacti

coupling

through

reducing

Figure 

this case

that  the

lack of p

bound t

and  scF

coupling

with  ele

electrop

conditio

 3 

unning the g

ove. On the 

bserve the p

see anything

to  the  light 

in the heavy

the  contribu

on step of th

o  chains  was

ions  and  th

g  different  t

  the  thiol  o

g electropho

15. Electrop

(lane 2

A very  impo

e,  to confirm

e washing  tre

proteins  in t

to CNTs, but 

v  and  then 

g  reactions. 

ectrophoresi

phoretic  gel,

ons. 

gel, the MWC

other hand,

pattern of pr

g. The prese

and heavy 

y chain, we s

ution  from  t

he Fab’ dime

s  reduced.  N

hey  could  su

thiols.  There

on  the  light 

oretic gel. 

horetic gels 

), s‐MWCNT

ortant piece 

m  that  the b

eatments w

he non‐redu

 not that th

we  washed

The  produc

s. As  clearly

,  for  none 

CNTs stayed

in reducing 

oteic fragme

nce of two b

chains of  th

hould expec

this  band  is 

er with cyste

Nevertheless

ubsequently 

efore  it  is  po

chain,  there

under non‐r

‐5A (lane 3),

of  informati

bond betwee

ere actually 

ucing gels of

e bond  is co

d  them  follo

ts  obtained 

y  shown  in  F

of  the  two

d  in the  load

conditions, t

ents present

bands in the

he  Fab’.  Sinc

ct to observe

  stronger.  H

eamine, also 

s,  they  rem

form  dime

ossible  that 

efore  leaving

reducing or r

, 5B (lane 4),

ion was give

en  the Ab  fr

able  to  rem

f the final co

ovalent. Ther

owing  exactl

with  these 

Figure  16,  n

o  controls, 

ding well and

the disulphid

t in Fab’, wh

e reducing ge

ce  the  Fab’ w

e only the lig

However,  it 

a part of th

ained  coupl

rs  again  bu

part  of  the 

g  the  heavy

reducing con

 6A (lane 5) 

en by a nega

agments and

move any ad

onjugates pro

refore we tr

y  the  same

control  rea

no  proteic m

both  under

d only  the u

de bonds are

ile of course

el of s‐MWC

was bound 

ht chain ban

is  possible 

e disulphide

ed  because 

t  in  a  rearr

Fab’  finally

y  chain  free 

ditions of Fa

and 6B (lane

ative control

d  the CNT w

sorbed prot

ove that the

eated s‐MW

  protocol  u

ctions were 

material was 

r  non‐reduc

nbound mat

e broken, an

e for the scF

NT‐ 5A and 

through  its 

nd in the gel,

that,  during

e bonds betw

  of  hydroph

ranged  way

y  bound  to  C

to move  in

 

ab’ (lane 1), s

e 6). 

l we prepare

was covalent

teins.  In  fact

e Ab are stro

WCNT‐1 with 

sed  for  the 

  finally  anal

detected  in

cing  or  redu

terial 

d we 

v we 

5B is 

thiol 

, and 

g  the 

ween 

hobic 

,  i.e. 

CNTs 

n  the 

scFv 

ed  in 

t and 

,  the 

ongly 

Fab’ 

real 

lysed 

n  the 

ucing 

Page 101: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

 

 

well

disp

bind

prot

strat

esta

Figure 16. E

The dete

l  by  a  calib

persions used

ding of  Fab’ 

tein  in  the c

tegy  as  cal

ablishment o

Electrophore

reactions be

ection limit o

bration  perf

d and  the vo

or  scFv  to  s

conjugate), o

culated  from

f the desired

Fi

tic gels unde

etween s‐MW

of the electro

ormed  with

olume  loade

s‐MWCNT,  i

one order of

m  TGA  valu

d covalent bo

igure 17. TGA

er non‐reduc

WCNT‐1 and 

ophoretic ge

h  a  standar

ed  for each w

if  any, was  a

f magnitude

ues  (Table 

ond between

A (N2) of MW

C

cing or reduc

Fab’ (lane 1)

el was estima

d.  Consider

well,  this va

at most of  0

  less  than  th

1).  Thus,  w

n CNTs and t

WCNTs deriva

onjugation o

 

cing conditio

) or scFv (lan

ated to be 0

ing  the  con

lue  implies  t

0.8%  (expres

he  loading o

we  indirectly

he Ab fragm

atives. 

of antibodies

ns of the con

ne 2). 

.12 µg of pro

ncentration 

that  the non

ssed  as weig

obtained by 

y  proved  th

ments. 

s to CNTs 

89 

ntrol 

otein per 

of  CNTs 

n‐specific 

ght % of 

covalent 

e  actual 

 

Page 102: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

Chapter 3 

90  

The degree of loading related to Fab’ and scFv was evaluated using TGA (Figure 17). The 

increase  in  the  weight  loss  for  the  final  conjugates  relative  to  their  precursors  (at  the 

temperature  at  which,  according  to  the  first  derivative,  the  weight  loss  was  complete) 

corresponds to the Fab’ or the scFv bound to the MWCNTs. 

Loading of Fab’ or scFv  s‐MWCNT‐5A  s‐MWCNT‐5B  s‐MWCNT‐6A  s‐MWCNT‐6B 

Weight % in the conjugate  6.8  6.3  9  8.4 

µmol/g of CNT precursor  1.5  1.4  3.3  3.1 

Table 1. Loading values relative to Fab’ and scFv for s‐MWCNT‐5A, 5B, 6A and 6B. 

Thus,  it was  possible  to  calculate  how much  protein was  attached  on  the  nanotubes 

(Table 1). These values are in good agreement with the decrease of Fab’ or scFv concentration in 

the supernatants of the coupling reactions, considering that part of the Ab fragments, especially 

scFv, was simply adsorbed on CNT and therefore it was washed off after the reaction. Moreover, 

they  correlate well  also with  the  relative  intensities of  electrophoretic  spots,  considering  the 

amount of material loaded for each well (Figure 15). 

As for the previous conjugates, the most important characterization of the material was 

SPR. All the compounds gave a positive response (Figure 18), even  if with  lower  intensity than 

the response obtained with the Ab‐DWCNTs constructs. This is probably due to the lower degree 

of  functionalization  obtained  for  these  conjugates,  and  to  the  lower  affinity  for  the  antigen 

possessed by Fab’ and scFv, with respect to the full IgG. 

In  conclusion,  we  prepared  different  kinds  of  covalent  Ab‐CNT  conjugates,  using 

DWCNTs and MWCNTs and either the whole IgG or smaller fragments, i.e. Fab’ and scFv. In the 

case of MWCNTs we used a double functionalization strategy in order to introduce on the CNTs 

also  a  probe,  necessary  for  biological  studies. We  proved  the  effectiveness  of  the  covalent 

strategy by means of different  complementary  techniques, and,  importantly, we assessed  the 

capability of all the constructs to specifically recognize the antigen. 

Page 103: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

 

 

Figu

3.2.3

CNT

the 

cont

cons

com

3B, 

injec

h th

wer

dilut

ure 18. SPR a

3 Preliminar

We stud

Ts, that let us

DTPA‐MWC

taining  buffe

structs,  we 

mputed tomo

we  could  a

cted, as in th

he animals w

e sampled, e

tion of the in

analyses of h

ry biological 

died the in vi

s couple them

NTs with  111

er.  In  this  w

could  follow

ography/com

lso  assess  q

he previous e

were killed, a

each sample

njected dose

hCTM01 Fab’

results 

ivo behaviou

m with a rad

InCl3  for 30 

way,  by  inje

w  their  in  v

mputed tomo

uantitatively

experiments

nd blood wa

e being weig

e, in order to

’ (a), scFv (b)

ur of our con

dionuclide, 11

min at r.t. a

ecting  BALB/

vivo  fate  thr

ography) sca

y  the  organ 

s, via the tail 

as collected.

hted and co

o calculate t

C

), s‐MWCNT‐

njugates exp

11In. The cou

and  then wa

/c mice  via 

rough  a  SPE

anner  (Figure

biodistribut

vein with th

. The differe

unted on a G

he percenta

onjugation o

‐5A (c), 5B (d

loiting the D

pling was ma

ashing unbou

the  tail  vein

ECT/CT  (sing

es 19, 20 an

tion  (Figure 

he [111In]DTPA

nt organs an

Gamma Cou

ge of injecte

of antibodies

d), 6A (e) and

DTPA attache

ade by simp

und  111In wit

n  with  the 

gle  photon 

d 21). Only 

22).  The m

A‐MWCNTs.

nd tissues of

unter togethe

ed dose per 

s to CNTs 

91 

 

d 6B (d). 

ed on the 

ly mixing 

th EDTA‐

different 

emission 

for CNTs 

ice were 

 After 24 

f  interest 

er with a 

organ or 

Page 104: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

Chapter

92  

per gram

well. 

Figure 

Figure 

Figure 

 3 

m of tissue. 

19. Whole B

20. Whole B

21. Whole B

Quantitative

ody 3D Imag

in rats a

ody 3D Imag

in rats a

ody 3D Imag

in rats a

e organ biod

ging (SPECT/C

after 30 min, 

ging (SPECT/C

after 30 min, 

ging (SPECT/C

after 30 min, 

distribution w

CT) showing

 4 h, and 24 

CT) showing

 4 h, and 24 

CT) showing

 4 h, and 24 

will be evalu

 distribution

h post‐inject

 distribution

h post‐inject

 distribution

h post‐inject

uated  for CN

 of [111In]DTP

tion. 

 of [111In]DTP

tion. 

 of [111In]DTP

tion. 

NTs 5B and 6

 

PA‐MWNCTs

 

PA‐MWNCTs

 

PA‐MWNCTs

6B as 

s 3B 

s 5B 

s 6B 

Page 105: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

 

 

Fig

or

early

22). 

thes

and 

accu

bear

agen

sele

fluo

7) an

with

fluo

5A) 

Cy3 

imag

cells

med

deri

inte

cond

ure 22. Orga

r per gram o

MWCNTs 3

The orga

y accumulat

Comparing 

se observatio

6B, we cou

umulation an

A furthe

ring mouse m

nts for the w

ctive cancer 

Also  the

rescein‐tagg

nd a PEM‐ne

h Fab’ alone,

rescence giv

was  localize

(hCy3). The 

ges show  (F

s, and for the

diated  endo

vatives,  ins

rnalization w

ditions (data

an biodistribu

of tissue (b) a

3B, quantifie

an biodistrib

ion in liver, s

the  three  c

ons need to 

ld state that

nd reduced k

er  important

model, to as

whole conjug

treatment. 

e  internaliza

ged ones) wa

egative (hum

, s‐MWCNT‐

ven by the flu

ed using a se

scFv is not r

igures 23a a

e three CNTs

cytosis,  due

tead,  also 

was  observe

a not shown)

ution expres

at 1 h, 4 h an

ed by gamma

bution  for  s‐

spleen and lu

onstructs  th

be confirme

t Fab’ and sc

kidney elimin

 step will be

sess whethe

gate, leading

ation  and  t

as assessed,

man lung carc

3A, 5A or 6A

uorescein, w

econdary ant

recognized b

and 24a), we

s constructs i

e  to  the  rec

an  energy‐

ed  as well  af

ssed as % of 

d 24 h after 

a counting (n

‐MWCNT‐3B

ung, with gra

hrough  the w

ed by quantit

cFv conjugat

nation. 

e the study o

er the Fab’ a

 to accumula

the  cellular 

in both a PE

cinoma, Calu

A. The  locali

while the Fab

ti‐human an

by hCy3, sinc

e observed c

in both cell l

cognition  of 

‐independen

fter  incubat

C

injected dos

intravenous

n = 3, error b

  (i.e. not be

adual cleara

whole body 

tative organ 

tion to CNTs

of our conju

nd the scFv w

ation in the t

trafficking 

EM‐positive 

u‐6) cell line. 

zation of CN

b’ (both alon

tibody  label

ce it is too sm

cellular upta

ines. Fab’ wa

PEM  on  ce

nt  pathway 

ion  at  4°C, 

onjugation o

e (ID) radioa

 administrat

ars for stand

earing any A

nce from the

SPECT/CT  im

biodistribut

  increased t

gates  in a P

would be ab

tumour and 

of  the  com

(human bre

Cells were t

NTs was dete

e, and in the

led with the

mall. As the 

ke  for Fab’ o

as internalize

ell  surface. 

was  proba

i.e.  under  e

of antibodies

activity per o

tion of [111In]

dard deviatio

Ab  fragment)

e liver in 24 

maging, even

tion for s‐MW

their  liver an

EM‐positive 

ble to act as t

therefore a

mpounds  (u

east carcinom

reated, alter

ected with t

e Fab’‐CNT c

e red fluores

confocal mi

only  in PEM

ed through r

In  the  case

ably  involve

ndocytosis‐i

s to CNTs 

93 

 

organ (a) 

]DTPA‐

on). 

  showed 

h (Figure 

n  though 

WCNT‐5B 

nd spleen 

tumour‐

targeting 

llowing a 

sing  the 

ma, MCF‐

rnatively, 

he green 

onjugate 

cent dye 

croscopy 

M‐positive 

receptor‐

e  of  CNT 

ed,  since 

nhibiting 

Page 106: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

Chapter

94  

Figu

µg

interfe

Cy3 (

Figu

µg

interfe

Cy3 (

media fo

fact the 

the  cell

lysosom

 3 

ure 23. Confo

g/mL), s‐MW

erence contr

red fluoresce

sam

ure 24. Confo

g/mL), s‐MW

erence contr

red fluoresce

sam

Furthermore

or 24 h befo

Fab’, accord

s,  probably 

mal  degradat

ocal microsco

WCNT‐3A, 5A 

rast (DIC) cha

ence) chann

me treatment

ocal microsco

WCNT‐3A, 5A 

rast (DIC) cha

ence) chann

me treatment

e,  it  is worth

re the confo

ding to the f

because,  a

tion.  Differe

opy images o

or 6A (10 µg

annel, third l

el. Panel a sh

t followed by

opy images o

or 6A (10 µg

annel, third l

el. Panel a sh

t followed by

h noting that

ocal analysis,

fluorescence

fter  the  en

ntly,  the  CN

of MCF‐7 cel

g/mL). First l

line: FITC (gr

hows treatm

y incubation

of Calu‐6 cel

g/mL). First l

line: FITC (gr

hows treatm

y incubation

t when cells 

, the scenari

e given by th

docytotic  in

NT  derivative

ls untreated

ine: nuclei, s

reen fluoresc

ment for 3 h a

with full me

ls untreated 

ine: nuclei, s

reen fluoresc

ment for 3 h a

with full me

were treate

o was differe

e hCy3, was

nternalization

es  could  sti

or treated w

second line: d

cence) chann

at 37°C. Pane

edia for 24 h.

or treated w

second line: d

cence) chann

at 37°C. Pane

edia for 24 h.

ed and then 

ent (Figures 

 not present

n,  its  intrac

ll  be  found 

with Fab’ (0.7

differential 

nel, fourth lin

el b shows th

with Fab’ (0.7

differential 

nel, fourth lin

el b shows th

incubated  in

23b and 24b

t anymore in

cellular  fate 

inside  the 

 

ne: 

he 

 

ne: 

he 

n full 

b). In 

nside 

was 

cells 

Page 107: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

  Conjugation of antibodies to CNTs 

95  

according to the fluorescein green signal and, for s‐MWCNT‐5A, to the red fluorescence of hCy3 

bound to the Fab’. 

It is possible to conclude that the uptake and the intracellular trafficking of the Fab’‐CNT 

and of the scFv‐CNT conjugates were driven, at least in part, by CNTs. In fact, all the constructs 

were  internalized even by PEM negative  cells  (while Fab’ alone was not) and  the  fate of Fab’ 

after 24 h was different  if  it was alone or bound to the CNTs. Considering these preliminary  in 

vitro results we could not state if these conjugates would be specifically targeted in vivo towards 

PEM‐positive  cells, but we  can  conclude  that CNTs were able  to deliver  their Ab  cargo  inside 

cells,  following also an energy‐independent pathway, and  therefore dramatically changing  the 

intracellular fate of the material. This important observation paves the way to the use of CNTs to 

deliver antibodies inside cells, thus leading to a variety of unexplored therapeutic possibilities. 

3.3 Acknowledgments 

The work  described  in  this  Chapter was  part  of  the  FP7  European  Project ANTICARB, 

which  involves different collaborations.  I wish to thank the group of Dr. Alberto Bianco  (CNRS, 

Institut  de  Biologie  Moléculaire  et  Cellulaire,  Laboratoire  d’Immunologie  et  Chimie 

Thérapeutiques in Strasbourg, France) and in particular Enrica Venturelli for the syntheses of the 

antigen and the “scrambled” antigen peptides, and for some of the electrophoretic gels, and Dr. 

Olivier Chaloin for the SPR analyses. 

For  what  concerns  the  biological  data,  I  wish  to  thank  the  group  of  Prof.  Kostas 

Kostarelos  (Nanomedicine  Laboratory,  Centre  for  Drug  Delivery,  The  School  of  Pharmacy  in 

London, UK), and  in particular Antonio Nunes and Dr. Khuloud Al‐Jamal for the  in vivo studies, 

and Dr. Chang Guo for the in vitro ones. 

3.4 References 

1.  J. R. Adair, P. R. Hamann, R. J. Owens, T. S. Baker, A. H. Lyons, L. M. Hinman, and A. T. 

Menendez. WO/1993/006231. 

2.  E. Kaiser, R. L. Colescott, C. D. Bossinger, and P.  I. Cook, Anal. Biochem. 1970, 34, 595‐

598 

3.  R.  R.  Traut,  A.  Bollen,  T.  T.  Sun,  J.  W.  B.  Hershey,  J.  Sundberg,  and  L.  R.  Pierce, 

Biochemistry 1973, 12, 3266‐3273. 

4.  G. L. Ellman, Arch. Biochem. Biophys. 1959, 82, 70‐77. 

5.   R. Singh, L. Kats, W. A. Blattler, and J. M. Lambert, Anal. Biochem., 1996, 114‐125. 

Page 108: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

Chapter 3 

96  

6.  a) R. Karlsson, J. Mol. Recognit., 2004, 17, 151‐161; b) M. A. Cooper, Nat. Rev., 2002, 1, 

515‐528. 

7.  A. P. Spicer, G. Parry, S. Patton, and S. J. Gendler, J. Biol. Chem., 1991, 266, 15099‐15109. 

Page 109: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

97  

Conjugation of doxorubicin to CNSs 

Doxorubicin  is an antineoplastic drug that exerts  its activity mainly at the  level of DNA, 

by inhibition of topoisomerase II, an essential enzyme for DNA replication. Though being widely 

used,  its clinical utility  is hindered by  the onset of a severe cardiomyopathy, due  to  its  lack of 

selectivity, and by multi‐drug resistance (MDR). Both these limitations, and the way nanocarriers 

could help  in overcoming  them, have been already analysed  in  the  Introduction  (see Chapter 

1.5). Many studies have been published so  far  in which CNT‐based systems were used  for  the 

delivery of doxorubicin, making it a promising tool (see Chapter 1.5.2 and in particular Table 1).1 

Nevertheless, none of these works used a covalent approach for the conjugation of the 

drug to CNTs. The major  limitation of a non‐covalent construct  is  its  lack of stability  in vivo, as 

already  explained  (see  Chapter  1.2.1).  In  fact, most  of  the  above  papers  that  addressed  this 

question reported  the undesired partial release of non‐covalently bound doxorubicin  from  the 

carrier.1c,g,h  For  this  reason  we  decided  to  prepare  covalent  doxorubicin‐CNT  conjugates, 

exploiting the primary amine present on the sugar of the drug. However,  it  is known from the 

literature  that substituents  in  that position strongly affect  its activity.2 Therefore, also another 

construct was prepared,  introducing a cleavable  linker between the carrier and doxorubicin, to 

trigger its release once the system is internalized. To this end we choose a tetrapeptide, glycine‐

phenylalanine‐leucine‐glycine (GFLG), known to be cleaved by lysosomal cathepsins and already 

used as a linker to release polymer‐bound doxorubicin.3 

In  order  to  better  study  the  chemistry  of  the  conjugates we  first  prepared  fullerene 

derivatives and then we translated the same chemistry to CNTs. Additionally, this strategy led to 

an expansion  in the kinds of constructs to be tested, thus allowing a comparison between the 

biological behaviour of the different carbon nanostructures (CNSs). 

   

Page 110: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

Chapter

98  

4.1 Full

4.1.1 Sy

T

fullero‐p

of  fuller

monoad

and  by 

obtained

nitrogen

fulleropy

doxorub

probe fo

of the ve

illustrate

fullerene

yield). 

required

 4 

erene deriv

nthesis 

The  first  ste

pyrrolidine 1

rene  C60,  as

dduct and di

subsequent 

d  in  29%  yie

n  was  then

yrrolidine 2. 

Once  obtain

bicin  is  fluor

or in vitro loc

ector with a 

ed  in  Schem

e  2,  followe

On  the  oth

d, to introdu

vatives 

ep  for  the pr

1 by 1,3‐dipo

s  depicted  i

ifferent poly

chromatogr

eld.  The  ter

n  Boc‐depro

ned  the  full

rescent,  with

calization, b

non‐toxic m

me  2,  by  cou

ed  by  precip

er  hand,  to

ce a carboxy

reparation o

olar cycloadd

in  Scheme 

y‐adducts. Ne

raphic  purifi

minal  amine

otected  by 

S

lerene  mono

h  the  conse

ut a differen

molecule. The

upling  fluore

pitation  of  re

S

o  prepare  d

yl group. Ful

of  the  fullere

dition of azom

1.  The  reac

evertheless,

ication  of  th

e  of  the  trie

treatment 

Scheme 1  

oadduct,  it 

equent  adva

nt fluoropho

e fluorescein

escein  isothi

eaction  crud

Scheme 2  

oxorubicin‐b

llerene 2 wa

ene derivativ

methine ylid

ction  actuall

 by use of 1

he mixture, 

ethylene  glyc

with  trifluo

was  derivat

ntage  of  be

re was used,

‐derivatized 

ocyanate  (F

de  (in DMF) 

bearing  deriv

s treated wi

ves was  the 

es to the [6,

y  affords  a 

1 equivalent 

the  desired 

col  chain  on

roacetic  ac

tized  with  f

ehaving  simu

, to first stud

fullerene 3 w

ITC) with  th

by  addition

 

vatives,  a  fu

th succinic a

synthesis o

,6] double b

  mixture  of

t of  the  reag

mono‐addu

n  the  pyrroli

id  to  yield 

 

fluorescein. 

ultaneously 

dy the behav

was prepare

he  free  amin

n  of MeOH 

urther  step 

anhydride, w

f  the 

onds 

f  the 

gents 

uct  is 

dinic 

the 

Also 

as  a 

viour 

ed, as 

ne  of 

(63% 

was 

which 

Page 111: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

 

 

reac

carb

fulle

activ

chro

grou

unsu

nam

perf

puri

thou

cted with  its

boxylic acid. 

erene 4 in 75

The  ami

vation of  th

omatography

up was attem

uccessful, pr

Table

Therefo

mely  allyloxy

formed in th

fication. The

ugh  in  low 

s  terminal  a

The reaction

5% yield (Sch

ino Boc‐prot

e  carboxylic

y purification

mpted using

robably due t

e 1. Condition

re  a  differen

ycarbonyl  (A

e same cond

e deprotectio

yield.  Treat

amine, with 

n crude (in D

eme 3). 

tected  tetra

acid  via ED

n (79% yield

g different  c

to degradatio

a  HC

b  TF

c  M

ns tested for

nt  protectin

Alloc).  The 

ditions used 

on of the te

ting  Alloc‐G

consequent

DMF) was pu

Scheme 

peptide Boc

DC∙HCl/HOBt

d, Scheme 4)

onditions, a

on of the pro

Scheme 

Cl(g)/CH2Cl2, r

FA/CH2Cl2 (1:1

Me3SiCl, pheno

r the deprote

g  group  for

coupling  b

for 8, afford

rminal amin

FLG‐doxorub

Co

t  opening  of

urified by pre

c‐GFLG was 

, and produ

). Subsequen

s depicted  i

oduct trigger

r.t.

1), r.t.

ol, CH2Cl2, r.t.4

ection reactio

the  peptide

between  All

ding 9 with 7

e from the A

bicin  9  with

njugation of

f  the  ring,  a

ecipitation w

 

then  couple

ct 8 was ob

ntly, the dep

n Table 1, w

red by the ac

on of Boc‐GF

e’s  terminal 

oc‐GFLG  an

74% yield, af

Alloc group w

h  tetrakis  (t

f doxorubicin

and  exposur

with MeOH, t

ed  to  doxoru

btained after

protection of

which  result

cidic conditio

FLG‐doxorub

  amine was

nd  doxorub

fter chromat

was success

triphenyl  ph

n to CNSs 

99 

re  of  the 

to afford 

ubicin by 

r  column 

f the Boc 

ed  to be 

ons. 

 

bicin 8. 

s  chosen, 

icin  was 

tographic 

ful, even 

osphine) 

Page 112: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

Chapter

100  

palladiu

chromat

dimethy

allyl  gro

product,

Howeve

conjugat

The  fina

chromat

 4 

m(0)  in  the 

tography, wi

ylbarbituric a

oup  scavenge

,  by  reactio

er, results did

Finally,  in  o

ted with bot

al  products 

tography, wi

presence  o

ith 38% yield

acid (see inse

er,  in  fact,  s

on  of  the  d

d not improv

rder  to  obta

th free doxor

  5  and  6 

ith 42% and 

of  dimedone

d (Scheme 5

et in Scheme

should  avoid

deprotected 

ve. 

S

ain  the  targ

rubicin and G

were  obtai

48% yield, re

S

e,5 we  obtai

5). An attem

e 5) instead 

d  the  undes

amine  with

Scheme 5 

get  doxorubi

GFLG‐doxoru

ned,  after 

espectively (

Scheme 6 

ned  10, wh

pt to  increas

of dimedon

sired  format

h  one  of  di

cin‐bearing 

ubicin 10, us

purification 

Schemes 6 a

ich was  pur

se reaction y

e was done.

ion  of  the  k

imedone’s  c

derivatives, 

ing PyAOP as

by  prepara

and 7). 

rified  by  col

yield, using N

.6 The use of

ketoenamine

carbonyl  gro

 

fullerene  4 

s coupling ag

ative  thin 

 

lumn 

N,N’‐

f this 

e  by‐

oups. 

was 

gent. 

layer 

Page 113: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

 

 

4.1.2

shap

gave

cont

in al

be  a

solu

inte

Fig

M)

2 Spectrosco

Absorpt

pe of fullere

e  absorption

tribution of f

Fluoresc

ll cases a stro

appreciated 

ution of an e

nsity. 

gure 1. a) Ab

; b) fluoresc

opic characte

ion  spectrum

ne monoadd

n  profiles  si

fullerene 2.  

cence spectr

ong quenchi

in  Figures  1

equimolar am

bsorption spe

ence spectra

M). Spe

erization 

m of  fulleren

ducts, with a

milar  to  the

oscopy of th

ng of the flu

1b  and  2b. 

mount of ful

ectra of FITC

a of FITC, FIT

ectra were re

Scheme 

ne 2, as Figu

a maximum

e  ones  of  F

he final fluor

orescence w

On  the  othe

lerene 2 did

C, fullerene 2

TC + fullerene

ecorded upo

Co

ures 1a and 

at 433 nm.7

ITC  and  dox

ophore‐bear

with respect t

er  hand,  the

 not cause s

 and fulleren

e 2 and fuller

on excitation

njugation of

2a  show, p

Fullerene d

xorubicin,  re

ring fullerene

to the fluoro

e  presence 

strong decre

ne 3 (2∙10‐5 M

rene 3 (10‐6 M

n at 488 nm. 

f doxorubicin

presented  th

derivatives 3,

espectively, 

e 3, 5 and 6 

ophores alon

in  the  fluor

eases  in the 

M in DMSO/T

M in DMSO/

n to CNSs 

101 

 

e  typical 

, 5 and 6 

plus  the 

revealed 

ne, as can 

ophores’ 

emission 

 

TEA 0.1 

/TEA 0.1 

Page 114: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

Chapter

102  

Figure 2

DMS

f

the  case

shorter. 

T

the  fluo

Transien

data are

concern

4.2 CNT

and  we

cycloadd

(120°C) 

normally

treatme

function

with res

rates  a

function

 4 

2. a) Absorpt

SO); b) fluore

fullerene 6 (5

Quite  intere

e of  the  first

 

The reason 

orescent  mo

nt spectrosco

e not sufficie

However,  co

 was related

T derivative

Once prepar

e  choose  p

dition on the

of  a DMF  d

y working fo

ent  in  hydro

nalization occ

pect to the o

Microwave 

and  improve

nalization wa

tion spectra 

escence spec

5∙10‐6 M in D

estingly, com

t  compound

for the quen

olecule,  once

opy would h

nt to fully el

onsidering  t

d to the decre

es: preparat

red the fulle

pristine  MW

ese CNTs was

dispersion  of

or oxidized C

ochloric  acid,

curred, prob

oxidized tube

(MW)‐assist

ed  product

as  recently  r

of doxorubic

ctra of doxor

DMSO). Spect

mparing fuller

d, where  the

nching of th

e  excited,  a

help  in bette

ucidate it. 

he  intended

ease in the f

tion and ch

erene derivat

WCNTs.  How

s unsuccessf

f  CNTs,  alde

NTs (see Cha

,  a  very  low

bably due to 

es. 

ted  organic 

  yields.  M

reported by 

cin, fullerene

rubicin, doxo

tra were rec

rene 5 and f

e  chain betw

e  fluorescen

and  the  fulle

er understan

d  biological 

fluorescent s

aracterizat

tives, we mo

wever,  the 

ful. We perfo

ehyde  and  α

apters 3.1.1 

w  kaiser  tes

 the lower d

synthesis  is

Moreover,  th

our  group.9

e 2, fullerene

orubicin + fu

orded upon 

fullerene 6, t

ween  the  flu

nce could  lie

erene,  as  al

nding the me

application 

ignal during 

ion 

oved to CNT

first  attem

ormed the re

α‐aminoacid,

and 3.2.1). 

t  (15  µmol/

dispersibility 

s  known  to 

he  use  of 

9  It  seems  th

e 5 and fuller

llerene 2, ful

excitation at

the quenchi

orophore an

  in energy t

ready  obser

echanism, sin

of  the  const

in vitro expe

s, using the 

pt  to  perf

eaction by th

i.e.  in  the 

However, we

/g), meaning

in DMF of p

provide  en

MW  irrad

hat CNTs,  in

rene 6 (10‐4 M

llerene 5 and

t 482 nm. 

ng was high

nd  fullerene

transfer betw

rved  by  oth

nce   the pre

structs,  the 

eriments. 

same chem

form  1,3‐dip

hermal treatm

same  condit

e obtained, 

g  that  very 

pristine MWC

hanced  reac

diation  for 

n  the  absenc

 

M in 

er  in 

 was 

ween 

hers.8 

esent 

main 

istry, 

polar 

ment 

tions 

after 

little 

CNTs 

ction 

CNT 

ce of 

Page 115: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

 

 

solv

prop

met

cond

in C

micr

cond

solv

a

b

c

d

e

f

g

h

tem

solv

prob

lowe

para

that

this 

unst

tem

ent, are  stro

posed also th

tal in the mic

Therefo

ditions. In al

H2Cl2, and s

rowave  reac

ditions  teste

ent, temper

  a.a. 

a  3 

b  3 

c  3 

d  3 

e  3 

f  7 

g  7 

h  7 

Table 2

As can c

perature  (co

ent  with  re

bably becaus

er  local  he

aformaldehy

t could be ex

Importa

behaviour w

table,  and 

peratures eq

ongly heated

hat the heat

crowave field

re we decide

l cases the r

ubsequently

ctor  where 

ed,  in  terms

ature and re

aldehy

p‐HCH

p‐HCH

p‐HCH

p‐HCH

p‐HCH

p‐HCH

2. Different 

Figure 3.

clearly be se

onditions a, 

spect  to  ne

se MW irrad

eating  of  t

yde  (conditio

xplained cons

ntly, a big im

was not unex

could  the

qual to or ab

d by microw

ing of the sa

d.11 

ed to perfor

reactants we

y  the solvent

the  reaction

s  of  aminoa

eaction time.

yde  solve

HO  ‐

HO  ‐

HO  DM

HO  ‐

HO  ‐

HO  ‐

MW experim

azomethine

. Structures o

een by comp

c and e)  res

eat  condition

iation was a

the  sample

ons b vs. a, a

sidering ster

mprovement

xpected. In fa

erefore  und

bove 140°C, e

wave  irradiat

ample is the 

rm cycloaddi

ere mixed in 

t was evapo

n mixture  w

acid  (a.a.)  an

 

ent  T (°C

120

120

140

F 140

160

160

160

160

mental condi

e ylides on pr

of aminoacid

parison of  th

sulted  in  inc

ns  (conditio

bsorbed by 

.  Moreover

and conditio

ric hindrance

t was obtain

act, the Boc 

dergo  depro

especially co

Co

tion due  to 

result of ma

ition under M

a quartz mic

orated. The  t

was  irradiate

nd  aldehyde

C)  Time 

0  1

0 1

0 1

0 1

0 1

0 1

0 2

0 1

tions tested 

ristine MWC

ds 3 and 7, a

he  results ob

creased yield

ns  d  vs.  c) 

solvent, and

r,  the  use 

ons h vs.  f) d

e effect. 

ed when usi

protecting g

otection  du

onsidering th

njugation of

resonance p

agnetic reson

MW  irradiat

crowave tub

tube was  the

ed.  Table  2 

e  used,  pres

(h) k

depr

for 1,3‐dipo

NTs. 

 

nd aldehyde

btained  (Tab

ds, as expect

led  to  a  de

 not by CNT

of  differe

did not  impr

ing aminoaci

group of ami

uring  reacti

e formation 

f doxorubicin

phenomena.

nance of the

ion, testing 

be by little so

en placed w

shows  the 

sence  or  ab

kaiser test aftrotection (µm

35 

20 

50 

15 

70 

100 

100 

90 

olar cycloadd

es y and z. 

ble 2), an  inc

ted. The pre

ecrease  in  t

Ts, with a con

ent  aldehyd

rove  the  res

id 7 instead 

noacid 3 is t

ions  perfor

 of “hot spot

n to CNSs 

103 

10  It was 

e residual 

different 

onication 

within  the 

different 

sence  of 

ter mol/g) 

ition of 

crease of 

esence of 

he  yield, 

nsequent 

es  than 

ults,  fact 

of 3 and 

hermally 

rmed  at 

ts” in the 

Page 116: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

Chapter

104  

neat  rea

aminoac

it  is  pro

deprote

part of t

consequ

Figure 4

thermal

improve

conditio

a  treatm

confirme

fulleropy

 4 

action  mixtu

cid 3 (Figure 

obably  due 

ction for rea

the primary 

uent lower ef

4. TGA (air) o

On  the  othe

ly  stable  ph

ement was  o

ons f were se

ment  with 

ed  the prese

yrrolidine 1. 

Figure

ure  during  C

4), the therm

to  loss  of 

actions c and

amine could

fficiency in t

of aminoacid

er  hand,  usi

hthalimide,  t

observed  pr

elected to pre

hydrazine,  a

ence of  the 

e 5. TGA‐MS

CNT  microw

mal decomp

Boc  and  de

d e, indeed, w

d become av

he formation

3. In the ins

i

ing  aminoac

this  problem

rolonging  rea

epare MWCN

afforded  M

desired  cha

 analyses (He

wave  irradiat

osition of th

ecarboxylatio

was positive

vailable  to t

n of the azom

set the enlarg

is shown. 

cid  7, whose

m was  avoid

action  time 

NT‐7, which 

WCNT‐8  (Sc

ain on  the C

e) of fulleren

tion.  As  can

e molecule s

on.  Kaiser  t

e, confirming

the aldehyde

methine ylid

gement of te

e  terminal  a

ed.  Therefo

to  2  h  (con

after deprot

cheme  8).  T

CNTs, by  com

ne 1 (a) and 

n  be  seen  b

starts early a

test  perform

g this hypoth

e during the 

e. 

 

emperature r

amine  is  pro

re,  consider

nditions  g  v

tection of the

TGA‐MS  ana

mparison wit

MWCNT‐7 (b

by  TGA  in  a

above 140°C,

med  before 

hesis. In this 

 reaction, w

range 100‐2

otected with

ring  also  tha

vs.  f  in  Tabl

e phthalimid

alysis  (Figur

th  the profi

b). 

ir  of 

, and 

Boc‐

way, 

with a 

00°C 

h  the 

at  no 

e  1), 

de by 

re  5) 

le of 

 

Page 117: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

 

 

appe

inte

exce

MW

TGA

prep

obta

To 

func

coup

anhy

reac

raisi

amin

gave

In  fact, 

ended mole

nsity in the 

eptions were

WCNT‐7. The 

A‐MS analyse

The  foll

pared by rea

ained by ami

monitor  the

ctionalization

pling (amine

ydride could

ction yield (in

ing  tempera

nes were pro

e positive res

the  same 

ecules  during

case of CNTs

e given by th

peaks ascrib

es of fulleren

lowing  step

action of MW

idic coupling

e  formation

n  of  55  µm

e loading was

d possible cro

ncreasing mo

tures up  to 

obably hinde

sponse at Ka

pattern  of 

g  the  therm

s, consistent

he protecting

bable to the p

e 2 and MW

s  were  per

WCNT‐8 with

g with doxoru

n  of  MWCN

mol/g.  Some

s 100 µmol/g

oss react dur

olar equivale

50°C) did no

ered to react

aiser test, be

peaks,  give

ogravimetric

tly with thei

g groups, be

protecting gr

WCNT‐8, resp

rformed  as 

h succinic an

ubicin and G

NT‐9  we  us

  concern  m

g) , since the

ring the follo

ents of succi

ot succeed. 

t in that con

ing it perfor

Scheme 

Co

n  by  fragm

c  experimen

r lower degr

eing Boc for 

roups were e

ectively (dat

for  fulleren

nhydride, an

FLG‐doxorub

sed  kaiser  t

may  arise  fr

e free amine

owing step. H

nic anhydrid

Therefore  it

nditions, due

med at 120°

njugation of

entation  an

t,  appeared

ree of functio

fullerene 1, 

extrapolated

a not shown

ne  derivative

d then MWC

bicin 10, resp

test,  which 

om  the  inc

s that did no

However, the

de, prolongin

 was conclu

 to aggregat

C. 

f doxorubicin

nd  ionization

d,  even  if wi

onalization. 

and phthali

d by compari

n). 

es:  MWCNT

CNT‐10 and 

pectively (Sc

gave  a  de

ompletenes

ot react with

e attempt to 

ng reaction t

uded  that pa

tion phenom

n to CNSs 

105 

n  of  the 

th  lower 

The only 

mide for 

ison with 

T‐9  were 

11 were 

heme 8). 

egree  of 

s  of  the 

h succinic 

improve 

ime, and 

rt of  the 

mena, but 

 

Page 118: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

Chapter

106  

T

Figure 6

10  and 

doxorub

doxorub

be expla

kaiser te

derivativ

directly 

describe

mixture 

toward s

(see Cha

MWCNT

 4 

The  loading 

6a. The differ

2.4%  for M

bicin  for  the

bicin  in MWC

ained  consid

est and TGA, 

In  addition 

ves, perform

with  the am

ed  in Chapte

of aqueous 

However,  si

smaller valu

apter 3.2.1), 

T with an ave

of doxorub

rence in the 

MWCNT‐11,  a

e  two  conju

CNT‐10 and 

dering  that  t

 which are n

Figur

to  these  co

ming an oxida

mine of doxo

er 3.2.1 was 

sulphuric an

nce  the  len

es (average 

we perform

erage length 

icin and GFL

weight loss 

and  these  v

ugates,  respe

the amount 

the  two  valu

ot always in 

re 6. TGA (N2

njugates we

ation step to

orubicin and

used, name

nd nitric acids

S

gth  distribut

length: 311 

ed a shorter 

of 215 ± 148

LG‐doxorubi

with respec

values  corres

ectively.  The

of carboxyl

ues were  ga

 perfect agre

2) of MWCNT

e  prepared  a

o  introduce c

 GFLG‐doxo

ely  sonicatin

s. 

Scheme 9 

tion  of  this 

nm ± 236 nm

r treatment, 

8 nm (Schem

cin was eva

t to MWCNT

spond  to  75

e  discrepanc

ic groups ca

thered  from

eement. 

Ts derivative

also  other  d

carboxyl gro

rubicin 10. T

ng  the nanot

batch  of  pr

m) with resp

i.e. 10 h long

me 9 and Figu

luated by TG

T‐9 was of 4.

5  µmol/g  an

cy  between 

lculated for 

m different m

s.  

doxorubicin‐b

oups and the

The same ox

tubes  in a  so

ristine MWC

ect to the ba

g (instead of 

ure 7). 

GA, as  show

.1% for MW

nd  45  µmol/

  the  amoun

MWCNT‐9 c

methods, na

bearing MW

en coupling t

xidation prot

onic bath w

 

CNTs was  sh

atch used be

f 24 h), yieldi

wn  in 

CNT‐

/g  of 

nt  of 

could 

mely 

 

WCNT 

them 

tocol 

with a 

ifted 

efore 

ng s‐

Page 119: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

 

 

Fi

leng

 

sam

case

incre

foun

doxo

nano

igure 7. a) Re

gth distributi

Afterwa

me protocol u

e,  TGA  was 

ease with re

nd  to  be  3.0

orubicin was

TEM  an

otubes, with

epresentativ

ons of pristin

rds, an amid

used  for  full

used  to  as

espect to s‐M

0%,  correspo

s 2.2%, i.e. 40

nalyses  conf

h a preserved

ve TEM imag

ne MWCNTs

indicate t

dic coupling w

erene 4 and

sess  the  de

MWCNT (Figu

onding  to  55

0 µmol/g. 

firmed  the 

d morpholog

ges of pristine

s (count = 12

the average 

was perform

d MWCNT‐9,

egree  of  fun

ure 6b). For s

5  µmol/g, w

Scheme 1

quality  of 

gical structur

Co

e MWCNTs (

9) and s‐MW

length value

med, as descr

 affording s‐

nctionalizatio

s‐MWCNT‐12

while  for  s‐M

10 

the  four  fi

e (Figure 8).

njugation of

left) and s‐M

WCNT (count 

es. 

ibed in Sche

‐MWCNT‐12

on,  consider

2 the loading

MWCNT‐13  t

nal  conjuga

f doxorubicin

MWCNTs (rig

t = 146). Vert

eme 10, follo

2 and 13. Als

ring  the  we

g of doxorub

the  loading  o

 

ates,  showin

n to CNSs 

107 

 

ght); b) 

tical lines 

owing the 

so  in  this 

ight  loss 

bicin was 

of GFLG‐

ng  clean 

Page 120: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

Chapter

108  

Figure 8

T

the fulle

the pres

fluoresc

function

Figure

DMSO, 

to doxo

upon ex

 4 

8. Represent

The  fluoresc

erene deriva

sence itself o

ence  with 

nalization. 

e 9. Fluoresce

relative to d

orubicin), co

xcitation at 4

tative TEM im

cence of DM

tives, a stro

of CNTs in th

respect  to

ence spectra

doxorubicin) 

mpared to t

482 nm. Note

mages of MW

MSO dispersio

ng quenchin

he dispersion

o  fullerene 

a of DMSO di

and of s‐MW

he one of do

e that CNT sa

intensity r

WCNT‐10 (a)

(d). 

ons of  the  f

ng of emissio

n gave a grea

derivatives

ispersions of

WCNT‐12 and

oxorubicin (1

amples inten

refers to righ

 and 11 (b), 

four  final con

on was obser

ater contribu

s,  because 

f MWCNT‐10

d s‐MWCNT‐

10‐5 M in DM

nsity refers to

ht axes. 

 

and s‐MWCN

njugates wa

rved. Moreo

ution in redu

of  the  lo

 

0 and MWCN

13 (10‐6 M in

SO). Spectra

o left axes, w

NT‐12 (c) and

s studied. A

over, in this c

ucing doxoru

ower  degree

NT‐11 (10‐5 M

n DMSO, rela

a were record

while doxoru

d 13 

As  for 

case, 

bicin 

e  of 

M in 

ative 

ded 

bicin 

Page 121: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

 

 

CNT

cons

fluo

the 

oxid

colo

 

stud

drug

rele

well

4.3 

hum

fulle

7) an

efflu

inte

Fig

fulle

conc

(Figu

In fact d

Ts, would be 

structs are a

Therefo

rescence of 

dispersions 

dized,  their  d

our, and CNT

In  conc

dying doxoru

g was  attach

ase  inside c

l. 

Preliminary

First of 

man breast  c

erene conjug

nd one resist

ux  pump  ab

rnalized, thu

ure 10. Cell v

erene 2 at va

The  res

centrations 

ure 10). 

oxorubicin lo

658 µmol/g 

bout ten tim

re  CNT  cont

these conju

were diluted

dispersibility

s were proba

lusion,  diffe

ubicin deliver

hed  either  d

ells. Further

y biological

all, we want

carcinoma  ce

gates 5 and 6

tant to the d

ble  to  recog

us preventing

viability (ass

arious conce

sults  showe

up to 25 µM

oading of ful

for fullerene

mes less funct

tent  in  the 

ugates.  It sho

d ten times, 

y  in  DMSO w

ably complet

erent  carbon

ry. Both fulle

directly  or  in

rmore,  fuller

l results wit

ted to assess

ells,  i.e.  the 

6. The cell lin

drug (MCF‐7/

gnize  the  dr

g it from exe

essed by MT

ntrations for

sextu

d  a  lack  o

M, thus confi

llerene deriv

e 5 and 528 µ

tionalized th

dispersion 

ould also be

in order to 

was  higher, 

tely absorbin

n  nanostruct

erene and C

ntroducing  a

rene was  fun

th fullerene

s the  lack of

model  to  s

nes studied w

/ADR), due t

rug  and  tran

erting its cyto

TT assay) of M

r different tim

uplicate exp

of  cytotoxici

irming the fe

Co

vatives, if exp

µmol/g for fu

han the corre

is most  like

e pointed ou

detect an e

resulting  in

ng doxorubic

tures‐based 

NTs, pristine

a  cleavable 

nctionalized 

e derivative

f cytotoxicity

tudy  the  an

were two, on

o overexpre

nsport  it  ou

otoxic action

MCF7 and M

me (data are

eriment). 

ity  in  both 

easibility of 

njugation of

pressed in th

ullerene 6, m

esponding fu

ly  responsib

t  that,  for s‐

mission sign

n  dispersions

cin emission.

conjugates 

e or oxidized

peptidic  seq

with a non‐

es 

y of the fulle

ticancer  act

ne sensitive t

ssion of P‐gly

ut  of  the  ce

CF7/ADR ce

e shown as m

cell  lines 

using fullere

f doxorubicin

he same unit

meaning that

ullerene deriv

ble  for  the  v

‐MWCNT‐12

nal. Being the

s with  deep

were  prep

d, were used

quence  to  tr

‐toxic  fluoro

erene carrie

tivity of dox

to doxorubic

ycoprotein (

ell  once  it  h

lls after expo

mean values 

for  fulleren

ene as a dru

n to CNSs 

109 

 used for 

t the CNT 

vatives. 

very  low 

2 and 13, 

ese CNTs 

per  black 

pared  for 

d and the 

rigger  its 

phore as 

r toward 

orubicin‐

cin (MCF‐

P‐gp), an 

has  been 

 

osure to 

± SD of a 

ne  2,  at 

ug carrier 

Page 122: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

Chapter

110  

dihexylo

cell heal

penetrat

the met

respect 

the two 

cells, ap

treatme

substant

the  com

shown).

Figure 

(25 µM,

7/ADR  c

exploite

the free 

MCF‐7/A

h,  at  a 

intensity

(TB), wh

cells, thu

non‐inte

the  fluo

behavio

 4 

Another  im

oxacarbocyan

lth status. In

te cell mem

tabolic  activ

to a healthy

probes, a ce

poptotic cells

ent  with  ful

tial changes 

mpound  did 

 

11. Cell popu

, 48 h) (b). L1

Once  assess

cells,  the  fo

d  the  fluore

 fluorophore

ADR cells wa

concentratio

y (yellow line

hich  is a dye 

us quenchin

ernalized  co

orescence  int

ur means  th

mportant  inf

nine iodide (

 fact PI is a D

branes of dy

vity  of mitoc

y cell corresp

ellular popula

s and viable 

lerene  2  w

occurred, w

not  alter  ce

ulation distri

1: dead cells 

cells (P

sed  the  lack

llowing  step

escence of  fu

e due to que

as studied by

on  of  25  µM

es in Figure 1

used to que

g only fluore

mponent  du

tensity decre

hat probably

formation  w

(DiOC6) test

DNA intercal

ying or dead 

chondria.  A 

ponds to an a

ation could b

cells  (Figure

with  the  unt

with the majo

ell  viability.

ibution for M

(PI+/DiOC6‐

PI‐/DiOC6‐); L

of  toxicity 

p was  studyi

ullerene der

nching phen

y flow cytoflu

M  and  then 

12). This valu

ench extrace

escence give

uring  cytoflu

eases  to  the

y  fullerene 3

was  obtain

. These two 

ating probe,

cells. On the

decrease  in

apoptotic ph

be divided in

e 11). By com

treated  one

ority of the c

MCF‐7/ADR

MCF‐7 cells u

‐); L2: late ap

L4: viable cel

of  the  carri

ing  the  inte

ivative 3, ev

nomena, as a

uorimetry. Ce

analysed,  s

ue did not de

ellular fluore

en by extrace

uorimetric  an

e values of  t

3, 1 h after 

ed  by  a  p

fluorescent 

, which is exc

e other hand

n  the  level 

ase. Combin

nto four grou

mparison of

,  it  is  poss

cells in the “

R  cells  gave 

untreated (a)

poptotic cells

lls (PI‐/DiOC6

er  fullerene

rnalization  o

ven  though  i

already ment

ells were inc

howing  an  i

ecrease after

escence. In fa

ellular dyes, 

nalysis. Neve

he control  (g

treatment, w

propidium 

dyes are use

cluded by via

d, DiOC6 give

of  DiOC6  flu

ning the infor

ups: dead cel

MCF‐7 cell 

sible  to  app

“viable” zone

the  same  r

 

, or treated w

s (PI+/DiOC6

6+).  

2  toward M

of  the  syste

it was  lower

tioned. Upta

ubated with

ncrease  in  t

r treatment w

act, TB  is no

and it is use

ertheless, w

grey  lines  in

was  interact

iodide  (PI)/

ed to invest

able cells but

es indication

uorescence 

rmation give

lls, late apop

population 

preciate  tha

e, indicating

results  (data

with fulleren

6+); L3: apopt

MCF‐7  and M

m.  To  do  so

r with  respe

ke by MCF‐7

h fullerene 3 

the  fluoresc

with Trypan 

ot  internalize

ed to exclude

washing  the 

n Figure 12).

ting with  ce

/3,3′‐

igate 

t can 

ns on 

with 

en by 

ptotic 

after 

t  no 

that 

a  not 

ne 2 

totic 

MCF‐

o we 

ct  to 

7 and 

for 1 

ence 

Blue 

ed by 

e the 

cells, 

This 

llular 

Page 123: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

 

 

mem

inte

cy

 

fulle

fulle

trea

requ

Figu

 

14 f

the 

mbrane  to  s

rnalized and

Figure 12. 

ytofluorimetr

before (yel

We  ther

erene  deriva

erene 3, reac

tments,  cell

uirement of t

ure 13. Upta

Moreove

for the 48 h 

25 μM treat

such  an  ext

d therefore it

Count of fluo

ry analysis of

low line) and

refore  prolo

ative.  As  ex

ching soon a

ls were  alwa

the experim

ake of fullere

er, we obser

treatment, w

ment with re

tent  that  it

t was then w

orescent cell

f MCF‐7 and 

d after (grey 

onged  expos

pected,  for 

 plateaux (F

ays washed 

ental proced

ene 3 (25 μM

(with addit

rved a conce

with values o

espect to the

t  was  hinde

washed off. 

ls (one repre

 MCF‐7/ADR

 line) washin

sure  time,  to

12  h  or  lo

igure 13). It 

before  the 

dure.  

M) by MCF‐7 c

ion of Trypa

entration‐de

of mean fluo

e 10 μM one

Co

ered  from  T

esentative ex

R cells treated

ng. Black line

o  let  cells  t

nger  treatm

should be p

flow  cytofl

cells, plotted

n Blue) vs. ti

ependence o

orescence in

e. 

njugation of

TB  action,  b

xperiment is 

d with fullere

e represents 

he  time  to 

ments,  cells 

ointed out t

uorimetry  a

 

d as mean flu

me. 

f the uptake

tensity (MFI

f doxorubicin

but  it  was 

 

shown) by f

ene 3 (25 μM

untreated ce

fully  intern

actually  inte

that, for thes

analysis,  bein

uorescence i

e, as shown 

) almost dou

n to CNSs 

111 

not  fully 

low 

M, 1 h), 

ells. 

alize  the 

ernalized 

se longer 

ng  this  a 

ntensity 

in Figure 

ubled for 

Page 124: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

Chapter

112  

Figure 1

(10 or 2

unt

fluoresc

 

assess th

Also  the

peptidic

conjugat

4.4 Ack

Laborato

the Boc‐

Antonia 

de Casti

 4 

14. Flow cyto

25 μM, 48 h)

reated cells 

ence intensi

Tryp

According to

he kinetics o

Furthermore

e CNT  series

c sequence w

tes prepared

knowledgm

I wish to tha

oire d’Immu

‐protected a

I would also

Herrero (De

lla‐La Manch

ofluorimetry 

. Upper pane

(one represe

ty (MFI) with

pan Blue (me

o these preli

of the interna

e,  the cytoto

s of  compou

will be asses

d. 

ents 

ank   Dr. Albe

nologie et C

nd Alloc‐pro

 like to than

epartamento

ha in Ciudad 

analyses of

els show the

entative exp

h (striped his

ean MFI ± SD

minary data

alization. 

oxicity of do

nds will be 

sed, to verif

erto Bianco 

himie Thérap

otected GFLG

k Dr. Luigi F

o de Química

Real, Spain) 

MCF‐7 and M

e count of flu

eriment is sh

stograms) or

D of a duplica

 

a, uptake in t

oxorubicin‐be

evaluated.  I

fy the  impor

(CNRS, Instit

peutiques in

G tetrapeptid

eruglio for t

a Orgánica, 

 for the MAL

MCF‐7/ADR c

uorescent cel

hown). Lowe

r without (fu

ate experime

the time fram

earing  fullere

n particular

rtance of dru

tut de Biolog

n Strasbourg,

des. 

he 500 MHz

Facultad de 

LDI‐TOF‐MS a

cells treated 

lls, with blac

er panels sho

ll histograms

ent is shown)

me 1‐12 h w

ene 5 and 6

,  the effect 

ug release fr

gie Molécula

, France) for 

 NMR analys

Químicas‐IR

analyses. 

 

 with fullere

ck line relativ

ow the mean

s) the additio

). 

will be studie

6 will be stud

of  the  cleav

rom the cova

aire et Cellu

the synthes

ses, and Pro

RICA, Univers

ne 3 

ve to 

on of 

d, to 

died. 

vable 

alent 

laire, 

es of 

f. M. 

sidad 

Page 125: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

  Conjugation of doxorubicin to CNSs 

113  

For the biological studies, I wish to thank Marianna Lucafò, Dr. Sabrina Pacor, Dr. Sonia 

Zorzet and Prof. Gianni Sava (Dipartimento di Scienze della vita, Università di Trieste). 

4.5 References 

1.  a) H. Ali‐Boucetta, K. T. Al‐Jamal, D. McCarthy, M. Prato, A. Bianco, and K. Kostarelos, 

Chem. Commun., 2008, 459‐461; b) Liu, X. Sun, N. Nakayama‐Ratchford, and H. Dai, ACS 

Nano, 2007, 1, 50‐56; c) Z. Liu, A. C. Fan, K. Rakhra, S. Sherlock, A. Goodwin, X. Chen, Q. 

Yang, D. W. Felsher, and H. Dai, Angew. Chem. Int. Ed., 2009, 48, 7668‐7672; d) Z. Liu, W. 

Cai, L. He, N. Nakayama, K. Chen, X. Sun, X. Chen, and H. Dai, Nat. Nanotechnol., 2007, 2, 

47‐52; e) X. Zhang, L. Meng, Q. Lu, Z. Fei, and P. J. Dyson, Biomaterials, 2009, 30, 6041‐

6047; f) E. Heister, V. Neves, C. Tîlmaciu, K. Lipert, V. S. Beltran, H. M. Coley, S. R. P. Silva, 

and J. McFadden, Carbon, 2009, 47, 2152‐2160; g) P. Chaudhuri, S. Soni, and S. Sengupta, 

Nanotechnology, 2010, 21, 025102 (11pp); h) R. Li, R. Wu, L. Zhao, M. Wu, L. Yang, and 

H. Zou, ACS Nano, 2010, 4, 1399‐1408. 

2.  M. Binaschi, R. Farinosi, M. E. Borgnetto, and G. Capranico, Cancer Res., 2000, 60, 3770‐

3776. 

3.  S. R. Wedge, R. Duncan, and P. Kopeckova, Br. J. Cancer, 1991, 63, 546‐549. 

4.  E. Kaiser, J. P. Tam, T. M. Kubiak, and R. B. Merrifield, Tetrahedron Lett., 1988, 29, 303‐

306. 

5.  H. Kunz and C. Unverzagt, Angew. Chem. Int. Ed., 1984, 23, 436‐437. 

6.  H. Kunz and J. März, Angew. Chem. Int. Ed., 1988, 27, 1375‐1377. 

7.  K. Kordatos, T. Da Ros, M. Prato, R. V. Bensasson, and S. Leach, Chem. Phys., 2003, 293, 

263‐280. 

8.  a) S. A. Vail, P.  J. Krawczuk, D. M. Guldi, A. Palkar,  L. Echegoyen,  J. P. C. Tomé, M. A. 

Fazio, and D. I. Schuster, Chem. Eur. J., 2005, 11, 3375‐3388; b) D. M. Guldi, M. Maggini, 

G. Scorrano, and M. Prato, J. Am. Chem. Soc., 1997, 119, 974‐980. 

9.  F. G. Brunetti, M. A. Herrero, J. D. M. Munoz, S. Giordani, A. Diaz‐Ortiz, S. Filippone, G. 

Ruaro, M. Meneghetti, M. Prato, and E. Vazquez, J. Am. Chem. Soc., 2007, 129, 14580‐

14581. 

10.  Z. Ye, W. Deering, A. Krokhin, and J. Roberts, Phys. Rev. B, 2006, 74, 075425 (1‐5). 

11.  A. Wadhawan, D. Garrett, and J. M. Perez, Appl. Phys. Lett., 2003, 83, 2683‐2685. 

Page 126: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

114  

 

Page 127: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

115  

Experimental part 

5.1 Materials and Methods 

Chemicals were purchased from Sigma‐Aldrich or Acros Organics and used as received, 

when  not  differently  specified.  Solvents were  purchased  from  Sigma‐Aldrich,  and  deuterated 

solvents from Cambridge Isotope Laboratories. 

Single‐Walled  carbon  nanotubes  (HiPCO),  were  purchased  from  Carbon 

Nanotechnologies (lot #R0510C). 

Double‐walled  carbon  nanotubes  (CCVD),  were  provided  both  as  pristine  and  as 

shortened and oxidized by Nanocyl. 

Multi‐walled  carbon  nanotubes  (CCVD),  were  purchased  from  Nanostructured  & 

Amorphous Materials  (stock# 1240XH and 1237YJS). 

Antibody hCTM01 IgG, Fab’ and scFv were obtained from UCB. 

Column  chromatography was  carried out with Merck  silica  gel 60  (particle  size 40‐63 

µm). 

Preparative thin  layer chromatography was carried out with Analtech pre‐coated glass 

plates with 1.5 mm thick silica gel. 

Thin layer chromatography  was carried out on Merck pre‐coated aluminium plates with 

silica gel 60 F254. 

When anhydrous  reaction conditions were  required,  reaction  flasks were dried with a 

heating gun (300‐500 °C), placed under high vacuum using a Schlenk line and purged with Ar. To 

keep the atmosphere dry and inert balloons filled with Ar where used. 

CNTs  washing  procedure  by  filtration  consisted  in  dispersing  the  nanotubes  in  the 

specified  solvent  (at a  concentration of about 1mg/mL),  followed by  sonication  for 15‐20 min 

and  vacuum  filtration on polytetrafluoroethylene  (PTFE) Millipore  filters of  the  specified pore 

size.  The  procedure was  normally  repeated  twice  or  three  times  for  each  solvent.  Et2O was 

subsequently poured on the filtered CNTs, and vacuum was applied for 30 min after emptying 

the filtration flask. Finally, CNTs were scratched from the filter and dries under high vacuum. 

Kaiser test was performed using Fluka Kaiser test kit. In a typical test, 0.3‐0.5 mg of CNTs 

were weighted. 75 µL of the kit solution of phenol (80% in EtOH) and 100 µL of the kit solution of 

Page 128: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

Chapter 5 

116  

KCN  (in H2O/pyridine) were added and  the dispersion was  sonicated  for 2 minutes  in a  sonic 

bath. Subsequently, 75 µL of the kit solution of ninhydrin (6%  in ethanol) were added, and the 

mixture was heated at 120  °C  for 10 minutes. Then,  it was cooled and diluted with EtOH/H2O 

(60%) to a final volume of 3mL. After centrifugation, the absorption spectrum of the supernatant 

was measured, using as a blank a solution obtained in the same way as above but without CNTs. 

The value of the absorption maximum at 570 nm was used to calculate amine loading in the CNT 

sample  (Ɛ  =  15000  M‐1cm‐1).  Reported  values  are  average  of  at  least  two  separate 

measurements. 

Dialysis  of  Ab  or  Ab‐CNTs  samples  was  carried  out  with  Spectrum  Laboratories 

membranes  (regenerated  cellulose membrane with  a 12‐14 KDa molecular weight  cutoff  and 

cellulose ester membranes with a 300 KDa molecular weight cutoff). 

Size‐exclusion  chromatography of  Fab’  and  scFv  samples was performed using PD‐10 

Desalting Columns pre‐packed with Sephadex G‐25 Medium, equipped with a  LabMate PD‐10 

Buffer Reservoir (GE Healthcare). 

Gel  electrophoresis  was  performed  with  a  mini‐vertical  electrophoresis  system 

(Invitrogen XCell  SureLock), using  a Novex®8‐16% Tris‐Glycine  gel  (Invitrogen)    and  run under 

either  non‐reducing  or  reducing  conditions  (by  addition  of  5%  β‐mercaptoethanol).  The  gels 

were stained with Coomassie blue. 

Ellman’s assay was performed as  follows: a stock 0.01 M solution of 5,5'‐Dithio‐bis‐(2‐

nitrobenzoic  acid)  (DTNB)  in  PBS‐EDTA‐NaHCO3  (pH  7.8) was  prepared;  10  µL  of DTNB  stock 

solution were  diluted with  500 µL  of  buffer,  and  50 µL  of  analyte  solution was  added. After 

incubation at r.t. for 15 min, the absorption spectrum of the solution was measured, using as a 

blank  a  solution  obtained  in  the  same way,  adding  50  µL  of  buffer  in  place  of  the  analyte 

solution. The value of the absorption maximum at 412 nm was used to quantify free sulfhydryl 

groups in the analyte solution (Ɛ = 14150 M‐1cm‐1). 

5.2 Instrumentation 

Ball milling treatments were carried out in a PM100 Planetary Mill (Retsch). 

Microwave‐assisted reactions were carried out in a CEM Discover reactor. 

Nuclear magnetic  resonance  (NMR) 200 MHz 1H‐NMR and 50 MHz 13C‐NMR  spectra 

were obtained on a Varian Gemini 200 spectrometer. 500 MHz 1H‐NMR spectra were obtained 

on a Varian  Inova. Chemical shifts are  reported  in ppm using  the solvent  residual signal as an 

internal reference (CDCl3: δ H = 7.26 ppm, CD3OD: δ H = 3.31 ppm, DMSO‐d6: δ H = 2.50 ppm). 

Page 129: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

  Experimental part 

117  

The  resonance multiplicity  is  described  as  s  (singlet),  d  (doublet),  t  (triplet),  q  (quartet),  dd 

(doublet of doublets), ddd (doublet of doublets of doublets) m (multiplet), br (broad signal). 

Mass  spectrometry:  Electrospray  Ionization  (ESI) mass  analysis  was  performed  on  a 

Perkin‐Elmer API1. Matrix‐assisted laser desorption‐time of flight (MALDI‐TOF) mass analysis was 

performed  on  a  Bruker  Daltonics  instrument,  using  a  matrix  of  1,8‐dihydroxy‐9(10H)‐

anthracenone  (dithranol)/silver  trifluoroacetate.  Mass  isotopic  distribution  simulation  were 

performed with IsoPro 3.1 software. 

UV–vis–NIR spectra were recorded on a Cary 5000 Spectrophotometer (Varian), using 1 

cm path quartz or optical glass cuvettes. 

Fluorescence spectra were recorded on a Cary Eclipse Fluorescence Spectrophotometer 

(Agilent Technologies), using 1 cm path quartz cuvettes. 

Thermogravimetric analyses were performed using a TGA Q500 (TA  Instruments), with 

the following procedure: isotherm at 100°C for 20 min (to remove residual solvent), ramp from 

100  to  1000°C  at  10°C/min,  under  N2  or  air with  a  flow  rate  on  the  sample  of  60 mL/min. 

Reported graphs are average of at  least two separate measurements. Ab‐CNT samples (in PBS) 

were extensively washed with milliQ water by  several cycles of centrifugation and  removal of 

the  supernatant,  followed  by  a  dialysis  (12‐14  kDa  cutoff  membrane),  and  subsequently 

lyophilized, prior to TGA analysis, in order to remove the salts present in the buffer. 

TGA‐MS  experiments  were  performed  on  the  same  TGA  instrument  coupled  with  a 

ThermoStar Mass  Spectrometer  (Pfeiffer  Vacuum) with  the  following  procedure:  isotherm  at 

100°C for 20 min, ramp from 100 to 800°C at 20°C/min, under He with a flow rate on the sample 

of 60 mL/min. 

AFM  analyses  were  carried  out  in  Tapping‐Mode  (TM‐AFM),  in  air  at  r.t.,  using  a 

Nanoscope  IIIa, MMAFMLN  (Veeco). Surfaces were  imaged with phosphorus‐doped silicon  tips 

(cantilever:  thickness = 3.5–4.5  μm,  length = 115–135  μm,  frequency  f0 = 245–279  kHz,  force 

constant k = 20–80 N/m; Veeco). Statistical analysis of  the AFM  images was  carried out using 

Gwyddion 2.14  software. The  surfaces  for AFM analyses were prepared as  follows:  s‐SWCNTs 

were dispersed in 1% SDBS aqueous solution at a concentration of 0.02 mg/mL, by 5 h sonication 

in a sonic bath. Nanotubes were then deposited on mica surfaces by spin‐coating (3000 rpm, 3 

min) 100–200 μL of these solutions. Finally, the surfaces were heated for 4 h in an oven at 180 

°C, to remove the surfactant. 

Raman  spectroscopy  analyses  were  performed  on  an  inVia  Raman  microscope 

(Renishaw), equipped with lasers at 532 nm, 633 nm or 785 nm, on solid samples deposited onto 

Page 130: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

Chapter

118  

a  glass 

differen

T

voltage 

were typ

of  sonic

3.00 mm

vacuum 

The  sen

purchas

HEPES, 1

used  as 

surface 

perform

formate

ethanola

Biotinyla

streptav

dissolve

constant

min,  fol

each exp

5.3 Exp

5.3.1 Or

N‐Boc‐a

  T

solution

the mixt

under va

celite to

 5 

coverslip.  Re

t areas of th

TEM analyse

of 100 kV (im

pically suspe

cation,  and  t

m,  200 mes

overnight, p

Surface plas

nsor  chip  CM

ed  from  Bia

150 mM sod

  running  bu

of  a  sensor

med  by  inject

e buffer, pH 

amine  hydr

ated antigen

vidin  until 

d/dispersed 

t flow rate o

lowed by a 

periment by 

erimental P

rganic compo

mino‐dietho

To a  solutio

 of Boc2O (1

ture at 0°C. T

acuum, and 

o remove the

eported  spe

e sample, an

es were per

mages were 

ended in DM

these  suspen

sh,  coated  w

prior to the T

smon resona

M5,  surfacta

acore  and  st

dium acetate

uffer.  The  se

r  CM5  chip w

tion  onto  th

4.3), which 

ochloride  (p

n and scramb

a  response

in the runn

of 20 μL/min

dissociation 

injection of 

Procedures

ounds 

oxy‐ethyl am

on of amino‐

11.79 g, 54 m

The reaction 

the resulting

e white prec

ectra  are  ave

nd they are n

formed with

acquired us

MF (apart from

nsions were 

with  carbon 

TEM analysis

ance measur

nt  P20,  ami

treptavidin  f

e, 3 mM mag

ensor  chip  fo

was  activate

he  activated

gave a  sign

pH  8.5)  to 

bled antigen 

e  of  700  R

ing buffer. B

n. Different c

phase of 3m

10 μL of 10 m

 

ine (1) 

‐diethoxy‐eth

mmol) in CH2

was then st

g white semi

ipitate corre

erage  of  at 

normalized to

h a Philips E

sing an Olym

m Ab‐CNT sa

 drop‐casted

film),  whic

s. 

rements wer

ine  coupling

from  Sigma‐

gnesium acet

or  the meas

ed  by  EDC/N

d  surface wit

al of approx

saturate  th

(1 μM in He

RU  was  ob

Binding expe

concentratio

min. The sen

mM HCl. 

hyl amine  (2

2Cl2 (100 mL

irred at r.t. f

i‐solid was d

esponding to

least  5  diffe

o the G‐band

M 208 micr

pus Morada

ample, whic

d on  copper

h  were  sub

re performe

g  kit  contain

‐Aldrich.  HEP

tate, 0.005%

surement w

NHS.  Immob

th  35  μL  of 

ximately 500

he  free  acti

pes buffer) w

btained.  Th

eriments wer

ons of Ab or 

nsor chip  su

 

20 g, 134.9 m

L) was added

for 24 hours.

dissolved in H

o the doubly

erent  analys

d. 

oscope with

CCD camera

h were in PB

r or nickel  g

sequently  d

d on a Biaco

ning  NHS  an

PES‐buffered

% surfactant 

as  prepared

ilization  of  s

streptavidin

00 RU,  follow

ivated  sites 

were allowed

e  different 

re carried ou

Ab‐CNTs we

rface was  re

mmol)  in CH

d drop‐wise o

 The solvent

H2O (70 mL) 

substituted 

ses  performe

h an accelera

a). CNTs sam

BS) with the 

grids  (diamet

dried  under 

ore 3000 sys

nd  EDC∙HCl w

d  saline  (10 

P20, pH 7.4)

d  as  follows

streptavidin

n  (100  μg/m

wed by 20  μ

  of  the  ma

d to interact 

analytes  w

ut at 25°C w

ere injected 

egenerated 

H2Cl2  (100 m

over 3 h, sti

t was evapor

and filtered 

 by‐product

ed  in 

ating 

mples 

help 

ter  = 

high 

stem. 

were 

mM 

) was 

:  the 

was 

mL  in 

μL of 

atrix. 

with 

were 

with a 

for 3 

after 

mL), a 

rring 

rated 

over 

. The 

Page 131: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

 

 

aque

H2O

solv

Cha

N‐Bo

 

adde

drop

evap

H2O

rem

the 

with

N‐Bo

 

adde

The 

prod

Cha

N‐Ph

 

16.1

Star

colu

oil. C

N‐Ph

eous filtrate

  (50 mL) to 

ent  under 

racterization

oc‐amino‐die

To a solu

ed. Then, a s

p‐wise over 3

porated und

  (70 ml  x 3)

oved under 

desired com

h literature.1 

oc‐amino‐die

To a deo

ed, and the 

catalyst was

duct  was  t

racterization

ht‐N‐Boc‐am

N‐Boc‐a

1 mmol) wer

rk apparatus 

umn purificat

Characteriza

ht‐amino‐die

 was extract

remove the 

vacuum  yi

ns were in ac

ethoxy‐ethyl

ution of 1 (7

solution of b

3 h at 0°C , a

der vacuum, 

).  The  comb

vacuum. Pu

mpound 2 (5.

ethoxy‐ethyl

oxygenated M

reaction fla

s removed by

triturated  in

ns were in ac

mino‐diethoxy

mino‐dietho

re dissolved 

for 20 h. Th

tion (toluene

tions were in

ethoxy‐ethyl

ted with CH2

excess of d

elded  comp

ccordance wi

lamino‐aceti

 g, 28.2 mol)

benzyl brom

nd the react

and  the  res

bined organic

urification by

.52 g, 49%) a

lamino‐aceti

MeOH soluti

sk was purg

y filtration o

n  diethyl  e

ccordance wi

y‐ethyl amin

oxy‐ethyl am

in toluene (8

he solvent wa

e/AcOEt 7:3)

n accordance

amine (5) 

2Cl2 (50 mL x 

iamine, and

pound  1  (7

ith literature

ic acid benzy

) in CH2Cl2 (3

oacetate (6.

tion mixture 

sidue was di

c phases we

y column ch

as a colourle

ic acid (3) 

ion (90 mL) o

ged with H2 t

over celite, an

ether  to  g

ith literature

ne (4) 

mine 1  (4 g, 

80 mL), and 

as then evap

) afforded th

e with literat

3). The orga

then dried 

7.9  g,  58%

e.1  

yl ester (2) 

 

30 mL) at 0 °

46 g, 28.2 m

was stirred 

ssolved  in C

ere dried ov

romatograph

ess oil. Chara

 

of 2 (5 g, 12

three times 

nd the solve

ive  a  whit

e.1 

 

16.1 mmol) 

the mixture

porated und

he pure prod

ture.1 

 

anic phase w

with Na2SO4

)  as  a  col

C, TEA (4.69 

mol) in CH2Cl

at r.t. overni

CH2Cl2    (70 m

ver Na2SO4,  a

hy  (CH2Cl2/M

acterizations

.6 mmol), 10

and then sti

nt was evapo

e  solid  in 

and phthali

e was stirred

er vacuum a

duct (4.33 g, 

Experime

was backwas

4. Evaporatio

ourless  visc

 mL, 33.8 m

2 (40 mL) wa

ight. The sol

mL) and was

and  the  solv

MeOH 97:3) 

s were in acc

0% Pd/C (90 

irred at r.t. 

orated. The 

quantitativ

ic anhydride

d at 120°C  in

and chromat

71%) as a co

ental part 

119 

hed with 

on of the 

cous  oil.  

mol) was 

as added 

vent was 

hed with 

vent was 

afforded 

cordance 

mg) was 

for 24 h. 

resulting 

ve  yield. 

e  (2.39 g, 

n a Dean‐

tographic 

olourless 

Page 132: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

Chapter

120  

  T

in CH2Cl

reaction

removed

diethyl e

with lite

N‐Pht‐am

  T

was  add

added d

was eva

H2O  (50

removed

the desi

literatur

N‐Pht‐am

  T

was add

h.  The  c

resulting

Characte

Boc‐GFL

  T

(contain

the  solu

 5 

The N‐phtha

l2 (15 mL), a

n mixture w

d under vacu

ether  to giv

erature.1 

mino‐dietho

To a solutio

ded.  Then,  a

drop‐wise ov

porated und

0 ml  x 3).  Th

d under vac

red product 

re.1 

mino‐dietho

To a deoxyg

ded, and the 

catalyst was

g  product  w

erizations we

LG‐doxorubic

To  a  solutio

ning 12% H2O

ution at 0°C.

alimido‐N‐Bo

nd TFA (15 

as  then  allo

uum and the

e a white  so

xy‐ethylamin

n of 5 (3.41 

a  solution  of

er 3 h at 0°C

der vacuum, 

he  combined

uum. Purific

6 (1.48 g, 40

xy‐ethylamin

genated MeO

reaction fla

s  removed  b

was  triturate

ere in accord

cin (8) 

on  of  Boc‐G

O, 31.7 mg, 2

 Then TEA  (

oc‐amino‐die

mL) was slow

owed  to  reac

e resulting p

olid  in quan

no‐acetic aci

g, 8.7 mmo

f  benzyl  bro

C , and the re

and the resi

d organic ph

cation by col

0%) as a colo

no‐acetic aci

OH solution 

sk was purg

by  filtration 

ed  in  diethy

dance with li

FLG  peptide

207 µmol) an

(29 µL, 207 

ethoxy‐ethyl 

wly added t

ch  r.t.  and 

product, as t

titative  yield

id benzyl est

ol)  in THF (40

omoacetate 

eaction mixtu

due was diss

hases were d

lumn chrom

ourless oil. Ch

id (7) 

(40 mL) of 6

ed with H2 t

over  celite,

l  ether  to  g

terature.1 

e  (84.7 mg, 

nd EDC∙HCl (

µmol) was 

amine 4 (4 

o the solutio

it was  stirre

trifluoroaceti

d. Character

ter (6)  

 

0 mL) at 0 °C

(1.99  g,  8.7

ure was stirr

solved in CH2

dried over N

atography  (A

haracterizati

 

6  (1.48 g, 3.

hree times a

,  and  the  so

give  a  white

 

172  µmol) 

(39.7 mg, 20

added, and 

g, 10.6 mmo

on, while sti

ed  for  2  h.  T

ic acid salt, w

izations wer

C, TEA (3.64 

mmol)  in  T

red at r.t. for

2Cl2 (50 mL) a

Na2SO4,  and 

AcOEt/MeOH

ons were in 

5 mmol), 10

and then stir

olvent was  e

e  solid  in  qu

in  dry  DMF

7 µmol) wer

the mixture

ol) was disso

rring at 0°C.

The  solvent 

was triturate

re  in accord

4 mL, 26.1 m

THF  (60 mL) 

r 6 h. The so

and washed 

the  solvent

H 95:5) affo

accordance 

0% Pd/C  (40

rred at r.t. fo

evaporated.

uantitative  y

F  (1.5 mL),  H

re added, sti

e was allowe

olved 

. The 

was 

ed  in 

ance 

mmol) 

was 

lvent 

with 

was 

orded 

with 

0 mg) 

or 24 

  The 

yield. 

HOBt 

rring 

ed  to 

Page 133: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

 

 

reac

µmo

r.t. 

was

chro

1H‐N

Hz, 1

1H),

1H),

(s, 3

= 18

(dd, 

2H),

1040

Allo

 

(con

the 

reac

µmo

r.t. 

was

chro

(127

= 7.7

(br, 

22.7

(s, 1

5.8 H

Hz, 

ch  r.t., and  i

ol) and TEA (

under  Ar,  in

hed  twice w

omatography

NMR (500 M

1H), 7.39 (d,

, 6.67 (d, J = 

, 4.78 (dd, J 

3H), 4.06‐4.0

8.8 Hz, 2H), 3

 J = 14.6, 3.7

, 1.35 (s, 9H)

0.41], 1056.5

c‐GFLG‐doxo

To  a  so

ntaining 12%

solution at 

ch  r.t., and  i

ol) and TEA (

under  Ar,  in

hed  twice w

omatography

7.5 mg, 74%)

7 Hz, 1H), 7.

1H), 6.88 (d

7, 10.9, 5.7 H

1H), 4.78 (dd,

Hz, 1H), 4.38

1H), 3.93 (d,

t was  stirred

(29 µL, 207 µ

n  the  dark, 

with Et2O,  to 

y  (CH2Cl2/Me

Hz, CDCl3): δ

 J = 8.4 Hz, 1

8.8 Hz, 1H), 

= 4.8, 2.8 Hz

4 (m, 1H), 4.

3.25 (br, 1H)

7 Hz, 1H), 2.

), 1.33 (d, J =

5 (M+K)+[cal

orubicin (9) 

olution  of  Al

% H2O, 31.7 m

0°C. Then T

t was  stirred

(29 µL, 207 µ

n  the  dark, 

with Et2O,  to 

y  (CH2Cl2/Me

) as a red sol

78 (t, 1H), 7

d, J = 4.9 Hz,

Hz, 1H), 5.57 

, J = 4.9, 2.1 

8‐4.31 (m, 1H

, J = 4.3 Hz, 

d under Ar  f

µmol) in dry

overnight.  T

remove DM

eOH, 9:1), af

δ 13.96 (s, 1

1H), 7.36‐7.2

6.63 (d, J = 6

z, 2H), 4.71 (

.04‐3.99 (m, 

), 3.10 (br, 1

.07‐1.95 (m,

= 6.6 Hz, 3H),

culated = 10

loc‐GFLG  pe

mg, 207 µmo

TEA  (29 µL, 2

d under Ar  f

µmol) in dry

overnight.  T

remove DM

eOH, 9:1), af

id. 1H‐NMR 

.38 (d, J = 8.6

 1H), 6.69 (d

(br, 1H), 5.5

Hz, 2H), 4.71

H), 4.24‐4.15

1H), 3.76‐3.6

for 15 min. 

y DMF (2 mL

The  crude  r

MF, TEA and 

ffording the 

1H), 13.29 (s,

28 (m, 3H), 7

6.0 Hz, 1H), 5

(s, 1H), 4.57 

1H), 3.92 (d

H), 2.99 (t, J

 1H), 1.83 (d

, 0.92‐0.85 (m

056.52], 1016

eptide  (82.2

ol) and EDC∙H

207 µmol) w

for 15 min. 

y DMF (4 mL

The  crude  r

MF, TEA and 

ffording, aft

(500 MHz, C

6 Hz, 1H), 7.

d, J = 7.7 Hz

3 (d, J = 3.7 

1 (s, 1H), 4.5

5 (m, 1H), 4.0

61 (m, 4H), 3

A  solution o

) was added

eaction mix

HOBt, and 

pure produ

, 1H), 8.05 (d

7.18 (d, J = 7.

5.53 (d, J = 3

(dd, J = 11.3

d, J = 3.3 Hz, 

J = 5.0 Hz, 1H

d, J = 8.0 Hz

m, 6H); ESI‐M

6.3 (M‐1)‐ [ca

 mg,  172  µ

HCl (39.7 mg

was added, a

A  solution o

) was added

eaction mix

HOBt, and 

er precipitat

CDCl3): δ 13.9

37‐7.28 (m, 

z, 1H), 6.64 (

Hz, 1H), 5.31

56 (dd, J = 10

08 (br, 1H), 4

3.32 (s, 1H), 

of doxorubic

, and the re

ture was  pr

it was  finally

ct  (138 mg, 

d, J = 7.6 Hz

5 Hz, 2H), 7.

.6 Hz, 1H), 5

3, 5.7 Hz, 1H

1H), 3.77‐3.

H), 2.38 (d, J

, 1H), 1.70 (

MS: 1040.5 (

alculated = 1

 

µmol)  in  dry 

g, 207 µmol) 

and  the mix

of doxorubic

, and the re

ture was  pr

it was  finally

tion with Et2

96 (s, 1H), 13

3H), 7.17 (d,

(d, J = 5.3 Hz

1 (br, 1H), 5.2

.9, 5.5 Hz, 1H

4.07 (s, 3H), 4

3.30‐3.23 (m

Experime

cin∙HCl  (100 

eaction was s

recipitated  a

y purified by

79%) as a r

z, 1H), 7.78 (

.13 (br, 1H), 

.32 (br, 1H), 

H), 4.25 (br, 1

58 (m, 4H), 3

J = 14.7 Hz, 1

(s, 1H), 1.45‐

M+Na)+ [calc

1016.41]. 

y  DMF  (3 m

were added

xture was all

cin∙HCl  (100 

eaction was s

recipitated  a

y purified by

2O, the pure

3.28 (s, 1H), 8

, J = 6.8 Hz, 2

z, 1H), 5.83 

29‐5.26 (m, 

H), 4.44 (dd,

4.01 (dd, J = 

m, 1H), 3.10‐

ental part 

121 

mg, 172 

stirred at 

and  then 

y column 

red solid. 

(t, J = 8.1 

6.88 (br, 

5.20 (br, 

1H), 4.08 

3.30 (d, J 

1H), 2.14 

‐1.39 (m, 

culated = 

L),  HOBt 

d, stirring 

lowed  to 

mg, 172 

stirred at 

and  then 

y column 

e product 

8.05 (d, J 

2H), 7.05 

(ddd, J = 

1H), 5.24 

 J = 13.0, 

16.3, 6.4 

‐3.02 (m, 

Page 134: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

Chapter

122  

2H), 3.00

1H), 1.8

1.27 (m,

GFLG‐do

 

mL). Dim

stirred  a

cyclohex

excess d

95:5, the

product 

7.89‐7.8

2.8 Hz, 1

5.6 Hz, 1

(d, J = 1

8.3 Hz, 1

(m, 4H),

5.3.2 Fu

Fulleren

 

ethylam

120 °C f

column 

dissolve

brown s

 5 

0 (t, J = 4.9 H

1 (dd, J = 13

, 2H), 0.87 (d

oxorubicin (1

Alloc‐GFLG‐d

medone (28 

at  r.t.,  unde

xane, and th

dimedone, a

en 9:1), follo

(10 mg, 54%

81 (m, 1H), 7

1H), 5.19 (br

1H), 4.26‐4.2

6.9 Hz, 2H), 

1H), 2.38 (d,

 1.27 (d, J = 6

llerene deriv

ne 1 

A  toluene 

mino‐acetic a

for 20 min. T

chromatogr

d in CH2Cl2 a

olid. Charact

Hz, 1H), 2.38

3.2, 4.6 Hz, 1

dd, J = 12.4, 6

10) 

doxorubicin 

mg, 200 µmo

r Ar  and  in 

hen washed 

nd once wit

owed by re‐p

%) as a dark 

7.59 (d, J = 8

r, 1H), 4.74 (d

20 (m, 1H), 4

3.62 (br, 1H

 J = 14.0 Hz,

6.5 Hz, 3H), 0

vatives 

solution  (30

cid 3  (170 m

Then, the re

raphy  (tolue

and precipita

terizations w

8 (d, J = 15.0 

1H), 1.63 (dd

6.5 Hz, 6H).

9  (20 mg, 2

ol) and Pd(P

the  dark,  fo

twice by pre

th Et2O. Puri

precipitation

red solid. 1H

.4 Hz, 1H), 7

d, J = 3.6 Hz,

.13 (d, J = 12

H), 3.25 (d, J

 1H), 2.19 (d

0.90 (dd, J = 

00  mL)  of 

mg, 560 µmo

action mixtu

ene,  followe

ated by addit

were in accor

Hz, 1H), 2.1

d, J = 16.9, 7

20 µmol) wa

Ph3)4 (2.3 mg

or  2  h.  Then

ecipitation fr

ification by 

n from CH2C

H‐NMR (500 

7.20 (d, J = 4

, 2H), 4.62 (d

2.6 Hz, 1H), 4

= 17.1 Hz, 1

dd, J = 14.7, 

20.2, 5.3 Hz

C60  (400  m

ol) and p‐HC

ure was allo

d  by  toluen

tion of MeO

rdance with 

4 (dd, J = 14

7.1 Hz, 1H), 1

 

s dissolved  i

g, 2 µmol) w

n,  the  crude

rom CH2Cl2 w

column chro

Cl2/MeOH wi

MHz, CD3OD

.0 Hz, 3H), 7

dd, J = 8.1, 5

4.04 (s, 3H), 3

1H), 3.15‐3.0

4.8 Hz, 1H), 

, 6H). 

 

mg,  560  µm

CHO  (167 mg

wed to reac

ne/AcOEt  8:2

H, to yield fu

literature.2

.7, 4.0 Hz, 1

1.32 (d, J = 6

in dry, deoxy

were added. T

e was  precip

with cyclohe

omatography

ith Et2O, yie

D): δ 8.01 (d

.16‐7.10 (m,

.9 Hz, 1H), 4

3.90 (d, J = 1

8 (m, 2H), 2

2.05‐1.96 (m

mol),  N‐Boc‐

g, 5.56 mmo

h r.t., and  it

2).  Finally,  t

ullerene 1 (16

H), 2.02‐1.93

6.5 Hz, 3H), 1

xygenated TH

The reaction

pitated with 

exane, to rem

y  (CH2Cl2/Me

elded the de

d, J = 7.7 Hz,

, 2H), 5.42 (d

4.28 (dd, J = 

16.8 Hz, 2H), 

.92 (dd, J = 

m, 1H), 1.67‐

‐amino‐dieth

ol) was heate

t was purifie

the  product 

60 mg, 29%)

3 (m, 

1.31‐

HF  (4 

n was 

cold 

move 

eOH, 

sired 

1H), 

d, J = 

12.3, 

3.68 

14.0, 

‐1.52 

hoxy‐

ed at 

ed by 

was 

) as a 

Page 135: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

 

 

Fulle

 

slow

reac

resid

prod

liter

Fulle

 

FITC

dark

was

desi

1H),

6.53

(br, 

(M+

= 12

Fulle

 

soni

mL) 

over

erene 2 

Fulleren

wly added  to

ch  r.t.  and  it

due was was

duct, affordi

rature.2 

erene 3 

To a solu

C (9.7 mg, 25

k, overnight.

hed by re‐pr

red product 

, 10.04 (br, 1

3 (s, 4H), 4.55

4H), 2 H of t

+1)+ [calculat

282.16]. 

erene 4 

Fulleren

ic bath. To th

and TEA  (4

rnight. Purifi

e 1  (140 mg

o  the  solutio

t was  stirre

shed by re‐p

ng  fullerene

ution of fulle

5 µmol) were

.  Finally,  the

recipitation f

(20 mg, 63%

1H), 8.35 (s, 

5 (s, 4H), 4.0

the ethylene

ed = 1284.1

e 2  (100 mg

his suspensio

1 µL, 298 µm

ication of re

g, 141 µmol)

on, while  stir

d  for  4  h.  T

precipitation 

e 2  in quant

erene 2 (25 m

e added, and

e  crude mixt

from toluene

%) as an ochr

1H), 7.98 (b

01 – 3.94 (m,

e glycol chain

8], 1306.2 (M

g, 99 µmol) 

on, a solution

mol) were a

action crude

) was dissolv

rring at 0°C.

The  solvent 

with CH2Cl2

itative yield

mg, 25 µmol)

d the reactio

ture was  pre

e, with MeO

re‐brown sol

r, 1H), 7.71 

, 2H), 3.80 (d

n are probab

M+Na)+ [calc

was suspend

n of succinic

added. The  r

e by precipit

 

ved  in CH2Cl

. The  reactio

was  remove

in order to 

. Characteriz

) in dry DMF

n mixture w

ecipitated w

OH and from 

lid. 1H‐NMR 

(br, 1H), 7.1

d, J = 4.5 Hz, 

bly covered b

culated = 130

 

ded  in dry C

c anhydride (

reaction mix

tation and w

l2  (25 mL), a

on mixture w

ed  under  va

remove any 

zations were

 

(4 mL), DIEA

as stirred at

with MeOH  a

CH2Cl2 with 

(500 MHz, D

3 (d, J = 8.3 

2H), 3.75 (d,

by the H2O si

06.16], 1282

CH2Cl2  (30 m

19.9 mg, 198

ture was  sti

washing  in M

Experime

and TFA  (25 

was  then all

acuum  and  t

 trace of the

e  in accorda

A (9 µL, 50 µ

t r.t., under A

and  then  th

MeOH, to a

DMSO‐d6): δ 

Hz, 1H), 6.6

, J = 4.2 Hz, 2

ignal; ESI‐MS

2.1 (M‐1)‐ [ca

mL) by sonica

8 µmol) in C

irred at  r.t. 

eOH, to rem

ental part 

123 

mL) was 

lowed  to 

the  solid 

e starting 

nce with 

mol) and 

Ar, in the 

oroughly 

fford the 

10.09 (s, 

5 (s, 2H), 

2H), 3.69 

S: 1284.2 

alculated 

ation  in a 

H2Cl2 (10 

under Ar 

move TEA 

Page 136: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

Chapter

124  

and suc

(500 MH

3.62‐3.5

[calculat

Fulleren

  T

(11.8 mg

stirred a

DIEA (4 

in  the d

with Me

afforded

d6): δ 1

7.49 (d, 

(d, J = 5

(m, 2H),

3.26‐3.2

(m, Hz, 4

6.1  Hz, 

[calculat

 

 5 

cinic anhydr

Hz, CDCl3)  δ 

57  (m,  2H), 

ted = 995.16

ne 5 

To a  solutio

g, 23 µmol) i

at r.t. under 

µL, 23 µmol

dark overnig

eOH and Et2

d the desired

4.05 (s, 1H),

J = 7.6 Hz, 1

.8 Hz, 1H), 4

 3.82 (br, 1H

20 (m, 2H), 3

4H), 2.15 (d,

3H);  MAL

ted = 1106.2

ride, yielded

4.64  (s, 4H)

3.55‐3.45  (

6], 1017.1 (M

on of  fulleren

in dry DMF (

Ar  for 20 m

) in dry DMF

ht. The  crud

2O. Preparat

d product (9.

, 13.30 (s, 1H

1H), 5.39 (s, 1

4.55 (d, J = 6

H), 3.75‐3.68

.16‐3.06 (m,

, J = 4.0 Hz, 2

DI‐TOF‐MS: 

23], 800.32 (M

  the desired

), 4.10  (t,  J =

(m,  4H),  2.6

M+Na)+ [calcu

ne 4  (15 mg

1 mL) and D

min. Then, a 

F (2 mL) was

de was prec

ive thin  laye

.7 mg, 42%) 

H), 7.98‐7.92

1H), 5.23 (br

.0 Hz, 2H), 4

 (m, 2H), 3.6

 2H), 3.02 (d

2H), 1.86‐1.7

1519.29,  M

M‐C60+1) [ca

 

d product  (7

= 5.5 Hz, 2H

69  (m,  2H), 

lated = 1017

g, 15 µmol) 

DIEA (4 µL, 23

solution of 

s added, and

ipitated upo

er chromatog

as a reddish

2 (m, 2H), 7.

r, 1H), 4.98‐4

4.49 (s, 4H), 4

66‐3.58 (m, 2

d, J = 18.0 Hz

73 (m, 1H), 1

M‐1  [calcula

lculated = 80

3.8 mg, 75%

H), 3.88‐3.83

2.58  (m,  2

7.14], 993.1 (

in dry DMF 

3 µmol) were

doxorubicin

d the reactio

on  addition 

graphy purif

/brown solid

.82 (t, 1H), 7

4.92 (m, 1H),

4.10‐4.03 (m

2H), 3.45 (t, J

z, 1H), 2.93 (

1.38 (dd, J = 

ated  =  151

00.33]. 

%) as a brow

  (m, 2H), 3.

2H);    ESI‐M

(M‐1)‐ [calcu

 

(3 mL), a  so

e added and 

∙HCl  (10.5 m

n was stirred

of MeOH,  a

fication  (CH2

d. 1H‐NMR (5

7.69 (dd, J = 

, 4.83 (t, J = 

m, 1H), 4.00 (

J = 5.8 Hz, 2

d, J = 18.2 H

12.5, 4.0 Hz,

9.32],  1106

wn solid.  1H‐

77‐3.72  (m, 

S:  995.2  (M

lated = 993.

olution of Py

 the mixture

mg, 18 µmol)

d at r.t. unde

nd  then wa

2Cl2/MeOH, 9

500 MHz, DM

7.6, 2.1 Hz, 

6.0 Hz, 1H), 

(s, 3H), 3.97‐

H), 3.43 (br,

Hz, 1H), 2.27‐

, 1H), 1.11 (d

6.23,  (M‐413

NMR 

2H), 

M+1)+ 

14]. 

yAOP 

e was 

) and 

er Ar 

shed 

92:8) 

MSO‐

1H), 

4.67 

‐3.90 

 1H), 

‐2.18 

d, J = 

3.09) 

Page 137: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

 

 

Foun

Fulle

 

mg, 

stirr

and 

und

was

92:8

DMS

8.03

7.45

4.95

4.46

(br, 

(t, J 

nd and calcu

erene 6 

To a solu

15 µmol)  in

red at r.t. un

DIEA  (3 µL,

er Ar  in  the 

hed with Me

8) afforded t

SO‐d6): δ 14

3 (s, 1H), 7.94

5 (d, J = 7.8 H

5 (t, 1H), 4.8

6‐4.39 (m, 1H

1H), 3.93 (t,

= 6.0 Hz, 2H

ulated mass i

ution of fulle

n dry DMF  (0

nder Ar for 2

 15 µmol)  in

dark overni

eOH and Et2O

the desired p

4.05 (s, 1H), 

4‐7.91 (m, 2

Hz, 1H), 7.26

2 (t, J = 6.1 

H), 4.20 (dd, 

 J = 5.6 Hz, 2

H), 3.41 (br, 1

sotopic distr

erene 4 (10 m

0.5 mL) and 

20 min. Then

n dry DMF  (

ight. The cru

O. Preparativ

product (9.2

13.27 (s, 1H

H), 7.84 (d, J

‐7.19 (m, 3H

Hz, 1H), 4.74

J = 14.4, 8.3

2H), 3.72 (dd

1H), 3.28 (t, 

ribution for f

mg, 10 µmol

DIEA  (3 µL,

n, a solution

(1.5 mL) was

ude was pre

ve thin layer 

 mg, 48%) a

H), 8.29 (dd, 

J = 8.1 Hz, 1H

H), 7.18‐7.12 

4 (d, J = 5.9 

3 Hz, 1H), 4.1

d, J = 5.7, 3.7

2H), 3.21 (dd

fullerene 5:

) in dry DMF

15 µmol) w

of GFLG‐do

s added, and

ecipitated up

chromatogr

as a reddish/

J = 5.8, 5.4 

H), 7.76 (q, J

(m, 2H), 5.4

Hz, 1H), 4.56

14 (dd, J = 12

7 Hz, 2H), 3.6

d, J = 11.5, 5

F (2 mL), a so

were added a

xorubicin 10

d  the  reactio

pon addition 

raphy purific

/brown solid

Hz, 1H), 8.04

= 5.3 Hz, 1H

44 (s, 1H), 5.2

6 (d, J = 6.0 

2.7, 6.5 Hz, 1

65‐3.60 (m, 4

5.6 Hz, 2H), 3

Experime

 

olution of Py

and  the mix

0 (11.1 mg, 1

on was stirre

 of MeOH, a

cation (CH2Cl

d. 1H‐NMR (5

04 (d, J = 3.3

H), 7.70‐7.63

23 (d, J = 3.0

Hz, 2H), 4.49

1H), 3.99 (s, 3

4H), 3.59 (t, 2

3.04 (dd, J = 

ental part 

125 

 

yAOP (7.9 

ture was 

12 µmol) 

ed at  r.t. 

and  then 

2/MeOH, 

500 MHz, 

 Hz, 1H), 

3 (m, 1H), 

0 Hz, 1H), 

9 (s, 4H), 

3H), 3.95 

2H), 3.46 

14.2, 3.9 

Page 138: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

Chapter

126  

Hz, 1H), 

1H), 2.1

(d,  J = 6

1893.51

Found a

5.3.3 An

IgG‐SH 

  T

prepare

buffer w

20 equiv

the exce

6.5) at 4

be appro

 

 5 

2.97 (s, 2H)

2 (dd, J = 14

6.5 Hz, 3H), 

1], 1480.44, (

nd calculate

ntibodies 

To an Ab so

d  solution o

was added, to

valents with 

ess of 2‐IT w

4°C. The num

oximately 5 

, 2.84 (dd, J 

4.2, 5.5 Hz, 1

0.83  (dd,  J =

M‐413.09) [c

ed mass isoto

lution (1 mL

of 2‐iminothi

o reach a fin

respect to t

was removed

mber of free 

per Ab. 

= 14.0, 10.3 

1H), 1.89‐1.7

= 30.3, 6.4 H

calculated = 

opic distribut

L, 67 μM) in 

iolane∙HCl  (2

al 2‐IT conce

the Ab. The 

d by dialysis 

sulfhydryl g

 

Hz, 1H), 2.4

9 (m, 1H), 1

Hz, 6H); MA

1480.42], 11

tion for fulle

 

PBS (5 mM E

2‐IT, Traut’s 

entration of 

mixture was

(MWCO = 1

groups introd

5‐2.23 (m, 4

.58‐1.48 (m,

LDI‐TOF‐MS

174.53 (M‐C6

rene 6: 

EDTA, 50 mM

reagent)  (90

1.3 mM, cor

s shaken for 

12‐14 kDa) a

duced was a

4H), 2.19 (dd,

2H), 1.48‐1.

: 1893.61, M

60+1) [calcula

M NaHCO3, p

0  μL, 14.5 m

responding t

1 h at r.t. a

against PBS  (

ssessed by E

, J = 14.3, 2.

.39 (m, 2H), 

M‐1  [calculat

ated = 1174.

pH 7.8), a fre

mM)  in  the  s

to approxim

and subseque

(5 mM EDTA

Ellman’s assa

7 Hz, 

1.12 

ted = 

52]. 

 

eshly 

same 

ately 

ently 

A, pH 

ay to 

Page 139: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

 

 

Fab’

 

fres

fina

resp

by s

scFv

 

fres

fina

resp

obta

5.3.4

s‐SW

 

for 1

was 

dilut

time

vacu

s‐SW

 

stirr

’‐SH 

To a Fab

hly prepared

l  cysteamine

pect to Fab’. 

ize exclusion

v‐SH 

To a scF

hly prepared

l cysteamine

pect to Fab’. 

ained by size

4 CNT deriva

WCNT‐1 

HiPCO S

12 h under A

 added, allo

ted  in water

es with H2O,

uum, yielding

WCNT‐2 

s‐SWCNT

red at 100°C 

b’ solution  (1

d cysteamine

e  concentrat

The mixture

n chromatog

Fv solution  (

d cysteamine

e concentrat

The mixture

e exclusion ch

atives 

SWCNTs (100

Ar atmosphe

owing air  in, 

r and  filtere

 up to a neu

g 770 mg of 

Ts‐1 (100 m

for 48h und

1.8 mL, 123 

e solution (3

tion of 4 mM

e was shaken

raphy purific

7.5 mL, 20 µ

e solution (15

tion of 4 mM

e was shake

hromatograp

00 g) were d

re. Then, of 

and  stirring

d  (pore  size 

utral pH  in t

s‐SWCNT‐1.

g) were disp

er Ar atmosp

µM)  in 50 m

6 µL, 200 m

M,  correspo

n for 2 h at 

cation. 

µM)  in 50 m

50 µL, 200 m

M, correspon

en for 2 h at 

phy purificat

ispersed in o

mixture of o

g  the mixtur

 = 5 µm). A

the filtrate, M

persed  in aqu

phere (in a P

mM sodium 

M) in the sa

nding  to app

r.t. and then

mM sodium 

mM) in the sa

nding to app

r.t. and sub

tion. 

 

oleum (500 m

oleum and aq

re at 65°C  fo

fterwards,  t

MeOH and E

 

ueous NaOH

PTFE flask). A

acetate  (2 m

me buffer w

proximately 

n the pure F

acetate  (2 m

ame buffer w

roximately 2

bsequently th

mL), and the

queous nitric

or 2h. The  re

he material 

Et2O and fina

H 8M (100 m

Afterwards, C

Experime

mM EDTA, p

was added, to

32 equivale

Fab’‐SH was 

mM EDTA, p

was added, to

200 equivale

he pure scFv

e mixture wa

c acid (65%) 

eaction mixt

was washed

ally dried un

mL) by sonica

CNTs were se

ental part 

127 

H 5.6), a 

o reach a 

ents with 

obtained 

H 5.6), a 

o reach a 

ents with 

v‐SH was 

as stirred 

(500 mL) 

ture was 

d  several 

nder high 

ation and 

eparated 

Page 140: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

Chapter

128  

from  th

washed 

In order

in 0.1 M

and Et2O

s‐SWCNT

 

steel gri

the  plan

Chapter

sonicatio

cycles  o

dissolve

size  =  0

SWCNT‐

s‐SWCNT

  T

differen

supplied

conditio

s‐DWCN

 

min. A s

µmol)  in

The  resu

 5 

e  dissolved 

with H2O, M

r to perform 

M HCl and su

O. 

T‐3 (A, B, C a

In a typical e

inding  jar wi

netary mill. 

 2.2. After  t

on for 5 min

of  sonication

d Fe3+ speci

0.1  μm) with

‐3A, B, C and

T‐4 (B, C, E a

The prepara

ce  that  the 

d with N2, an

on and final w

NT‐1 

A suspensio

solution of E

n DMF (5 mL

ulting NHS‐a

amorphous

MeOH and Et2

Raman anal

bsequently f

and D) 

experiment, 

ith eight stai

The  differen

the  correspo

n, and filtere

n  and  centr

es disappea

h  H2O, MeO

d D. The weig

and F) 

ation  followe

starting wei

nd that the 

weight yields

n of s‐DWCN

DC∙HCl (19.2

L) was added

activated  s‐D

material  by

2O to afford,

ysis, the aqu

filtering it (p

30 mg of pr

inless steel b

nt  rotationa

onding  treat

ed (pore size 

rifugation  w

red. Afterwa

OH  and  Et2O

ght yields are

ed  the  same

ighting oper

grinding  jar 

s are reporte

NT (10 mg)  i

2 mg, 100 µm

d and the re

DWCNT were

y  filtration  (

, after high v

ueous filtrate

ore size = 0.

ristine SWCN

balls (1 cm d

l  speed  and

tment,  the  s

 = 0.1 μm). T

with  HCl  37%

ards,  the s‐S

O  and  finally

e reported in

e protocol a

ration was p

was sealed 

ed in Table 1 

in DMF (5 m

mol), NHS (1

eaction mixtu

e  then wash

(pore  size  = 

vacuum dryin

e was neutra

.45 µm), and

NTs were int

diameter), w

d  times  used

s‐SWCNTs we

The collecte

%  (w/w)  unt

SWCNTs wer

y  dried  unde

n Table 1 of C

s  the one  fo

erformed  in

before placi

of Chapter 2

 

mL) was sonic

11.5 mg, 100

ure was stirr

hed  several 

0.45  µm), 

ng, 40 mg of 

alized by stir

d washing it w

roduced in a

which was the

d  are  detaile

ere  suspend

d black solid

til  the  yello

e washed by

er  high  vacu

Chapter 2.2. 

or  s‐SWCNT‐

side a glove

ing  it within 

2.2. 

cated  in a w

0 µmol) and 

red for 24 h 

times with 

and    thorou

s‐SWCNT‐2. 

rring the solu

with H2O, M

a 25 mL stai

en placed w

ed  in  Table 

ded  in CH2Cl

d was purifie

ow  color  du

y  filtration  (

uum  affordin

‐3, with  the 

ebox worksta

 the mill. M

water bath fo

DIEA (17 µL,

 at r.t. unde

isopropanol

ughly 

ution 

MeOH 

nless 

within 

1  of 

2, by 

ed by 

ue  to 

pore 

ng  s‐

only 

ation 

illing 

or 20 

, 100 

er Ar. 

  and 

Page 141: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

 

 

diet

sequ

 

μM)

decr

reac

thor

spec

and 

gram

s‐DW

 

adde

reac

redu

ethy

bath

wer

drie

 

diox

was

vacu

s‐DW

 

neut

male

for 2

was

hyl ether by

uences, and 

NHS act

) in PBS (pH 

rease of  IgG 

ction. Finally

roughly  with

ctroscopy. Th

stored at 4 

m of CNTs. 

WCNT‐2 

s‐DWCN

ed and  the 

ction was  sti

uced pressur

yl amine 1 (1

h for 30 min.

e washed se

d under high

Then, th

xane  (100 m

hed  by  filtra

uum. The deg

WCNT‐3 

s‐DWCN

tralized  wi

eimidopropi

20 min and t

hed by filtra

y successive 

they were fi

ivated s‐DW

7.4) and the

concentrati

y, the suspen

h  PBS  (pH 

he resulting 

°C. The degr

NTs (100 mg)

reaction wa

irred at 75°C

re. The CNTs

100 mg, 403

. Then the re

everal times 

h vacuum.  

he Boc group

L), by sonica

ation  (pore 

gree of funct

NTs‐2  (20  m

ith  dry  D

onate (12.8 

then stirred 

tion (pore si

sonication  (

nally dried u

CNT (10 mg)

e mixture wa

on  in the su

nsion was ce

7.4)  until 

Ab conjugat

ree of functi

were suspe

s sonicated 

C under Ar  f

s were susp

 µmol) was 

eaction mixtu

by  filtration

p was cleave

ation  for 30 

size  =  0.45 

tionalization

g,  2.4  μmo

IEA  (21  µ

mg, 48 μmo

at r.t. under

ize = 0.45 μm

water bath)

under high va

) were dispe

as shaken fo

upernatant, a

entrifuged an

no  Ab  was

te s‐DWCNT‐

onalization, 

ended in thio

in a water b

for 24 h. Af

ended again

added to th

ure was heat

n  (pore size 

ed by disper

min, and st

μm) with D

n, determine

l  of  amine 

µL,  120  μ

ol) in DMF (2

r Ar for 48 h.

m) with DMF

, centrifugat

acuum. 

ersed in 20 m

r 60 h at r.t.

after centrif

nd the precip

s  detected 

‐2 was dialys

determined

onyl chloride 

bath  for 30 

ter  this peri

n  in dry pyrid

e mixture, fo

ted at 90°C u

= 0.45 μm) 

sing CNTs  (1

irring  it at r

DMF, MeOH 

d by Kaiser t

groups)  we

μmol).  A 

2 mL) was ad

. The obtaine

F, MeOH and

tion and rem

mL of IgG solu

., monitoring

ugation of a

pitate was co

in  the  supe

sed against P

by TGA, wa

 

(20 mL), the

min under A

od  the  solve

dine and N‐

ollowed by s

under Ar for 

with DMF, M

100 mg)  in a

.t. overnight

and  Et2O  an

est, was 120

 

ere  suspende

solution  o

ded. The rea

ed s‐DWCNT

d Et2O, and th

Experime

moval of sup

ution (0.45 m

g the reactio

a small aliquo

ollected and

ernatant  (by

PBS (pH 7.4)

as 2.1 µmol o

en DMF (0.4 

Ar. Subseque

ent was drie

Boc‐amino‐d

sonication in

96 h. The na

MeOH and E

a 4 M HCl so

t. The DWCN

nd  dried  un

0 μmol/g. 

ed  in  dry  D

of  N‐succin

action was s

Ts‐3 were ex

hen dried un

ental part 

129 

pernatant 

mg/mL, 3 

on by the 

ot of the 

d washed 

y  UV‐vis 

 for 24 h 

of Ab per 

mL) was 

ently  the 

ed under 

diethoxy‐

n a water 

anotubes 

Et2O, and 

olution  in 

NTs were 

der  high 

DMF  and 

imidyl‐3‐

sonicated 

tensively 

nder high 

Page 142: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

Chapter

130  

vacuum

the one 

s‐DWCN

  T

solution

r.t., mo

centrifug

thoroug

spectros

mg/mL i

per gram

s‐DWCN

  s

20  min

paraform

and the 

filtration

  T

dioxane 

washed 

vacuum

s‐DWCN

 5 

. The degree

of s‐DWCNT

NT‐4 

The  maleim

 (0.45 mg/m

nitoring  the

gation  of  a 

ghly  with  PB

scopy). The r

in PBS (pH 7

m of CNTs. 

NT‐5 

s‐DWCNTs (1

n.  N‐Boc‐am

maldehyde (

reaction mi

n (pore size =

Then, the Bo

(100 mL), 

by  filtration

. The degree

NT‐6 

e of functiona

T‐2, was 60 μ

mido‐derivatiz

mL, 3 μM) in P

e  reaction  by

small  aliqu

BS  (pH  7.4)

resulting Ab

.4). The deg

100 mg) wer

mino‐dietho

294 mg, 9.8 

ixture was h

= 0.45 μm) w

oc group wa

by  sonicatio

n  (pore  size 

e of functiona

alization, det

μmol/g (Yield

zed  s‐DWCN

PBS (5 mM E

y  the  decrea

uot  of  the  r

)  until  no 

‐conjugate s

ree of functi

re suspended

xy‐ethylamin

mmol) were

eated at 120

with DMF, Me

as cleaved by

on  for  30 m

=  0.45  μm)

alization, det

termined by

d: 50%). 

NT‐3  (10  mg

EDTA, pH 6.5

ase  of  IgG  c

reaction.  Th

Ab  was  de

s‐DWCNT‐4 w

ionalization, 

d in 100 mL o

no‐acetic  a

e added port

0 °C for 2 da

eOH and Et2

y dispersing

in,  and  stirr

) with DMF,

termined by

y comparison

g)  were  disp

5) and the m

concentratio

he  CNTs  we

etected  in  t

were stored 

determined

 

of DMF and 

acid  3  (30

tion‐wise ove

ays. CNTs we

O and dried 

CNTs  (100 

ring  it  at  r.t

 MeOH  and

y the Kaiser t

 

n of the Kaise

 

persed  in  2

ixture was sh

on  in  the  su

re  centrifug

he  superna

at 4 °C as d

 by TGA, wa

sonicated in 

00  mg,  98

er 2 days (1 a

ere washed 

under high v

mg)  in a 4 M

.  overnight. 

d  Et2O  and  d

est, was 80 μ

er test value 

20  mL  of  Ig

haken for 60

upernatant, 

ged  and  wa

atant  (by  U

dispersions o

as 2.2 µmol o

 a water bat

80  µmol) 

addition per 

several time

vacuum.  

M HCl solutio

The  CNTs w

dried  under 

μmol/g. 

with 

G‐SH 

0 h at 

after 

shed 

V‐vis 

of 0.5 

of Ab 

h for 

and 

day) 

es by 

on  in 

were 

high 

Page 143: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

 

 

 

neut

(8.5 

stirr

(por

of  f

DWC

s‐DW

 

solu

r.t., 

cent

thor

spec

mg/

per 

s‐MW

 

mixt

24 h

volu

H2O

high

s‐MW

s‐DWCN

tralized with

mg, 32 μm

red at r.t. un

re size = 0.45

functionaliza

CNT‐5, was 3

WCNT‐7 

The  ma

ution (0.45 m

monitoring 

trifugation o

roughly  with

ctroscopy). T

/mL in PBS (p

gram of CNT

WCNT 

Pristine 

ture (3:1 v/v

h, keeping te

ume of 150 m

 until filtrate

h vacuum (we

WCNT‐1 

NT‐5  (20  mg

h dry DIEA (1

ol)  in DMF  (

der Ar for 48

5 μm) with D

tion,  determ

30 μmol/g (Y

leimido‐deri

mg/mL, 3 μM

the  reactio

of a small aliq

h  PBS  (pH 

The resulting

pH 7.4). The 

Ts. 

MWCNTs  (

v, 98% and 6

emperature 

mL and the m

e reached a 

eight yield: 7

g,  1.6  μmol 

14 µL, 80 μm

(2 mL) was a

8 h. The obt

DMF, MeOH a

mined  by  co

Yield: 38%).

vatized  s‐DW

) in PBS (5m

on  by  the  de

quot of the r

7.4)  until 

g Ab‐conjuga

degree of fu

100  mg)  we

5%, respecti

below 50°C.

mixture was 

neutral pH, 

70%). 

of  amine 

mol). A soluti

added. The  r

ained s‐DWC

and Et2O, an

omparison  o

WCNT‐6  (10

mM EDTA, pH

ecrease  of  I

reaction. Fin

no  Ab  was

ate s‐DWCNT

unctionalizat

ere  disperse

ively), and th

 Deionized w

filtered (por

then  in Me

groups)  we

on of N‐succ

reaction was

CNTs‐6 were

nd then dried

of  the  Kaiser

0  mg)  were 

H 6.5) and th

gG  concent

nally, the CNT

s  detected 

T‐7 were sto

tion, determ

 

ed  in  50  mL

he mixture w

water was th

re size = 0.1 

OH and Et2O

re  suspende

cinimidyl‐3‐m

s sonicated  f

e extensively 

d under high 

r  test  value 

 

dispersed  i

e mixture wa

ration  in  the

Ts were cent

in  the  supe

ored at 4 °C 

ined by TGA

L  of  aq.  sulf

was sonicated

hen carefully

μm), and wa

O. Finally CN

 

Experime

ed  in  dry  D

maleimidopr

for 20 min a

y washed by 

vacuum. Th

  with  the  o

in  20  mL  o

as shaken fo

e  supernata

trifuged and

ernatant  (by

as dispersio

A, was 2.6 µm

furic  acid/ni

d in a water

y added up t

ashed by filt

NTs were drie

ental part 

131 

DMF  and 

opionate 

and  then 

filtration 

e degree 

one  of  s‐

of  IgG‐SH 

or 60 h at 

ant,  after 

d washed 

y  UV‐vis 

ns of 0.5 

mol of Ab 

itric  acid 

r bath for 

to a final 

tration in 

ed under 

Page 144: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

Chapter

132  

  s

added a

reaction

reduced

amine 5

for 30 m

washed 

under hi

 

20  min

paraform

and the 

filtration

 

was add

were wa

vacuum,

was 170

s‐MWCN

  s

DIEA (74

sonicate

the dark

and  Et2

function

1, was 6

s‐MWCN

 5 

s‐MWCNTs (

and  the reac

n was stirred

d pressure. T

5 (150 mg, 3

min. Then the

several time

igh vacuum. 

CNTs (100 m

n.  N‐Boc‐am

maldehyde (

reaction mi

n (pore size =

Finally, CNTs

ded. After  so

ashed by filt

, to afford s

0 μmol/g. 

NT‐2A 

s‐MWCNT‐1

4 µL, 425 µm

ed for 20 min

k. Reaction m

2O  and  fina

nalization, de

60 μmol/g (Yi

NT‐2B 

(100 mg) we

ction was son

d   at 60°C un

The CNTs we

82 µmol) wa

e reaction mi

es by filtratio

mg) were the

mino‐dietho

294 mg, 9.8 

ixture was h

= 0.1 μm) wit

s (100 mg) w

onication  for

ration (pore 

s‐MWCNT‐1. 

 (50 mg, 8.5

mol) and FITC

n under Ar a

mixture was 

ally  dried  u

etermined by

ield: 35%). 

ere suspende

nicated  in a 

nder Ar  for 

ere suspende

as added to 

ixture was he

on (pore size

n suspended

xy‐ethylamin

mmol) were

eated at 120

th DMF, MeO

were dispers

r 20 min,  th

size = 0.1 μ

The degree 

 μmol of am

C (99.3 mg, 2

nd in the da

filtered (por

under  high 

y compariso

ed in oxalyl c

water bath 

24 h. After 

ed again  in d

the mixture

eated at 70°

e = 0.1 μm) w

d in 100 mL o

no‐acetic  a

e added port

0 °C for 2 da

OH and Et2O

ed in EtOH (

e dispersion

μm) with EtO

 of function

mine groups) 

255 µmol) w

ark, and then

re size = 0.1 

vacuum  to

n of the Kais

chloride (20 

for 30 min 

this period  t

dry THF and

e, followed b

C under Ar f

with DMF, M

of DMF and 

acid  3  (30

tion‐wise ove

ays. CNTs we

O and dried u

(100 mL) and

n was  stirred

OH, MeOH an

alization, de

were disper

were added a

n stirred at r

μm) and the

afford  s‐M

ser test valu

mL), then D

under Ar. Su

the solvent 

N‐Pht‐amin

by sonication

or 48 h. The 

eOH and Et2

sonicated in 

00  mg,  98

er 2 days (1 a

ere washed 

nder high va

d hydrazine 

d overnight a

nd Et2O and 

etermined by

 

rsed in dry D

and the react

.t. overnight

en washed w

MWCNT‐2A. 

e with the o

 

DMF (0.4 mL)

ubsequently

was dried u

no‐diethoxy‐e

n  in a water 

 nanotubes w

2O, the and d

 a water bat

80  µmol) 

addition per 

several time

acuum. 

hydrate (600

at  r.t.. The C

dried under 

y the Kaiser 

DMF (10 mL)

tion mixture

t under Ar an

with DMF, M

The  degre

one of s‐MW

) was 

y, the 

nder 

ethyl 

bath 

were 

dried 

h for 

and 

day) 

es by 

0 µL) 

CNTs 

high 

test, 

. Dry 

e was 

nd in 

MeOH 

e  of 

CNT‐

Page 145: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

 

 

 

DIEA

soni

filte

high

of th

s‐MW

 

soni

filtra

degr

one,

s‐MW

 

and 

male

for 2

size 

func

35 μ

s‐MWCN

A (74 µL, 425

icated for 20

red (pore siz

h vacuum to 

he Kaiser tes

WCNT‐3A an

s‐MWCN

ication  for 3

ation  (pore 

ree of functi

, was 35 μmo

WCNT‐4A an

s‐MWCN

neutralize

eimidopropi

20 min and 

= 0.1  μm) w

ctionalization

μmol/g (Yield

NT‐1 (50 mg,

5 µmol) and 

0 min under 

ze = 0.1 μm) 

afford s‐MW

st value with 

nd 3B 

NT‐2A and 2B

0 min, and 

size = 0.1  μ

onalization, 

ol/g in both 

nd 4B 

NT‐3A and 3

d  with  dr

onate (3.7 m

then stirred 

with DMF, M

n, determine

d: 100%) in b

, 8.5 μmol of

DTPA (91.1 m

Ar, and then

and then w

WCNT‐2B. The

the one of s

B (40 mg) we

stirring  it at 

μm) with DM

determined

cases. 

3B  (20 mg, 0

ry  DIEA  (6

mg, 14 μmol

at r.t. unde

MeOH and E

ed by compa

both cases. 

f amine grou

mg, 255 µmo

n stirred at r

ashed with D

e degree of f

s‐MWCNT‐1,

ere dispersed

 r.t. overnig

MF, MeOH  a

d by compari

0.7  μmol of 

6  µL,  35 

)  in DMF (2 

er Ar for 48 h

Et2O, and  the

arison of the

ups) were di

ol) were add

.t. overnight

DMF, MeOH 

functionaliza

 was 50 μmo

d in a 4 M HC

ht. The CNT

nd Et2O  and

son of the K

amine group

μmol).  A 

mL) was ad

h. The CNTs 

en dried und

e Kaiser test 

spersed in d

ded and the r

t under Ar. R

and Et2O an

ation, determ

ol/g (Yield: 29

Cl solution in

Ts were subs

d dried unde

Kaiser test va

ps) were  sus

solution  o

ded. The rea

were washe

der high vac

value with t

Experime

dry DMF (10 

reaction mix

Reaction mix

nd finally drie

mined by com

9%). 

 

n dioxane (40

sequently wa

er high  vacu

alue with the

 

spended  in 

of  N‐succin

action was s

ed by filtrati

cuum. The d

the starting o

ental part 

133 

mL). Dry 

xture was 

xture was 

ed under 

mparison 

0 mL), by 

ashed by 

uum. The 

e starting 

dry DMF 

imidyl‐3‐

sonicated 

on (pore 

degree of 

one, was 

Page 146: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

Chapter

134  

s‐MWCN

  T

Fab’‐SH 

for  37 

superna

centrifug

superna

as dispe

was 1.5 

s‐MWCN

  T

scFv‐SH 

for  22 

superna

centrifug

superna

as dispe

was 3.3 

 

 5 

NT‐5A and 5B

The maleim

solution (0.4

h  at  r.t.,  m

tant,  after 

ged  and  wa

tant (by UV‐

rsions of 0.5

and 1.4 µmo

NT‐6A and 6B

The maleim

solution (0.1

h  at  r.t.,  m

tant,  after 

ged  and  wa

tant (by UV‐

rsions of 0.5

and 3.1 µmo

ido‐derivatiz

4 mg/mL, 8.

monitoring 

centrifugatio

ashed  thoro

‐vis spectros

5 mg/mL in P

ol of Fab’ per

ido‐derivatiz

16 mg/mL, 5

monitoring 

centrifugatio

ashed  thoro

‐vis spectros

5 mg/mL in P

ol of scFv per

zed  s‐MWCN

4 µM) in PB

the  reaction

on  of  a  sma

oughly  with 

copy). The re

PBS (pH 7.4). 

r gram of CN

zed  s‐MWCN

5.2 µM) in PB

the  reaction

on  of  a  sma

oughly  with 

copy). The re

PBS (pH 7.4). 

r gram of CN

 

NT‐4A  and  4

S (5 mM ED

n  by  the  d

all  aliquot  o

PBS  (pH  7

esulting Fab’

The degree 

NTs, respectiv

NT‐4A  and  4

BS (5 mM ED

n  by  the  d

all  aliquot  o

PBS  (pH  7

esulting scFv

The degree 

NTs, respectiv

4B  (10 mg) w

TA, pH 6.5) 

decrease  of 

of  the  react

.4)  until  no

’‐MWCNT co

of functiona

vely. 

4B  (10 mg) w

DTA, pH 6.5) 

decrease  of 

of  the  react

.4)  until  no

v‐MWCNT co

of functiona

vely. 

were  disper

and the mix

Fab’  conce

ion.  Finally, 

  Fab’  was 

onjugates we

alization, det

were  disper

and the mix

scFv  conce

ion.  Finally, 

  scFv  was 

onjugates we

alization, det

 

rsed  in  20 m

xture was sh

entration  in

  the  CNTs  w

detected  in

ere stored at

termined by 

 

rsed  in  20 m

xture was sh

entration  in

  the  CNTs  w

detected  in

ere stored at

termined by 

mL  of 

aken 

  the 

were 

n  the 

t 4 °C 

TGA, 

mL  of 

aken 

  the 

were 

n  the 

t 4 °C 

TGA, 

Page 147: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

 

 

MW

 

297 

soni

reac

proc

‐ 1 m

‐ 2 m

‐ 60 

Then

DMF

MW

 

adde

was

und

Kais

MW

 

succ

soni

Reac

and 

WCNT‐7 

Pristine 

µmol),  and

ication in a q

ction was pe

cedure, in or

min, 120°C 

min, 140°C 

min, 160°C 

n, CNTs were

F, MeOH and

WCNT‐8 

MWCNT

ed. After so

hed by filtra

er high  vacu

er test, was 

WCNT‐9 

MWCNT

cinic  anhydr

icated  for  20

ction mixtur

finally  drie

MWCNTs  (1

d  p‐HCHO  (8

quartz micro

rformed in t

rder to caref

e re‐disperse

d Et2O, to aff

T‐7 (90 mg) w

nication for 

tion (pore si

uum,  to  affo

100 μmol/g.

T‐8  (50 mg, 

ide  (5 mg,  5

0 min  unde

e was filtere

ed  under  hig

100 mg),  N‐

89.3  mg,  2.

owave tube. 

he microwav

ully control t

ed in DMF (2

ford, after hi

were dispers

20 min, the

ize = 0.45 μm

ord MWCNT

5 µmol of  a

50  µmol)  an

r Ar,  and  th

ed (pore size 

gh  vacuum 

‐Boc‐amino‐d

97  mmol)  w

Then, the so

ve reactor, w

temperature

200 mL) and 

igh vacuum d

sed in EtOH (

e dispersion 

m) with EtOH

T‐8.  The deg

amine  group

nd  TEA  (7  µ

hen  the  reac

= 0.45 μm) 

to  afford  M

diethoxy‐eth

were  suspen

olvent was e

with a 50 W 

e increase: 

washed by f

drying the fin

(100 mL) and

was stirred 

H, aq. HCl 1N

ree of  funct

ps) were dis

µL,  50  µmol)

ction was  st

and then wa

MWCNT‐9.  T

 

hylamino‐ace

nded  in  CH2

evaporated b

power, using

filtration (po

nal CNTs.  

 

d hydrazine h

overnight at

N, H2O, MeOH

tionalization,

 

persed  in dr

) were  adde

tirred  at  r.t.,

ashed with D

The  degree 

Experime

etic  acid  7  (

2Cl2  (4  mL) 

by a N2 flow,

g a step‐wise

ore size = 0.4

hydrate (540

t r.t.. The CN

H and Et2O a

, determine

ry DMF  (20 

ed.  The mixt

,  under Ar  f

DMF, MeOH 

of  functiona

ental part 

135 

(100 mg, 

by  little 

, and the 

e heating 

45 μm) in 

0 µL) was 

NTs were 

and dried 

d by  the 

mL)  and 

ture was 

for  24  h. 

and Et2O 

alization, 

Page 148: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

Chapter

136  

determi

(Yield: 5

MWCNT

  T

solution

µmol) in

min  und

subsequ

detected

were  dr

µmol of 

MWCNT

  T

solution

mg, 1.65

under A

washed 

filtrate  (

under  h

doxorub

s‐MWCN

 5 

ned by com

5%). 

T‐10 

To a dispers

 of PyAOP (2

n dry DMF (2

der  Ar,  and

uently washe

d in the filtra

ried  under  h

doxorubicin

T‐11 

To a dispers

 of PyAOP  (

5 µmol) and

Ar, and then 

by  filtration

(by UV‐vis  s

high  vacuum

bicin per gram

NT 

parison of  t

ion of MWC

2.6 mg, 5 µm

2mL) and DIE

  then  it  wa

ed  by  filtrat

ate (by UV‐v

high  vacuum

n per gram of

ion of MWC

2.6 mg, 5 µ

d DIEA  (6 µL

it was stirred

n  (pore size 

spectroscopy

m.  The  degre

m of CNTs. 

he Kaiser  te

NT‐9 (15 mg

mol)  in dry D

EA (6 µL, 33 µ

as  stirred  at

ion  (pore  si

vis spectrosc

m.  The  degre

f CNTs. 

NT‐9 (15 mg

mol)  in dry 

L, 33 µmol) w

d at r.t. unde

= 0.45 μm) 

y),  and  then

ee  of  functi

est value wit

g, 0.83 µmol 

DMF (1 mL), 

µmol) were a

t  r.t.  under

ze  =  0.45  μ

opy), and th

ee  of  functio

g, 0.83 µmol 

DMF  (1 mL)

were added

er Ar in the 

with DMF u

n with MeOH

ionalization,

th  the one o

of carboxyl

a solution o

added. The m

  Ar  in  the 

μm) with DM

hen with MeO

onalization,  d

of carboxyl

, a solution 

. The mixtur

dark overnig

until no doxo

H  and  Et2O 

  determined

 

of MWCNT‐8

 

groups) in d

of doxorubici

mixture was 

dark  overni

MF  until  no 

OH and Et2O

determined 

 

groups) in d

of GFLG‐dox

re was  sonic

ght. CNTs we

orubicin was

and  finally 

d  by  TGA,  w

8, was 55 μm

ry DMF (3 m

in∙HCl (2.4 m

 sonicated fo

ight.  CNTs  w

doxorubicin 

O and finally 

by  TGA, wa

ry DMF (3 m

xorubicin 10

cated  for 20

ere subseque

s detected  in

they were  d

was  45  µmo

mol/g 

mL), a 

mg, 4 

or 20 

were 

was 

they 

as  75 

mL), a 

0  (1.5 

0 min 

ently 

n  the 

dried 

ol  of 

Page 149: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

 

 

 

mixt

10 h

volu

H2O

high

s‐MW

 

µmo

und

µmo

over

doxo

and 

TGA

s‐MW

 

µmo

und

27 µ

over

doxo

and 

TGA

 

Pristine 

ture (3:1 v/v

h, keeping te

ume of 150 m

 until filtrate

h vacuum (we

WCNT‐12 

To a disp

ol) in dry DM

er Ar for 20 

ol)  in dry DM

rnight. CNTs

orubicin was

finally they 

A, was 55 µm

WCNT‐13 

To a disp

ol) in dry DM

er Ar for 20 

µmol) in dry 

rnight. CNTs

orubicin was

finally they 

A, was 40 µm

MWCNTs  (

v, 98% and 6

emperature 

mL and the m

e reached a 

eight yield: 8

persion of s‐

MF (1 mL) and

min. Then, 

MF  (2 mL) w

 were subse

s detected in

were dried 

mol of doxoru

persion of s‐

MF (1 mL) and

min. Then, a

DMF (2 mL)

 were subse

s detected in

were dried 

mol of doxoru

100  mg)  we

5%, respecti

below 50°C.

mixture was 

neutral pH, 

80%). 

MWCNT (15

d DIEA (5 µL,

a solution o

was added, a

equently was

n the filtrate 

under high v

ubicin per gra

MWCNT (15

d DIEA (5 µL,

a solution of

 was added,

equently was

n the filtrate 

under high v

ubicin per gra

 

ere  disperse

ively), and th

 Deionized w

filtered (por

then  in Me

5 mg) in dry D

, 27 µmol) w

of doxorubici

and  the  reac

shed by filtra

(by UV‐vis s

vacuum. The

am of CNTs.

5 mg) in dry D

, 27 µmol) w

f GFLG‐doxor

, and the rea

shed by filtra

(by UV‐vis s

vacuum. The

am of CNTs.

ed  in  50  mL

he mixture w

water was th

re size = 0.1 

OH and Et2O

DMF (3 mL), 

were added a

in∙HCl (1.6 m

ction was sti

ation (pore s

pectroscopy

e degree of f

DMF (3 mL), 

were added a

rubicin 10 (2

action was st

ation (pore s

pectroscopy

e degree of f

L  of  aq.  sulf

was sonicated

hen carefully

μm), and wa

O. Finally CN

 

a solution o

nd the mixtu

mg, 2.7 µmol

rred at  r.t. u

size = 0.1 μm

y), and then w

functionaliza

 

a solution o

nd the mixtu

2.5 mg, 2.7 µ

tirred at r.t. 

size = 0.1 μm

y), and then w

functionaliza

Experime

furic  acid/ni

d in a water

y added up t

ashed by filt

NTs were drie

of PyAOP (4.3

ure was stirr

l) and DIEA 

under Ar  in 

m) with DMF

with MeOH 

ation, determ

of PyAOP (4.3

ure was stirr

µmol) and DI

under Ar in 

m) with DMF

with MeOH 

ation, determ

ental part 

137 

itric  acid 

r bath for 

to a final 

tration in 

ed under 

3 mg, 8.2 

red at r.t. 

(5 µL, 27 

the dark 

F until no 

and Et2O 

mined by 

3 mg, 8.2 

red at r.t. 

EA (5 µL, 

the dark 

F until no 

and Et2O 

mined by 

Page 150: Carbon Nanotechnologies for Drug Delivery · the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non‐covalent approaches, and then

Chapter 5 

138  

5.4 References 

1.  G. Pastorin, W. Wu, S. Wieckowski, J.‐Paul Briand, K. Kostarelos, M. Prato, and A. Bianco, 

Chem. Commun., 2006, 1182‐1184. 

2.  K.  Kordatos,  T.  D.  Ros,  S.  Bosi,  E.  Vazquez,  M.  Bergamin,  C.  Cusan,  F.  Pellarini,  V. 

Tomberli, B. Baiti, D. Pantarotto, V. Georgakilas, G. Spalluto, and M. Prato, J. Org. Chem., 

2001, 66, 4915‐4920.