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I biomateriali per applicazioni di ingegneria dei tessuti devono soddisfare diversi requisiti, come sicurezza, biocompatibilità e caratteristiche meccaniche appropriate. Il processo di sviluppo di questi biomateriali comprende diversi approcci scientifici, che vanno dall' in-silico all'in-vivo. L'ottimizzazione in silico delle caratteristiche dei biomateriali sta attirando un'attenzione sempre maggiore. Infatti, il miglioramento di questo approccio consentirà di ridurre i costi aggiuntivi nel processo di sviluppo dei biomateriali, a causa di caratterizzazioni sperimentali non necessarie. Secondo questo punto di vista, in questa tesi viene presentato un approccio di dinamica molecolare per la caratterizzazione dei biomateriali. Più in dettaglio, gli scaffold degli idrogel di peptidi autoassemblanti (SAP) sono stati studiati su nanoscala e microscala, al fine di chiarire le loro relazioni intrinseche struttura-proprietà-funzione. Le dinamiche molecolari atomistiche a grana grossa (CG-MD) sono state utilizzate per studiare i meccanismi di auto-assemblamento che portano alla formazione di scaffold peptidici. A causa della mancanza di informazioni strutturali cruciali nelle simulazioni CG-MD, l'innovativa suite software, denominata Morphoscanner, è stata impiegata per la classificazione dei modelli di aggregazione conformazionale dei SAP. Quindi, le proprietà meccaniche e i meccanismi di rottura delle nanostrutture SAP sono stati studiati attraverso le simulazioni MD vincolate. Queste evidenze hanno portato allo sviluppo di un approccio CG-MD che mira a chiarire la complessa interazione tra membrane cellulari e nanofibrille SAP. In particolare, le simulazioni MARTINI CG-MD sono state utilizzate per comprendere gli effetti della nanofibrille peptidiche sulla dinamica dei domini lipidici nelle membrane neurali. Tali risultati aprono nuove dimensioni nel campo della biomateriomica, consentendo di comprendere ed eventualmente controllare i complessi fenomeni che influenzano le proprietà meccaniche e la biocompatibilità dei biomateriali a base peptidica per applicazioni di ingegneria tissutale. Biomaterials for tissue engineering applications have to comply with several requirements, such as safety, biocompatibility and appropriate mechanical features. The development process of these biomaterials encompasses several scientific approaches, ranging from in-silico to in-vivo. The in-silico optimization of biomaterials features is attracting even larger attention. Indeed, the improvement of this approach will allow to reduce additional costs int the biomaterials development process, due to unnecessary experimental characterizations. According to this point-of-view, in this thesis is presented a molecular dynamics approach for biomaterial characterization. More in details, self-assembling peptides (SAPs) hydrogels scaffolds have been investigated at the nano-scale and micro-scale, to elucidate their intrinsic structure-property-function relationships. The atomistic and coarse-grained molecular dynamics (CG-MD) have been used for the elucidation of self-assembling pathways of peptide-based scaffolds. Due to the lack of crucial structural information in CG-MD simulations, the innovative software suite, dubbed Morphoscanner, has been employed for the elucidation of conformational aggregation patterns of SAPs. Then, the mechanical properties and failure mechanisms of SAPs nanostructures have been investigated through the steered MD simulations. These evidences led the development of a CG-MD approach aiming to elucidate the complex interplay between cell membranes and SAPs nanofibrils. In particular, MARTINI CG-MD simulations have been used for understanding the effects of SAPS nanofibril on dynamics of lipid domains in neural membranes. Such achievements open up new dimensions in the field of biomateriomics, allowing to understand and eventually orchestrate the complex phenomena which affect the mechanical properties and biocompatibility of SAPs biomaterials for tissue engineering applications.

I materiali compositi hanno suscitato un notevole interesse nella comunità scientifica grazie alle loro eccezionali proprietà e alle loro promettenti applicazioni. Infatti, i materiali interfacciati hanno un ruolo cruciale in innumerevoli applicazioni. Nel presente lavoro di tesi, diversi tipi di interfacce ossido/strato di carbonio sono state considerate per svolgere un’indagine chimica quantistica. La superficie del biossido di titanio è stata interfacciata con monostrati a base di carbonio, che può essere sia bidimensionale ed inorganico (grafene), sia uno strato denso di molecole organiche (enedioli e silani). Il lavoro mira a rivelare i fenomeni peculiari che si verificano all’interfaccia, dovuti delle proprietà complementari delle due componenti, che potrebbero essere interessanti per la catalisi e la bio-funzionalizzazione. L’indagine teorica si basa su due livelli di teoria: self-consistent charge density-functional tight-binding (SCC-DFTB) e la teoria del funzionale della densità (DFT). Il metodo SCCF-DFTB approssimativo consente di studiare le proprietà dinamiche e strutturali di questi sistemi complessi, mente i calcoli DFT più accurati permettono di raffinare i modelli e studiare le loro proprietà elettroniche. La prima parte del lavoro è stata dedicata alla modellizzazione dell’interfaccia tra TiO2 in fase anatasio e il grafene, in presenza di difetti. Oltre a ciò, si è considerata la reattività di molecole d’acqua all’interfaccia per proporre possibili percorsi di reazioni e studiare gli effetti del ricoprimento dovuti al confinamento della reattività. La seconda parte del lavoro presenta lo studio del modello di nanoparticella sferica di TiO2 decorata con un monostrato denso di molecole organiche: l’enediolo DOPAC e l’organosilano TETT, che sono eccellenti linker. Il DOPAC è un derivato catecolico che presenta un gruppo carbossilico aggiuntivo. È stata studiata un’ampia gamma di modalità di adsorbimento sulla superficie curva di TiO2. Inoltre, sono state eseguite simulazioni di dinamica molecolare per elucidare l’affinità dei gruppi carbossilici rispetto alla superficie di TiO2 e per studiare l’effetto termico sulla conformazione strutturale del sistema ibrido inorganico/organico. Poiché la TiO2 è un eccellente assorbitore di luce, è stata studiata anche la fotoeccitazione del sistema TiO2/DOPAC. Il TETT è un organosilano con una catena propilica recante un’etilendiammina, ulteriormente funzionalizzata con tre gruppi carbossilici. A causa delle dimensioni e della complessità delle nanoparticelle di TiO2 completamente decorate con il TETT, si è campionato la spazio configurazionale attraverso diverse serie di dinamiche molecolari. Per concludere, lo studio di differenti sistemi ibridi (ossido metallico/monostrato a base di carbonio) svolto in questo lavoro ha permesso, da un lato, di razionalizzare la reattività all’interfaccia TiO2/grafene e, dall’altro, di eseguire un’analisi comparativa tra due diversi tipi di monostati organici (enedioli o silani) su TiO2 per poter valutare il loro potenziale come linker per l’attacco e il trasporto di biomolecole. Composite materials have attracted the attention of the scientific community due to their outstanding properties and promising applications. Materials interfaces play a crucial role in many of these applications. In the present work of thesis, different types of oxide/C-based layer interfaces have been considered for a quantum chemical investigation. The titanium dioxide surface has been interfaced with both inorganic bidimensional (graphene) and densely packed organic (enediols and silanes) C-based monolayers. The work aims at revealing the peculiar phenomena that occur at the interface, due to the complementary properties of the two components, that might be relevant for catalysis and bio-functionalization. The theoretical investigation is based on two levels of theory: self-consistent charge density-functional tight-binding (SCC-DFTB) and density functional theory (DFT) The approximate SCC-DFTB method allows to investigate the dynamical and structural properties of the complex systems, while the most accurate DFT calculations enable to refine the models and study their electronic properties. The first part of the work is devoted to the modelling of the interface between TiO2 anatase (101) surface and graphene with defects, since they are often observed in real samples. Furthermore, we have considered the presence of water molecules and their reactivity at the interface to propose possible reaction paths and to investigate the undercover effects due to the reaction confinement. The second part of the work presents the study on a model of spherical TiO2 nanoparticle decorated with a densely packed monolayer of two organic molecules: the enediol DOPAC and the organosilane TETT, that are excellent linkers. DOPAC is a catechol derivative bearing an extra carboxylic group. An extensive set of adsorption modes on the TiO2 curved surface have been investigated. Molecular dynamics (MD) simulations have also been performed to elucidate the affinity of the carboxylic groups toward the TiO2 surface and to investigate the thermal effect on the structural conformation of the hybrid inorganic/organic system. Since TiO2 is an excellent UV light absorbant, we have studied the TiO2/DOPAC system photoexcitation. TETT is an organosilane molecule with a propyl chain bearing an ethylenediamine group, further functionalized with three carboxylic groups. Due to the size and complexity of TETT fully-decorated TiO2 nanoparticle, we have sampled the configurational space through several MD runs. To conclude, the investigation of different hybrid (metal oxide/C-based layer) systems performed in this works has allowed, on one side, to rationalize the reactivity at the TiO2/graphene interface, and, on the other side, to perform a comparative analysis between two different types of organic monolayers (by enediols or silanes) on TiO2 and to assess their potential as linkers for biomolecules attachment and transport

The term halogen bond (XB) describes the intermolecular interaction occurring between a Lewis base and a halogen atom (in particular heavier halogens) which behaves like Lewis acid due to the electropositive sigma-hole. Indeed, the electrophilic nature of halogens is explained by the anisotropic distribution of the electron density around the halogen atoms. In the last decade, XBs occurring in solution have increasingly received attention as a tool to direct molecular recognition processes and underlie protein-ligand binding. Nevertheless, the exploration of solvent effects on XB has begun later compared to solid-state studies, and to date the application of XB in solution is still challenging. Another open issue concerns the application of XB in chiral systems, and only a few chiral molecules having sigma-holes as recognition sites were described recently. In addition, the detection of stereoselective XB-based interactions in solution requires the availability of analytical method characterized by higher sensitivity. In this study, the rational design of new atropisomeric sigma-hole (halogen and chalcogen) bond donors based on the 4,4'-bipyridyl core has been engineered by stereoelectronic activation of the heteroaromatic scaffold. On this basis, a HPLC protocol based on an orthogonal on-column screeninga,b) on polysaccharide-based polymers, as XB acceptors, was developed with the aim to detect stereoselective sigma-hole-driven interactions. Significantly, the HPLC outcomes of 5,5'-dibromo-2,2'-dichloro-3-(arylthio)-4,4'-bipyridines proved that chalcogen bond interactions involving activated sulfur sites as electrophiles can drive enantiodiscrimination processes. As a result of the HPLC study, new structures have been successfully pinpointed for further applications in catalysis and drug design.

La simulazione di dinamica molecolare classica permette di indagare le proprietà dinamico-strutturali di grossi sistemi biologici, in condizioni molto simili a quelle fisiologiche e per ampie finestre di tempo. Tali caratteristiche stanno portando all’utilizzo diffuso di questo metodo per interpretare i dati sperimentali e per progettare nuovi esperimenti. In questo articolo viene brevemente illustrata l’evoluzione della dinamica molecolare su sistemi biologici e vengono presentati due esempi di studi di sistemi complessi.

Le simulazioni di Dinamica Molecolare e Monte Carlo, classiche e quantistiche, hanno permesso di studiare fenomeni interessanti in molti campi (chimica, fisica, biologia, scienza dei materiali, etc.). Uno dei limiti dell’applicazione di queste tecniche allo studio di fenomeni nuovi e più complessi è rappresentato dal fatto che, con gli attuali supercomputer, è possibile raggiungere al più la scala dei tempi dei microsecondi (solo per le simulazioni classiche), mentre molti processi interessanti accadono su scale di tempi dei secondi, minuti, ore, giorni o più. Per affrontare questi problemi ovviamente non basta affidarsi alla sola evoluzione dell’hardware: nella scala di tempi si debbono coprire diversi ordini di grandezza compresi tra quelli accessibili alle simulazioni di “forza bruta” ed i tempi fisici dei fenomeni interessanti. In tale contesto il Gruppo di Scienza dei Materiali del CASPUR sta partecipando allo sviluppo e all’implementazione di nuovi metodi per studiare queste classi di fenomeni.

La tesi si occupa di simulazioni di dinamica molecolare di poli meri amorfi densi, polietereterchetoni (PEEK-WC) e polietereterchetoni modificati (PEEK-WC nitrato e PREEK-WC solfonato) nello stato vetroso. Sono stati analizzati, inoltre dei sistemi complessi di polimero PEEK-WC contenenti molecole di beta-ciclodestrine. Le ricerche riportate riguardano essenzialmente due punti: 1. la conoscenza delle proprietà di trasporto dei polimeri; 2. la determinazione dei fattori strutturali sia nei processi di separazione gassosa sia nel caso di sistemi polimero/beta-ciclodestrine. Nei capitoli 1 e 2 sono stati introdotti i principi fenomenologici del trasporto attraverso membrane polimeriche , citando alcuni modelli che ne hanno meglio descritto i meccanismi, e alcuni concetti di base delle simulazioni di dinamica molecolare e delle applicazioni di interesse, quali il coefficiente di solubilità e diffusione. Nel capitolo successivo0 sono presentate le analisi effettuate , rispettivamente , su polietereterchetoni (PEEK-WC), anche modificati, quali PEEK-WC nitrati e PREEK-WC solfonati e, infine su sistemi polimerici di PEEK-WC contenenti beta-ciclodestrine, descrivendo anche il lavoro sperimentale riguardante la cinetica di sistemi modello contenenti beta-ciclodestrine. Infine sono state tratte le conclusioni della ricerca e si discutono le prospettive future.152