Memoria para optar al Título Profesional de Médico Veterinario / Gran variedad de seres vivos desarrollan sistemas capaces de crear estructuras mineralizadas, que se usan como protección, sostenimiento, alimentación, reservas de minerales, etc. La formación y degradación de estructuras minerales resulta ser un punto crítico en la fisiología de animales invertebrados como los crustáceos y en particular en el modelo animal utilizado en esta memoria de título, la langosta de tenaza roja, Cherax quadricarinatus, especie cuyo desarrollo está en íntima relación con la formación de una reserva mineral llamada gastrolito, que se fabrica en la parte anterior del estómago cardiaco, en una zona especializada de la pared estomacal, el disco del gastrolito, cuyo epitelio presenta distinta estructura según el momento del ciclo de muda y representa un excelente modelo para el estudio de la biomineralización. La matriz extracelular del gastrolito está formada por moléculas cargadas negativamente, entre las que se destacan los proteoglicanos, que son depositados por el epitelio formador. Los proteoglicanos serían los responsables de entregar un orden definido al depósito de carbonato de calcio amorfo que compone al gastrolito. La etapa del ciclo de muda se determinó por observación del exoesqueleto de los individuos, cuando éste era blando se clasificó en la etapa de postmuda y si estaba rígido en cualquiera de las otras dos etapas: intermuda o premuda. Para diferenciarlas se radiografiaron y en intermuda no se observó la imagen compatible con gastrolito y por el contrario, si fue posible observarlo en premuda. Se extrajeron estómagos de las langostas clasificadas, se procesaron de manera rutinaria para realizar cortes histológicos, los que fueron teñidos con las técnicas de hematoxilina-eosina y azul de alciano a pH 2,5; para describir zonas de interés y reconocer la presencia de glicosaminoglicanos, respectivamente. Además se utilizaron reacciones inmunohistoquímicas con el propósito de identificar temporal, espacial y específicamente algunos proteoglicanos presentes en la matriz orgánica del gastrolito. Se logró establecer un orden espacial y temporal para proteoglicanos específicos: Dermatán sulfato y condroitín-4-sulfato están presentes en los tres estados del ciclo de muda, observándose una mayor intensidad de reacción en las etapas de intermuda y premuda principalmente, lo que sugiere, al igual que en otros estudios similares, que serían necesarios para mantener el orden en el tipo de acumulación de carbonato de calcio en la formación de esta biocerámica. Condroitín-6-sulfato se muestra con una reacción más intensa en intermuda y premuda, disminuyendo su intensidad en postmuda, lo que sugiere una participación más activa durante la formación, luego en postmuda está ausente tanto en el epitelio formador como en el gastrolito en degradación y sólo se observa en el tejido conectivo subyacente al lugar de formación del gastrolito. Queratán sulfato presenta una mayor intensidad de reacción en intermuda y premuda principalmente, sugiriendo un rol en el inicio de la calcificación. En el periodo de postmuda se encuentra en el gastrolito principalmente y en el epitelio formador con menor intensidad. Esta distribución temporal de los proteoglicanos sugiere la influencia en el desarrollo de los gastrolitos de la langosta de tenaza roja / Financiamiento: Proyecto Fondap 11980002 y Proyecto ECOS-CONICYT C07-B02

Memoria para optar al Título Profesional de Médico Veterinario / La biomimética o mimetismo de lo biológico es una disciplina muy antigua que trata de imitar algo preexistente en la naturaleza, por lo tanto tiene como fuente de inspiración alguna característica o habilidad biológica de los organismos para generar materiales útiles para el ser humano. Debido a la necesidad del ser humano por alcanzar nuevos logros y seguir superando sus limitaciones son que la biomimética ha alcanzado la importancia tecnológica que tiene actualmente. Por tal razón numerosas investigaciones se han realizado con el objeto de dilucidar los diferentes mecanismos moleculares que permitan conocer como se forman estos biomateriales de origen biológico y obtener materiales más complejos con características superiores a las ya existentes. Dado al menor conocimiento que se tiene sobre los materiales amorfos, en la presente memoria de título se estudió un tipo de reserva inorgánico de tipo amorfo del carbonato de calcio (CaCO3) del crustáceo Cherax quadricarinatus llamado gastrolito. Cherax quadricarinatus es un crustáceo que vive en zonas de agua dulce y que presenta un exoesqueleto que muda constantemente. Los gastrolitos son concreciones altamente calcificadas, encontradas en la zona cardiaca del estómago de algunos Decápodos, que actúan como reservorios temporales formados por CaCO3 de tipo amorfo (CCA), material inorgánico crucial para el proceso de muda de su exoesqueleto y un excelente modelo de mineralización de CCA. En estudios de biomineralización se han usado variados tipos de aditivos para evaluar la participación de éstos en ensayos de cristalización in vitro de CaCO3. En esta memoria de título se utilizaron diferentes polímeros acídicos comerciales tales como: ácido fítico (AF), ácido poliaspártico (APS) y ácido poliacrílico (APA) en conjunto con sustratos (esponja y gastrogel) y proteoglicanos (PGS) de fracciones solubles (PG-FS) e insoluble (PG-FI) obtenidos a partir del gastrolitos como aditivos en la cristalización del CaCO3. Los ácidos AF, APS y APA son polímeros comerciales usados por el ser humano en diferentes procesos industriales y que han mostrado tener efectos modificadores sobre la cristalización del CaCO3. 7 El proceso in vitro de cristalización del CaCO3 fue el método de difusión de gases y las técnicas de caracterización de los cristales obtenidos fueron la microscopía electrónica de barrido (SEM) y la difracción de rayos X (XRD), con los cuales se pudo observar la morfología y determinar la estructura cristalina del CaCO3 obtenidos en las diferentes combinaciones ensayadas de polímeros, sustratos (esponja y gastrogel) y proteoglicanos de ambas fracciones (PG-FS; PG-FI) durante la cristalización de CaCO3. Encontramos que los sustratos esponja y gastrogel al ser usados como aditivos únicos en los ensayos de mineralización de CaCO3 mostraron una clara tendencia a la formación de estructuras amorfas y un efecto modulador mecánico del depósito cristalino. Con PG-FS se obtuvieron cristales de CaCO3 con morfología semejantes a los polimorfos de aragonita y calcita y estructuras cristalinas del tipo aragonita, calcita y vaterita, los cuales se determinaron mediante XRD. Sin embargo, con PG-FI se obtuvieron cristales con morfología similar a los polimorfos de aragonita y vaterita y se determinaron estructuras cristalinas del tipo aragonita, calcita y vaterita mediante XRD. Por otro lado, el uso de APA como único aditivo indujo la formación de estructuras cristalinas con morfologías esféricas observadas con SEM y estructuras cristalinas del tipo aragonita y calcita determinadas por XRD. Cuando el APS fue usado se observaron cristales con morfologías espiculadas y estructuras cristalinas del tipo aragonita, calcita y vaterita mediante XRD. Sin embargo, con AF como aditivo se observaron cristales con morfologías irregulares y se determinaron los polimorfos aragonita, calcita y vaterita mediante XRD. Por último, cuando AF se utilizó en presencia de otros aditivos o sustratos se obtuvieron cristales con morfología espiculadas, esféricas, romboédricas, etc. La determinación morfológica de los cristales de CaCO3 in vitro obtenidos mediante el proceso de difusión de gases fueron observados claramente mediante SEM y la determinación cristalina de sus polimorfos mediante XRD confirmando la importancia del efecto nucleador de los diferentes polímeros en combinación con sustratos de origen biológico, creemos, sin embargo, que el uso de nuevas técnicas de caracterización como AFM, XPS y microscopía electrónica de transmisión (TEM) potenciarían enormemente la presente memoria de título contribuyendo a un mejor entendimiento de los procesos moleculares involucrados en los ensayos de cristalización biológica de minerales inorgánicos como el CaCO3. Finalmente concluimos que es importante seguir ahondando en el conocimiento de la formación cristalina de materiales inorgánicos con el objeto de desarrollar nuevos materiales útiles para el ser humano y la creación de nuevas tecnologías de materiales, los cuales podrían llevar al hombre a nuevas fronteras aún no conocidas.

Memoria para optar al Título Profesional de Médico Veterinario. Tesis para optar Grado de Magíster en Ciencias Animales y Veterinarias. / La biomineralización patológica de oxalato de calcio (CaOx) dentro del tracto urinario produce una enfermedad denominada urolitiasis. El CaOx presenta tres variedades en la naturaleza: CaOx monohidratado (COM), CaOx dihidratado (COD) y CaOx trihidratado (COT). Dentro de estos últimos COD y COM representan los polimorfos mayoritarios en los cálculos urinarios en mamíferos. Distinta formas de obtener cristales se han descrito a lo largo de los años, sin embargo, recientemente la electrocristalización se ha descrito como una técnica que permite obtener de manera fácil y rápida cristales de CaOx. En esta Tesis de Magíster se realizaron ensayos de electrocristalización de CaOx modificando variables experimentales tales como: apertura/cierre de celda electroquímica, temperatura y corriente eléctricas. Finalmente en presencia de aditivos, como es citrato y nanotubos de carbono multipared funcionalizados con diferentes compuestos acídicos: ácido itacónico (AI), monometilitaconato (MMI) y mono-octadecil-itacontato (MODI) fueron evaluados como moldes en los ensayos de electrocristalización de CaOx. Los resultados experimentales mostraron que fue posible controlar selectivamente la morfología de cristales CaOx al variar las variables antes mencionadas obteniendo cristales COM y COD en los ensayos de electrocristalización in vitro. Las variables temperatura y cierre de la celda electroquímica afectaron la nucleación, crecimiento y agregación de cristales CaOx. La superficie de los WE fue cubierta por cristales CaOx de gran tamaño (>100 μm) en celdas electroquímicas (ECCs) sometidas a 60°C. Por otra parte, se obtuvo cristales CaOx de menor tamaño (3 μm a 20 μm) en ECCs sometidas a temperaturas de 23°C. La difracción de rayos-X (XRD) fue utilizada para evaluar la estructura cristalográfica de los cristales CaOx formados en los diferentes ensayos de electrocristalización. La técnica de XRD de CaOx mostró difractogramas correspondiente a COM con predominancia del plano cristalográfico (222), las cuales fueron identificadas por la aparición de picos de difracción entre 25,8-26,2°, e intensidad mayor a 70.000 (u.a). En resumen, MWCNT funcionalizados con grupos acídicos resultaron ser inhibidores más eficientes que el citrato y un orden de inhibición como sigue: MODI < MMI < IA. De esta forma, nuestros resultados sugieren que la técnica de electrocristalización constituiría un método de cristalización efectivo y novedoso para evaluar nuevos aditivos y/o moldes moduladores de la morfología, estructura y polimorfismo de CaOx. / The pathological biomineralization of calcium oxalate (CaOx) within the urinary tract causes a disease called urolithiasis. CaOx has three varieties in Nature: CaOx monohydrate (COM), CaOx dihydrate (COD) and CaOx trihydrate (COT). Among the latter COD and COM represent the majority polymorphs in urinary calculi in mammals. Different ways to obtain crystals have been described over the years; however, recently electrocrystallization has been described as a technique to obtain easily and quickly CaOx crystals. This Master thesis conducted trials of electrocrystallization CaOx modifying experimental variables such as opening/closing electrochemical cell, temperature (T °) and current (V). Finally in the presence of additives, as is citrate and carbon nanotubes multiwall functionalized (MWCNT-FN) with various acidic compounds: itaconic acid (IA), monometilitaconato (MMI) and monooctadecyl itacontato (MODI) were evaluated as templates in CaOx electrocrystallization assays. The experimental results showed that it was possible to selectively control the morphology of CaOx crystals by varying the variables above mentioned inducing COD COM crystals in the in vitro electrocrystallization assays. The variables temperatura (T°) and closing of the electrochemical cell affected nucleation, crystal growth and aggregation of CaOx. The WE surface was covered by the presence of large CaOx crystals (> 100 μm) in electrochemical cells (ECCs) under 60 °C. On the other hand, smaller CaOx crystals (3 μm to 20 μm) was obtained in CCTs under lowerer temperatures (23°C). The X-ray diffraction (XRD) analysis showed a typical COM diffractogram with predominance of crystallographic faces (222), which were identified by the appearance of diffraction peaks between 25,8-26,2°, and the greater intensity 70,000 (u.a). In summary, functionalized MWCNT with acidic groups they were found to be more efficient than citrate and all of them showed the follow inhibition order: MODI <MMI <IA. Thus, our results suggest that the electrocrystallization technique should be an effective and novel crystallization method to evaluate new additives and/or modulators templates of the morphology, structure and polymorphism of CaOx. / Financiamiento: Proyecto Fondecyt no. 1140660.

Memoria para optar al Título Profesional de Médico Veterinario / La dipalmitoilfosfatidilcolina (DPPC), comúnmente conocida como lecitina, es una molécula ampliamente utilizada para estudiar el efecto de los lípidos en el proceso de biomineralización, debido a que constituye uno de los fosfolípidos más abundantes en la membrana celular. En este sentido, al evaluar su efecto en la cristalización del CaCO3, se ha determinado que no sólo es capaz de actuar como plantilla para la cristalización, sino también, que puede modificar la morfología de los cristales obtenidos. En el presente estudio se utilizó el método de difusión de gases para evaluar el efecto de cuatro soluciones de lecitina de diferentes concentraciones, en la cristalización del CaCO3 in vitro, con el objetivo de analizar la importancia de la disposición espacial de las micelas de lecitina en la nucleación de los cristales de CaCO3. Los resultados fueron analizados mediante SEM y una espectroscopia Raman, a través de los cuales se pudo establecer la presencia de dos polimorfos de CaCO3 denominados calcita y vaterita. Asimismo, se observaron abundantes alteraciones en la superficie de ambos polimorfos dependiendo de la concentración de lecitina utilizada, lo cual permitió concluir que el tipo de micela, ya sea tradicional o inversa, y su disposición espacial, no sólo pueden modificar la morfología de los cristales de CaCO3 obtenidos, sino también, que son capaces de determinar la formación de los distintos polimorfos observados, aspecto que refleja la presencia de nucleación de cristales a nivel intramicelar e intermicelar / FONDECYT 1120173 y Proyecto 5788 Universidad de Chile-Universidad de Bolonia

Memoria para optar al Título Profesional de Médico Veterinario / La concha del caracol Helix aspersa ha sido estudiada como modelo biomineral por poseer una fase orgánica y una inorgánica. Se sabe que su producción es responsabilidad del manto. Mediante estudios histológicos, se vio que en su mayoría corresponde a un epitelio cilíndrico que disminuye su grosor hacia el centro y que en el borde posee tres pliegues y glándulas glomerulares. Estas peculiaridades podrían explicar que sólo el borde sea capaz de formar tanto la porción biomineral como el periostraco, en tanto el resto del manto no produce este último. En cuanto a la composición de la concha se sabe que la fase orgánica corresponde a proteínas, polisacáridos, proteoglicanos y lípidos y la inorgánica a cristales de aragonita. En la presente memoria se evaluó si el uso de un sustrato externo, matriz orgánica de picoroco, puede influenciar el polimorfo de CaCO3 producido luego de la realización de una injuria y su posterior reparación. Se usaron tres grupos de caracoles, un control con la injuria expuesta al ambiente, un control cubierto con Parafilm® y un grupo experimental con sustrato. Se observó por microscopía SEM, espectroscopía RAMAN y FTIR que la fase inorgánica corresponde a aragonita. Si bien no se vio influencia, es necesario estudios en periodos más breves que pudiesen evidenciar lo contrario

El desarrollo de nuevos materiales es de vital importancia para el avance tecnológico, en las áreas tales como semiconductores, óptica, electrónica y biomédicas. Una ruta para la síntesis de estos nuevos materiales es lo que se denomina como biomimética. Los seres vivos en condiciones ambientales de presión y temperatura producen materiales inorgánicos con características muy específicas. Este proceso se conoce como la biomineralización donde la presencia y participación de algunos biopolímeros determina la morfología, orientación cristalina y la fase cristalina de las estructuras utilizadas para sus distintos usos por estos seres vivos. El estudio y su posterior desarrollo de materiales bioinspirados tendrán un fuerte impacto a nivel tecnológico. Se ha estudiado en esta tesis el efecto de diferentes grupos funcionales contenidos en algunos biopolímeros, usados como agentes mineralizadores, sobre la cristalización in Vitro de carbonato de calcio. Todos los aglomerados de carbonato de calcio obtenidos fueron caracterizados por microscopia electrónica de barrido y difracción de rayos X. No fue posible realizar la caracterización de los aglomerados obtenidos al usar mezcla de Quitosano/Alginato (Qui/Alg) por difracción de rayos X; en su remplazo se utilizó espectrofotometría infrarroja. Se utilizaron quitosano, (Qui), gelatina (Gel), alginato, (Alg) y κ-carragenato (Carr) en solución y/o liofilizado además de mezclas liofilizadas de Qui/Alg con diferentes composiciones como agente mineralizador. Se obtuvieron aglomerados de carbonato de calcio en las que coexisten los polimorfos calcita y vaterita al usar como agente mineralizador alginato, quitosano y/o mezclas de Qui/Alg liofilizadas. Al usar las mezclas Qui/Alg liofilizadas se obtuvieron los polimorfos aragonita y carbonato de calcio hexahidratado. También se obtuvieron aglomerados de calcita con orientaciones cristalográficas diferentes a las normalmente observadas, ademas calcitas y vaterita con morfologías no informadas en la literatura anteriormente. Por otra parte se realizó la modificación química del Qui con el fin de aumentar e incorporar nuevos grupos funcionales a este biopolímero y estudiar su efecto en la cristalización de carbonato de calcio. Se sintetizaron sulfato de quitosano y quitosano injertado con poli acido acrílico (PAA) o poliacrilamida (PAAM) y se estudiaron sus efectos sobre la cristalización de carbonato de calcio. Además se prepararon mezclas de PAAM y Qui con el fin de comparar su comportamiento en la cristalización de carbonato de calcio con los quitosanos modificados. Los resultados obtenidos muestran que al realizar la cristalización de carbonato de calcio en presencia de sulfato de quitosano se obtiene cristales de calcitas modificados debido al mayor crecimiento de un plano específico. El uso de Qui injertado con PAA como agente mineralizador genera aglomerados de carbonato de calcio con una morfología toroidal la que no ha sido reportada anteriormente. Cuando se utilizó como agente mineralizador el Qui injertado con PAAM se obtuvo cristales de sulfato de calcio. Esto se debe al uso de persulfato de potasio como iniciador en la reacción de injerto. Los iones sulfatos generados por la descomposición del persulfato de potasio se asocian selectivamente con los grupos amidos de la PAAM y como consecuencia se produce la cristalización de sulfato de calcio. Además, se utilizaron películas hibridas órgano-inorgánicas como agente mineralizador para el estudio de cristalización de carbonato de calcio. Estas películas fueron preparadas mediante el método sol-gel, donde el componente orgánico es Qui y la contraparte inorgánica proviene de la hidrólisis de tetraetilortosilicato (TEOS) o (3-aminopropil) trietilsilano (APS). Como era de esperar, las diferencias estructurales de ambos silicatos modificaron el entorno en que cristalizan las sales de calcio. Todas las mezclas híbridas produjeron calcita. Las morfologías de calcitas obtenidas son diferentes a lo observado normalmente al usar el híbrido Qui/TEOS/QuiS como agente mineralizador. Las mezclas híbridas Qui/TEOS generaron calcitas laminares y vateritas esféricas, mientras mezclas híbridas de Qui/PAPS y Qui/APS/QuiS produjeron aglomeraciones de aragonitas con forma de rosetas.

Memoria para optar al Título Profesional de Médico Veterinario / El estudio de las biocerámicas ha alcanzado grandes avances en los últimos años al lograr un mayor entendimiento de la formación de éstas, ya sean huesos, cáscara de huevo de aves, conchas de moluscos, urolitos o corales. Pero aún faltan muchos aspectos por comprender, como lo es la participación de las moléculas de la matriz orgánica, entre ellas los proteoglicanos, poco estudiados en cuanto a su ubicación y función en el proceso de biomineralización. Por esto se planteó como objetivo determinar su presencia y distribución en una biocerámica cuya matriz orgánica ha sido descrita en parte, la concha del abalón rojo (Haliotis rufescens), pero en la que los proteglicanos no han sido descritos. Para ello, en primer lugar se realizó un análisis estructural de la concha a través del uso de microscopía electrónica de barrido, y se utilizaron muestras descalcificadas parcialmente, las cuales aportaron un mayor entendimiento a la composición de los componentes orgánico e inorgánico de la porción aragonítica de la concha. Utilizando la misma técnica microscópica, se procedió a determinar la presencia de GAGs (glicosaminoglicanos) en la matriz orgánica por medio de inmunodetección; para lograrlo se obtuvieron cortes de concha desproteinizadas parcialmente, en las cuales se encontraron estos proteoglicanos y se describió una cierta distribución diferencial. También se utilizó microscopía electrónica de transmisión como apoyo para describir la presencia y localización de los GAGs en la concha, para lo cual se realizaron cortes finos de muestras descalcificadas y a través del uso de la técnica de inmunoro se reveló la existencia de estos proteoglicanos y su ubicación en la matriz orgánica. Queratán sulfato se presentó principalmente en la mesocapa y aragonita esferulítica, por lo que podría estar interviniendo en la nucleación de cristales de aragonita. Condroitín 4 sulfato, Condroitín 6 sulfato y Dermatán sulfato se ubicaron a nivel de las matrices de la aragonita en tabletas, determinando posiblemente la morfología de este tipo de aragonita, y Condroitín 4 sulfato también fue hallado en la matriz de la aragonita en bloques, por lo que puede estar influyendo la disposición de los cristales de aragonita en bloque en esta zona. Estos resultados sugerirían que al existir una localización diferencial de los proteoglicanos a través de la porción aragonítica de la concha, existe una función específica para cada uno de ellos en el proceso de biomineralización. / FONDAP 11980002

El hierro es un elemento fundamental para la vida, siendo imprescindible en procesos vitales como el transporte de oxígeno, la transferencia de electrones, reacciones enzimáticas, metabolismo aeróbico, la fotosíntesis o la fijación de nitrógeno. Dada la relevancia de este elemento en rutas metabólicas centrales para el desarrollo de la vida, no nos tiene que sorprender el gran número de enfermedades que están asociadas a problemas relacionados con el metabolismo del hierro. Las especies patológicas con hierro que aparecen en el marco de algunas enfermedades son materiales nanométricos cuya caracterización presenta grandes dificultades. El conocimiento en detalle de estas especies puede tener gran relevancia en situaciones tan diferentes como la mejora de técnicas de diagnóstico de la malaria o el tratamiento de enfermedades neurodegenerativas. / Iron is a fundamental element for life, being essential in vital processes such as oxygen transport, electron transfer, enzymatic reactions, aerobic metabolism, photosynthesis or nitrogen fixation. Given the relevance of this element in metabolic routes central to life development, it is unsurprising that a great number of pathologies are linked to iron metabolism problems. Iron pathological species that appear in the frame of some diseases are nanometric materials, whose characterization presents huge difficulties. Detailed knowledge of these species may have great relevance in different problems such as the improvement of malaria diagnostic techniques or the treatment of neurodegenerative diseases.