Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Ingeniería Química / En el presente trabajo de investigación se sintetizó materiales nanoestructurados de óxido de cinc mediante la técnica de sol gel. Con el objetivo de mejorar sus capacidades fotocatalíticas en la síntesis se incorporó cantidades conocidas de metales (dopaje), a saber, Cu, Fe y Ag, esto para producir cambios en su morfología y estructura cristalina. Se incorporó cobre en un 0.5, 1, 1.5 y 2% en fracción molar, hierro en un 0.25, 0.5, 0.75 y 2% en fracción molar y plata en un 0.5, 2, 3, 6 y 9% en fracción molar. Para caracterizar los materiales se realizó medidas de área superficial BET, microscopía electrónica de barrido, microscopía de transmisión electrónica, microscopía de transmisión electrónica de alta resolución, difracción de rayos X (DRX), fluorescencia de rayos X (FRX), espectroscopía infrarroja con transformada de Fourier (FTIR), espectroscopía micro-Raman, fotoluminiscencia (FL), y espectroscopía UV visible. Finalmente se llevaron a cabo pruebas de fotocatálisis con luz visible para evaluar las potenciales mejoras en el rendimiento de los materiales, y se determinaron las constantes cinéticas de aquellos que evidenciaron el mayor rendimiento en descontaminación de agua. Se obtuvo muestras de tamaño nanométrico con una morfología de partícula en el caso de hierro y plata. En el caso de cobre la morfología fue varillas. S observó que la incorporación de hierro y plata en el óxido de cinc favorecen la fotocatálisis, no así el cobre.

Ingeniera Civil / El arsénico ha sido declarado un contaminante carcinógeno y de elevada toxicidad, que afecta a más de 150 millones de personas en el mundo. En Chile se presentan altos niveles del contaminante en el agua, por causas naturales y antropogénicas, mayoritariamente en la zona centro y norte del país, donde las plantas de tratamiento usan tecnologías costosas y complejas de operación, como oxidación-filtración, osmosis inversa, procesos de membrana, entre otros. Actualmente se desarrolla el proyecto Sol-Arsenic, de remoción de arsénico con nanomateriales desarrollados especialmente. El objetivo de esta investigación, es estudiar la capacidad de adsorción y foto-oxidación de los nanomateriales desarrollados, frente a parámetros hidráulicos que rigen el comportamiento de la tecnología a implementar, en particular número de Reynolds, con el fin de potenciar la eficiencia del sistema y determinar posible desorción del arsénico adsorbido en el nanomaterial. Para esto, se realizan dos sistemas experimentales: el primero, a pequeña escala en reactor batch y el segundo, una maqueta de escala industrial en sistema continuo. De los resultados obtenidos, en ningún caso se observa desorción del contaminante desde los nanomateriales. En batch se alcanza un porcentaje de remoción del 96\%, mientras en sistema prototipo un 86\%. Por otro lado, se concluye que la adsorción de As(III) es más sensible a la velocidad de agitación del medio que la adsorción de As(V) y que el número de Reynolds debe ser turbulento para promover la mezcla. Finalmente se recomienda mejorar el sistema de agitación en tanque y ampliar el foto-reactor. / 18/01/2020

Hoy en día, las infecciones bacterianas intrahospitalarias representan la séptima causa de mortalidad en el mundo, por ésta razón la demanda de nuevos materiales biocidas se ha incrementado. Los nanocompósitos bactericidas son de gran interés debido a su versatilidad y fácil procesamiento, estos pueden ser preparados en base a metales bactericidas, como el cobre, que ha sido usado como agente antimicrobiano por siglos. Se ha comprobado que el cobre a nivel nanométrico aumenta sustancialmente su toxicidad, sin embargo esta ventaja se pierde debido a las grandes fuerzas de atracción entre las partículas, las cuales provocan aglomeraciones. Es por esto que la dispersión de nanopartículas ha sido uno de los grandes desafíos de la nanotecnología. El presente trabajo tiene como objetivo optimizar la dispersión de nanopartículas de cobre en una matriz de polipropileno y relacionar la disminución de aglomerados con la cantidad de iones que liberan, con el fin de reducir la carga de relleno para mantener resultados antibacterianos y optimizar costos. Para ello, se estudió las principales variables de procesamiento en la preparación de compósitos, tales como velocidad de mezclado, uso de compatibilizante, nanopartículas previamente disueltas en solventes y síntesis de nanopartículas funcionalizadas para combatir aglomeraciones. Como resultado se logró optimizar la dispersión de nanopartículas de cobre en polipropileno. Las mezclas realizadas con compatibilizante, nanopartículas dispersas en etanol y nanopartículas funcionalizadas presentaron el menor tamaño de aglomerados, y a su vez la mayor lixiviación de iones de cobre en el tiempo. Estas metodologías simples y económicas son fácilmente escalables a nivel industrial y dan pie a la producción masiva de nanomateriales, al alcance de los consumidores.

Magíster en Ciencias, Mención Física / En este trabajo se presenta la teoría para estudiar los modos de oscilación de plasmones y magnones en un lm geométricamente modulado y se analiza la respuesta de la polarización y magnetización, respectivamente, al aplicar un campo externo paralelo al eje de simetría de la perturbación. La geometría en cuestión corresponde a un lm delgado ferromagnético para el análisis de los magnones y dieléctrico en el caso de los plasmones. El lm posee una modulación periódica de sus superficies en una cierta dirección. El estudio se realizó suponiendo que la escala relevante de la nano-estructura, en este caso el ancho del lm, es pequeña en comparación con la longitud de onda de la radiación incidente, esto corresponde al límite estático. En este caso se pueden despreciar los efectos de retardo, no existen efectos inductivos y los problemas eléctricos y magnéticos se desacoplan y por lo tanto se pueden estudiar las respuestas plasmonicas y magnonicas separadamente. Utilizando elementos de variable compleja se obtuvieron ecuaciones integrales para los potenciales electro-estáticos y magneto-estáticos en el borde de la muestra; luego, utilizando una base adecuada para la descripción del potencial en el borde las ecuaciones integrales se transforman en un problema matricial de valores y vectores propios. Los potenciales en el interior y exterior de la estructura y la respuesta a un campo externo se pueden obtener integrando adecuadamente el potencial en el borde. La ventaja al utilizar ecuaciones integrales es que se pueden resolver geometrias complejas. Se realizaron simulaciones numéricas para estudiar los modos normales en el caso plasmónico y magnónico. Los modos estudiados se propagan perpendicularmente a la perturbación de la superficie. La periodicidad de la geometría genera modos de Bloch análogos a los que se encuentran para electrones en redes cristalinas periódicas y se puede apreciar la aparición de bandas prohibidas. Para perturbaciones geométricas sinusoidales de pequeña amplitud se puede calcular analíticamente el ancho de las bandas permitiendo el diseño de dispositivos que cumplan ciertos requerimientos.

En esta tesis se estudiaron varios sistemas de anfifilos mezclados que involucran moléculas de estructura no tradicional, como lo son las sales biliares,ácidos biliares y análogos. Sus divergencias estructurales con los surgactantes convencionales hace que presenten un comportamiento de agregación atípico que es mucho más acentuado en sistemas mezclados. El estudio se dividió en cuatro partes principales: (a) comportamiento de agregación en solución acuosa, (b) comportamiento de la interfase aire-solución en monocapas extendidas o de Langmuir y (d) síntesis de materiales nanoestructurados bioactivos de SiO2. Tanto el comportamiento de agregación en solución como el inerfacial reveló que las mezclas de la sal biliar deoxicolato de sodio (NaDC), el derivado artificial dehidrocolato de sodio (NaDHC) y el surfactante catiónico de dos colas bromuro de dimetildidodecilamonio (DDAB) son no ideales en todas las proporciones. Los estudios se realizaron de a pares NaDC-NaDHC, NaDHC-DDAB y NaDC-DDAB; asimismo se evaluó la presencia de agregados pre-micelares del tipo jabón ácido. Se pudo determinar que las soluciones acuosas de las mezclas de NaDC-NaDHC están constituidas por micelas esféricas, mientras que para el sistema NaDHC-DDAB se encontró un proceso de agregación en dos pasos, en un primer paso se forman micelas y en un segundo vesículas multilaminares con diámetros entre 200 y 600 mm, siendo esto últimos dependientes de la composición de la mezcla. El sistema NaDC-DDAB, sin embargo, presentó solo vesículas unilamelares de 1-2 mm de diámetro. Estas diferencias se deberían a la perturbación estérica que causa la intercalación del esqueleto colestérico en los agregados mezclados, lo cual se confirmó al evaluar su comportamiento interfacial. Aquellos sistemas que dieron lugr a agregados de estructuras novedosas se empleatron como moldes para obtener materiales porosos de siliciol. Se obtuvieron materiales tipo esponja que resultaron tener una organización similar al hueso trabecular. La estructura final de los materiales proviene de una transición de fases de vesícula a una fase bicontínua tipo esponja, la fuerza directriz de la transformación sería la interacción de las sales biliares y el DDAB con los precursores de silicio (tetraetlortosilicato de sodio, TEOS) durante la etapa de polimerización en la síntesis del material. Dependiendo del tipo y cantidad de sal biliar enla mezcla plantilla, la curvatura de los agregados se puede dar hacia el lado polar o apolar, llevando a morfologías finales diferentes. El esqueleto esteroidal altamente hidrofóbico de la molécula de NaDHC causa una gran perturbación en la mezcla usada como plantilla y solo las mezclas con aNaDHD = 0,2 y 0,4 produjeron materiales conuna estructura definida (aNaDHC: fracción molar de NaDHC en la muestra sin tomar en cuenta el solvente). Bajo ciertas condiciones de síntesis específicas, los materiales presentatron un comportamiento bioactivo. Este último se determinó por la capacidad del material de desarrollar sobre su superficie una cubierta de hidroxiapatita similar a la ósea en contacto con fluidos fisiológico simulado. Suponemos que sus propiedades están relacionads con los mesoporos y alta proporción de puentes siloxanos en sus estructuras. / This thesis studies various mixed systems inolving non-traditional structure amphiphilic molecuels, sucha as bile salts, bile acids and analogs. Their structural differences with conventional surfactnts causes an atypical aggregation behavior that is much more pronounced in mixed systems. The study was divided into three main parts: (a) aggregation behavior in aqueours solution, (b) behavior of adsorrbed monolayers (or GHibbs monolayers) at the air-solution interface, (c) behavior of spread monolayers (orLangmuir monolayers) at the air-solution inferfaceand (d) synthesis of bioactive SiO2 nanosturctured materials. The aggregation behavior in solution and at the air-solution interface revealed that mixing of bile salt sodium deoxycholate (NaDC), the artificial sodium dehydrocholate derivative (NaDHC) and the two-tailed cationic surfactant dimethyldidodecylamonium brinude (DDAB), is non-ideal in all proportions. Studies were perfomed by pairs: NaDC-NaDHC, NaDHC-DDAB and NADC-DDAB. The presence of acid soap-like premicellar aggregates was also evaluated. It was found that aqueous solutions of mixtures of NADC-NaDHC consist of sphericalmicelles, while for the mixed system NaDHC-DDAB aggregation occurs in two steps. In a first step miclles form and then grow in a second sept to multilamellar vesicles with sizes between 200 and 600 mm, varying the composition of the mixture . However, the NaDC-DDAB mixed system showed only unilamellar vesicles, about 1-2mm diameter. These differences are due to steric disturbance caused by intercalation of cholesteric skeketon in mixed aggregates; this was confirmed by evaluating interfacial behavior. Those stystems which gave aggregates with novel structures were used as templates to obtain porous silicon materials. Sponge-like materials were obtained, which have been proven to have a similar organization to the trabecular bone. The final structure of the materials comes from a phase trnsition from vesicles to a sponge-like phase. The driving force of the process would be the interaction between bile salts and DDAB with silicon precursor (sodium tetraethylorthosilicate, TEOS) during polymerization step in thesynthesis of the material. Depending on the type and amount of bile salt in the template mixture, the curvature of the aggregates can be to the polar or a-polar side, leading to different final morphologies. The highly hydrophobic NaDHC steroid skeleton causes a great disturbance in the mixture used as a template and only mixtures with aNaDHC= 0.2 and 0.4 produced materials with a defined structure. Under certain specific synthesis conditions, te materials exhibited bioactive behavior. Bioactivity was determined by the material capacity of developing a hydroxylapatite coating on its surface, similar to the bone, in contact with simulated physiological fluids. We suppose that their properties are related to the high proportion of mesopores and siloxane bridges in their structure.

En la ciencia de los biomateriales empleados en la regeneración de tejido óseo es esencial desarrollar dispositivos implantables que sean tanto biocompatibles como bioactivos. Además, es sabido que la presencia de especies reactivas de oxígeno que conducen al estrés oxidativo celular y, consecuentemente al retardo en el tiempo de curación de la herida en el sitio de implantación, puede controlarse usando nanopartículas de dióxido de cerio (CeO2) o nanoceria –capaces de alterar su estado de oxidación (de III a IV). En base a estos dos hechos, la presente propuesta se enfoca al diseño de materiales aplicables a la construcción de implantes de tejido óseo basados en dióxido de titanio (TiO2) modificados con nanoceria. El dióxido de titanio es un material generalmente reconocido como biocompatible cuando está presente en la superficie de implantes metálicos de titanio, por lo cual representa un elemento de partida conveniente para el desarrollo de estos nuevos materiales. La presencia de nanoceria permitiría controlar la producción de especies reactivas de oxígeno favoreciendo el crecimiento de nuevo hueso y la biointegración del implante. Para la síntesis de los materiales se emplearon sistemas de microemulsiones agua/butanol/CTAB/heptano como agentes directores de estructura, utilizando isopropóxido de titanio y tripentanoato de cerio como precursores inorgánicos de Ti y Ce, respectivamente. La incorporación del Ce se realizó de dos maneras: disolviendo la sal en el cosurfactante o como nanopartículas de CeO2 suspendidas en la fase oleosa de la microemulsión. Luego de estudiar y optimizar las condiciones de síntesis, se obtuvieron tres materiales: A (TiO2), B (Ce-TiO2) y C (CeO2- TiO2). Asimismo, y como parte del proceso de optimización de las condiciones de síntesis, se evaluó una serie de materiales con contenido creciente de cerio, que se ha dado en llamar B1-B8, por sus condiciones de síntesis análogas a la del material B. Por sus particularidades morfológicas y de almacenamiento de oxígeno, también se dedica una parte de este trabajo de investigación al estudio de sus propiedades. Se estudiaron las propiedades texturales y químicas, lo cual incluye la determinación del tamaño de partículas, el grado de hidrofobicidad, la estructura cristalina, la topografía y tamaños de poro. La capacidad de un material para integrarse con el tejido óseo fue evaluada examinando la interacción con una proteína plasmática modelo, albúmina, y la habilidad del mismo para inducir la formación de hidroxiapatita (HAp) sobre su superficie cuando es sumergido en suero fisiológico simulado, que es una solución cuya concentración de iones es comparable a la del plasma sanguíneo. Como resultado de este ensayo pudo observarse que los materiales A, B y C son capaces de inducir la formación sobre su superficie de una capa de cristales de fosfatos de calcio cuya relación Ca/P es comparable con la de HAp estequiométrica. Debido a que gran parte del daño tisular provocado durante el proceso de implantación es atribuido a la presencia de radicales NO• y O2 •- que son liberados, en condiciones fisiológicas, por macrófagos activados y neutrófilos, resultó interesante evaluar la capacidad de los materiales aquí presentados para eliminar estas especies reactivas de oxígeno. In vivo, la reacción de estos radicales conduce a la formación de peroxinitrito (ONOO-) y peróxido de hidrógeno (H2O2), dos moléculas con alto poder oxidante y, por lo tanto, citotóxicas. Se realizaron ensayos de degradación de estas especies reactivas, observándose que los materiales A, B y C son capaces de acelerar la descomposición de ONOO-; y que B es capaz de descomponer H2O2 en presencia de aniones fosfato mediante dos mecanismos diferentes que son dependientes de la concentración. La biocompatibilidad de los materiales, esto es, su capacidad para interactuar con tejidos vivos sin causar toxicidad o reacciones fisiológicas negativas, es una característica que también fue estudiada en el transcurso de esta tesis. Para ello se realizaron estudios de viabilidad y morfología celular utilizando cultivo primario de osteoblastos de calvaria de rata y una línea celular de fibroblastos de ratón (L929). En ambos casos no se observaron diferencias significativas en la viabilidad luego de 24, 48 y 72 horas de incubación en presencia de los materiales ni tampoco cambios morfológicos en los osteoblastos. El estudio con fibroblastos arrojó algunas diferencias entre los materiales respecto de la supervivencia y la capacidad de adhesión luego de 24 horas de incubación, poniéndose de manifiesto la existencia de una potencial incompatibilidad biológica del material C. Finalmente se evaluó el efecto citoprotector frente al estrés oxidativo inducido por H2O2, con particular hincapié en el material B, debido a sus propiedades bioactivas, biocompatibles y óxido reductoras. El estudio se realizó utilizando fibroblastos de ratón (L929) como modelo celular, observándose un claro aumento en la supervivencia de aquellas células tratadas con B respecto de las células sin tratar y de las tratadas con el material sin cerio (TiO2). Se observó también que el efecto citoprotector es concentración dependiente. De este trabajo se destaca el desarrollo de un material basado en dióxido de titanio y dopado con cerio (material B, Ce-TiO2), obtenido a través de un método sencillo. Este material combina características morfológicas, topográficas y químicas apropiadas que lo convierten en un candidato potencial para su uso en implantes por su capacidad para promover su osteointegración y al mismo tiempo, de proteger al tejido circundante frente al estrés oxidativo producto del proceso de inserción quirúrgico. / In the science of biomaterials used in bone tissue regeneration it is essential to develop implantable devices that are both biocompatible and bioactive. It is also known that the presence of reactive oxygen species (ROS) leading to cellular oxidative stress at the site of implantation and the consequent wound healing delay, can be controlled using cerium dioxide (CeO2) nanoparticles, nanoceria –that are able to alter their oxidation state (from III to IV). Based on these two facts, this proposal focuses on the design of materials applicable towards the construction of bone tissue implants based on titanium dioxide (TiO2) modified with nanoceria. Titanium dioxide is generally regarded as biocompatible when it is present on the surface of metallic titanium implants. Therefore, it represents a suitable starting element for the development of these new materials. The presence of nanoceria would allow controlling the production of reactive oxygen species favoring newly bone formation and the bio-integration of the implant. For the synthesis of the materials, microemulsion based on water/CTAB/butanol/heptane system were used as structuring agents, using titanium isopropoxide and cerium tripentanoate as inorganic precursors of Ti and Ce, respectively. The incorporation of cerium was performed in two ways: either by dissolving the salt in the co-surfactant or by suspended CeO2 nanoparticles in the oleic phase of the microemulsion. After studying and optimizing the synthesis conditions, three materials were obtained: A (TiO2), B (Ce-TiO2) and C (CeO2-TiO2). Also, as part of the process of optimization of the synthesis conditions, a series of materials was evaluated with increasing content of cerium, which has been called B1-B8, because their synthesis conditions were similar to those applied to obtain material B. Due to their morphological and oxygen storage features, a part of this research is also dedicated to the study of their properties. Regarding the materials A, B and C, textural and chemical properties were studied, including the determination of particle size, hydrophobicity, crystal structure, topography and pore sizes. The ability of a material to integrate with bone tissue was evaluated by examining the interaction with a model of plasmatic protein, albumin, and also the ability to induce the formation of hydroxyapatite (HAp) on its surface when it is immersed in simulated body fluid that is a solution which its ion concentration is comparable to that of blood plasma. As a result of this trial it could be observed that materials A, B and C are able to induce the formation of a layer of calcium phosphate crystals and their Ca/P ratio is comparable to that of stoichiometric HAp. Due to a great extent of the tissue damage caused during the implantation process is attributed to the presence of radicals NO• and O2 •-, which are released by activated macrophages and neutrophils under physiological conditions, it was interesting that test the ability of materials presented here to eliminate these reactive oxygen species. In vivo, the reaction of these radicals leads to the formation of peroxynitrite (ONOO-) and hydrogen peroxide (H2O2), two highly oxidant molecules; therefore, cytotoxic. Degradation assays for these ROS were carried out, observing that materials A, B and C are able to accelerate the decomposition of ONOO-; B, on the other hand, is also able to decompose H2O2 in presence of phosphate anions by two different mechanisms that are concentration-dependent. The biocompatibility of these materials, this is, their ability to interact with living tissues without causing toxicity or adverse physiological reactions, is a feature that was also studied during this research. These experiments involved the evaluation of viability and cell morphology of two cellular models: primary culture of pre-osteoblasts from rat calvaria and a cell line of mouse fibroblasts (L929). In both cases no significant differences in viability or morphological changes were observed in pre-osteoblasts after 24, 48 and 72 hours of incubation in presence of the materials. The study with fibroblasts showed some differences between materials in terms of rate of survival and their adhesion ability after 24 hours of incubation, demonstrating the existence of a potential biological incompatibility of material C. Finally the cytoprotective effect against oxidative stress induced by H2O2 was evaluated, with particular emphasis on material B, due to its bioactive, biocompatible and redox properties. The study was performed using mouse fibroblast (L929) as cell model, showing a visible increase in the survival rate of those cells treated with material B when compared to untreated cells and/or cells treated with the material without cerium (TiO2). It was noted that the cytoprotective effect is also concentration-dependent. From this work it stands out the development of a novel material based on titanium dioxide and doped with cerium (material B, Ce-TiO2), obtained through a simple method. This material combines suitable morphological, topographic and chemical characteristics that make it a potential candidate for bone implant due to its ability to promote osseointegration while protecting the surrounding tissue against oxidative stress resulting from the process of surgical insertion.

El hueso es un tejido mineralizado formado por una matriz compleja en sus diferentes niveles jerárquicos que van desde la macro a la nanoescala. La biomineralización ósea ocurre mediante un proceso que involucra la formación y el control morfológico de cristales inorgánicos de apatita biológica mediante sistemas autoensamblados de moléculas que actúan como nanoreactores; éstos ejercen un control exquisito sobre la nucleación, crecimiento y modelado de los minerales. El entendimiento de estos procesos biológicos ha servido como como fuente de inspiración para la obtención de biomateriales sintéticos. La hidroxiapatita (HA, Ca5(PO4)3(OH)) sintética, es un material comúnmente utilizado en ingeniería de biomateriales por sus propiedades fisicoquímicas y biológicas únicas, que le proporcionan una buena biocompatibilidad, excelente habilidad para formar enlaces químicos con el tejido óseo y apropiada osteoconductividad. Actualmente, uno de los desafíos de la ingeniería de tejido óseo consiste en el diseño de una matriz capaz de imitar las propiedades del hueso a modo de proporcionar un reemplazo temporal del tejido lesionado, y a su vez con una velocidad de biodegradación adecuada que permita la reparación y regeneración del tejido. Teniendo en cuenta las consideraciones mencionadas previamente, los objetivos planteados para este trabajo de investigación fueron (i) obtener HA nanocristalina a partir de la precipitación organizada de los cristales en sistemas autoagregados formados por el anfifilo CTAB y distintos polímeros como agentes directores de estructura y (ii) evaluar el potencial efecto reparador del tejido óseo de los materiales obtenidos. Se utilizaron plantillas CTAB/polímero diferentes para obtener cuatro materiales que presentaron una composición química análoga a la apatita biológica presente en el hueso, pero con características topográficas diversas influenciadas por las interacciones específicas entre los sistemas híbridos CTAB/polímero y las sales inorgánicas en solución. Para analizar el comportamiento de los materiales en un entorno biológico fueron inmersos en diferentes soluciones fisiológicas simuladas para probar sus propiedades de biodegradación, bioactividad y adsorción de albúmina. La biocompatibilidad in vitro de los mismos se comprobó utilizando osteoblastos y células madre mesenquimales (MSC). En estos ensayos se analizaron los siguientes aspectos: (i) viabilidad y diferenciación de osteoblastos; (ii) adhesión de MSC en cubiertas de HA y (iii) adhesión, integridad del citoesqueleto y genotoxicidad de MSC en cubiertas híbridas biomiméticas HA / colágeno tipo I. Finalmente, se estudió la influencia de las nanopartículas en la coagulación. Los resultados de este trabajo demostraron que es posible controlar las características fisicoquímicas y la rugosidad de los materiales utilizando diferentes sistemas como directores de estructura, las cuales tienen una gran influencia en las respuestas generadas en un entorno biológico simulado. Además, se ha logrado obtener con éxito un material de HA que induce respuestas favorables en los ensayos de bioactividad, biocompatibilidad in vitro y en la activación de la coagulación, todos ellos indicadores indirectos de su potencial efecto osteoinductor in vivo. La información generada resalta la influencia de las características superficiales de los biomateriales para determinar su potencial uso en regeneración de tejido y su futura aplicación como parte de andamios en ingeniería de tejido óseo. / Bone is a mineralized tissue composed by a complex matrix arranged in different hierarchical levels of organization going from macro- to nanoscales. Bone tissue biomineralization involves a control and formation of inorganic crystals of biological apatite by self-assembled systems of molecules that act as nano-reactors controlling nucleation and growth of minerals. Understanding from biological process has led to important advances in the manufacture of synthetic biomaterials. Synthetic hydroxyapatite (HA, Ca5(PO4)3(OH)), is a material commonly used in biomaterial engineering due to its unique physicochemical and biological properties such as good biocompatibility, excellent ability to form chemical bonds with bone tissue and appropriate osteoconductivity. Nowadays, one of the challenges of bone tissue engineering consists of designing a bioactive matrix capable of mimicking the natural properties of bone while providing a temporary replacement for the injured tissue with a suitable biodegradation rate, and thus sustaining tissue repair and regeneration. Therefore, the objectives for this thesis were (i) to obtain nanocrystalline HA using inorganic crystal precipitation in self-assembled systems of CTAB and polymers as structure directing agents and, (ii) to evaluate the potential bone tissue regenerative effect of HA nanomaterials. During the synthesis, templates of four CTAB / polymer systems were used in order to obtain materials with similar chemical composition of biological apatite, but with different topographies generated by each micelle/polymer system and inorganic minerals hybrid interaction. Firstly, materials were immersed in different simulated fluids to test their properties: biodegradation, bioactivity and albumin adsorption. The materials’ biocompatibility was tested in the presence of both, osteoblasts and mesenchymal stem cells (MSC). The following assays were performed: (i) immature osteoblasts’ viability and differentiation, (ii) MSCs’ adhesion onto nano-HA materials coatings, and (iii) MSCs’ adhesion, cytoskeletal integrity and genotoxicity onto HA/collagen type I coating. Finally, the influence in coagulation process by HA nanoparticles was studied. The results obtained in this research have showed that it is possible to control the physicochemical and roughness characteristics of the materials by using different structural systems directors, which have dissimilar responses in simulated biological environments. Additionally, we successfully synthesized a HA material that induce favorable responses in bioactivity, biocompatibility and coagulation in vitro assays; suggesting its in vivo osteoinductive potential. These results highlight the influence of material’s surface characteristics to determine their tissue regeneration potential to be applied for engineering osteogenic scaffolds.

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Tesis para optar al grado de Doctora en Ciencias Farmacéuticas / Las nanobarras de oro son nanomateriales muy interesantes para su uso en la terapia de diferentes patologías como cáncer o la enfermedad de Alzheimer, ya que poseen la capacidad de absorber gran cantidad de energía en la región del infrarrojo cercano, en la cual los tejidos biológicos son transparentes a la radiación, y disiparla en forma de calor. No obstante para una eventual terapia, estos nanomateriales deben llegar a su blanco terapéutico que en el caso de la enfermedad de Alzheimer son los agregados tóxicos de la proteína β amiloide presentes en el cerebro. Uno de los grandes desafíos de la nanomedicina para la terapia de enfermedades neurodegenerativas es el de lograr que los nanomateriales lleguen al sistema nervioso central. Para estos propósitos, en esta tesis se multifuncionalizaron las Nanobarras de oro con el péptido Angiopep-2, que se utiliza como lanzadera de fármacos para favorecer el paso a través de la barrera hematoencefálica, y además con el péptido qshyrhispaqv (D1), el cual posee una afinidad en el rango sub-micromolar in vitro por los agregados del péptido β amiloide. Asimismo, las NR se conjugaron con dos tipos de polietilenglicol: Metoxi-Polietilenglicol tiolado que evita las interacciones inespecíficas, y Carboxi-Polietilenglicol tiolado que contiene un grupo carboxílico que permite la unión con un grupo amino terminal correspondiente a los péptidos, empleando agentes acoplantes. Las nanopartículas obtenidas fueron caracterizadas por Microscopia Electrónica de Transmisión, Espectrofotometría UV-Visible, Potencial Zeta y Dispersión Dinámica de la luz. Adicionalmente fue evaluada la citotoxicidad, estabilidad y la penetración in vitro de Nanobarras modificadas en células endoteliales microvasculares de rata bEnd.3 y RBEMC, observándose la capacidad de ingresar al medio intracelular. La capacidad de las Nanobarras modificadas de reconocer fibras de péptido β amiloide fue ensayada mediante una incubación con dichas fibras, y su posterior visualización por Microscopía electrónica de Transmisión. Por otra parte, se observó en cerebro de rata ex vivo la llegada al cerebro por fluorescencia, y se comprobó mediante cuantificación de oro. Como resultado de esta tesis se puede concluir que el conjugado propuesto de Nanobarras de oro modificadas con los péptidos Angiopep-2 y D1, no presenta toxicidad celular, y además es capaz de llegar al cerebro en mayor proporción que su control, que corresponde a Nanobarras de oro no modificadas. Además, en ensayos in vitro se confirmó la capacidad de reconocer agregados de fibras de péptido β-amiloide. De esta forma se espera poder contribuir al desarrollo de una estrategia para mejorar la llegada de las nanopartículas de oro al Sistema Nervioso Central, lo que representará un gran avance para una posible terapia de la enfermedad de Alzheimer / Gold Nanorods are very interesting nanomaterials for use in the therapy of different pathologies such as cancer or Alzheimer's disease, since they have the capacity to absorb large amounts of energy and to dissipate it in the form of heat in the near infrared region, in which biological tissues are transparent to radiation. However for a possible therapy, these nanomaterials must reach their therapeutic target, which in the case of Alzheimer's disease are the toxic aggregates of the β amyloid protein present in the brain. One of the bigger challenges of nanomedicine for neurodegenerative disease therapy is that nanomaterials reach the central nervous system. For this purpose, Gold Nanorods were multifunctionalized with the peptide Angiopep-2, which is used as a drug shuttle to promote passage through the blood-brain barrier, and also with the peptide qshyrhispaqv (D1), which has an affinity in the sub-micromolar range in vitro by the amyloid aggregates. Also, the Gold Nanorods were conjugated to two types of polyethylene glycol: thiolated Metoxy-Polyethylene glycol avoiding non-specific interactions, and Carboxy-Polyethylene glycol containing a carboxylic group which allows attachment to a terminal amino group corresponding to the peptides using coupling agents. The nanoparticles obtained were characterized by Transmission Electron Microscopy, UV-Visible Spectrophotometry, Zeta Potential and Dynamic Light Scattering. In addition, cytotoxicity, stability and in vitro penetration in microvascular endothelial cells of rat bEnd.3 and RBMVEC were evaluated, and the capacity to enter the intracellular medium was observed. The ability of the multifunctionalized Gold Nanorods to recognize β amyloid peptide fibers were assayed by incubation with said peptide and visualization by Transmission Electron Microscopy. On the other hand, the arrival to the brain was observed ex vivo by fluorescence, and was checked by quantification of gold. As a result of this thesis it can be concluded that the proposed conjugate does not present cytotoxicity, and is also able to reach the brain in a greater proportion than its control. In addition, the ability to recognize aggregates of β amyloid peptide fibers was confirmed in in vitro assays. In this way it is hoped to contribute to the development of a strategy to improve the arrival of gold nanoparticles to the Central Nervous System, which will represent a great advance for a possible therapy of Alzheimer's disease

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