O design de materiais na escala nanométrica está levando a sistemas com novas propriedades e aplicações as mais diversas, como em sistemas de diagnóstico e de tratamento inteligentes e sustentáveis. Melhorar a eficiência dos tratamentos de doenças através do desenvolvimento de fármacos mais eficientes e com menos efeitos colaterais, e agentes de contraste e de diagnóstico mais específicos e sensíveis para monitoramento preventivo precoce, é um dos principais objetivos da Nanomedicina. Todavia, a química de superfície necessária para realizar tais reações de funcionalização/conjugação de moléculas ainda está longe de ser adequadamente controlada, particularmente considerando-se a complexidade das biomoléculas e a estabilidade coloidal. Assim, nesta tese foram desenvolvidos processos de conjugação de nanopartículas de óxido de ferro (SPIONs) com um ou mais agentes co-funcionalizantes, gerando partículas mono, bi e multifuncionalizadas dispersáveis em meio aquoso. Os esforços foram concentrados no desenvolvimento de sistemas de diagnóstico e de entrega de fármacos baseados em nanopartículas, cujas propriedades precisam ser ajustadas pela conjugação de biomoléculas e espécies bioativas em sua superfície, num verdadeiro trabalho de engenharia a nível nanométrico/molecular. De fato, nanopartículas modificadas com moléculas co-funcionalizantes estabilizantes (glicerol-fosfato, glicose-fosfato, fosforiletanolamina, dopamina e tiron), agentes de vetorização que direcionam o nanoconjugado a células-alvo tumorais (ácido fólico e biotina), bem como com fármacos como metotrexato e ibuprofeno foram preparadas, e o efeito das mesmas sobre a eficiência de incorporação por células tumorais (HeLa e MCF-7) estudada. Os estudos de atividade biológica in vitro foram realizados em parceria com o Laboratório de Processos Fotoinduzidos e Interfaces (LPFI-IQUSP). Os resultadosobtidos confirmaram a possibilidade de se controlar a atividade biológica das nanopartículas por meio dos agentes funcionalizantes, abrindo perspectivas interessantes para o desenvolvimento de nanoagentes multifuncionais para teranóstica, conjugados com agentes de vetorização específicos (particularmente anticorpos e aptâmeros), além de agentes de contraste (radiofármacos, fluoróforos, contraste para IRM, etc.) e moléculas terapêuticas (antitumorais, anti-inflamatórios, dentre outros). Entretanto, diversos são os problemas associados aos processos químicos envolvendo a produção e funcionalização desses nanomateriais por processos convencionais em batelada, que tendem a ser demorados e apresentam dificuldade de controle dos parâmetros de reação e baixa reprodutibilidade, dificultando o escalonamento produtivo e a comercialização dos eventuais produtos. Uma estratégia promissora é o uso de reatores microfluídicos com projeto de canais adequado, além de atuadores e sensores que, juntos garantam excelente controle de processos e baixo consumo de energia e de reagentes. Assim, também foram desenvolvidos reatores microfluídicos para produção e funcionalização de nanopartículas de ouro, de forma a tornar os processos químicos programáveis, mais eficientes, controláveis e econômicos, em parceria com o Laboratório de Micromanufatura do Instituto de Pesquisas Tecnológicas (LMI-BIONANO/IPT). Essa parte do desenvolvimento foi realizando empregando a tecnologia de microfabricação em Low Temperature Co-fired Ceramics (LTCC), uma tecnologia versátil que possibilita a produção de dispositivos de diferentes geometrias em materiais cerâmicos de baixa reatividade e de baixo custo. Esses dispositivos podem tornar os processos de produção de nanopartículas multifuncionais dispersáveis suficientemente simples, versáteis e reprodutíveis para atender aos altos padrões de qualidade exigidos para produtos voltados para aplicações biomédicas / Materials design at nanoscale is leading us to intelligent systems with new properties and applications, such as more efficient diagnostic and treatment systems. Improving the treatment of diseases by the development of more specific and efficient drugs, displaying fewer or no side effects, conjugated with sensitive contrast/diagnostic agents for early preventive monitoring and treatment is one of the main goals of the Nanomedicine. However, the knowledge on surface chemistry required to perform such molecular functionalization/conjugation reactions still is far from being adequately controlled, particularly considering the complexity of biomolecules and reaching colloidal stability. Thus, in this thesis, processes of conjugation of iron oxide nanoparticles (SPIONs) with one or more co-functionalizing agents have been developed so as to generate mono, bi and multi-particles dispersible in aqueous medium. Efforts were specifically focused on the development of drug delivery and diagnostic systems based on nanoparticles whose properties must be adjusted by the conjugation of biomolecules and bioactive species on their surface, in a truly nano/molecular scale engineering work. In fact, nanoparticles modified with stabilizing co-functionalizing molecules (glycerolphosphate, glucose-phosphate, phosphorylethanolamine, dopamine and tiron), targeting agents (folic acid and biotin) to guide itself and concentrate in specific tumor cells, as well as with drugs such as methotrexate and ibuprofen were prepared, and their effect on the efficiency of uptake by tumor cells (HeLa and MCF-7) studied. In vitro biological activity studies were performed in collaboration with the Laboratory of Photo Induced Processes and Interfaces (LPFI-IQUSP). The results confirmed the possibility of controlling the biological activity of nanoparticles by anchoring suitable functionalizing agents in an additive way, opening interesting new perspectives for the development ofmultifunctional theranostics nanoagents, conjugated with specific vectorization agents (particularly antibodies and aptamers), as well as diagnostic (radiopharmaceuticals, fluorophores, MRI contrast, etc.) and therapeutic agents (antitumor, anti-inflammatory, among others). However, there are several problems associated with the production and functionalization of these nanomaterials by conventional batch processes, which tend to be time consuming and difficult to control, as confirmed by their low reproducibility, making it difficult to produce and commercialize the eventual products. A promising strategy is the use of microfluidic reactors with suitable channel designs, as well as actuators and sensors that, together, ensure excellent process control and low energy and reagent consumption. Thus, microfluidic reactors were also developed for the production and functionalization of gold nanoparticles in order to make chemical processes more predictable, efficient, controllable and economical, in partnership with the Micromanufacturing Laboratory of the Institute of Technological Research (LMI-BIONANO/IPT). This part of the development was accomplished by employing the Low Temperature Co-fired Ceramics (LTCC) microfabrication technology, a versatile technology that enables the production of devices of different geometries in ceramic materials of low reactivity and of low cost. These devices can make the production processes of dispersible multifunctional nanoparticles simple, versatile and reproducible enough to meet the high standards of quality required for products for biomedical applications

Este trabalho descreve o desenvolvimento de um processo de fabricação de mini e microdispositivos fluídicos baseado na utilização de um equipamento de usinagem a laser de CO2 para criação de relevos sobre base de poli(metacrilato de metila) e na selagem térmica contra igual material. Inicialmente, o equipamento laser foi detalhadamente caracterizado, o que possibilitou elaborar métodos para a construção de microcanais de forma mais eficiente e com menores chances de defeitos. Tipicamente, os canais apresentaram seção transversal triangular em torno de 200 µm de largura e 100 µm de profundidade, sendo possível, no entanto, criar canais com outras características. A etapa de selagem entre a tampa e a base que apresentou melhores resultados consiste em pressurização acima de 6 kgf·cm-2 e aquecimento a 110 ºC durante 45 minutos, seguido de resfriamento por 1 h. Os microcanais selados por esta técnica, resistiram a pressões superiores a 3,5·kgf·cm-2. O processo desenvolvido se mostrou adequado para a criação de protótipos, sendo também suas principais características: (1) a facilidade de incorporação de regiões de grandes dimensões (como reservatórios) em conjunto com os microcanais, (2) número reduzido de etapas de produção e (3) boa uniformidade química da parede interna dos canais, o que é particularmente interessante para microdispositivos aplicados à Química Analítica / A microfabrication process based machining using CO2 laser on poly(methyl methacrylate) and thermal sealing is described. Initially, the laser equipment was characterized in detail, which allowed developing strategies for the construction of microchannels more efficiently and less failure-prone. Typically, the channels had a triangular cross section around 200 µm in width and 100 µm in depth. It is possible, however, create channels with other features. The sealing step that showed better results consists in to pressurize at 6 kgf·cm-2 and heating at 110 °C during 45 minutes, followed by natural cooling for 1 h. The microchannels sealed by using this procedure resisted pressures above 3.5 kgf·cm-2. The process proved to be adequate for prototyping and also has other main features: (1) easiness of incorporation of large regions (such as reservoirs) together with the microchannel; (2) reduced number of manufacturing steps and (3) good chemical uniformity of the inner wall of the channel, which is particularly interesting for microdevices applied to Analytical Chemistry.

Este trabalho descreve o desenvolvimento de um processo de fabricação de mini e microdispositivos fluídicos baseado na utilização de um equipamento de usinagem a laser de CO2 para criação de relevos sobre base de poli(metacrilato de metila) e na selagem térmica contra igual material. Inicialmente, o equipamento laser foi detalhadamente caracterizado, o que possibilitou elaborar métodos para a construção de microcanais de forma mais eficiente e com menores chances de defeitos. Tipicamente, os canais apresentaram seção transversal triangular em torno de 200 µm de largura e 100 µm de profundidade, sendo possível, no entanto, criar canais com outras características. A etapa de selagem entre a tampa e a base que apresentou melhores resultados consiste em pressurização acima de 6 kgf·cm-2 e aquecimento a 110 ºC durante 45 minutos, seguido de resfriamento por 1 h. Os microcanais selados por esta técnica, resistiram a pressões superiores a 3,5·kgf·cm-2. O processo desenvolvido se mostrou adequado para a criação de protótipos, sendo também suas principais características: (1) a facilidade de incorporação de regiões de grandes dimensões (como reservatórios) em conjunto com os microcanais, (2) número reduzido de etapas de produção e (3) boa uniformidade química da parede interna dos canais, o que é particularmente interessante para microdispositivos aplicados à Química Analítica / A microfabrication process based machining using CO2 laser on poly(methyl methacrylate) and thermal sealing is described. Initially, the laser equipment was characterized in detail, which allowed developing strategies for the construction of microchannels more efficiently and less failure-prone. Typically, the channels had a triangular cross section around 200 µm in width and 100 µm in depth. It is possible, however, create channels with other features. The sealing step that showed better results consists in to pressurize at 6 kgf·cm-2 and heating at 110 °C during 45 minutes, followed by natural cooling for 1 h. The microchannels sealed by using this procedure resisted pressures above 3.5 kgf·cm-2. The process proved to be adequate for prototyping and also has other main features: (1) easiness of incorporation of large regions (such as reservoirs) together with the microchannel; (2) reduced number of manufacturing steps and (3) good chemical uniformity of the inner wall of the channel, which is particularly interesting for microdevices applied to Analytical Chemistry.

O uso da microfluídica na área de análises genéticas possibilita não apenas a diminuição de custos, mas também menor manipulação de amostras e reagentes e ainda maior portabilidade das análises. Com isso aumenta a possibilidade da sua utilização em locais remotos, sem a infraestrutura de um laboratório bem equipado. Dispositivos capazes de usar apenas a força centrifuga para movimentação de fluidos juntamente com a utilização de válvulas passivas para controle dos fluidos pode potencializar a sua utilização nos diagnósticos Point-of-Care. Este trabalho teve como objetivo o desenvolvimento de um microdispositivo descartável de poliéster para análises genéticas, visando a extração e amplificação do DNA alvo, de forma rápida, barata, integrada e automatizada. Os resultados confirmam a viabilidade dos dispositivos poliéster-toner (PeT) e poliéster-fita dupla face (PeDF) automatizados de extração, obtendo por meio da extração dinâmica em fase sólida de amostras complexas, DNA com qualidade compatível à técnica da reação em cadeia de polimerase (PCR). Esses resultados foram confirmados por meio da amplificação por PCR dos genes β-globina nas amostras de sangue e urina, e o gene malB nas amostras de Escherichia coli. Também foi confirmado a compatibilidade dos dispositivos de PeT para amplificação por PCR mediado por infravermelho (IV-PCR) do gene malB presente no DNA genômico de bactéria E. coli. Por fim, os dispositivos de extração e amplificação foram interligados para obtenção de um dispositivo integrado e automatizado formado pela combinação de dispositivos fabricados com diferentes filmes e métodos, PeT e PeDF. O controle de todas as soluções no interior dos dispositivos foi realizado por meio da força centrífuga combinada a válvulas passivas, sem qualquer necessidade de equipamento adicional. Portanto, podemos concluir que o dispositivo integrado PeDF - PeT possui grande potencial para aplicações em análises genéticas de forma mais barata, portátil e com menor manipulação das amostras pelo analista. / The development of microfluidics for genetic analysis allows not only cost reduction but also reduces sample and reagents handling, and increases the chances of a portable analysis. With this, increasing the possibility to use the techniques on remote places without the infrastructure of an equipped laboratory. Microdevices capable of using the centrifugal force in combination with passive valves to fluidic control can promote Point-of-Care analysis. The primary goal of this thesis was to associate these tools for the development of a disposable microdevice for genetic analysis, aiming faster, inexpensive, integrated and automated DNA extraction and amplification. The results confirmed the viability of PeT and PeDF automated microdevices, for DNA dynamic solid phase extraction, in providing high-quality DNA compatible to PCR analysis using complex samples. These results were confirmed by the β-globin PCR amplification using blood and urine samples, and the malB gene amplification in Escherichia coli samples. We have also verified the compatibility of the PeT microdevices with IV-PCR for malB gene amplification in genomic E. coli DNA. The extraction and amplification modules were interconnected to obtain an integrated and automated microdevice by the combination of devices made with different films and microfabrication methods, PeT and PeDF. The fluidic control in the devices was made using the centrifugal force combined to passive valves, with no requirement of any extra equipment. Therefore, we can conclude that the integrated PeDF - PeT microdevice has a great potential for cheaper and portable genetic analysis application, with less operator manipulation.

O uso da microfluídica na área de análises genéticas possibilita não apenas a diminuição de custos, mas também menor manipulação de amostras e reagentes e ainda maior portabilidade das análises. Com isso aumenta a possibilidade da sua utilização em locais remotos, sem a infraestrutura de um laboratório bem equipado. Dispositivos capazes de usar apenas a força centrifuga para movimentação de fluidos juntamente com a utilização de válvulas passivas para controle dos fluidos pode potencializar a sua utilização nos diagnósticos Point-of-Care. Este trabalho teve como objetivo o desenvolvimento de um microdispositivo descartável de poliéster para análises genéticas, visando a extração e amplificação do DNA alvo, de forma rápida, barata, integrada e automatizada. Os resultados confirmam a viabilidade dos dispositivos poliéster-toner (PeT) e poliéster-fita dupla face (PeDF) automatizados de extração, obtendo por meio da extração dinâmica em fase sólida de amostras complexas, DNA com qualidade compatível à técnica da reação em cadeia de polimerase (PCR). Esses resultados foram confirmados por meio da amplificação por PCR dos genes β-globina nas amostras de sangue e urina, e o gene malB nas amostras de Escherichia coli. Também foi confirmado a compatibilidade dos dispositivos de PeT para amplificação por PCR mediado por infravermelho (IV-PCR) do gene malB presente no DNA genômico de bactéria E. coli. Por fim, os dispositivos de extração e amplificação foram interligados para obtenção de um dispositivo integrado e automatizado formado pela combinação de dispositivos fabricados com diferentes filmes e métodos, PeT e PeDF. O controle de todas as soluções no interior dos dispositivos foi realizado por meio da força centrífuga combinada a válvulas passivas, sem qualquer necessidade de equipamento adicional. Portanto, podemos concluir que o dispositivo integrado PeDF - PeT possui grande potencial para aplicações em análises genéticas de forma mais barata, portátil e com menor manipulação das amostras pelo analista. / The development of microfluidics for genetic analysis allows not only cost reduction but also reduces sample and reagents handling, and increases the chances of a portable analysis. With this, increasing the possibility to use the techniques on remote places without the infrastructure of an equipped laboratory. Microdevices capable of using the centrifugal force in combination with passive valves to fluidic control can promote Point-of-Care analysis. The primary goal of this thesis was to associate these tools for the development of a disposable microdevice for genetic analysis, aiming faster, inexpensive, integrated and automated DNA extraction and amplification. The results confirmed the viability of PeT and PeDF automated microdevices, for DNA dynamic solid phase extraction, in providing high-quality DNA compatible to PCR analysis using complex samples. These results were confirmed by the β-globin PCR amplification using blood and urine samples, and the malB gene amplification in Escherichia coli samples. We have also verified the compatibility of the PeT microdevices with IV-PCR for malB gene amplification in genomic E. coli DNA. The extraction and amplification modules were interconnected to obtain an integrated and automated microdevice by the combination of devices made with different films and microfabrication methods, PeT and PeDF. The fluidic control in the devices was made using the centrifugal force combined to passive valves, with no requirement of any extra equipment. Therefore, we can conclude that the integrated PeDF - PeT microdevice has a great potential for cheaper and portable genetic analysis application, with less operator manipulation.