La presente tesis doctoral titulada ¿Supramolecular and heterosupramolecular chemistry in controlled release and molecular recognition processes¿ está centrada en los dos aspectos principales de la química supramolecular que han experimentado un gran auge en los últimos años: el reconocimiento molecular y los procesos de liberación controlada. En particular la primera parte de la tesis se focaliza en el diseño y síntesis de moléculas orgánicas que pueden ser empleados cómo sensores para especies aniónicas y neutras. El paradigma seleccionado para los procesos de reconocimiento molecular fue la aproximación del dosimetro químico. Esta aproximación presenta ventajas con respecto a los otros dos métodos de determinación de aniones (desplazamiento y unidad coordinanteunidad indicadora), cómo, por ejemplo, la posibilidad de determinar los analitos en disolución acuosa. Así se sintetizaron dos sensores selectivos, uno para el anión fluoruro (F-) y el otro para glutatión (GSH). El sensor selectivo para la determinación de F- está basado en un colorante azoico funcionalizado, en su ¿OH fenólico, cómo silileter. Esta molécula presenta una banda de absroción muy intensa centrada a 350 nm que, después de la adición de F- , sufre un efecto hipocrómico significativo y un desplazamiento batocromico ligero (de ca. 10 nm), mientras aparece una nueva banda a 470 nm, determinando un cambio de incoloro a amarillorojo. Para obtener un sensor selectivo para GSH se sintetizó una sonda químico basado en una sal de 2,6-difenilpirilio. Sucesivamente se preparó una disolución de este compuesto en agua/CTAB, que se caracterizaba por un intenso color azul. En este caso, la adición de GSH produce una disminución significativa de la banda del visible, acompañada por la consecuente decoloración. Además la adicón de GSH induce la aparición de Resumen vi una intensa banda de emisión centrada a 485 nm (después de la irradiación a 350 nm). La segunda parte de esta tesis doctoral se basa en el diseño y síntesis de nuevos sistemas híbridos orgánicos-inorgánicos para procesos de liberación controlada en ambiente celular. Estos materiales híbridos se componen en general, de dos unidades: una matriz inorgánica mesoporosa de base silícea, capaz de almacenar moléculas orgánicas (colorantes, farmacos...) y un compuesto orgánico anclado covalentemente a la superficie externa del soporte inorgánico mesoporoso, que actúa cómo puerta molecular. La aplicación de un estímulo externo puede modificar la conformación de la puerta molecular permitiendo o bien impidiendo la difusión de la carga almacenada en los mesoporos hacía el exterior (disolución o citoplasma). El primer sistema sintetizado y estudiado se compone de una matriz inorgánica mesoporosa (MCM-41), cargada con el colorante Ru(bipy)3 2+ y funcionalizada en la superficie con un oligoetilen glicol mediante un grupo ester. La adición de la enzima esterasa determinaba la hidrólisis del grupo ester y la consecuente reducción del tamaño de la puerta molecular, acompañada por la liberación del colorante previamente cargado. Otro sistema de liberación preparado consiste en el uso de la misma matriz MCM-41 nanoscópica y el mismo colorante Ru(bipy)3 2+, pero se funcionalizó la superficie con una puerta molecular fotolabil. La irradiación en el maximo de absorción de la puerta molecular inducía la fotodegradación de la misma y la consecuente liberación del colorante. Un tercer ejemplo de sistema de liberación consiste en una puerta molecular caracterizada por la presencia de dos grupos funcionales hidrolizables con enzimas diferentes: grupos urea y amida. vii El material final, caracterizado por la presencia del mismo esqueleto inorgánico, y cargado con Ru(bipy)3 2+, era capaz de liberar selectivamente cantidades distintas de colorante, dependiendo del enzima empleado. Así se podían conseguir dos tipos de perfiles de liberación: uno muy rápido y poco intenso y otro más lento pero mucho mas intenso. Finalmente se sintetizó un material híbrido siempre basado en la misma matriz de MCM- 41, cargado con rodamina-B y funcionalizado en la superficie con galactooligosacáridos. Con este material se podía conseguir una liberación controlada del colorante selectivamente en células senescentes, debido a que estas sobreexpresan el enzima ß-galactosidasa que es capaz de hidrolizar los galactooligosacáridos. / Agostini, A. (2013). Supramolecular and heterosupramolecar chemistry in controlled release and molecular recognition processes [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/29397

Tesis por compendio / [ES] La presente tesis doctoral titulada "Nanodispositivos mesoporosos híbridos funcionalizados con enzimas para detección, liberación controlada y comunicación molecular" se centra en el diseño, preparación, caracterización y evaluación de distintos nanodispositivos híbridos orgánico-inorgánicos utilizando como soporte nanopartículas tipo Janus de oro y sílice mesoporosa, que se equipan con enzimas, especies fluorescentes y puertas moleculares. Como conclusión general, los estudios realizados muestran que la incorporación de enzimas sobre nanopartículas permite introducir funciones de reconocimiento con alta especificidad y diseñar nanodispositivos avanzados para distintas finalidades. La combinación de nanopartículas híbridas con grupos orgánicos como puertas moleculares, efectores enzimáticos y especies cromo- fluorogénicas o fármacos puede resultar muy versátil; y se espera que los resultados obtenidos puedan inspirar el desarrollo de nuevos materiales inteligentes con aplicación en distintas áreas como la nanomedicina y la detección de moléculas de interés. / [CA] La present tesi doctoral titulada "Nanodispositius mesoporosos híbrids funcionalitzats amb enzims per a detecció, alliberació controlada i comunicació molecular" es centra en el disseny, preparació, caracterització i avaluació de distints nanodispositius híbrids orgànic-inorgànics utilitzant com a suport nanopartícules tipus Janus d'or i sílice mesoporosa, que s'equipen amb enzims, espècies fluorescents i portes moleculars. Com a conclusió general, els estudis realitzats mostren que la incorporació d'enzims sobre nanopartícules permeten introduir funcions de reconeixement amb alta especificitat i dissenyar nanodispositius avançats per a distintes finalitats. La combinació de nanopartícules híbrides amb grups orgànics com portes moleculars, efectors enzimàtics i espècies cromo-fluorogèniques o fàrmacs pot resultar molt versàtil; i s'espera que els resultats obsessos inspiren el desenvolupament de nous materials intel·ligents amb aplicació en distintes àrees com la nanomedicina i la detecció de molècules d'interés. / [EN] This PhD thesis entitled "Enzyme-functionalized hybrid mesoporous nanodevices for sensing, controlled release and molecular communication" is focused on the design, synthesis, characterization and evaluation of several hybrid organic-inorganic nanodevices using Janus gold-mesoporous silica nanoparticles as scaffolds, equipped with enzymes, fluorescent species and molecular gates. In conclusion, these studies show that the incorporation of enzymes on nanoparticles allows to introduce recognition capabilities with high specificity and to design advanced nanodevices for different purposes. The combination of hybrid nanoparticles with organic groups such as molecular gates, enzymatic effectors and chromo-fluorogenic species or drugs can be very versatile; and we hope that the obtained results inspire the development of new smart materials with application in different areas such as nanomedice and sensing. / Llopis Lorente, A. (2019). Enzyme-functionalized hybrid mesoporous nanodevices for sensing, controlled release and molecular communication [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/117612 / Compendio

Tesis por compendio / [ES] La presente tesis doctoral titulada "Sistemas de liberacio'n controlada de fa'rmacos diseñados para mejorar el tratamiento de Enfermedad Inflamatoria Intestinal" se centra en el diseño, preparación, caracterización y evaluación in vivo de distintos sistemas de liberación controlada de fármacos en colon (CDDS, por sus siglas en inglés) utilizando como soporte micropartículas de silice mesoporosa, funcionalizadas con puertas moleculares. En conclusión, los estudios realizados demuestran que los materiales de silice mesoporosa, en combinación con puertas moleculares sensibles a estímulos específicos, tienen un gran potencial para el desarrollo de nuevos sistemas de liberación controlada de fármacos en el colon, dirigidos a mejorar el arsenal terapéutico disponible para el tratamiento de EII. La posibilidad de adaptar o personalizar la carga y las puertas moleculares hace que estos soportes de sílice mesoporosa sean una opción interesante para el desarrollo de nuevos sistemas de liberación controlada de fármacos en diferentes aplicaciones biomédicas. Finalmente, esperamos que los resultados obtenidos en esta tesis doctoral sirvan de inspiración para el desarrollo de sistemas de liberación controlada de fármacos innovadores y cada vez más inteligentes, para su aplicación tanto en medicina como en otras áreas. / [CA] La present tesi doctoral titulada "Sistemes d'alliberament controlat de farmacs dissenyats per a millorar el tractament de Malaltia Inflamatoria Intestinal" se centra en el disseny, preparacio, caracteritzacio i avaluacio in vivo de diferents sistemes d'alliberament controlat de farmacs en colon (*CDDS, per les seues sigles en angles) utilitzant com a suport microparticules de si'lice mesoporosa, funcionalitzades amb portes moleculars. En conclusio, els estudis realitzats demostren que els materials de si'lice mesoporosa, en combinacio amb portes moleculars sensibles a estimuls especifics, tenen un gran potencial per al desenvolupament de nous sistemes d'alliberament controlat de farmacs en el colon, dirigits a millorar l'arsenal terapeutic disponible per al tractament de MII. La possibilitat d'adaptar o personalitzar la carrega i les portes moleculars, fa que aquests suports de silice mesoporosa siguen una opcio interessant per al desenvolupament de nous sistemes d'alliberacio controlada de farmacs en diferents aplicacions biomediques. Finalment, esperem que els resultats obtinguts en aquesta tesi doctoral servisquen d'inspiracio per al desenvolupament de sistemes d'alliberament controlat de farmacs innovadors i cada vegada mes intel·ligents, per a la seua aplicacio tant en medicina com en altres arees. / [EN] This PhD thesis entitled "Smart drug delivery systems designed to improve Inflammatory Bowel Disease therapy" is focused on the design, synthesis, characterization and in vivo evaluation of several Colon Drug Delivery Systems (CDDS) using hybrid mesoporous silica microparticles as scaffolds containing molecular gates. In conclusion, the studies shown in this Thesis demonstrate that mesoporous silica materials in combination with responsive molecular gates have great potential in the design and preparation of new CDDS to improve the therapeutic options available for IBD. The possibility to adapt the cargo and the molecular gate makes mesoporous silica support especially appealing for similar controlled drug delivery applications in the biomedical field. We hope that the obtained results could inspire the development of new innovative smart drug delivery systems in this or other fields. / We thank the Spanish Government (projects MAT2015-64139-C4-1-R and AGL2015-70235-C2-2-R (MINECO/FEDER)) and the Generalitat Valenciana (project PROMETEOII/2014/047) for support. AHT thanks to the Spanish MEC for his FPU grant. We thank the Generalitat Valenciana (Project PROMETEO2018/024) / Hernández Teruel, A. (2019). Smart drug delivery systems designed to improve Inflammatory Bowel Disease therapy [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/129863 / Compendio

[ES] La presente tesis doctoral titulada "New nanostructured suports with signal amplification features for the detection of molecules and biomolecules of interest" se centra en el diseño y preparación de nuevos materiales híbridos orgánicos-inorgánicos constituidos por puertas moleculares soportadas sobre alúmina mesoporosa con el objetivo de desarrollar nuevos sistemas sensores con aplicaciones potenciales en el campo de la diagnosis y del control alimentario. En el primer capítulo de la tesis se introducen los conceptos en los que están basados los estudios realizados y los materiales preparados. A continuación, en el segundo capítulo se describen los objetivos generales de la tesis que serán abordados en los siguientes apartados. En el tercer capítulo se presenta el diseño y optimización de un nanodispositivo para la detección de la bacteria Mycoplasma fermentans. En primer lugar, los poros de una placa de alúmina mesoporosa se cargan con un indicador fluorescente (rodamina B). Seguidamente, la superficie es funcionalizada con una secuencia de ADN complementaria a una región altamente conservada de la subunidad ribosomal 16S de la bacteria Mycoplasma fermentans. El impedimento estérico generado por las secuencias de ADN ancladas al exterior de los poros impide la salida del indicador encapsulado. Únicamente en presencia de DNA de la bacteria Mycoplasma fermentans, se produce la apertura de los poros permitiéndose la difusión de la carga (rodamina B) que es posteriormente medida mediante espectroscopía de fluorescencia. En el capítulo cuatro se diseña de un nanodispositivo capaz de detectar de forma rápida, sensible y selectiva la bacteria Staphylococcus aureus. Para la preparación del material sensor, un soporte de alúmina mesoporosa es, en primer lugar, cargado con el indicador fluorescente rodamina B. A continuación, los poros del soporte son tapados mediante el anclaje de un aptámero que reconoce de forma específica la bacteria. Solamente en presencia de Staphylococcus aureus se produce la liberación del indicador encapsulado, que es posteriormente medido mediante espectroscopía de fluorescencia. Además, la respuesta obtenida es específica para Staphylococcus aureus. Este sistema ha sido ensayado en muestras reales. En el sexto capítulo, diseña un nanodispositivo híbrido orgánico-inorgánico consistente en un material de alúmina mesoporosa cubierto con una secuencia de ADN específica para la detección de ADN del hongo Pneumocystis jirovecii. En este caso, el soporte de alúmina cargado con rodamina B se recubre con una secuencia de ADN específica para el reconocimiento de este hongo. En presencia del organismo, la horquilla hibrida con el ADN del hongo, lo que resulta en una conformación triplex con elevada afinidad y estabilidad que induce, al mismo tiempo, el desplazamiento de este complejo de la superficie. Como consecuencia de este reconocimiento la carga se libera y es cuantificada mediante espectroscopía de fluorescencia. El sistema ha sido satisfactoriamente validado. En el séptimo capítulo, se diseña un sistema sensor con la capacidad de detectar gluten de forma rápida y sencilla en extractos de alimentos procesados y no procesados. Para ello, un soporte de alúmina mesoporosa se carga con rodamina B y los poros se recubren con un aptámero específicamente diseñado para la detección de la proteína gliadina, que constituye el 50 % del total del clúster de elementos que forman el gluten. La elevada afinidad y especificidad entre el aptámero y la proteína en cuestión hacen que en presencia de ésta se produzca un desplazamiento de la puerta molecular que permite la difusión del colorante encapsulado que es finalmente monitorizado mediante espectroscopía de fluorescencia. Finalmente, en el capítulo octavo se discuten de forma conjunta los resultados obtenidos en los capítulos anteriores y la potencial aplicación de los sistemas desarrollados en el actual sistem / [CA] La present tesi doctoral, titulada "New nanostructured supports with signal amplification features for the detection of molecules and biomolecules of interest", es centra en el disseny i preparació de nous materials híbrids orgànics-inorgànics constituïts per portes moleculars suportades sobre alúmina mesoporosa amb l'objectiu de desenvolupar nous sistemes sensors amb potencials aplicacions en el camp de la diagnosi i del control alimentari. En el primer capítol de la tesi s'introdueixen els conceptes en què estan basats els estudis realitzats i els materials preparats. A continuació, en el segon capítol es descriuen els objectius generals de la tesi que seran abordats en els següents apartats. En el tercer capítol es presenta el disseny i optimització d'un nanodispositiu per a la detecció de la bactèria Mycoplasma fermentans. Primerament, els porus d'una placa d'alúmina mesoporosa són carregats amb un indicador fluorescent (rodamina B). Seguidament, la superfície és funcionalitzada amb una seqüència d'ADN complementaria a una regió altament conservada de la subunitat ribosomal 16S de la bactèria Mycoplasma fermentans. L'impediment estèric generat per les seqüències d'ADN ancorades a l'exterior dels porus impedeix l'alliberament de l'indicador encapsulat. Únicament en presencia d'ADN de la bactèria Mycoplasma fermentans, es produeix l'obertura dels porus permetent la difusió de la càrrega (rodamina B) que és posteriorment mesurada mitjançant fluorescència. En el capítol quatre es dissenya un nanodispositiu capaç de detectar de forma ràpida, sensible i selectiva la bactèria Staphylococcus aureus. Per a la preparació del material sensor, el suport d'alúmina mesoporosa és, primerament, carregat amb l'indicador fluorescent rodamina B. A continuació, els porus del suport són tapats mitjançant l'ancoratge d'un aptàmer que reconeix de forma específica a la bactèria. Solament en presència de Staphylococcus aureus es produeix l'alliberament de l'indicador encapsulat, que és posteriorment mesurat mitjançant espectroscòpia de fluorescència. A més a més, la resposta obtinguda és específica per Staphylococcus aureus. Aquest sistema ha sigut validat amb mostres reals de pacients. En el sisè capítol, es dissenya un nanodispositiu híbrid orgànic-inorgànic consistent en un material d'alúmina mesoporosa cobert amb una seqüència d'ADN específica per a la detecció de l'ADN del fong Pneumocystis jirovecii. En aquest cas, el suport d'alúmina carregat amb l'indicador fluorescent rodamina B és recobert amb una seqüència d'ADN específica per al reconeixement d'aquest fong. En presència de l'organisme, la forquilla hibrida amb l'ADN del fong, resultant en una conformació triplex amb elevada afinitat i estabilitat, que indueix, al mateix temps, el desplaçament d'aquest complex de la superfície. Com a conseqüència d'aquest reconeixement la càrrega és alliberada i quantificada mitjançant espectroscòpia de fluorescència. El sistema ha sigut validat com a mètode diagnòstic mitjançant l'anàlisi de mostres reals de pacients. En el seté capítol, es dissenya un sistema sensor amb la capacitat de detectar gluten de forma ràpida i senzilla en extractes d'aliments processats i no processats. Per a això, un suport d'alúmina mesoporosa es carrega amb indicador fluorescent rodamina B i posteriorment és recobert amb un aptàmer específicament dissenyat per a la detecció de la proteïna gliadina, que constitueix el 50 % del total del clúster d'elements que formen el gluten. L'elevada afinitat i especificitat entre l'aptàmer i la proteïna en qüestió fa que en presència d'aquesta es produesca un desplaçament de la porta molecular que permet la difusió de la càrrega encapsulada i que serà finalment monitoritzada mitjançant espectroscòpia de fluorescència. Finalment, en el capítol vuité es discuteixen de manera conjunta els result / [EN] The PhD thesis hereby presented and entitled "New nanostructured supports with signal amplification features for the detection of molecules and biomolecules of interest", focuses in the design and preparation of new hybrid organic-inorganic materials constituted by molecular gates supported over mesoporous alumina with the aim of developing new sensor probes of potential applications in the fields of diagnosis and food control. In the first chapter, the concepts in which studies and prepared materials are based, are introduced. Next, the second chapter describes the general objectives of this thesis, which will be approached in the following sections. In the third chapter, it is presented in detail the design and optimization process of a nanodevice applied for the detection of Mycoplasma fermentans bacterium. First of all, mesoporous alumina porous films are charged with a fluorescent indicator (rhodamine B). Then, the surface is functionalized with a DNA sequence complementary to a highly conserved region of the 16S ribosomal subunit of the bacterium Mycoplasma fermentans. Steric hindrance generated by DNA sequences on the surface inhibits the release of the encapsulated indicator. Only in the presence of bacterium Mycoplasma fermentans DNA, molecular gates open, allowing payload diffusion to the solution, which is measured by fluorescence spectroscopy. In chapter four, it is carried out the design and optimization of a nanodevice able to detect Staphylococcus aureus bacterium in a fast, sensitive and selective way. For the sensor preparation, alumina mesoporous support is, first, loaded with the rhodamine B fluorescent dye. Then, the mesoporous are blocked through the attachment of an aptamer that recognises specifically this bacterium. Exclusively in the presence of Staphylococcus aureus it is accomplished the release of the encapsulated dye, which is later monitored by fluorescence spectroscopy. The response obtained is specific for Staphylococcus aureus. This system has been validated in real samples. In the sixth chapter, it is detailed the design and optimization process of a hybrid organic-inorganic nanodevice based on a capped mesoporous alumina material for the detection of Pneumocystis jirovecii fungus DNA. In this case, the mesoporous alumina support is loaded with a fluorescent dye and decorated with a specific oligonucleotide sequence designed for the recognition of Pneumocystis fungus. In the presence of the target organism, the fork-like oligonucleotide hybridises with the DNA of the fungus, which results in the adoption of a triplex conformation with high affinity and stability that induces, at the same time, the displacement of this complex from the surface. Consequently, the payload diffused to the solution is quantified through fluorescence spectroscopy. The system has been successfully validated. In the seventh chapter, it was developed a sensor system for gluten detection, in a quick and easy way, in processed and non-processed food extracts. For this, a mesoporous alumina support is loaded with the fluorescent dye rhodamine B, and later was functionalized with an aptamer specifically designed for the detection of gliadin, a protein that constitutes 50 % of average cluster elements that forms gluten. The protein-aptamer high affinity and specificity induce the displacement of the capping aptamer and cargo delivery, which is monitored through fluorescence spectroscopy. Finally, in the eighth chapter, the results obtained in the previous chapters and the potential application of the systems developed as health and food control system are discussed. / We thank the Spanish Government projects MAT2015-64139-C4-1-R, AGL2015-70235-C2-2-R, and TEC2015-71324-R (MINECO/FEDER, UE), the Generalitat Valenciana (project PROMETEOII/2014/047), the Catalan authority (project AGAUR 2014SGR1344), and ICREA under the 2014 ICREA Academia Award for support. This study was supported by the Spanish Government projects RTI2018-100910-B-C41 and SAF2017-82251-R (MCUI/AEI/FEDER, UE), the Generalitat Valenciana (project PROMETEO/2018/024), the Universitat Politècnica de València−Instituto de Investigación Sanitaria La Fe (B02-MIRSA project), CIBER-BBN (NANOPATH and valorization project CANDI-EYE) and co-financed by the EU through the Valencian Community ERDF PO 2014-2020. This research was funded by the Spanish Government, projects RTI2018-100910-B-C41 (MCUI/AEI/FEDER, UE) and CTQ2017-84415-R / Pla Blasco, L. (2021). New nanostructured supports with signal amplification features for the detection of molecules and biomolecules of interest [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/166500

[ES] La presente tesis se centra en la síntesis, caracterización, evaluación y aplicación en ensayos de lateral-flow de sensores moleculares, así como, de distintos sistemas híbridos orgánicos-inorgánicos basados en nanopartículas de sílice mesoporosa (MSNs) capaces de producir una respuesta fluorogénica ante la presencia de estímulos exógenos específicos como serían las drogas de abuso para su detección en diferentes medios competitivos. En el primer capítulo, se establece una visión general de los tipos de drogas de abuso existentes, así como, sus principales características y la importancia del desarrollo de nuevos métodos para detectarlas. Además, se presenta una visión general del campo de la nanotecnología, y su potencial aplicación como herramientas multifuncionales en el campo de los sensores, así como, una descripción general de sistemas de detección basados en complejos de metales de transición. A continuación, en el segundo capítulo se enumeran los principales objetivos generales a conseguir durante el desarrollo de la presente tesis doctoral. En el tercer capítulo se presenta un nanodispositivo para la detección fluorimétrica del estupefaciente 25I-NBOMe en golosinas. El sistema consta de MSNs cargadas con un fluoróforo y funcionalizadas en su superficie externa con un derivado de serotonina. Finalmente, los poros son bloqueados completamente por la interacción del derivado de serotonina anclado en la superficie con el anticuerpo del receptor 5-HT2A. La respuesta obtenida con el nanosensor es muy selectiva y con límites de detección bajos. En el cuarto capítulo se llevó a cabo la preparación y caracterización de un nanosensor para la detección fluorogénica selectiva y sensible de 3,4-metilendioxipirovalerona (MDPV), comúnmente conocida como droga caníbal. El nanodispositivo está basado en MSNs cargadas con un colorante fluorescente (rodamina B), y funcionalizadas en su superficie externa con un derivado de dopamina, que interactúa específicamente con el transportador de dopamina (DAT), bloqueando los poros. En presencia de MDPV, se produce la inhibición del reconocimiento entre el derivado de dopamina y el DAT que se desprende consecuentemente de las MSNs, provocando la liberación de rodamina B y permitiendo la detección de la droga. El nanodispositivo se ha empleado para la detección de MDPV en muestras de saliva y plasma sanguíneo. El quinto capítulo muestra el diseño de una sencilla tira portátil de doble canal usando nanomateriales híbridos para la detección in situ en muestras de saliva de escopolamina y MDPV, empleando un dispositivo smartphone. El nanosensor se basa en MSNs cargadas con un colorante fluorescente (rodamina B) y con la superficie externa funcionalizada con betanecol (agonista del receptor muscarínico de acetilcolina M2/CM2 (M2-AChR)). Al añadir el receptor M2-AChR se produce el tapado de los poros debido a la interacción específica con el derivado de betanecol. En el sexto capítulo se presenta un sensor molecular para la detección de GHB en bebidas alcohólicas, basado en un complejo de Cu2+ coordinado con un ligando tetradentado y un colorante fluorescente, cumarina 343. El mecanismo de detección se basa en un ensayo de desplazamiento del indicador (IDA). Este sistema se incorporó a una tira reactiva en un ensayo de lateral-flow. Por último, en el capítulo 7 se presentan las conclusiones generales. Los estudios realizados mostraron que estas sondas proporcionan excelentes ventajas sobre las técnicas analíticas tradicionales, tales como su simplicidad química, facilidad de uso, respuestas rápidas adecuadas para la detección in situ en tiempo real haciendo que la aplicación de estos sistemas suponga un prometedor avance para la detección precoz de casos de sumisión química o de adulteración de muestras con drogas de abuso difícilmente detectables. / [CA] La present tesi se centra en la síntesi, caracterització, avaluació i aplicació en assajos tipus lateral-flow de sensors moleculars, així com, de diferents sistemes híbrids orgànics-inorgànics basats en nanopartícules de sílice mesoporosa (MSNs) capaços de produir una resposta fluorogénica davant la presència d'estímuls exògens específics com serien les drogues d'abús per a la seua detecció en diferents medis competitius. En el primer capítol, s'estableix una visió general dels tipus de drogues d'abús existents, així com, les seues principals característiques i la importància del desenvolupament de nous mètodes per a detectar-les. A més, es presenta una visió general del camp de la nanotecnologia, i la seua potencial aplicació com a eines multifuncionals en el camp dels sensors, així com, una descripció general de sistemes de detecció basats en complexos de metalls de transició. A continuació, en el segon capítol s'enumeren els principals objectius generals a aconseguir durant el desenvolupament de la present tesi doctoral. En el tercer capítol es presenta un nanodispositiu per a la detecció fluorimètrica de l'estupefaent 25I-NBOMe en llepolies. El sistema consta de MSNs carregades amb un fluorofore (rodamina B) i funcionalitzades en la seua superfície externa amb un derivat de serotonina. Finalment, els porus són bloquejats completament per la interacció del derivat de serotonina ancorat a la superfície amb l'anticòs del receptor 5-HT2A que actua com a porta molecular. La resposta obtinguda es molt selectiva i amb limits de detecció baixos. En el quart capítol es va dur a terme la preparació i caracterització d'un nanosensor híbrid orgànic-inorgànic per a la detecció fluorogénica selectiva i sensible de 3,4-metilendioxipirovalerona (MDPV), comunament coneguda com a droga caníbal. El nanodispositiu està basat en MSNs carregades amb un colorant fluorescent (rodamina B), i funcionalitzades en la seua superfície externa amb un derivat de dopamina, que interactua específicament amb el transportador de dopamina (DAT), bloquejant els porus. El nanodispositiu ha estat utilitzat amb exit per a detectar MDPV en mostres de saliva i plasma sanguini. En el cinqué capítol s'ha dissenyat una senzilla tira portàtil de doble canal usant nanomaterials híbrids per a la detecció in situ en mostres de saliva de escopolamina i MDPV. La detecció de aquestes drogues en saliva es du a terme mitjançant la utilització d'un dispositiu smartphone. El nanosensor es basa en MSNs carregades amb un colorant fluorescent (rodamina B) i amb la superfície externa functionalitzada amb un derivat de betanecol (agonista del receptor muscarínic d'acetilcolina M2/CM2 (M2-AChR)). En presencia de M2-AChR es tapen els porus a causa de la interacció específica amb el derivat de betanecol. En el sisé capítol es presenta un sensor molecular per a la detecció de GHB en begudes alcohòliques, basat en un complex de Cu2+ coordinat amb un lligand tetradentat i un colorant fluorescent, cumarina 343. El mecanisme de detecció es basa en un assaig de desplaçament de l'indicador (IDA). Aquest sistema es va incorporar a una tira reactiva en un assaig lateral-flow. Finalment, en el capítol setè es presenten les conclusions generals. Els estudis realitzats van mostrar que aquestes sondes (que poden ser simples molècules o sistemes més sofisticats que involucren biomolècules en materials híbrids orgànic-inorgànics) proporcionen excel·lents avantatges sobre les tècniques analítiques tradicionals, com son la seua simplicitat química, facilitat d'ús, respostes ràpides i adequades per a la detecció in situ en temps real fent que l'aplicació d'aquests sistemes supose un prometedor avanç per a la detecció precoç de casos de submissió química o d'adulteració de mostres amb drogues d'abús difícilment detectables. / [EN] This PhD thesis focus on the synthesis, characterisation, evaluation and application in lateral-flow assays of molecular sensors, as well as different hybrid organic-inorganic systems based on mesoporous silica nanoparticles (MSNs) able to generate a fluorogenic response in the presence of specific exogenous stimuli such as abuse drugs for their detection in different competitive environments. In the first chapter, an overview about the different types of abuse drugs is given, as well as their main characteristics and the importance of new detection methods. In addition, a general view relate to metal complexes as sensor and nanotechnology is presented, and their potential application as multifunctional tools in the field of sensors. Then, the second chapter describes the main general objectives to be achieved during the development of this PhD thesis. The third chapter presents a nanodevice for the fluorimetric detection of 25I-NBOMe in candies. The system consists of MSNs loaded with a fluorophore (rhodamine B) and functionalised on their external surface with a serotonin derivative. Finally, the pores are completely capped by the interaction of the surface-anchored serotonin derivative with the 5-HT2A receptor antibody acting as a molecular gate. The response obtained with the nanosensor is quite selective and with low detection limits. In the fourth chapter, the preparation, and characterisation of a hybrid organic-inorganic nanosensor for the highly selective and sensitive fluorogenic detection of 3,4-methylenedioxypyrovalerone (MDPV), commonly known as cannibal drug, was carried out. The nanodevice is based on MSNs loaded with a fluorescent reporter (rhodamine B) and functionalised on their outer surface with a dopamine derivative, which specifically interacts with the dopamine transporter (DAT), capping the pores. The nanosensor was successfully used for MDPV detection in saliva and blood plasma samples. In the fifth chapter, a straightforward portable dual-track strip using nanomaterials has been designed for in situ in saliva samples and simultaneous detection of scopolamine and MDPV. Detection of both drugs in saliva samples was achieved by quantifying the released dye using a smartphone device. The nanosensor for MDPV detection is based on MSNs loaded with a fluorescent dye (rhodamine B) and a bethanechol derivative (an agonist of the muscarinic acetylcholine receptor M2/CM2 (M2-AChR)) grafted onto the external surface of the nanoparticles. Pores were capped after addition of M2-AChR due to its preferential coordination with the grafted bethanechol. The sixth chapter presents a molecular sensor for the GHB detection in alcoholic beverages, based on a Cu2+ complex coordinated with a tetradentate ligand and a fluorescent dye, coumarin 343. The detection mechanism is based on an indicator displacement assay (IDA). This system was incorporated into a test strip in a lateral-flow assay. Finally, general conclusions are presented in chapter seven. The studies performed showed that these probes (which can be from simple molecules to more sophisticated systems involving biomolecules in organic-inorganic hybrid materials) provide excellent advantages over traditional analytical techniques, such as their chemical simplicity, ease of use, rapid responses suitable for real-time in situ detection whereby the application of these systems is a promising advance for the early detection of chemical submission cases or adulteration of samples with hardly detectable abuse drugs. / Garrido García, EM. (2022). Development of Molecular and Nanostructured Sensors for Illicit Drug Detection [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/186235

Tesis por compendio / [ES] La presente tesis doctoral se centra en el diseño, síntesis y caracterización de varios nanodispositivos híbridos orgánico-inorgánicos, utilizando como soporte nanopartículas de sílice mesoporosa equipadas con enzimas y puertas moleculares, los cuales muestran capacidades comunicativas además de la evaluación de diferentes estrategias de comunicación. El primer capítulo incluye un resumen de diferentes conceptos sobre los que se fundamentan los estudios realizados tales como nanotecnología, materiales de sílice mesoporosa, materiales con puertas moleculares que reaccionan a estímulos específicos, partículas Janus y biocomputación. Finalmente, se incluyen conceptos básicos acerca de la comunicación química, materiales y estrategias empleados hasta ahora y ejemplos representativos. A continuación, en el segundo capítulo, se presentan los objetivos generales de esta tesis doctoral que son abordados en los siguientes capítulos experimentales. El tercer capítulo muestra un sistema de biocomputación para liberación basado en nanopartículas Janus de oro-sílice mesoporosa capaces de comunicarse con el entorno procesando la información e imitando la función lógica booleana propia de un demultiplexer y que resulta en la liberación controlada de la carga. Se muestra que dicho nanodispositivo puede llevar a cabo sus funciones en medios complejos como en células cancerígenas. En el cuarto capítulo, se presenta un modelo circular de comunicación dentro de una red de tres nanopartículas diferentes basado en el intercambio jerárquicamente programado de mensajes químicos. La parte mesoporosa del nanodispositivo 1 (S1βgal) es cargada con la especie fluorescente [Ru(bpy)3]Cl2 y tapada con cadenas de oligo(etilenglicol) que contienen puentes disulfuro y que funcionan como puertas moleculares, mientras que la enzima β-galactosidasa es unida a la parte del oro. En la nanopartícula 2 (S2galox), la enzima galactosa oxidasa es inmovilizada en la cara del oro mientras que la sílice mesoporosa es cargada con 4-(bromometil)benzoato de metilo y los poros tapados con un derivado de arilboronato autoinmolante sensible a H2O2 que forma un complejo huéspedanfitrión con β-ciclodextrina. Finalmente, el nanodispositivo 3 (S3est) es funcionalizado con la enzima esterasa en la parte del oro, cargada con la especie reductora hidroclururo de tris(2-carboxietil)fosfina (TCEP) en la parte mesoporosa y tapada con una nanoválvula supramolecular que responde a pH (βciclodextrina:benzimidazol). En el quinto capítulo, se muestra un modelo interactivo de comunicación química entre una nanopartícula Janus abiótica y un organismo vivo (Saccharomyces cerevisiae). En particular, el nanodispositivo está basado en nanopartículas funcionalizadas con glucosa oxidasa en la parte del oro, cargadas con el genotóxico fleomicina y tapadas con la puerta molecular sensible a pH (βciclodextrina:benzimidazol). El microorganismo usado en el estudio es una levadura modificada que expresa GFP bajo el control del promotor del gen RNR3; la transcripción de dicho gen es inducida con la exposición a agentes que dañan el ADN. La ruta de comunicación interactiva empieza con la adición de sacarosa (estímulo de entrada) la cual es hidrolizada en glucosa por la invertasa localizada en el espacio periplásmico de las levaduras y que difunde al nanodispositivo donde es trasformada en el correspondiente ácido por la glucosa oxidasa de la parte del oro. La bajada local de pH da lugar a la apertura de la nanoválvula sensible a pH del nanovehículo y con ello a la liberación de fleomicina (mensaje de vuelta) que induce la expresión de GFP (señal de salida) en las levaduras. En el sexto capítulo, proponemos una estrategia para establecer una comunicación lineal entre dos microorganismos diferentes que no interactúan entre ellos mediada por un nanodispositivo que actúa como traductor químico. Finalmente, las conclusiones generales de la presente tesis doctoral son expuestas en el capítulo siete. El estudio de las capacidades comunicativas de los nanodispositivos mesoporosos funcionalizados con enzimas permite la construcción de estrategias de cooperación entre diferentes entidades que permiten funcionalidades que van más allá que aquellas llevadas a cabo por agentes individuales. / [CA] La present tesi doctoral es centra en el disseny, síntesi i caracterització de diversos nanodispositius híbrids orgànic-inorgànics, utilitzant com a suport nanopartícules de sílice mesoporosa equipades amb enzims i portes moleculars, i que mostren capacitats comunicatives a més de l’avaluació de diferents estratègies de comunicació. El primer capítol inclou un resum de diferents conceptes sobre els quals es fonamenten els estudis realitzats com ara nanotecnologia, materials de sílice mesoporosa, materials amb portes moleculars que reaccionen a estímuls específics, partícules Janus i biocomputació. Finalment, s’inclouen conceptes bàsics sobre la comunicació química, materials i estratègies utilitzades fins ara i exemples representatius. A continuació, en el segon capítol, es presenten els objectius generals d’aquesta tesi doctoral que són abordats en els següents capítols experimentals. El tercer capítol mostra un sistema de biocomputació per alliberament basat en nanopartícules Janus d’or-sílice mesoporosa capaços de comunicar-se amb l’entorn processant la informació i imitant la funció lògica booleana pròpia d’un demultiplexer i que resulta en l’alliberament controlat de la càrrega. Es mostra que aquest nanodispositiu pot dur a terme les seves funcions en mitjans complexos com en cèl·lules canceroses. En el quart capítol, es presenta un model circular de comunicació dins d’una xarxa de tres nanopartícules diferents basat en l’intercanvi jeràrquicament programat de missatges químics. La part mesoporosa del nanodispositiu 1 (S1βgal) es carrega amb l’espècie fluorescent [Ru(bpy)3]Cl2 i es tapa amb cadenes d’oligo(etilenglicol) que contenen ponts disulfur i que funcionen com portes moleculars, mentre que l’enzim β-galactosidasa s’immobilitza a la part de l’or. A la nanopartícula 2 (S2galox), l’enzim galactosa oxidasa s’immobilitza a la cara de l’or mentre que la sílice mesoporosa es carrega amb 4-(bromometil)benzoat de metil i els porus són tapats amb un derivat d’arilboronat autoimmolant sensible a H2O2 que forma un complex hoste-amfitrió amb β-ciclodextrina. Finalment, el nanodispositu 3 (S3est) es funcionalitza amb l’enzim esterasa en la part de l’or, es carrega amb l’espècie reductora hidroclurur de tris (2-carboxietil) fosfina (TCEP) a la part mesoporosa i es tapa amb una nanoválvula supramolecular que respon a pH (β-ciclodextrina:benzimidazol). En el cinqué capítol, es mostra un model interactiu de comunicació química entre una nanopartícula Janus abiòtica i un organisme viu (Saccharomyces cerevisiae). En particular, el nanodispositiu està basat en nanopartícules funcionalitzades amb glucosa oxidasa en la part de l’or, carregades amb el genotòxic fleomicina i tapades amb la porta molecular sensible a pH (βciclodextrina:benzimidazol). El microorganisme utilitzat en l’estudi és un rent modificat que expressa GFP sota el control del promotor del gen RNR3; la transcripció d’aquest gen és induïda amb l’exposició a agents que danyen l’ADN. La ruta de comunicació interactiva comença amb l’addició de sacarosa (estímul d’entrada) la qual és hidrolitzada en glucosa per la invertasa localitzada en l’espai periplasmàtic dels rents i que difon al nanodispositiu on és transformada en el corresponent àcid per la glucosa oxidasa de la part de l’or. La baixada local de pH dona lloc a l’obertura de la nanoválvula sensible a pH del nanovehicle i amb això l’alliberament de fleomicina (missatge de tornada) que indueix l’expressió de GFP (senyal de sortida) en el rent. En el sisé capítol, proposem una estratègia per establir una comunicació lineal entre dos microorganismes diferents que no interactuen entre ells facilitada per un nanodispositiu que actua com a traductor químic. Finalment, les conclusions generals de la present tesi doctoral són exposades en el capítol set. L’estudi de les capacitats comunicatives dels nanodispositius mesoporosos funcionalitzats amb enzims permet la construcció d’estratègies de cooperació entre diferents entitats que permeten funcionalitats que van més enllà que aquelles dutes a terme per agents individuals. Esperem que els resultats obtinguts inspiren aplicacions futures en diferents àrees com ara biomedicina, nanorobots, materials que imiten la naturalesa i tecnologies de la informació. / [EN] This PhD Thesis is focused on the design, synthesis and characterization of several hybrid organic-inorganic nanodevices using mesoporous silica nanoparticles equipped with enzymes and molecular gates which display communication capabilities as well as the design and evaluation of different communication strategies. The first chapter includes an overview of the different concepts which lay the foundations of the presented studies such as nanotechnology, mesoporous silica materials, stimuli-responsive gated materials, Janus particles and biocomputing. Basic concepts of chemical communication, materials and enabling technologies employed so far and representative examples in this field are also included. Next, in the second chapter, the general objectives of this PhD Thesis that are addressed in the following experimental chapters are presented. The third chapter shows a biocomputing delivery system based on Janus gold-mesoporous silica nanoparticles capable of chemically communicating with the environment and processing the information mimicking a demultiplexer Boolean logic function which results in a programmed cargo release. Finally, it is shown that such nanodevice is operative in complex media such as cancer cells. In the fourth chapter, it is presented a circular model of communication within a network of three different nanoparticles based on the hierarchically programmed exchange of chemical messages. The mesoporous face of nanodevice 1 (S1βgal) is loaded with the fluorescent dye [Ru(bpy)3]Cl2 and capped with disulfidecontaining oligo(ethylene glycol) chains acting as gatekeepers, whereas the enzyme β-galactosidase is attached to the gold face. In nanoparticle 2 (S2galox), the enzyme galactose oxidase is immobilized on the Au face, while the mesoporous silica is loaded with methyl 4-(bromomethyl)benzoate and the mesopores capped with a H2O2-sensitive self-immolative arylboronate derivative which forms a host-guest complex with β-cyclodextrin. Finally, the nanodevice 3 (S3est) is functionalized with the enzyme esterase on the Au face, loaded with the reductive species tris(2- carboxyethyl)phosphine hydrochloride (TCEP) in the mesoporous face and capped with a pH-responsive supramolecular nanovalve (β-cyclodextrin:benzimidazole). In the fifth chapter, it is showed an interactive model of chemical communication between an abiotic Janus nanoparticle and a living organism (Saccharomyces cerevisiae). In particular, the nanodevice is based on Janus goldmesoporous silica nanoparticles functionalized with glucose oxidase on the Au face, loaded with the genotoxin phleomycin and capped with a pH-responsive (βcyclodextrin:benzimidazole) gatekeeper. The microorganism used in the studies is an engineered budding yeast that expresses GFP under the control of the RNR3 promoter; RNR3 gene transcription is induced upon exposure to DNA-damaging agents. The interactive communication pathway starts with the addition of sucrose (input) which is hydrolyzed into glucose by invertase located in periplasmic space of yeasts and diffuses to the nanodevice where it is transformed into the corresponding acid by glucose oxidase on the Au face. The local drop in pH leads to uncapping of the pH-sensitive nanovalve in the nanocarrier and the release of phleomycin (feedback messenger) that induces GFP expression (output) in yeasts. In the sixth chapter, we propose a strategy to establish linear communication between two different non-interacting microorganisms mediated by a nanodevice which acts as a chemical “nanotranslator”. Finally, the general conclusions from this PhD Thesis are presented in chapter seven. The study of communication capabilities of enzyme-functionalized mesoporous nanodevices enables the construction of strategies of cooperation between different entities allowing sophisticated functionalities that go beyond those carried out by individual agents. We hope that the obtained results inspire future applications in different areas such as biomedicine, nanorobots, life-like materials and information technologies. / The authors wish to thank the Spanish Government (projects RTI2018-100910-B-C41 and RTI2018-101599-B-C22 (MCUI/AEI/FEDER, UE), CTQ2017-87954-P), the Generalitat Valenciana (PROMETEO 2018/024), the Comunidad de Madrid (IND2017/BMD7642) and CIBER-BBN (NANOCOMMUNITY project) for support. / De Luis Fernández, B. (2021). Development of enzyme-functionalized hybrid mesoporous nanodevices for advanced chemical communication [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/171506 / Compendio