[ES] La presente tesis doctoral titulada "New advanced anti-tumor therapies based on hybrid mesoporous nanodevices" se centra en el diseño, síntesis, caracterización y evaluación de nuevos nanodispositivos híbridos orgánico-inorgánicos. En concreto, se han desarrollado nanopartículas de sílice mesoporosas (MSNs) y nanopartículas Janus combinando MSNs con platino y con oro con el objetivo de mejorar los tratamientos anti-tumorales. El primer capítulo es una introducción general que incluye una visión global del contexto en el que se enmarca la investigación realizada. En particular, se incluye información básica sobre los diferentes tipos de nanopartículas empleados en esta tesis doctoral, así como la descripción de la enfermedad del cáncer y la aplicación de los nanomateriales como terapia. A continuación, en el segundo capítulo, se presentan los objetivos generales y específicos de esta tesis doctoral. Los capítulos tercero y cuarto describen dos estrategias terapéuticas basadas en el desarrollo de nanopartículas con movimiento para mejorar la terapia antitumoral. Concretamente, en el primer capítulo experimental se presenta un nanodispositivo autopropulsado para la liberación controlada de fármacos en respuesta al glutatión (GSH) intracelular. Éste se basa en nanopartículas tipo Janus compuestas por sílice mesoporosa y oro, funcionalizadas en la parte del oro con la enzima catalasa, cargadas con doxorrubicina y con cadenas de oligo(etilenglicol) (S-S-PEG) unidas por puentes disulfuro en la cara de la sílice. Una vez sintetizado y caracterizado el dispositivo, se confirmó su movimiento y se demostró el funcionamiento de la puerta molecular. Finalmente, la internalización celular y la liberación de doxorrubicina se estudiaron en cultivos celulares. Motivados por los resultados anteriores, en el cuarto capítulo se describe un nuevo nanomotor diseñado como tratamiento antitumoral y similar al anterior. En este caso, la nanopartícula Janus desarrollada está compuesta por una nanopartícula de sílice mesoporosa junto con una de platino, cargada con doxorrubicina y cubierta con S-S-PEG. Al igual que en el trabajo anterior, se consigue la autopropulsión del dispositivo. Además, se obtuvo el perfil cinético de liberación del cargo en respuesta a estímulos y se confirmó su aplicación en cultivos celulares. Los capítulos cinco y seis se centran en una estrategia terapéutica nueva que consiste en potenciar la acción del sistema inmune sobre el tumor para conseguir su eliminación. En el primero de estos capítulos experimentales, se utilizaron nanopartículas MSNs cargadas con el fármaco JQ-1 y un siRNA frente al factor de crecimiento transformante ßeta (TGF-ß) como inmunoterapia. Una vez sintetizadas y caracterizadas, se confirmó la capacidad de estas nanopartículas para llevar a cabo la liberación de los cargos, junto con la disminución en la expresión de PD-L1 y en la producción de TGF-ß. Por último, se confirmó su aplicabilidad al ser capaces de inducir la eliminación de células de melanoma por el sistema inmune. De acuerdo con el último capítulo experimental, se describe un nuevo enfoque inmunoterapéutico basado en la comunicación química. En este caso, empleamos una nanopartícula Janus de oro y sílice funcionalizada con un péptido llamado pHLIP en la cara de sílice y el anticuerpo contra el receptor PD-1 unido a la cara de oro (J-pHLIP-PD1). La membrana de la célula tumoral es decorada por este nanodispositivo y gracias a la exposición del anticuerpo PD-1, se consiguió atrapar a los linfocitos T circulantes, desencadenando la eliminación de células tumorales por el sistema inmunitario. Además, estos resultados se confirmaron en un modelo metastásico B16-F10-Luc con una reducción de nódulos metastáticos. Finalmente, en el capítulo séptimo y octavo, se aborda la discusión general y las conclusiones derivadas de los estudios experimentales presentados en esta tesis doctoral. / [CA] Aquesta tesi doctoral titulada "New advanced anti-tumor therapies based on hybrid mesoporous nanodevices" se centra en el disseny, síntesi, caracterització i avaluació de nous nanodispositius híbrids orgànic-inorgànics. En concret, s'han desenvolupat nanopartícules de sílice mesoporoses (MSNs) i nanopartícules Janus combinant MSNs amb platí i amb or per al tractament antitumoral. El primer capítol és una introducció general que inclou una visió global del context on s'emmarca la recerca realitzada. En particular, es presenta informació bàsica sobre les nanopartícules emprades en aquesta tesi doctoral, així com la descripció de la malaltia del càncer i l'aplicació dels nanomaterials com a teràpia. A continuació, al segon capítol, es presenten els objectius generals i específics d'aquesta tesi doctoral. Els capítols tercer i quart descriuen dues estratègies terapèutiques basades en el desenvolupmanet de nanopartícules amb moviment per aconseguir una millora de la terapia antitumoral. Concretament, al primer capítol experimental es presenta un nanodispositiu autopropulsat per a l'alliberament controlat de fàrmacs en resposta al glutatió (GSH) intracel·lular. Aquest es basa en nanopartícules tipus Janus compostes per sílice mesoporosa i or, funcionalitzades a la part de l'or amb l'enzim catalasa, carregades amb doxorrubicina i amb cadenes d'oligo(etilenglicol) (SS-PEG) unides per ponts disulfur a la cara de la sílice. Una vegada sintetitzat i caracteritzat el dispositiu, es va confirmar la seua capacitat de moviment i es va demostrar el funcionament correcte de la porta molecular. Finalment, la internalització cel·lular i l'alliberament de doxorrubicina es van estudiar en cultius cel·lulars. Motivats pels resultats anteriors, al quart capítol es descriu un nanomotor nou dissenyat com a tractament antitumoral i similar a l'anterior. En aquest cas, la nanopartícula Janus desenvolupada està composta per una nanopartícula de sílice mesoporosa juntament amb una de platí, carregada amb doxorrubicina i coberta amb S-S-PEG. Igual que en el treball anterior, s'aconsegueix autopropulsió del dispositiu. A més, es va obtenir el perfil cinètic d'alliberament del càrrec en resposta a estímuls i se'n va confirmar l'aplicació en cultius cel·lulars. Els capítols cinc i sis se centren en una estratègia terapèutica nova que consisteix a potenciar l'acció del sistema immune sobre el tumor per aconseguir-ne l'eliminació. Al primer d'aquests capítols experimentals, es van utilitzar nanopartícules MSNs carregades amb el fàrmac JQ-1 i un siRNA davant del factor de creixement transformant ßeta (TGF-ß) com a immunoteràpia. Un cop sintetitzades i caracteritzades, es va confirmar la capacitat d'aquestes nanopartícules per dur a terme l'alliberament dels càrrecs, juntament amb la disminució de l'expressió de PD-L1 i de la producció de TGF-ß. Finalment, se'n va confirmar l'aplicabilitat en ser capaços d'induir l'eliminació de cèl·lules de melanoma pel sistema immune. D'acord amb el darrer capítol experimental, es descriu un nou enfocament immunoterapèutic basat en la comunicació química. En aquest cas, fem servir una nanopartícula Janus d'or i sílice funcionalitzada amb un pèptid anomenat pHLIP a la cara de sílice i l'anticòs contra el receptor PD-1 unit a la cara d'or (J-pHLIP-PD1). La membrana de la cèl·lula tumoral és decorada per aquest nanodispositiu i gràcies a l'exposició de l'anticòs PD-1, es va aconseguir atrapar els limfòcits T circulants, desencadenant l'eliminació de cèl·lules tumorals pel sistema immunitari. A més, aquests resultats es van confirmar en un model metastàtic B16-F10-Luc amb una reducció de nòduls metastàtics. Finalment, al capítol setè i vuitè, s'aborda la discussió general i les conclusions derivades dels estudis experimentals presentats en aquesta tesi doctoral. / [EN] The present PhD thesis entitled "New advanced anti-tumor therapies based on hybrid mesoporous nanodevices" focuses on the design, synthesis, characterization, and evaluation of new hybrid organic-inorganic nanodevices. We have developed mesoporous silica nanoparticles (MSNs) and Janus platinum-MSN and gold-MSN nanoparticles for tumor treatment. The first chapter is a general introduction that includes an overview of the context related to the research developed in this thesis. In particular, it includes basic information about different nanoparticles used in this doctoral thesis along with the description of cancer disease characteristics and the application of nanomaterials as therapy. Next, in the second chapter, the general and specific objectives of this Ph.D. thesis are presented. The third and fourth chapters describe two nanotechnology-based therapeutic strategies based on the development of nanomotors to improve cancer therapy. Specifically, the first experimental chapter presents a self-moving nanodevice for controlled drug release in response to intracellular glutathione (GSH). It is based on Janus gold-mesoporous silica nanoparticles functionalized with the enzyme catalase in the gold face, loaded with doxorubicin and capped with disulfide-linked oligo(ethylene glycol) (S-S-PEG) chains on the silica face. Once synthesized and characterized, the nanosystem motion was confirmed and the proper gating mechanism of the nanodevice was proven. Finally, the cellular uptake and doxorubicin release capacity have been demonstrated in cell cultures. Encouraged by the above results, chapter four describes a similar nanomotor design for antitumor therapy. In this case, the nanoparticle developed is composed of a Janus platinum-mesoporous silica nanoparticle, loaded with doxorubicin, and capped with S-S-PEG. As well as in the previous work, self-propulsion of the nanoparticles was achieved. Moreover, the stimuli-responsive cargo release kinetic profile was obtained and its application was confirmed in cell cultures. Chapters five and six focus on a new therapeutic strategy, empowering the immune system action on tumors to reach tumor cell death. In the first of these experimental chapters, JQ-1 and transforming growth factor-beta (TGF-ß) siRNA-loaded nanoparticles were used as efficient tumor immunotherapy. Once synthesized and characterized, the efficient cargo delivery was accomplished along with the programmed death-ligand 1 (PD-L1) downregulation and TGF-ß silencing. Lastly, its application was confirmed by triggering a specific immunogenic removal of tumor cells in melanoma cells. In chapter six, the development of a new communication-based immunotherapeutic approach is reported. In this case, we employ Janus gold-MSN functionalized with a peptide called pHLIP onto silica face and anti-PD-1 antibody bound to gold face (J-pHLIP-PD1). Tumor cell membrane is decorated by this nanodevice, leaving exposed on the surface PD-1 antibody which catches circulating T lymphocytes. It triggers immune system-induced-tumor leveling. Moreover, J-pHLIP-PD1 treatment-associated reduction of metastatic burden was also proven. Finally, in the seventh and eighth chapter, the general discussion and conclusions derived from the presented experimental studies of this Ph.D. thesis are exposed. / The authors thank the Spanish Government (Projects MAT2015-64139-C4-1, AGL2015-70235-C2-2-R, CTQ2014-58989-P, CTQ2015-71936-REDT and CTQ2017-87954-P) and the Generalitat Valencia (PROMETEO/2018/024) for support. The Comunidad de Madrid (IND2017/BMD-7642) is also gratefully acknowledged. The authors thank the Spanish Government (project PID2021-126304OB-C41, (MCUI/FEDER, EU)) and the Generalitat Valenciana (project PROMETEO CIPROM/2021/007). E.L-S is grateful for her FPU fellowship funded by MINECO (FPU18/06539). This work was supported by the European Research Council (ERC) via Advanced Grant (101052997, EDISON). This study forms part of the Advanced Materials program (MFA/2022/049) and was supported by MCIN with funding from European Union NextGenerationEU (PRTR-C17.I1) and by Generalitat Valenciana. This work was supported by the European Research Council (ERC) via Advanced Grant (101052997, EDISON) and by CIBER -Consorcio Centro de Investigación Biomédica en Red- (CB06/01/2012), Instituto de Salud Carlos III, Ministerio de Ciencia e Innovación. / Lucena Sánchez, E. (2024). New advanced anti-tumor therapies based on hybrid mesoporous nanodevices [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/205528

[ES] Esta tesis doctoral titulada "Desarrollo y validación de nuevas estrategias senolíticas para la selección y eliminación de células senescentes" se centra en el diseño, síntesis y validación de nanodispositivos y profármacos para eliminar células senescentes, con el objetivo de tratar enfermedades relacionadas con el envejecimiento y el cáncer. En el primer capítulo experimental, presentamos un nanodispositivo para eliminar selectivamente células senescentes explotando la actividad enzimática específica del secretoma senescente. Los resultados mostraron que tras la inducción de senescencia en fibroblastos WI-38 proliferantes con radiación ionizante, las células secretan altos niveles de metaloproteinasa de matriz 3 (MMP-3). Basándose en esto, se cargaron MSNs con navitoclax y se recubrieron con un péptido específico de MMP-3 ( "puerta molecular"), obteniendo NPs(Nav)@MMP-3. Los estudios celulares demostraron una liberación preferencial de la carga en células senescentes en comparación con células proliferantes. Además, el tratamiento de células senescentes con NPs(Nav)@MMP-3 indujo una disminución de la viabilidad celular similar a la del navitoclax, mientras que se observó un efecto protector sobre las células proliferantes. Partiendo de estos resultados en el segundo capítulo experimental describimos una nanopartícula para terapia senolítica mediada por células inmunitarias. Para ello, las nanopartículas recubiertas con el péptido específico de MMP-3 se decoraron con la quimioquina CXCL12 (NPs@CXCL12), potenciando el reclutamiento de células inmunitarias al microambiente senescente. Se verificó la liberación progresiva y específica de la proteína CXCL12 en presencia de MMP-3 mediante ensayos de liberación controlada. Posteriormente, se confirmó la capacidad de las nanopartículas para atraer células T Jurkat a un microambiente senescente mediante ensayos de migración. Los resultados revelaron que las NPs@CXCL12 ejercían un efecto quimiotáctico más significativo que la CXCL12 libre. Además, también se evaluó la capacidad de las células asesinas naturales primarias humanas para eliminar WI-38 senescentes, y se monitorizaron sus trayectorias de migración en respuesta a NPs@CXCL12 o CXCL12 libre utilizando un dispositivo de microfuídica. En el capítulo experimental tres, nos centramos en el diseño de un nanodispositivo dirigido al surfaceoma senescente. En concreto, demostramos que la inducción de la senescencia con palbociclib en células de melanoma humano desarrollaba un fenotipo senescente con sobreexpresión de dipeptidil peptidasa-4 (DPP4).Aquí, se cargaron MSNs con navitoclax, se cubrieron con polietilenglicol que contiene disulfuro ("puerta molecular" sensible a redox) y se funcionalizaron con un anticuerpo contra DPP4. La eficacia de las NPs(Nav)@DPP4-PE en la detección y eliminación de células senescentes se validó in vitro e in vivo utilizando un modelo murino de melanoma senescente inducido por palbociclib. El tratamiento redujo significativamente el crecimiento tumoral y eliminó preferentemente las células senescentes. En el cuarto capítulo experimental, investigamos el potencial de la terapia fotodinámica para la detección y eliminación de células senescentes. Para ello, se sintetizó un fotosensibilizador (compuesto 1) basado en boro-dipirrometeno (BODIPY) activado con ß-galactosidasa asociada a senescencia (SA-ß-gal). El compuesto 1 permanece inactivo hasta que la hidrólisis de la galactosa por la enzima SA-ß-gal restaura la emisión de fluorescencia y la generación de oxígeno singlete. La restauración de la fluorescencia, la capacidad de producir especies reactivas de oxígeno y de matar células senescentes en presencia de luz en el compuesto 1 se demostró en modelos de senescencia inducida por terapia in vitro e in vivo. Además, los estudios revelaron que el compuesto 1 desencadena un potente efecto senolítico tras la irradiación de tumores senescentes en modelos de ratón. / [CA] Esta tesi doctoral titulada "Desenvolupament i validació de noves estratègies senolítiques per a la selecció i eliminació de cèl·lules senescents" se centra en el disseny, síntesi i validació de nanodispositius i profàrmacs per a eliminar cèl·lules senescents, amb l'objectiu de tractar malalties relacionades amb l'envelliment i el càncer. En el primer capítol experimental, presentem un nanodispositiu per a eliminar selectivament cèl·lules senescents explotantl'activitat enzimàtica específica del secretoma senescent. Els resultats van mostrar que després de la inducció de senescència en fibroblasts WI-38 proliferants amb radiació ionitzant, les cèl·lules secreten alts nivells de metaloproteinasa de matriu 3 (MMP-3). Basant-se en això, es van carregar MSNs amb navitoclax i es van recobrir amb un pèptid específic de MMP-3 ("porta molecular"), obtenint NPs(Nav)@MMP-3. Els estudis cel·lulars van demostrar un alliberament preferencial de la càrrega en cèl·lules senescents en comparació amb cèl·lules proliferants. A més, el tractament de cèl·lules senescents amb NPs(Nav)@MMP-3 va induir una disminució de la viabilitat cel·lular similar a la del navitoclax, mentres que es va observar un efecte protector sobre les cèl·lules proliferants. Partint déstos resultats en el segon capítol experimental descrivim una nanopartícula per teràpia senolítica mediada per cèl·lules immunitàries. Per a això, les nanopartícules recobertes amb el pèptid específic de MMP-3 es van decorar amb la quimioquina CXCL12 (NPs@CXCL12), potenciant el reclutament de cèl·lules immunitàries al microambient senescent. Ees va verificar l'alliberament progressiu i específic de la proteïna CXCL12 de la bastida en presència de MMP-3 mitjançant assajos d'alliberament controlat. Posteriorment, es va confirmar la capacitat de les nanopartícules per a atraure cèl·lules T Jurkat a un microambient senescent mitjançant assajos de migració. Els resultats van revelar que les NPs@CXCL12 exercien un efecte quimiotàctic més significatiu que la CXCL12. A més, també es va avaluar la capacitat de les cèl·lules assassines naturals primàries humanes per a eliminar WI-38 senescents, i es van monitorar les seues trajectòries de migració en resposta a NPs@CXCL12 o CXCL12 utilitzant un dispositiu de microfuidica. En el capítol experimental tres, ens centrem en el disseny d'un nanodispositiu dirigit al surfaceoma senescent. En concret, vam demostrar que la inducció de la senescència amb palbociclib en cèl·lules de melanoma humà presentava un fenotip senescent amb sobreexpresión de dipeptidil peptidasa-4 (DPP4). Basant-se en esta troballa, es van carregar MSNs amb navitoclax, es van cobrir amb polietilenglicol que conté disulfur, ("porta molecular" sensible a redox) i es van funcionalitzar amb un anticòs contra DPP4. L'eficàcia de les NPs(Nav)@DPP4-PE en la detecció i eliminació de cèl·lules senescents es va validar in vitro i in vivo utilitzant un model murin de melanoma senescent induït per palbociclib.El tractament va reduir significativament el creixement tumoral i va eliminar preferentment les cèl·lules senescents, com van indicar els biomarcadores de senescència analitzats. En el quart capítol experimental, investiguem el potencial de la teràpia fotodinámica per a la detecció i eliminació de cèl·lules senescents. Per a això, es va sintetitzar un fotosensibilizador (compost 1) basat en bor-dipirrometeno activat amb ß-galactosidasa associada a senescència (SA-ß-gal). El 1 roman inactiu fins que la hidròlisi de la galactosa per SA-ß-gal restaura l'emissió de fluorescència i la generació d'oxigen singlete. La restauració de la fluorescència, la capacitat de produir espècies reactives d'oxigen i de matar cèl·lules senescents en presència de llum en el 1 es va demostrar en models de senescència induïda per teràpia in vitro i in vivo. A més, els estudis van revelar que el 1 desencadena un potent efecte senolítico després de la irradiació de tumors senescents en models de ratolí. / [EN] This PhD thesis entitled "Development and validation of novel senolytic strategies for targeting and eliminating senescent cells" focuses on the design, synthesis, and validation of nanodevices and prodrugs to eliminate senescent cells, to treat diseases related to aging and cancer. In the first experimental chapter, we present a nanodevice to selectively remove senescent cells by exploiting the specific enzymatic activity of the senescent secretome. The results showed that after the induction of senescence in proliferating WI-38 fibroblasts with ionizing radiation, the cells secrete high levels of matrix metalloproteinase-3 (MMP-3). Based on this, MSNs were loaded with navitoclax and coated with a specific peptide; a substrate of MMP-3 (gatekeeper), yielding NPs(Nav)@MMP-3. Cellular studies demonstrated preferential cargo release in senescent cells compared to proliferating cells. Furthermore, treatment of senescent cells with NPs(Nav)@MMP-3 induced a decrease in cell viability similar to that of free navitoclax, while a protective effect on proliferating cells was observed. Building on these results, in the second experimental chapter, we describe a nanoparticle for immune cell-mediated senolytic therapy. To this end, MSNs coated with the specific peptide MMP-3 were decorated with the chemokine CXCL12 (NPs@CXCL12), enhancing immune cells' recruitment to the senescent microenvironment. First, the progressive and specific release of CXCL12 protein from the scaffold in the presence of MMP-3 was verified by controlled release assays. Subsequently, the ability of the nanoparticles to attract Jurkat T cells to a senescent microenvironment was confirmed by migration assays. The results revealed that NPs@CXCL12 exerted a more significant chemotactic effect than free CXCL12. In addition, the ability of human primary natural killer cells to clear senescent WI-38 was also evaluated, and their migration trajectories were monitored in response to NPs@CXCL12 or free CXCL12 using a microfluidic device. In experimental chapter three, we focused on the design of a nanodevice targeting senescent surfaceome. Specifically, the research proved that the induction of senescence with palbociclib in human melanoma cells developed a senescent phenotype characterized by the up-regulated expression of dipeptidyl peptidase 4 (DPP4). Based on this finding, MSNs were loaded with navitoclax, capped with disulfide-containing polyethylene glycol (redox-sensitive gatekeeper) and finally functionalized with an antibody that recognized the DPP4 protein. The efficacy of NPs(Nav)@DPP4-PE in detecting and eliminating senescent cells was validated in vitro and in vivo using a mouse model of palbociclib-induced senescent melanoma. Furthermore, treatment of mice with the DPP4-targeted nanoparticle significantly reduced tumor growth, and preferentially removed senescent cells, as indicated by the senescence biomarkers analyzed. In the fourth experimental chapter, we investigated the potential of photodynamic therapy for the detection and eradication of senescent cells. For this purpose, a boron dipyrromethene-based photosensitizer (BODIPY) activated with senescent-associated ß-galactosidase (SA-ß-gal) (compound 1) was synthesized. Compound 1 contains a galactose moiety bound to a BODIPY, so it remains inactive until galactose hydrolysis by the SA-ß-gal enzyme restores fluorescence emission and singlet oxygen generation. The restoration of fluorescence, the ability to produce reactive oxygen species, and to kill senescent cells in the presence of light in compound 1 was demonstrated in models of therapy-induced senescence in vitro and in vivo. Furthermore, studies in palbociclib-induced senescent melanoma mouse models reveal that the galactose-conjugated photosensitizer triggers a potent senolytic effect upon irradiation of senescent tumors. / This research was supported by projects PID2021-126304OB-C41 and PID2021-128141OB-C22 funded by MCIN/ AEI /10.13039/501100011033/ and by EuropeanRegional Development Fund - A way of doing Europe. This study was also supported byGeneralitat Valenciana (CIPROM/2021/007). This research was supported by CIBER(CB06/01/2012), Instituto de Salud Carlos III, and Ministerio de Ciencia e Innovación. Thiswork was also supported by the European Research Council (ERC) via Advanced Grant (101052997, EDISON). B.E-N. is grateful to the Instituto de Salud Carlos III (ISCIII) for the grant through the project “IFI19/00026”, co-funded by the European Union and the company Senolytic Therapeutics S.L for the support. E.G. is grateful to the Spanish MIU and European Union-Next Regeneration EU for her “Margarita Salas” postdoctoral grant (UP2021-036). / Escriche Navarro, B. (2025). Development and validation of novel senolytic strategies for targeting and eliminating senescent cells [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/214794

Submitted by Samira Prince (prince@ufpa.br) on 2012-05-11T14:16:38Z No. of bitstreams: 1 Dissertacao_EstimacaoPorcentagemFluor.pdf: 3010181 bytes, checksum: 0b250d533f6f07d9141beb6a3afccea1 (MD5) / Approved for entry into archive by Samira Prince(prince@ufpa.br) on 2012-05-14T13:54:38Z (GMT) No. of bitstreams: 1 Dissertacao_EstimacaoPorcentagemFluor.pdf: 3010181 bytes, checksum: 0b250d533f6f07d9141beb6a3afccea1 (MD5) / Made available in DSpace on 2012-05-14T13:54:38Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Dissertacao_EstimacaoPorcentagemFluor.pdf: 3010181 bytes, checksum: 0b250d533f6f07d9141beb6a3afccea1 (MD5) Previous issue date: 2011 / FAPESPA - Fundação Amazônia de Amparo a Estudos e Pesquisas / CVRD - Companhia Vale do Rio Doce / As indústrias têm buscado constantemente reduzir gastos operacionais, visando o aumento do lucro e da competitividade. Para alcançar essa meta, são necessários, dentre outros fatores, o projeto e a implantação de novas ferramentas que permitam o acesso às informações relevantes do processo de forma precisa, eficiente e barata. Os sensores virtuais têm sido aplicados cada vez mais nas indústrias. Por ser flexível, ele pode ser adaptado a qualquer tipo de medição, promovendo uma redução de custos operacionais sem comprometer, e em alguns casos até melhorar, a qualidade da informação gerada. Como estão totalmente baseados em software, não estão sujeitos a danos físicos como os sensores reais, além de permitirem uma melhor adaptação a ambientes hostis e de difícil acesso. A razão do sucesso destes tipos de sensores é a utilização de técnicas de inteligência computacional, as quais têm sido usadas na modelagem de vários processos não lineares altamente complexos. Este trabalho tem como objetivo estimar a qualidade da alumina fluoretada proveniente de uma Planta de Tratamento de Gases (PTG), a qual é resultado da adsorção de gases poluentes em alumina virgem, via sensor virtual. O modelo que emula o comportamento de um sensor de qualidade de alumina foi criado através da técnica de inteligência computacional conhecida como Rede Neural Artificial. As motivações deste trabalho consistem em: realizar simulações virtuais, sem comprometer o funcionamento da PTG; tomar decisões mais precisas e não baseada somente na experiência do operador; diagnosticar potenciais problemas, antes que esses interfiram na qualidade da alumina fluoretada; manter o funcionamento do forno de redução de alumínio dentro da normalidade, pois a produção de alumina de baixa qualidade afeta a reação de quebra da molécula que contém este metal. Os benefícios que este projeto trará consistem em: aumentar a eficiência da PTG, produzindo alumina fluoretada de alta qualidade e emitindo menos gases poluentes na atmosfera, além de aumentar o tempo de vida útil do forno de redução. / The industries have been often seeking to reduce operating expenses, as to increase profits and competitiveness. To achieve this goal, it must take into account, among other factors, the design and implementation of new tools that accurately, efficiently and inexpensively allow access to information relevant to process. Soft sensors have been increasingly applied in industry. Since it offers flexibility, it can be adapted to make estimations of any measurement, thus a reducing in operating costs without compromising the measurements, and in some cases even improve the quality of generated information. Since they are completely softwarebased, they are not subjected to physical damage as the real sensors, and are better adaptated to harsh environments with hard access. The success of this king of sensors is due to the use of computational intelligence techniques, which have been widely used in the modeling of several nonlinear complex processes. This work aims to estimate the quality of alumina fluoride from a Gas Treatment Center (GTC), which is the result of gaseous adsorption on alumina virgin, using a soft sensor. The model that emulates the behavior of a alumina quality sensor the plant was created using an artificial intelligence technique known as Artificial Neural Network. The motivations of this work are: perform virtual simulations without compromising the GTC and make accurate decisions based not only on the operator's experience, to diagnose potential problems before they can interfere with the quality of alumina fluoride; maintain the aluminum reduction pot control variables within normal limits, since the production from low quality alumina strongly affects the reaction of breaking the molecule that contains this metal. The benefits this project brings include: increasing the GTC efficiency, producing high quality fluoridated alumina and emitting fewer greenhouse gases into the atmosphere and increasing the pot lifespan.

Submitted by Edisangela Bastos (edisangela@ufpa.br) on 2013-01-28T18:16:37Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Dissertacao_AplicacaoSensoresVirtuais.pdf: 9054333 bytes, checksum: f79560bbe3c6335b7cfbaf8594f9b28b (MD5) / Approved for entry into archive by Ana Rosa Silva(arosa@ufpa.br) on 2013-01-29T14:48:19Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Dissertacao_AplicacaoSensoresVirtuais.pdf: 9054333 bytes, checksum: f79560bbe3c6335b7cfbaf8594f9b28b (MD5) / Made available in DSpace on 2013-01-29T14:48:19Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Dissertacao_AplicacaoSensoresVirtuais.pdf: 9054333 bytes, checksum: f79560bbe3c6335b7cfbaf8594f9b28b (MD5) Previous issue date: 2009 / As indústrias buscam a todo o momento reduzir seus gastos operacionais para aumentar seus lucros e sua competitividade. Uma boa gestão é o fator mais importante, porém uma boa gestão é feita com auxílio de ferramentas que permitam o acesso às informações relevantes para o processo, que tenham bastante influência na tomada de decisões estratégicas, com o menor custo possível. O uso de sensores virtuais tem sido aplicado cada vez mais nas indústrias. Por ser flexível, ele pode ser adaptado a qualquer tipo de medição, promovendo uma redução de custos operacionais sem comprometer, e em alguns casos até melhorar, a qualidade da informação gerada. Como estão totalmente baseados em software, não estão sujeitos a danos físicos como os sensores reais, além de permitirem uma melhor adaptação a ambientes hostis e de difícil acesso. A razão do sucesso destes tipos de sensores é a utilização de técnicas de inteligência computacional, as quais têm sido usadas na modelagem de vários processos não lineares altamente complexos. Atualmente, muitas indústrias já utilizam com sucesso os sensores virtuais, e este trabalho explora a sua utilização, em conjunto com as Redes Neurais Artificiais, em um processo químico em uma importante indústria de alumínio brasileira cujo controle é muito difícil pois é muito difícil extrair medidas da planta dada sua natureza corrosiva e cujas medições exigem certo custo operacional além de estarem sujeitas a ruídos. A aplicação dos sensores virtuais poderá reduzir os intervalos de medições bem como os custos operacionais. Ao longo deste trabalho será apresentada a metodologia de como projetar o sensor virtual utilizando o processo químico como estudo de caso, seguindo a literatura recomendada. / Nowadays, industries worldwide are looking forward to enlarge their profits and become more competitive. A good management is a key factor to accomplish the company’s target, however all management decisions are supported by tools that provide good and relevant information for the process, which usually influences decision making strategically. Soft Sensors have been applied in industries which are aiming that target and its use has been growing lately. A soft sensor can be adapted to any application regarding variable measurement, therefore reducing operational costs without compromising the current information quality, and in some cases, better results can be obtained. Since they are software based, they are not subjected to physical damages as real sensors are, so they can be adapted virtually to hostile environments. The key of this kind of sensor success is the use of computational intelligence techniques, which has been heavily used in nonlinear and highly complex process modeling. Currently, many industries already use them successfully, and this work exploits its use with Neural Networks in a chemical process in an important Brazilian Aluminum Smelter whose control is very hard to maintain once it is not easy to retrieve information from the plant due to its corrosive nature and whose measurements require some operational resources. The usage of soft sensors within it may reduce costs and delays of measures drastically. A case of use of the soft sensor for temperature measure is presented on this work, since its design through implementation at production, according to a researched methodology.

Made available in DSpace on 2014-12-17T15:42:01Z (GMT). No. of bitstreams: 1 EdissonMJ.pdf: 6565731 bytes, checksum: 5d6fdd6db6fc25a30c6100d96fff1edc (MD5) Previous issue date: 2007-08-24 / TiTanate NanoTubes (TTNT) were synthesized by hydrothermal alkali treatment of TiO2 anatase followed by repeated washings with distinct degrees of proton exchange. TTNT samples with different sodium contents were characterized, as synthesized and after heattreatment (200-800?C), by X-ray diffraction, scanning and transmission electron microscopy, electron diffraction, thermal analysis, nitrogen adsorption and spectroscopic techniques like FTIR and UV-Vis diffuse reflectance. It was demonstrated that TTNTs consist of trititanate structure with general formula NaxH2−xTi3O7?nH2O, retaining interlayer water in its multiwalled structure. The removal of sodium reduces the amount of water and contracts the interlayer space leading, combined with other factors, to increased specific surface area and mesopore volume. TTNTs are mesoporous materials with two main contributions: pores smaller than 10 nm due to the inner volume of nanotubes and larger pores within 5-60 nm attributed to the interparticles space. Chemical composition and crystal structure of TTNTs do not depend on the average crystal size of the precursor TiO2-anatase, but this parameter affects significantly the morphology and textural properties of the nanostructured product. Such dependence has been rationalized using a dissolution-recrystallization mechanism, which takes into account the dissolution rate of the starting anatase and its influence on the relative rates of growth and curving of intermediate nanosheets. The thermal stability of TTNT is defined by the sodium content and in a lower extent by the crystallinity of the starting anatase. It has been demonstrated that after losing interlayer water within the range 100-200?C, TTNT transforms, at least partially, into an intermediate hexatitanate NaxH2−xTi6O13 still retaining the nanotubular morphology. Further thermal transformation of the nanostructured tri- and hexatitanates occurs at higher or lower temperature and follows different routes depending on the sodium content in the structure. At high sodium load (water washed samples) they sinter and grow towards bigger crystals of Na2Ti3O7 and Na2Ti6O13 in the form of rods and ribbons. In contrast, protonated TTNTs evolve to nanotubes of TiO2(B), which easily convert to anatase nanorods above 400?C. Besides hydroxyls and Lewis acidity typical of titanium oxides, TTNTs show a small contribution of protonic acidity capable of coordinating with pyridine at 150?C, which is lost after calcination and conversion into anatase. The isoeletric point of TTNTs was measured within the range 2.5-4.0, indicating behavior of a weak acid. Despite displaying semiconductor characteristics exhibiting typical absorption in the UV-Vis spectrum with estimated bandgap energy slightly higher than that of its TiO2 precursor, TTNTs showed very low performance in the photocatalytic degradation of cationic and anionic dyes. It was concluded that the basic reason resides in its layered titanate structure, which in comparison with the TiO2 form would be more prone to the so undesired electron-hole pair recombination, thus inhibiting the photooxidation reactions. After calcination of the protonated TTNT into anatase nanorods, the photocatalytic activity improved but not to the same level as that exhibited by its precursor anatase / Titanatos nanoestruturados, particularmente TiTanatos NanoTubulares (TTNT), foram sintetizados por tratamento hidrot?rmico alcalino de TiO2-anat?sio seguido de repetidas lavagens com diversos graus de troca prot?nica. Amostras de TTNT com diferentes teores de s?dio foram caracterizadas na forma de p? seco e ap?s calcina??o (200-800?C) por difra??o de raios-X, microscopia eletr?nica de varredura e transmiss?o, difra??o de el?trons, an?lise t?rmica, adsor??o de nitrog?nio e t?cnicas espectrosc?picas de infravermelho e de reflet?ncia difusa no UV-Vis?vel. Demonstrou-se que tais materiais de paredes multilamelares s?o trititanatos de f?rmula geral NaxH2−xTi3O7?nH2O, retendo ?gua entre as lamelas. A remo??o de s?dio da estrutura reduz a quantidade de ?gua contraindo o espa?o interlamelar levando, combinado a outros fatores, ao aumento da ?rea e do volume de poros espec?ficos. Os TTNTs s?o materiais mesoporosos com duas contribui??es principais: poros menores que 10 nm devido ao volume interno dos nanotubos e poros entre 5 e 60 nm devido aos espa?os interpart?cula. A composi??o qu?mica e a estrutura cristalina do TTNT n?o dependem do tamanho de cristalito do TiO2-anat?sio precursor, todavia este par?metro afeta significativamente a morfologia e as caracter?sticas texturais do produto nanoestruturado. Tal depend?ncia foi racionalizada atrav?s de um mecanismo de dissolu??o-recristaliza??o que leva em conta a velocidade de dissolu??o do TiO2 de partida e sua influ?ncia sobre a taxa de crescimento de nanofolhas intermedi?rias em rela??o ? taxa de seu curvamento a nanotubos. A estabilidade t?rmica do TTNT ? definida pelo teor de s?dio e em pequena extens?o pelo tipo de anat?sio de partida. Foi demonstrado que o TTNT ap?s perder a ?gua intercalada entre 100 e 200?C se transforma pelo menos parcialmente num hexatitanato NaxH2−xTi6O13 intermedi?rio ainda nanotubular. A transforma??o t?rmica do tri- e hexatitanato nanoestruturados ocorre em maior ou menor temperatura e segue diferentes rotas dependendo do teor de s?dio. No caso de alto s?dio sinterizam e crescem at? grandes cristais de Na2Ti3O7 e Na2Ti6O13 na forma de bast?es e fitas acima de 600?C. No caso da amostra protonizada evoluem para nanotubos de TiO2(B) que facilmente se convertem em nanobast?es de anat?sio acima de 400?C. Al?m de hidroxilas e acidez de Lewis t?picos dos ?xidos de tit?nio, os TTNTs apresentam uma pequena contribui??o de acidez prot?nica capaz de se coordenar com a piridina a 150?C, e que ? perdida ap?s sua calcina??o e transforma??o ? anat?sio. O ponto isoel?trico do TTNT variou dentro da faixa 2,5- 4,0, indicando o comportamento de um ?cido fraco. Apesar de se revelar um semicondutor exibindo banda de absor??o t?pica no espectro de UV-vis?vel com energia de bandgap ligeiramente superior ao do respectivo TiO2-anat?sio precursor, os TTNTs apresentaram baixo desempenho fotocatal?tico na degrada??o de corantes cati?nico e ani?nico. Concluiu-se que a causa fundamental reside em sua estrutura de titanato lamelar que, em rela??o ? forma TiO2, apresentaria maior probabilidade de recombina??o do par el?tron-lacuna (e-/h+), inibindo as rea??es de fotoxida??o. A transforma??o do TTNT prot?nico ? nanobast?es de anat?sio melhorou a atividade fotocatal?tica, por?m ainda sem atingir o mesmo desempenho do TiO2-anat?sio precursor

Submitted by Marta Toyoda (1144061@mackenzie.br) on 2018-05-14T18:21:27Z No. of bitstreams: 2 André da Silva Siqueira.pdf: 3776282 bytes, checksum: 6603b366db594cfde0276b33c03a1968 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Approved for entry into archive by Paola Damato (repositorio@mackenzie.br) on 2018-05-21T13:34:35Z (GMT) No. of bitstreams: 2 André da Silva Siqueira.pdf: 3776282 bytes, checksum: 6603b366db594cfde0276b33c03a1968 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Made available in DSpace on 2018-05-21T13:34:35Z (GMT). No. of bitstreams: 2 André da Silva Siqueira.pdf: 3776282 bytes, checksum: 6603b366db594cfde0276b33c03a1968 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Previous issue date: 2018-02-06 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The present work aims to obtain and characterize a composite filament based on poly (lactic acid) (PLA), hydroxyapatite (HA) and graphene oxide, to process it by fused deposition modeling (FDM), and then make scaffolds for bone tissue growth and order to evaluate the properties of the obtained structure. To achieve these goals composite of PLA/HA, PLA/GO and PLA / HA / GO with concentrations of 0.05 wt %, 0.1 wt % and 0.3 wt % GO and 30 wt % HA were obtained by melt state blending and subsequently processed by FDM. The graphite oxide was obtained by modified Hummers method and characterized by X-ray diffraction (XRD), thermogravimetric analysis and Raman spectroscopy. The PLA and composites were characterized by molar mass measurements, infrared and Raman spectroscopy, tensile strength tests, contact angle measurements (surface energy), differential scanning calorimetry (DSC) and rheological tests. The insertion of GO into PLA and PLA/HA composites led to improvements in the mechanical properties (tensile) and also modified significantly the surface properties of the materials and the composition with 0.05 wt % of GO has shown the better results in both characteristics. These improvements occurred due to the strong interaction of the GO sheets with the PLA matrix that indicates the process of obtaining the composites via the melting state was correctly conducted. All PLA / HA / GO compositions presented rheological characteristics compatible with of scaffolds production process via FDM. The insertion of the GO into the PLA matrix and the PLA / HA composite has been shown to be extremely promising, and possibly to increase the variety of PLA / HA based biomaterials application. / O presente trabalho visa obter e caracterizar um filamento compósito baseado em poli(ácido lático) (PLA), hidroxiapatita (HA) e óxido de grafeno, processá-lo por Fused deposition modeling (FDM), fabricar scaffolds para crescimento de tecido ósseo. Para alcançar esses objetivos fcompósitos de PLA/HA, PLA/GO e PLA/HA/GO com concentrações de 0,05%, 0,1% e 0,3% de GO e 30% de HA (em massa) foram preparados por meio de mistura no estado fundido e posteriormente processados por FDM. Comprovou-se a obtenção do óxido de grafite por técnicas de difração de raios-X (DRX), análise termogravimétrica e espectroscopia Raman. O PLA e os compósitos foram caracterizados por medidas de massa molar da matriz polimérica, espectroscopia no infravermelho e Raman, ensaios mecânicos de tração, medidas de ângulos de contato (energia de superfície), calorimetria exploratória diferencial (DSC) e ensaios reológicos. A inserção do GO no PLA e no compósito PLA/HA conduziu a melhorias das propriedades mecânicas (tração) dos materiais e também modificou significativamente as propriedades de superfície dos materiais estudados, sendo a concentração de 0,05% em massa a que apresentou melhor desempenho em ambas as características. Essas melhorias aconteceram devido à forte interação das folhas de GO com a matriz de PLA, o que indica que o processo de obtenção dos compósitos via estado fundido foi corretamente conduzido. Todas as composições PLA/HA/GO apresentaram características reológicas compatíveis com o processo de produção dos scaffolds via FDM. A inserção do GO na matriz de PLA e no compósito PLA/HA demonstrou-se ser extremamente promissora, e possivelmente aumentarão a variedade de aplicações dos biomateriais baseados em PLA/HA.

The discovery of M (II)-α-diimine (M = Ni, Pd) catalysts has been promoting a revolution in industrial production of polyolefins, once these can produce polymers with different topologies only varying the reaction conditions, using only ethylene as monomer. This ability has been explored by many researchers in recent decades, experimental and theoretical levels. In this study, we developed theoretical calculations on the behavior of different catalytic systems in ethylene polymerization and dimerization reactions. In the first study, we employ the Hartree-Fock (HF) Method to evaluate energies and structures involved in steps representing the ethylene dimerization by Ni (II)-bis [(pyrazolyl) ethyl] amine cationic bulky complex, discussing the behavior of complex through the dimerization steps, π-complex formation, isomerization and low probability for trimerization during dimerization process. In the last two papers we describe a theoretical investigation of ethylene polymerization reaction catalyzed by cationic complexes bulky Ni (II)-α-diimine. We employ a combination of Density Functional Theory (DFT) and molecular mechanics (MM) contained in the ONIOM approach to evaluate structures and energies of representing steps of ethylene polymerization mechanism catalyzed by Brookhart and Guan systems, discussing electronic influences and stereo environment imposed by ligands around the active site in each stage of the process, highlighting the olefin coordination angles and isomerization process of growing polymer chain. / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / A descoberta de catalisadores do tipo M(II)-α-diimina (M=Ni, Pd) vem promovendo uma revolução na produção industrial de poliolefinas, pois estes podem produzir polímeros com diferentes topologias variando apenas as condições reacionais, usando apenas o eteno como monômero. Esta habilidade foi explorada por diversos pesquisadores nas últimas décadas, em nível experimental e teórico. Neste estudo, desenvolvemos cálculos teóricos sobre o comportamento de diferentes sistemas catalíticos nas reações de polimerização e dimerização do eteno. No primeiro estudo, empregamos o Método Hartree-Fock (HF) para avaliar energias e estruturas envolvidas nos passos representativos da dimerização do eteno via complexo catiônico volumoso do tipo Ni(II)-bis[(pirazolil)etil]amina, discutindo o comportamento do complexo ao longo dos passos da dimerização, formação de complexos-π, isomerização da cadeia e baixa probabilidade para trimerização durante o processo de imerização.Nos dois últimos trabalhos descrevemos uma investigação teórica da reação de polimerização do eteno catalisada por complexos catiônicos volumosos Ni(II)-α-diimina. Empregamos a combinação da Teoria do Funcional de Densidade (DFT) e Mecânica Molecular (MM), contida na aproximação ONIOM, para avaliar estruturas e energias dos passos representativos do mecanismo de polimerização do eteno catalisado pelos sistemas de Brookhart e Guan discutindo as influências eletrônicas e do ambiente estéreo imposto pelos ligantes em torno do sítio ativo em cada estágio do processo, enfatizando principalmente ângulos de coordenação da olefina e processo de isomerização da cadeia polimérica em crescimento.

En esta tesis se han desarrollado varias sondas fluorescentes y materiales híbridos para la detección óptica de diversas especies tanto catiónicas (Hg2+ y metales alcalinotérreos), aniónicas (ATP, carboxilatos de cadena larga y fluoruro) como neutras (vapores orgánicos). El núcleo cromofórico principal estudiado ha sido la 7-amino-3H-fenoxazin-3-ona, cuya estructura consiste en un grupo amino que actúa como electrón dador en el proceso de transferencia interna de carga fotoinducida, y un grupo carbonilo como aceptor conectados a través del sistema electrónico p. Este cromóforo posee propiedades ópticas óptimas como elevados coeficientes de absorción molar y rendimientos cuánticos de fluoresecencia, con longitudes de onda de absorción y emisión centradas por encima de los 500 nm. Estudios espectroscópicos de UV/Vis de una serie de sistemas modelo revelan que el aumento de la fuerza electrón dadora del sustituyente introducido a través del grupo amino genera un aumento del rendimiento cuántico de fluorescencia y desplazamientos batocrómicos de las bandas de absorción y emisión. En base a esto, la introducción de un grupo electrón dador débil (urea) como receptor ha permitido obtener un fluoroionóforo capaz de detectar la presencia de aniones (acetato y dihidrogenfosfato) en disolventes orgánicos con un aumento en la fluorescencia y un cambio de color de naranja a rosa inducidos por la coordinación del anión. En el caso del fluoruro, anión más básico, se pone de manifiesto mediante estudios espectroscópicos de UV/Vis y 1H-RMN la desprotonación del colorante. Otro aspecto interesante de este cromóforo es su capacidad para actuar como un receptor ditópico en ciertas situaciones. La protonación y coordinación de cationes metálicos tiene lugar a través del grupo carbonilo. Mediante la introducción de diversos receptores a través del nitrógeno (ligandos macrocíclicos tipo éter corona para la coordinación de cationes alcalinotérreos y tipo aza-tia-oxa para la coordinación d / Descalzo López, AB. (2004). Síntesis y estudio de derivados de 3H-fenoxazin-3-ona y Aminometilantraceno en disolución y soportados sobre sólidos mesoporosos tipo MCM-41 para su aplicación como sensores moleculares ópticos [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/1851

Tesis por compendio / El presente proyecto de investigación está enfocado al desarrollo de sensores químicos fluoro-cromogénicos, para la detección y determinación de especies químicas de interés biológico, industrial y medioambiental de forma selectiva y con alta sensibilidad. En forma general, se busca el diseñar nuevos sistemas sensores basados en compuestos (receptores) formados por dos unidades: una unidad coordinante que interacciona con el anión a determinar y una unidad generadora de señal que alerta del reconocimiento molecular efectuado. Durante este estudio se están preparando diversas moléculas receptoras funcionalizandas con grupos modificadores de estructura para evaluar su influencia sobre las capacidades de detección y selectividad como receptores de especies específicas en diferentes condiciones y medios. Las diferentes aproximaciones en prueba implican a su vez el diseño y síntesis molecular, así como el análisis de las diferentes señales ópticas producidas en el reconocimiento, con el fin de diseñar sistemas de alta eficacia y eficiencia, y con posibilidades reales de aplicación. / Santos Figueroa, LE. (2014). New approaches for the development of chromo-fluorogenic sensors for chemical species of biological, industrial and environmental interest [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/43216 / Premios Extraordinarios de tesis doctorales / Compendio

[ES] La presente tesis doctoral, titulada "Microportadores inteligentes para la liberación controlada de sustancias de interés nutracéutico", se centra en el diseño y evaluación de sistemas híbridos orgánico-inorgánicos para proteger y liberar controladamente compuestos bioactivos. Dichos sistemas están basados en (i) materiales de sílice, principalmente partículas mesoporosas, como soporte inorgánico para almacenar y proteger la carga bioactiva; y (ii) una capa externa de biomoléculas como puerta molecular, que regula la liberación de la carga ante ciertos estímulos. En el primer capítulo de la tesis se describe el ácido oleico como puerta molecular. Este capítulo se subdivide en tres artículos diferentes, con distintos objetivos. En el primer artículo se emplea por primera vez el ácido oleico como puerta molecular de un soporte mesoporoso, cargado con la molécula modelo rodamina B. El material preparado es capaz de proteger la carga en las condiciones presentes en la boca y en el estómago, e inducir su liberación en el intestino con la acción surfactante de las sales biliares. El sistema se ha empleado para la liberación de vitamina B2, demostrando así la utilidad del diseño para la protección y liberación controlada de nutracéuticos. El segundo artículo evalúa la efectividad de esta puerta molecular en diferentes tipos de partículas mesoporosas de sílice, con diversos tamaños y estructuras de poro (MCM-41, MCM-48, SBA-15 y UVM-7). En todos los sistemas estudiados, la puerta molecular es capaz de mantener protegidas las moléculas cargadas, y liberarlas ante la presencia de sales biliares. El sólido basado en la estructura de UVM-7 se validó in vivo, observándose un retraso en la absorción intestinal de la rodamina gracias a su encapsulación. Por último, el tercer artículo incluido en este capítulo ha estudiado la posibilidad de incorporar puertas moleculares en filosilicatos. Se ha conseguido la protección y liberación controlada de biomoléculas de gran tamaño implicadas en el metabolismo humano (vitamina B12 y hematina) empleando filosilicatos funcionalizados con ácido oleico como puerta molecular. El segundo capítulo describe por primera vez el uso de la proteína zeína (prolamina de maíz) como puerta molecular. La presencia de la prolamina de maíz inhibe la salida de los compuestos antimicrobianos encapsulados (timol, carvacrol y cinamaldehído) liberándolos en presencia de las enzimas proteolíticas excretadas durante el crecimiento bacteriano. De todos los materiales desarrollados, el sistema cargado con cinamaldehído ha demostrado una inhibición del crecimiento de E. coli superior a la del compuesto libre. Finalmente, el tercer capítulo estudia la efectividad de la lactosa como puerta molecular para proteger aceites esenciales y liberarlos solo en las condiciones presentes en el intestino. Se han preparado tres materiales diferentes basados en MCM-41, cargados con timol, eugenol y cinamaldehído, y funcionalizados con lactosa para inhibir la salida de los compuestos. La acción enzimática de la lactasa secretada en el intestino es capaz de hidrolizar la puerta molecular en los correspondientes monosacáridos, liberando la carga a lo largo del lumen intestinal. Los microdispositivos diseñados han sido validados in vitro con células Caco-2, donde se ha observado el aumento de la capacidad citotóxica del cinamaldehído y la disminución de la permeabilidad a través del modelo de membrana intestinal gracias a su encapsulación. Finalmente, el microdispositivo cargado con cinamaldehído se ha validado in vivo ratificándose la disminución de la permeabilidad del compuesto y su mayor permanencia en el lumen intestinal. Así, la presente tesis doctoral ha demostrado la posibilidad de emplear biomoléculas sencillas de grado alimentario como puertas moleculares sobre diversos materiales de sílice. Estos nuevos sistemas han permitido proteger y liberar control / [CA] La present tesi doctoral, titulada "Microportadors intel·ligents per a l'alliberament controlat de substàncies d'interès nutracèutic", se centra en el disseny i avaluació de sistemes híbrids orgànic-inorgànics per a la protecció i alliberament controlat de compostos bioactius. Aquests sistemes estan basats en (i) materials de sílice, principalment partícules mesoporoses, com a suport inorgànic per emmagatzemar i protegir la càrrega bioactiva; i (ii) una capa externa de biomolècules com a porta molecular, que regula l'alliberament d'aquesta càrrega davant de determinats estímuls. En el primer capítol de la tesi es descriu l'àcid oleic com a porta molecular. Aquest capítol se subdivideix en tres articles diferents, amb objectius diferents. En el primer article s'empra per primera vegada l'àcid oleic com a porta molecular d'un suport mesoporós, carregat amb la molècula model rodamina B. El material preparat és capaç de protegir la càrrega en les condicions presents a la boca i a l'estómac, i induir el seu alliberament a l'intestí amb l'acció surfactant de les sals biliars. El sistema s'ha emprat per a l'alliberament de vitamina B2, demostrant així la utilitat del disseny per a la protecció i alliberament controlat de nutracèutics. El segon article avalua l'efectivitat d'aquesta porta molecular en diferents tipus de partícules mesoporoses de sílice, amb diverses mides i estructures de porus (MCM-41, MCM-48, SBA-15 i UVM-7). En tots els sistemes estudiats, la porta molecular és capaç de mantindre protegides les molècules carregades, i alliberar-les davant la presència de sals biliars. El sòlid basat en l'estructura de UVM-7 es validà in vivo, observant-se un retard en l'absorció intestinal de la rodamina gràcies a la seua encapsulació. Finalment, en el tercer article inclòs en aquest capítol s'ha estudiat la possibilitat d'incorporar portes moleculars en fil·losilicats. S'ha aconseguit la protecció i alliberament controlat de biomolècules de grans dimensions implicades en el metabolisme humà (vitamina B12 i hematina) emprant fil·losilicats funcionalitzats amb àcid oleic com a porta molecular. El segon capítol descriu per primera vegada l'ús de la proteïna zeïna (prolamina de dacsa) com a porta molecular. La presència de la prolamina de dacsa inhibeix la sortida dels compostos antimicrobians encapsulats (timol, carvacrol i cinamaldèhid) alliberant-los en presència dels enzims proteolítics excretades durant el creixement bacterià. De tots els materials desenvolupats, el sistema carregat amb cinamaldèhid ha demostrat una inhibició de l'creixement d'E. coli superior a la del compost lliure. Finalment, el tercer capítol estudia l'efectivitat de la lactosa com a porta molecular per protegir olis essencials i alliberar-los només en les condicions presents a l'intestí. S'han preparat tres materials diferents basats en MCM-41, carregats amb timol, eugenol i cinamaldèhid, i funcionalitzats amb lactosa per inhibir l'eixida dels compostos. L'acció enzimàtica de la lactasa secretada a l'intestí és capaç d'hidrolitzar la porta molecular en els corresponents monosacàrids, alliberant la càrrega al llarg del lumen intestinal. Els microdispositius dissenyats s'han validat in vitro amb cèl·lules Caco-2, on s'observà l'augment de la capacitat citotòxica del cinamaldèhid i la disminució de la permeabilitat a través del model de membrana intestinal gràcies a la seua encapsulació. Finalment, el microdispositiu carregat amb cinamaldèhid s'ha validat in vivo ratificant la disminució de la permeabilitat del compost i la seua major permanència al lumen intestinal. Així, la present tesi doctoral ha demostrat la possibilitat d'emprar biomolècules senzilles de grau alimentari com portes moleculars sobre diversos materials de sílice. Aquests nous sistemes han permès protegir i alliberar controladament diferents nutracèutics, millorant així la seua biodisponibilitat. / [EN] This PhD thesis, entitled "Smart microdevices for nutraceutical-delivery", is focused on the design and evaluation of organic-inorganic hybrid systems for the protection and controlled release of bioactive molecules. These systems are based on (i) silica materials, mainly mesoporous particles, as inorganic support to store and protect the bioactive cargo; and (ii) an outer layer of biomolecules that regulate the payload release triggered by certain stimuli. In the first chapter of the thesis oleic acid is described as a molecular gate. This chapter is subdivided into three different articles, with different objectives. In the first article, oleic acid is used for the first time as molecular gate of a mesoporous support, loaded with the rhodamine B model molecule. The designed material is capable of protecting the cargo under the conditions present in the mouth and stomach, and inducing its release in the small intestine with the surfactant action of bile salts. The system has been used for the release of vitamin B2, thus demonstrating the validity of the design for the protection and controlled release of nutraceuticals. The second article evaluates the effectiveness of this molecular gate in different types of mesoporous silica particles, with different sizes and pore structures (MCM-41, MCM-48, SBA-15 and UVM-7). In all the systems studied, the molecular gate is capable of keeping cargo molecules protected and releasing them in the presence of bile salts. The solid based on the structure of UVM-7 was validated in vivo, observing a delay in the intestinal absorption of rhodamine thanks to its encapsulation. Lastly, the third article included in this chapter has studied the possibility of incorporating molecular gates onto phyllosilicates. The protection and controlled release of large biomolecules involved in human metabolism (vitamin B12 and hematin) have been achieved using phyllosilicates functionalized with oleic acid as molecular gate. The second chapter describes for the first time the use of the protein zein (corn prolamine) as a molecular gate. The presence of corn prolamine inhibits the release of encapsulated antimicrobial compounds (thymol, carvacrol and cinnamaldehyde) releasing them in the presence of the proteolytic enzymes excreted during bacterial growth. Among all the materials developed, the cinnamaldehyde-loaded system has shown greater inhibition of E. coli growth than the free compound. Finally, the third chapter studies the effectiveness of lactose as a molecular gate to protect essential oils and release them only under the conditions present in the intestine. Three different materials based on MCM-41 loaded with thymol, eugenol, and cinnamaldehyde, and functionalized with lactose to inhibit the release of the compounds have been prepared. The enzymatic action of the lactase secreted in the intestine is capable of hydrolyzing the molecular gate into the corresponding monosaccharides, thus releasing the cargo along the intestinal lumen. The designed microdevices have been validated in vitro with Caco-2 cells, where an increase in the cytotoxic capacity of cinnamaldehyde and a decrease in permeability through the intestinal membrane model have been observed thanks to its encapsulation. Finally, the cinnamaldehyde-loaded microdevice has been validated in vivo, confirming the decrease in the permeability of the compound and its greater permanence in the intestinal lumen. Thus, the present PhD thesis has demonstrated the possibility of using simple food-grade biomolecules as gatekeepers on various silica materials. These new systems have allowed the protection and controlled release of different nutraceuticals, thus improving their bioavailability. / The authors also thank the Electron Microscopy Service at the UPV for support. The authors also thank Prof. Pedro Amorós for his explanations and guidance on the knowledge of phyllosilicates. / Poyatos Racionero, E. (2020). Smart microdevices for nutraceutical-controlled delivery [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/159247