Tesis por compendio / [ES] La presente tesis doctoral, titulada "Diseño y desarrollo de nuevos nanodispositivos con puertas biomoleculares para la liberación dirigida y controlada de fármacos", está centrada en el diseño, síntesis, caracterización y evaluación in vitro de nuevos nanosistemas híbridos orgánicos-inorgánicos como estrategias innovadoras para la administración dirigida y controlada de moléculas terapéuticas. El primer capítulo de este trabajo es una introducción general que define el contexto en el que se sitúan los proyectos llevados a cabo a lo largo de esta tesis. En particular, se describe el concepto de nanomedicina, así como las principales estrategias para el desarrollo de dispositivos nanofarmacéuticos eficientes y los desafíos que esto conlleva. Además, se presentan brevemente los materiales mesoporosos de sílice. Sucesivamente, se presentan los objetivos generales que se abordan en los siguientes capítulos experimentales. El tercer capítulo se centra en el desarrollo de un sistema de administración dirigida al Toll-like receptor 3 (TLR3), basado en nanopartículas mesoporosas de sílice funcionalizadas con el RNA sintético de doble cadena ácido polinosínico-policitidílico (poly(I:C)). El poly(I:C) ha mostrado efectos citotóxicos en diferentes tipos de cáncer, y los resultados obtenidos en este trabajo demuestran su capacidad de desencadenar respuestas apoptóticas en células de cáncer de mama, gracias a su interacción con TLR3. Asimismo, la carga del antibiótico antraciclínico doxorubicina en los mesoporos, ha permitido conseguir un efecto terapéutico aún más intenso. De hecho, se ha observado una mayor disminución de la viabilidad en la línea celular SK-BR3. El capítulo cuatro muestra el diseño de una estrategia de cooperación entre nanopartículas. El objetivo de este trabajo es el de mejorar la eficacia de la aproximación terapéutica para cáncer de mama desarrollada precedentemente, a través de la combinación de dos tipos de nanopartículas mesoporosas de sílice con puertas moleculares capaces de cooperar con el fin de conseguir un objetivo terapéutico. El primer tipo, de hecho, induce cambios que incrementan la interacción del segundo con la célula tumoral diana. Para ello, se han sintetizado nanopartículas cargadas con ácido 9-cis retinoico y funcionalizadas en su superficie con interferón-¿, y nanopartículas cargadas con el colorante sulforodamina B y con poly(I:C) anclado en superficie. Aprovechando la habilidad del interferón-¿ del ácido 9-cis retinoico de aumentar la expresión del TLR3, nuestra intención era la de mejorar la interacción de las nanopartículas funcionalizadas con poly(I:C) con las células diana. Los resultados obtenidos demuestran que la estrategia de combinación propuesta realmente ha producido un aumento de los niveles de internalización de los nanodispositivos funcionalizados con poly(I:C) en el modelo celular seleccionado. En el quinto capítulo se presenta un sistema basado en nanopartículas mesoporosas de sílice dendriméricas. El volumen de poro más amplio de este tipo de materiales hace de ellos unos dispositivos adecuados para lograr el objetivo principal de este proyecto: la administración local y la liberación controlada de moléculas de RNA pequeño de interferencia (siRNA) anti-factor de crecimiento vascular endotelial (VEGF) en células del epitelio pigmentado retinal. Los nanodispositivos se han sintetizado, cargado con siRNA y finalmente funcionalizado con cadenas de polietilenimina, que actúan de puerta molecular para la liberación controlada de las moléculas de siRNA y como agentes de escape endosomal para su liberación en el citosol. Los resultados obtenidos en el silenciamiento de VEGF en las células ARPE-19 resaltan el considerable potencial del sistema diseñado como transportador de siRNA. Las conclusiones generales en relación con los trabajos recopilados en esta tesis se resumen en el capítulo sei / [CA] La present tesi doctoral, titulada "Disseny i desenvolupament de nous nanodispositius amb portes biomoleculars per a l'alliberament dirigit i controlat de fàrmacs", està centrada en el disseny, síntesi, caracterització i avaluació in vitro de nous nanosistemes híbrids orgànics-inorgànics com a estratègies innovadores per a l'administració dirigida i controlada de molècules terapèutiques. El primer capítol d'aquest treball és una introducció general que defineix el context en el qual es situen els projectes duts a terme al llarg d'aquesta tesi. En particular, es descriu el concepte de nanomedicina, així com les principals estratègies per al desenvolupament de dispositius nanofarmacèutics eficients i els desafiaments que això comporta. A més, es presenten breument els materials mesoporosos de sílice. Successivament, es presenten els objectius generals que s'aborden en els següents capítols experimentals. El tercer capítol es centra en el desenvolupament d'un sistema d'administració dirigida al Toll-like receptor 3 (TLR3), basat en nanopartícules mesoporoses de sílice funcionalitzades amb l'RNA sintètic de doble cadena àcid polinosínic-policitidílic (poly(I:C)). El poly(I:C) ha mostrat efectes citotòxics en diferents tipus de càncer, i els resultats obtinguts en aquest treball demostren la seua capacitat de desencadenar respostes apoptòtiques en cèl·lules de càncer de mama, gràcies a la seua interacció amb TLR3. Així mateix, la càrrega de l'antibiòtic antraciclínic doxorubicina en els mesopors, ha permès aconseguir un efecte terapèutic encara més intens. De fet, s'ha observat una major disminució de la viabilitat en la línia cel·lular SK-BR3. El capítol quatre mostra el disseny d'una estratègia de cooperació entre nanopartícules. L'objectiu d'aquest treball és el de millorar l'eficàcia de l'aproximació terapèutica per a càncer de mama desenvolupada precedentment, mitjançant la combinació de dos tipus de nanopartícules mesoporoses de sílice amb portes moleculars capaces de cooperar amb la fi d'aconseguir un objectiu terapèutic. El primer tipus, de fet, indueix canvis que incrementen la interacció del segon amb la cèl·lula tumoral diana. Per a això, s'han sintetitzat nanopartícules carregades amb àcid 9-cis retinoic i funcionalitzades en la seua superfície amb interferó-¿, i nanopartícules carregades amb el colorant sulforodamina B i amb poly(I:C) ancorat en superfície. Aprofitant l'habilitat de l'interferó-¿ de l'àcid 9-cis retinoic d'augmentar l'expressió del TLR3, la nostra intenció era la de millorar la interacció de les nanopartícules funcionalitzades amb poly(I:C) amb les cèl·lules diana. Els resultats obtinguts demostren que l'estratègia de combinació proposada realment ha produït un augment dels nivells d'internalització dels nanodispositius funcionalitzats amb poly(I:C) en el model cel·lular seleccionat. El cinquè capítol presenta un sistema basat en nanopartícules mesoporoses de sílice dendrimèriques. El volum de porus més ampli d'aquest tipus de materials fa d'ells uns dispositius adequats per a aconseguir l'objectiu principal d'aquest projecte: l'administració local i l'alliberament controlat de molècules d'RNA xicotet d'interferència (siRNA) anti-factor de creixement vascular endotelial (VEGF) en cèl·lules de l'epiteli pigmentat retinal. Els nanodispositius s'han sintetitzat, carregats amb siRNA i finalment funcionalizats amb cadenes de polietilenimina, que actuen de porta molecular per a l'alliberament controlat de les molècules de siRNA i com a agents d'escap endosomal per al seu alliberament en el citosol. Els resultats obtinguts en el silenciament de VEGF en les cèl·lules ARPE-19 ressalten el considerable potencial del sistema dissenyat com a transportador de siRNA. Les conclusions generals en relació amb els treballs recopilats en aquesta tesi es resumeixen en el capítol sis. / [EN] The present PhD thesis, entitled "Design and development of new bio-gated nanodevices for targeted controlled drug release" is focused on the design, synthesis, characterization and in vitro evaluation of new hybrid organic-inorganic nanosystems as innovative strategies for the targeted and controlled delivery of therapeutic molecules. The first chapter of this work is a general introduction that defines the context in which the projects carried out during this thesis are placed. In particular, the concept of nanomedicine is described, as well as the main strategies for the development of efficient nanopharmaceutical devices and the related challenges. Furthermore, a brief presentation of mesoporous silica materials is given. Next, the general objectives that are addressed in the following experimental chapters are introduced. The third chapter is focused on the development of a targeting delivery system directed to Toll-like receptor 3 (TLR3) and based on mesoporous silica nanoparticles capped with the synthetic double stranded RNA (dsRNA) polyinosinic-polycytidylic acid (poly(I:C)). Poly(I:C) has shown cytotoxic effects in different types of cancer, and the results obtained in this work demonstrate its ability to trigger apoptotic pathways in breast cancer cells, thanks to its interaction with TLR3. Furthermore, loading the mesopores with the anthracyclinic antibiotic doxorubicin, a commonly used chemotherapeutic agent, allowed to achieve an enhanced therapeutic effect. In fact, a higher decrease of the cellular viability in SK-BR-3 cell line was observed. Chapter four shows the design of a nanoparticles cooperation strategy. The aim of this work is to improve the efficacy of the previously developed therapeutic approach for breast cancer through the combination of two gated mesoporous silica nanoparticles sets able to cooperate to achieve a medical goal. The first type, in fact, induces changes that enhance the interaction of the second one with the target cancer cell. In order to do that, nanoparticles loaded with 9-cis-retinoic acid and capped with interferon-¿, and nanoparticles loaded with sulforhodamine B dye and gated with poly(I:C) were synthesized. Taking advantage of the ability of both interferon-¿ and 9-cis-retinoic to increase TLR3 expression, we intended to improve the interaction of poly(I:C) functionalized nanoparticles with target cells. The obtained results show that the proposed combination strategy actually increased the uptake levels of poly(I:C) gated nanodevices in the cellular model selected. In the fifth chapter a system based on dendrimer-like mesoporous silica nanoparticles is presented. The higher pore volume of such materials makes them suitable for the achievement of the main aim of this project: the topical administration and controlled delivery of anti-vascular endothelial growth factor (VEGF) small interfering-RNA (siRNA) molecules to retinal pigmented epithelial cells. The nanodevices were synthesized, loaded with siRNA and finally functionalized with polyethylenimine chains, that act as molecular gate for the controlled release of the siRNA molecules and endosomal escape agent for cytosolic delivery. The obtained results in VEGF silencing in ARPE-19 cells highlight the noteworthy potential of the designed system as siRNA carrier. General conclusions regarding the works collected in this thesis are summarized in chapter six. / We thank the Spanish Government (projects SAF2010-21195 and MAT2012-38429-C04-01) and the Generalitat Valenciana (project PROMETEOII/2014/047) for support. A.U. and C.G. are grateful to the Ministry of Education, Culture and Sport for their doctoral fellowships. / Ultimo, A. (2019). Design and development of new bio-gated nanodevices for targeted controlled drug release [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/129875 / Compendio

[ES] La fabricación de nanopartículas con tamaños por debajo de los 100 nm ha permitido el desarrollo de innovadores nanodispositivos capaces de interactuar de forma directa con sistemas vivos a nivel celular y molecular, convirtiéndose en una parte fundamental dentro del campo de la nanomedicina. Uno de los principales retos a los que se enfrenta la ingeniería de nanopartículas es el desarrollo de nanodispositivos con propiedades físico-químicas bien definidas, ya que de ellas depende el comportamiento y biodistribución de dichos sistemas una vez introducidos en el organismo. No menos importante es el desarrollo de protocolos de síntesis reproducibles y optimizados, indispensables para la fabricación y escalado de nanodispositivos que puedan ser trasladados a futuras aplicaciones biomédicas. El principal objetivo de este proyecto de doctorado es el estudio y fabricación de nanopartículas magnéticas mesoporosas de sílice con estructura "core-shell" para su aplicación como agentes teranósticos en el campo de la nanomedicina. En este estudio se analiza en profundidad la síntesis y caracterización de dichos nanomateriales con el objetivo de producir nanopartículas con unas propiedades físico-químicas bien definidas de forma controlada y reproducible. La obtención de dichas nanopartículas supondría un gran avance de cara al desarrollo de nanodispositivos más complejos y sofisticados. El contenido de la tesis se ha estructurado en distintos capítulos que se detallan brevemente a continuación: ¿El capítulo 1 es una introducción a la nanomedicina, destacando el papel fundamental que tienen las nanopartículas en el desarrollo de nuevas aplicaciones biomédicas. A continuación se presentan las nanopartículas de sílice mesoporosa, mostrando la gran versatilidad de dichos nanomateriales para el desarrollo de dispositivos teranósticos así como sistemas para la liberación controlada de fármacos. Por último, se destaca la importancia de fabricar nanodispositivos con unas propiedades físico-químicas bien definidas como requisito indispensable para la traslación de los resultados experimentales hacia el campo clínico. ¿El capítulo 2 incluye los objetivos principales de la tesis. ¿El capítulo 3 se centra en la síntesis y caracterización de nanopartículas superparamagnéticas de óxido de hierro (USPIONs), siendo estas utilizadas en capítulos posteriores para la síntesis de las nanopartículas mesoporosas tipo "core-shell". Las USPIONs son preparadas a través de un método sencillo de coprecipitación en el que se emplean condiciones de reacción moderadas. Las nanopartículas obtenidas son caracterizadas en profundidad, analizando sus propiedades magnéticas para su aplicación en hipertermia magnética y como agentes de contraste dual en imagen por resonancia magnética (MRI). ¿El capítulo 4 está dedicado a la preparación de nanopartículas magnéticas mesoporosas de sílice con estructura "core-shell". Los conceptos fundamentales relacionados con los mecanismos de formación de este tipo de nanomateriales son ampliamente analizados, así como los parámetros de reacción involucrados en la síntesis. Como punto de partida, se propone un protocolo de síntesis general para la obtención de las nanopartículas tipo "core-shell". A continuación, se analiza en profundidad el efecto que los distintos parámetros de reacción tienen en las propiedades físico-químicas de dichas nanopartículas. Para la fase de optimización se utiliza un modelo semi-empírico como referencia, racionalizando los resultados experimentales observados en base a un posible mecanismo de formación. ¿El capítulo 5 se centra en el análisis y caracterización de la estructura mesoporosa de las nanopartículas tipo "core-shell". Además, se analiza el efecto que los distintos parámetros de reacción tienen sobre la estructura final de las nanopartículas, aportando información adicional sobre su posible mecanismo / [CA] La fabricació de nanopartícules amb grandàries per davall dels 100 nm ha permés el desenvolupament d'innovadors nanodispositius capaços d'interactuar de forma directa amb sistemes vius a nivell cel¿lular i molecular, convertint-se en una part fonamental dins del camp de la nanomedicina. Un dels principals reptes als quals s'enfronta l'enginyeria de nanopartícules és el desenvolupament de nanodispositius amb propietats físic-químiques ben definides, ja que d'elles depén el comportament i biodistribució d'aquests sistemes una vegada introduïts en l'organisme. No menys important és el desenvolupament de protocols de síntesis reproduïbles i optimitzats, indispensables per a la fabricació a gran escala de nanodispositius que puguen ser utilitzats en futures aplicacions biomèdiques. El principal objectiu d'aquest projecte de doctorat és l'estudi i fabricació de nanopartícules magnètiques mesoporoses de sílice amb estructura "core-shell" per a la seua aplicació com a agents teranòstics en el camp de la nanomedicina. En aquest estudi s'analitza en profunditat la síntesi i caracterització d'aquests nanomaterials amb l'objectiu de produir nanopartícules amb unes propietats físic-químiques ben definides de forma controlada i reproduïble. L'obtenció d'aquestes nanopartícules suposaria un gran avanç de cara al desenvolupament de nanodispositius més complexos i sofisticats. El contingut de la tesi s'ha estructurat en diferents capítols que es detallen breument a continuació: ¿El capítol 1 és una introducció a la nanomedicina, destacant el paper fonamental que tenen les nanopartícules en el desenvolupament de noves aplicacions biomèdiques. A continuació es presenten les nanopartícules de sílice mesoporosa, mostrant la gran versatilitat d'aquests nanomaterials per al desenvolupament de dispositius teranòstics així com sistemes per a l'alliberament controlat de fàrmacs. Finalment, es destaca la importància de fabricar nanodispositius amb unes propietats físic-químiques ben definides com a requisit indispensable per a la translació dels resultats experimentals al camp clínic. ¿El capítol 2 inclou els objectius principals de la tesi així com els objectius específics proposats per a cada capítol de la tesi. ¿El capítol 3 està dedicat a la síntesi i caracterització de nanopartícules superparamagnétiques d'òxid de ferro (USPIONs), sent aquestes utilitzades en capítols posteriors per a la síntesi de les nanopartícules mesoporoses tipus "core-shell". Les USPIONs són preparades a través d'un mètode senzill de coprecipitació en el qual s'empren condicions de reacció moderades. Les nanopartícules obtingudes són caracteritzades en profunditat, analitzant les seues propietats magnètiques per a la seua aplicació en hipertèrmia magnètica i com a agents de contrast dual en imatge per ressonància magnètica (MRI). ¿El capítol 4 està dedicat a la preparació de nanopartícules magnètiques mesoporoses de sílice amb estructura "core-shell". Els conceptes fonamentals relacionats amb els mecanismes de formació d'aquest tipus de nanomaterials són àmpliament analitzats, així com els paràmetres de reacció involucrats en la síntesi. Com a punt de partida, es proposa un protocol de síntesi general per a l'obtenció de les nanopartícules tipus "core-shell". A continuació, s'analitza en profunditat l'efecte que els diferents paràmetres de reacció tenen en les propietats físic-químiques d'aquestes nanopartícules. Per a la fase d'optimització s'utilitza un model semi-empíric com a referència, racionalitzant els resultats experimentals observats sobre la base d'un possible mecanisme de formació. ¿El capítol 5 està dedicat a l'anàlisi i caracterització de l'estructura mesoporosa de les nanopartícules tipus "core-shell". A més, s'analitza l'efecte que els diferents paràmetres de reacció tenen sobre l'estructura final de les nanopartícules, aportant informació / [EN] The fabrication of nanoparticles with sizes below 100 nm has opened the door to the development of innovative nanodevices that directly interact with living systems at the cellular and molecular level, becoming an essential part of nanomedicine. One of the main challenges that nanoparticle engineering is currently facing is the design of nanodevices with well-defined physico-chemical properties, which ultimately determine the fate and function of these systems inside the organism. Similarly, the development of reproducible and versatile synthetic protocols is of great importance for manufacture purposes, a fundamental requirement for an efficient translation of this technology into the clinic. The main objective of this PhD thesis is the study and fabrication of core-shell-type magnetic mesoporous silica nanoparticles (M-MSNs) for their application as theranostic nanodevices in the field of nanomedicine. A comprehensive study about the synthesis and characterization of this type of nanomaterials is presented with the aim of obtaining core-shell M-MSNs with well-defined physico-chemical properties in a robust and reproducible way. The fabrication of such particles would provide a versatile and reliable platform for the development of more complex nanodevices with advanced functionalities. The thesis has been structured into several chapters that are briefly summarized as follows: ¿Chapter 1 is an introduction to the topic of nanomedicine, highlighting the importance of nanoparticles in the development of new biomedical applications. Mesoporous silica nanoparticles are then introduced, showing the great versatility that this nanomaterials offer for the development of theranostic nanodevices and smart drug delivery systems. Finally, the development of nanodevices with well-defined physico-chemical properties is identified as a crucial requirement for overcoming biological barriers and facilitate the translation of nanomedicines from the bench to bedside. ¿Chapter 2 presents the aims of this thesis and the specific objectives that are addressed in the following chapters. ¿Chapter 3 is devoted to the synthesis and characterization of ultrasmall superparamagnetic iron oxide nanoparticles (USPIONs), which are later used as magnetic seeds for the synthesis of core-shell M-MSNs. USPIONs are prepared through a simple coprecipitation method using mild reaction conditions. The obtained nanoparticles are fully characterized and their magnetic properties are analyzed focusing on magnetic hyperthermia and dual MR imaging applications. ¿Chapter 4 is a comprehensive study about the preparation of monodisperse core-shell M-MSNs. The main concepts related to the synthesis and formation mechanisms of this type of nanomaterials are revised, together with the reaction parameters that are expected to have a major contribution on the reaction. As a starting point, a general synthetic protocol for the synthesis of core-shell M-MSNs is presented. Then, specific reaction parameters are investigated in order to understand their effect on the physico-chemical properties of the obtained nanoparticles. The application of a semi-empirical model to the optimization stage is presented in an attempt to provide an adequate reference framework to understand the formation of this complex nanodevices. ¿Chapter 5 presents a detailed analysis about the characterization of mesoporous silica materials and, in particular, the assessment of the mesoporous structure of MSNs with a radial distribution of wormhole-like channels. The effects that specific reaction parameters have on the mesoporous silica structure of core-shell M-MSNs are also analysed, providing additional information about the formation of this type of nanoparticles. ¿Chapter 6 gathers the main conclusions of this thesis. / Sánchez Cabezas, S. (2019). Development of a reproducible and optimized synthetic protocol for the preparation of monodisperse core-shell-type magnetic mesoporous silica nanoparticles [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/129878

<p>Poli(mlečna kiselina) (PLA) predstavlja jedan od najpopularnijih komercijalnih biorazgradivih polimera. Iako može da zameni neke od najče&scaron;će kori&scaron;ćenih sintetskih polimera, neka njegova svojstva (lo&scaron;a barijerna, termička i mehanička) jo&scaron; uvek predstavljaju prepreku u &scaron;iroj primeni, posebno za pakovanje hrane. Jedan od najsavremenijih načina prevazilaženja nedostataka u svojstvima biopolimera predstavljaju nanotehnologije.<br />U ovom radu ispitan je uticaj dodatka različitih koncentracija hidrofobnih nanočestica silicijum (IV) oksida (od 0.2 mas.% do 5 mas.%) pripremom uzoraka u rastvoru, i rastopu na toplotna, mehanička, i barijerna svojstva PLA. Morfolo&scaron;ke karakteristike uzoraka nanokompozita snimljene su pomoću skenirajuće elektronske mikroskopije (SEM). Ostvarena je izuzetno dobra disperzija i distribucija hidrofobnih čestica silicijum (IV) oksida koje su u malim udelima dodavane u poli(mlečnu kiselinu). Dobra disperzija i distribucija hidrofobnih čestica silicijum (IV) oksida ostvarena je kako pripremom nanokompozita metodom u rastvoru, tako i metodom u rastopu.<br />Toplotna svojstva PLA i pripremljenih nanokompozita proučavana su primenom diferencijalnog skenirajućeg kalorimetra (DSC), dok je stepen kristalnosti određen rasipanjem X zraka pod &scaron;irokim uglom(WAXD). Mehanička svojstva su ispitivana da bi se odredio uticaj dodatka nanočestica SiO2 na prekidnu čvrstoću i izduženje čistog PLA. Iako su prilikom pripreme materijala metodom u rastvoru, pobolj&scaron;anja mehaničkih i barijernih svojstava postignuta pri udelima silicijum (IV) oksida u rasponu od 0,2 do 5 mas.%, najznačajnija pobolj&scaron;anja postignuta su za najmanje udele nanočestica (0,2 mas.% i 0,5 mas.%). Pobolj&scaron;anja mehaničkih i barijernih svojstava nanokompozita, primenjenih metodom u rastopu, su registrovana i za udele silicijum (IV) oksida od 0,2 do 3 mas.%.<br />Takođe je ispitana mogućnost primene pripremljenog nanokompozita na osnovu poli(mlečne kiseline) i silicijum (IV) oksida za pakovanje prehrambenih proizvoda na primeru pakovanja svežeg svinjskog mesa (M. longissimus thoracis et lumborum). Ispitivanjem uticaja materijala za pakovanje svežeg mesa u vakuumu, na parametre tehnolo&scaron;kog (pH, boja), senzorskog, i mikrobiolo&scaron;kog kvaliteta mesa, utvrđeno je da su PLA kao i nanokompoziti na osnovu PLA sa različitim udelima silicijum (IV) oksida, pogodni za vakuum pakovanje i skladi&scaron;tenje svežeg svinjskog mesa.</p> / <p>Poly(lactic acid) presents one of the most popular bio-polymers for diverse applications. However, the use of PLA as food packaging material is limited due to poor barrier and mechanical properties. These properties could be improved by incorporation of nanoparticles into polymer matrix.<br />In this work neat PLA films and PLA films with different percentage of hydrophobic fumed silica nanoparticles (0,2 wt.% to 5 wt.%) were prepared by solution casting and melt blending methods. Several procedures were used to characterize the influence of different silica content on dispersion (SEM), crystalline behavior (WAXD), thermal stability (DSC, TGA), mechanical and barrier properties. It is shown that the applied techniques and selection of specific hydrophobic spherical nanofiller provide a good dispersion and distribution of silica nanoparticles in poly(lactic acid) for both film preparation methods.<br />Characteristics of films prepared by solution casting method showed improvements in mechanical and barrier properties for all loadings of nanofiller but the most significant improvements were achieved for lowest silica content (0,2 wt.% and 0,5 wt.%) The improvements in material characteristics (mechanical and barrier) for melt blending method were also achieved (for concentrations from 0,2 wt.% to 3 wt.%).<br />After film preparation, selected cuts of M. longissimus thoracis et lumborum were packed in prepred films of polymer nanocomposites, and the shelf-life characterisation was conducted on technological, sensory and microbiological paramethers of quality. After shelf-life characterisation it can be concluded that polymer nanocomposites based on PLA and silica nanoparticles could be used for packaging od fresh pork meat in vacuum.</p>

L'objectif principal de ces travaux de thèse est de développer des modèles membranaires biomimétiques pour la reconstitution et l'étude d'interactions protéine/membrane. Dans ce but, deux approches sont adoptées : l'une mettant en œuvre une plateforme basée sur des nanoparticules de silice/Au recouvertes de lipides et l'autre comprenant la formation de bicouches lipidiques découplées d'un support solide d'or. Dans la première approche, nous avons synthétisé des particules de silice de taille nanométrique contenant des grains d'or inclus dans la matrice silicique. Ces nanoparticules sont ensuite recouvertes par différents phospholipides. Les propriétés plasmoniques acquises grâce aux grains d'or sont caractérisées puis utilisées pour suivre l'interaction avec les lipides et/ou les protéines. Le suivi de ces interactions est également visualisé par analyse de la mobilité électrophorétique des particules. La deuxième stratégie développée, consiste à assembler un système membranaire sur une surface solide d'or. Dans un premier temps, une couche de calmoduline est liée à la surface de manière stable. Dans un deuxième temps, une bicouche est formée au-dessus de la couche de calmoduline par deux méthodes. La première méthode consiste à ancrer la bicouche directement sur la couche de protéine par un mécanisme faisant intervenir des lipides chélateurs. Alors que dans la deuxième méthode les lipides sont liés à la surface et découplés grâce à l'utilisation d'une surface d'or modifiée par de la cystéamine et à des lipides fonctionnalisés. L'ancrage est assuré par des groupements succinimidyl et le découplage par des polymères de polyéthylène glycol porté sur un même lipide. Dans les deux stratégies, un réservoir sub-membranaire est créé entre la bicouche étanche et le support. Le suivi des constructions moléculaires est réalisé par résonance plasmonique de surface et analyse du retour de fluorescence. De plus le système est implémenté par des électrodes afin d'étudier l'effet d'application de potentiel sur la bicouche. Après caractérisation, le modèle membranaire est validé par la reconstitution de la translocation de la toxine CyaA de Bordetella pertussis. Cette protéine dispose en effet d'un mécanisme d'internalisation singulier qui permet d'explorer tout le potentiel de notre modèle membranaire. / The main objective of this work is to develop biomimetic membrane models for the reconstitution and study of protein/membrane interaction. Two devices were designed: one operate a nanometric platform composed of phospholipids coated lipid silica/Au nanoparticles, while the other including tethered lipid bilayer reconstitution on a gold surface. The first approach needs the synthesis of nanometer sized gold/silica particles and that are subsequently coated with different phospholipids. The plasmonic properties provided by gold seeds are characterized and they are of utility to follow the interaction between lipids and/or proteins at the surface. Following of these interactions was also realized with electrophoretic mobility analysis. The second biomimetic device involves a membrane assembly on a gold surface. In a first time, a calmodulin layer is bound on the surface. In a second time, a lipid bilayer is assembled above the calmodulin layer by two approaches. In the first approach the lipid bilayer is anchored on the protein layer with chelators lipid and His-Tag bearing by the proteins. While, in the second approach, lipids are bound on the surface and tethered with the use of a cysteamin modified gold surface and functionalized lipids. The anchorage is realized by succinimidyl group and the tethering by polyethylene glycol group wearing by one kind of lipid. A sub-membrane reservoir is created under the lipid bilayer. The biomimetic model formation was followed by plasmonic resonance and fluorescence recovery after photobleaching. After their characterization the tethered model is validated by reconstitution of a particular mechanism: the CyaA toxin from Bordetella pertussis translocation.

L'avancée technologique dans les nanosciences a permis le développement d'une large gamme de matériaux nanostructurés aux applications biomédicales. Ces outils, constitués de matériaux différents, ont été développés à des fins de diagnostic et de thérapie pour réaliser notamment le ciblage, le marquage cellulaire, l'imagerie médicale et pour concevoir des systèmes de délivrance de médicaments pour le traitement de cancers ou de maladies infectieuses. La création de nano-objets regroupant l'ensemble de ces propriétés de type théranostique constitue une étape essentielle vers un traitement personnalisé et non invasif des cancers solides de petite taille. Dans cette thèse, une première partie est consacrée à la mise au point et à l'utilisation de nanoparticules de silice mésoporeuse pour le traitement des rétinoblastomes. Ce travail visait à améliorer la thérapie photodynamique en augmentant la biodisponibilité de molécules actives dans les cellules cancéreuses par deux stratégies : leur vectorisation par un nano-objet et le ciblage spécifique des cellules cancéreuses. Pour cela, les profils d'expression des récepteurs du mannose ont été analysés et les récepteurs MRC2 et CD209 se sont révélés être de bons candidats pour une thérapie ciblée du rétinoblastome. La deuxième partie des recherches réalisées s'oriente vers l'élaboration de différents nanosystèmes pour le traitement des cancers et l'imagerie médicale. Premièrement, des nanotransporteurs de principe actif à relargage pH-sensible, structurés à partir de nanoparticule de silice mésoporeuse, ont été étudiés. Ces systèmes de délivrance, sous l'effet de stimuli internes, se sont révélés être très efficaces in vitro et ex vivo pour le traitement du cancer du côlon. Deuxièmement, le potentiel de délivrance contrôlée de molécules anticancéreuses renfermées dans des nanomachines soumises à une activation externe biphotonique, a été démontré sur des cellules de cancer du sein. Enfin, les propriétés de nanoparticules magnétiques de polymères de coordination cyano-pontés se sont révélées très prometteuses pour une utilisation en tant que nouvel agent de contraste intravasculaire pour l'imagerie par résonance magnétique in vivo. / The technological advance in nanoscience has allowed the development of a wide range of nanostructured materials for biomedical applications. These tools, composed of different materials, have been developed for diagnosis and therapy, in particular to achieve targeting, cellular labeling, medical imaging and to design drug delivery systems for the treatment of cancer or infectious diseases. The elaboration of nano-tools possessing these theranostic properties would be a major step towards personalized and non-invasive treatments of small solid cancers.In this thesis, the first part is devoted to the development and the application of mesoporous silica nanoparticles for the treatment of retinoblastoma. The aim of this work was to improve photodynamic therapy by increasing the bioavailability of active molecules in cancer cells following two strategies: their vectorization through nanodevice and the specific targeting of cancer cells. For this, expression profiles of mannose receptors were analyzed and both MRC2 and CD209 receptors were found to be interesting candidates for targeted therapy of retinoblastoma.The second part corresponds to a multidisciplinary approach focused on the research of different nanosystems designed for cancer treatment and medical imaging. We first studied pH-operated hybrid silica nanocarriers designed for drug release. Under internal stimuli, these delivery systems have shown to be very efficient in vitro and ex vivo against colon cancer. Then, we demonstrated the potential of nanoimpellers designed for anticancer drug delivery mediated by external two-photon activation on breast cancer cells. Finally, we report the promising use in vivo of new magnetic cyano-bridged coordination polymer nanoparticles as an efficient intravascular magnetic resonance imaging contrast agent.

A nanotecnologia tem sido aplicada para o desenvolvimento de materiais para diversas aplicações inclusive na inativação de patógenos. As nanopartículas de sílica (npSi) destacam-se pela alta área superficial, facilidade na alteração da superfície para aumento da eficiência adsortiva, penetrabilidade e toxicidade para bactérias gram-negativas sendo biocompatíveis para células de mamíferos e mais foto-estáveis que a maioria dos compostos orgânicos. Devido as suas vantagens, as npSi podem ser usadas para veicular fotossensibilizadores (FSs) uma vez que permitem sua utilização em solução aquosa em que os FSs geralmente são insolúveis. Além disso, o uso de FSs em vez de antibióticos, permite a inativação microbiológica pela Terapia Fotodinâmica sem que as bactérias adquiram resistência por mecanismos genéticos. Esse processo ocorre pela interação entre um FS, luz e oxigênio molecular produzindo oxigênio singleto que é extremamente reativo danificando estruturas celulares. O objetivo desse estudo foi otimizar a fotoinativação dinâmica de E .coli utilizando Azul de Metileno (AM) e Azul de Toluidina O (ATO) veiculados por npSi. As npSi foram preparadas pela metodologia sol-gel, caracterizadas por microscopia eletrônica de varredura (MEV) e submetidas à adsorção de AM e ATO em sua superfície. A presença de AM e ATO na superfície das npSi foram analisadas por espectroscopia no infravermelho; espectroscopia de fluorescência por raio-X e análise termogravimétrica. O planejamento experimental, iniciado pelo fatorial 23 e modelado ao composto central em busca das condições ótimas foi adotado pela primeira vez nessa aplicabilidade, visando a fotoinativação de E. coli empregando AM e ATO em solução e em seguida com npSi. AM e ATO veiculados por npSi permitem a fotoinativação em concentrações mais baixas de FS (20 e 51% respectivamente), causando desestruturação da integridade bacteriana demonstrada por MEV. Os resultados sugerem que a veiculação de AM e ATO por npSi é extremamente efetiva para a fotoinativação dinâmica de E. coli e que o planejamento composto central pode levar à completa inativação das bactérias. / Nanotechnology has been applied to the development of materials for several apllications inclusive inactivation of pathogens. The silica nanoparticles (npSi) are distinguished by high surface area, ease of change the surface in order to increase the adsorption efficiency, penetrability and toxicity in gram-negative bacteria being biocompatible with mammalian cells and more photo-stable than most the organic compounds. Due to its advantages, npSi can be used to carry photosensitizers (PSs) since they allow its use in aquous solution in which PSs are frequently insoluble. Furthermore, the use of PSs instead of antibiotics, allows the microbiological inactivation by Photodynamic Therapy without bacteria to develop resistance by genetic mechanisms. This process occurs by the interaction among a PS, light and molecular oxygen producing singlet oxygen, which is extremely reactive, causing damage to cellular structures. The aim of this study was to optimize the photoinactivation of E. coli using Methylene Blue (MB) and Toluidine Blue O (TBO) carried by npSi using the central composite design. The npSi were prepared by sol-gel method, characterized by scanning electron microscopy (SEM) and subjected to adsorption of MB and TBO on its surface. The presence of FSs on the surface of npSi were analyzed by infrared spectroscopy, fluorescence X-ray spectroscopy and thermogravimetric analysis. The experimental design, initiated by the factorial 23 and modeled by the central composite in search of the optimal conditions was adopted for the first-time for this applicability, aiming the E. coli photoinactivation employing MB and TBO in solution and then with npSi. MB and TBO carried by npSi allowed the photoinactivation in lower concentrations of PS (20 and 51% respectively), causing disruption of bacterial integrity demonstrated by SEM. The results suggest that MB and TBO carried by npSi are extremely effective for dynamic photoinactivation of E. coli and the central composite design can lead to complete inactivation of bacteria.

An aqueous nanoparticle dispersion is a complex fluid whose mobility in porous media is controlled by four key factors: the conditions necessary for the stability of nanoparticle dispersions, the kinetics of nanoparticle aggregation in an unstable suspension, the rheology of stable or unstable suspensions, and the interactions between the nanoparticles and oil/water interface and mineral surfaces. The challenges in controlling nanoparticle transport come from the variations of pH and ionic strength of brine, the presence of stationary and mobile phases (minerals, oil, water and gas), the geochemical complexity of reservoir rocks, and pore-network. The overall objective of this work is to achieve a better understanding of nanoparticle transport in porous media based on a systematic experimental and theoretical study of above factors. For this purpose, the critical conditions for the aqueous stability of nanoparticles are identified and fit by a theoretical model, which describes the interaction energy between silica nanoparticles. Above critical conditions nanoparticle aggregation becomes significant. A model for the aggregation kinetics is developed and validated by experiments. A mechanistic model for predicting the viscosity of stable and unstable silica nanoparticle dispersions over a wide range of solid volume fraction is developed. This model is based on the concept of effective maximum packing fraction. Adsorption experiments with silica nanoparticles onto quartz, calcite and clay surfaces and interfacial tension measurements provide insightful information on the interaction of the nanoparticles with minerals and decane/water interface. The extent of nanoparticle adsorption on mineral/water and decane/water interfaces is evaluated based on DLVO theory and Gibbs’ equation. Visual observations and analytical methods are used to understand the interaction of nanoparticles with clay. The characterization of nanoparticle behavior in bulk phases is built into an understanding of nanoparticle transport in porous media. In particular, the rheology of nanoparticle dispersions flowing through permeable media is compared with those determined using a rheometer. In the presence of residual oil, the retention of silica nanoparticles at water/oil interface during steady flow is investigated. The results from batch experiments of nanoparticle adsorption are used to explain the flow behavior of these nanoparticles in a glass bead pack at residual oil saturation. / text

Orientador: Carlos Kenichi Suzuki / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-06T16:36:19Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Tomazi_RodrigoGuevara_M.pdf: 828846 bytes, checksum: 4932ee70e0a24f3445ebebdf1bfefa80 (MD5) Previous issue date: 2006 / Resumo: As preformas nanoestruturadas de sílica produzidas pelo método de aerosol em chama constituem-se em precursores estratégico para aplicações tecnológicas em fotônica, tais como fibras óticas especiais e lentes com elevada transmissividade ótica na região ultravioleta. Para conseguir tais propriedades torna-se de fundamental importância o controle das características nanoestruturais nas preformas de sílica, tais como a distribuição de tamanho de partículas e a nanoporosidade. Neste sentido, a técnica de SAXS foi utilizada no presente trabalho para a caracterização nanoestrutural das preformas de sílica, com o auxílio das técnicas de ARX, BET, MEV e FRX. Com o tratamento matemático dos dados de SAXS pelo método GNOM, foram obtidas curvas de distribuição de tamanhos de heterogeneidades com dimensões entre 1 e 100 nm e, através dos efeitos observados nestas heterogeneidades com: (i) variação da carga em amostras de preformas prensadas uniaxialmente, (ii) variação das condições de temperatura em preformas tratadas termicamente e (iii) incorporação de íons de érbio foi possível estabelecer um entendimento efetivo da nanoestrutura da sílica produzida por aerosol em chama sob o aspecto tanto quantitativo, quanto qualitativo. Este resultado possibilita a determinação e o controle da distribuição de tamanhos de nanopartículas e nanoporos, condições essenciais para o desenvolvimento e a produção de dispositivos avançados de sílica para fotônica / Abstract: The nanostructured silica preform made by the flame aerosol method represents a strategical precursor for technological applications in photonics, such as special optical fibers and high optical transmissivity lenses for ultraviolet radiation. In order to attain such a properties, it becomes particularly important to control the nanostructured characteristics of silica preforms, such as nanoporosity and particle size distribution. In this sense, SAXS technique has been used for the characterization of silica preforms in conjunction of several other techniques, ARX, BET, MEV and FRX. Using the mathematical treatment of SAXS data by the GNOM method, structural heterogeneities in the range 1-100 nm were measured. Additional nanoscale information was observed through various effects induced by: (i) impinging a mechanical stress, (ii) thermal treatment in controlled atmosphere and precise temperature control, (iii) erbium ions doping. It was then possible to attain an effective understanding of nanostructure properties of the high purity flame aerosol silica, both on qualitative and quantitative aspects. The present result allows the control of size and size distribution of nanoparticles and nanopores, that is essential for the development and the production of advanced silica devices for photonics / Mestrado / Materiais e Processos de Fabricação / Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Maria do Carmo Gonçalves / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Química / Made available in DSpace on 2018-08-25T19:34:46Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DeFarias_MarceloAlexandre_D.pdf: 6813625 bytes, checksum: 734f14c74ec0690013d0549463dd8b09 (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: O principal objetivo desta tese consiste na síntese de nanopartículas de prata e de sílica e sua posterior modificação de superfície. Visando atribuir um caráter hidrofóbico às nanopartículas, sintetizou-se o copolímero em bloco de poliestireno-bloco-poli(N-vinil-2-pirrolidona) (PS-b-PVP), via técnicas de polimerização radicalar controlada. A metodologia utilizada produziu copolímeros de PS-b-PVP com baixa polidispersidade e massa molar controlada, capazes de estabilizar a emulsão de água em clorofórmio. Nanopartículas de prata (AgNP) produzidas à temperatura ambiente exibiram diâmetros médios de 8 e 11 nm, utilizando PVP ou PS-b-PVP como agentes estabilizantes, respectivamente. Nanopartículas de sílica (SiO2NP) foram sintetizadas pelo método de Stöber e apresentaram diâmetros aproximados de 40, 80 e 150 nm. Também foram utilizadas SiO2NP comerciais, que apresentaram duas populações com diâmetros médios de 12 e 25 nm, além de aglomerados. Por este motivo, a adsorção de PVP ou de PS-b-PVP à superfície das SiO2NP só foi caracterizada adequadamente com as SiO2NP sintetizadas. Mapas elementares de carbono, obtidos por imagem espectroscópica de elétrons (ESI-TEM) de dispersões de AgNP ou SiO2NP, mostraram que ambas as nanopartículas tiveram sua superfície modificada por PVP ou PS-b-PVP. Adicionalmente, as nanopartículas foram incorporadas em matrizes de poliestireno-bloco-polibutadieno-bloco-poliestireno (SBS) para produção de nanocompósitos. Observou-se por espalhamento de raios X de baixo ângulo (SAXS) e microscopia eletrônica de transmissão (TEM) que filmes de SBS puros apresentaram elevado grau de auto-organização da microestrutura de cilindros empacotados hexagonalmente, devido às condições de tratamento térmico e de casting utilizadas. Os nanocompósitos contendo SiO2NP apresentaram o mesmo comportamento termomecânico que a matriz de SBS, embora perturbações na microestrutura da matriz tenham sido observadas. Imagens de microscopia de força Kelvin mostraram a presença de domínios com potenciais elétricos distintos, indicando a ocorrência de uma forte interação entre o SBS e as AgNP/PS-b-PVP. Análises de DMA e TEM sugeriram que as AgNP/PS-b-PVP apresentaram maior interação com os cilindros de PS da matriz de SBS, em comparação com as AgNP/PVP. O conjunto de resultados obtidos neste trabalho indica que foi possível modificar superficialmente as nanopartículas inorgânicas empregando o copolímero PS-b-PVP / Abstract: The main objective of this thesis is the synthesis and surface modification of silver and silica nanoparticles. Aiming towards a hydrophobic character for the nanoparticles, the polystyrene-block-poly(N-vinyl-2-pyrrolidone) (PS-b-PVP) amphiphilic block copolymer was synthesized by controlled radical techniques. This methodology produced PS-b-PVP block copolymers with low polydispersity and controlled molar mass, which are able to stabilize water/chloroform emulsions. Silver nanoparticles (AgNP) produced at room temperature showed 8 and 11 nm mean diameters when using PVP or PS-b-PVP, respectively. Silica nanoparticles (SiO2NP) synthesized by Stöber method showed 40, 80 and 150 nm mean diameters. Commercial SiO2NP was also used and presented two populations with mean diameters of 12 and 25 nm, as well as agglomerates. The adequate characterization of PVP or PS-b-PVP adsorption onto SiO2NP surfaces was only possible using the SiO2NP obtained by the Stöber method. Carbon maps, obtained by electron spectroscopic imaging (ESI-TEM) showed that AgNP and SiO2NP were both surface modified by PVP or PS-b-PVP. Additionally, the nanoparticles were incorporated into polystyrene-block-polybutadiene-block-polystyrene (SBS) matrices to produce nanocomposites. Small angle X ray scattering (SAXS) and transmission electron microscopy (TEM) showed that SBS films presented a high self-assembly degree of the hexagonally packed cylinder due to annealing and casting conditions. Similar thermal-mechanical behavior was observed for the nanocomposites containing SiO2NP in relation to pure SBS, although perturbations in the SBS microstructure had also been observed. Kelvin force microscopy (KFM) showed domains with different electrical potentials, indicating a strong interaction between SBS and AgNP/PS-b-PVP. DMA and TEM analysis suggested that AgNP/PS-b-PVP interacted preferentially with SBS matrix PS cylinders. The results obtained in this work indicate that the inorganic nanoparticle surfaces were successfully modified by the PS-b-PVP copolymer / Doutorado / Físico-Química / Doutor em Ciências

Nous visons dans ce travail de thèse à développer une méthodologie de fonctionnalisation par chimie click des silices hybrides synthétisées par voie sol-gel. La réaction click de cycloaddition azoture-alcyne catalysée au cuivre (CuAAC) offre une tolérance exceptionnelle pour les fonctions organiques en plus de conversions très élevées. Dans cette optique, nous avons mis en œuvre en premier lieu des matériaux clickables à base d'organosilice pure (organosilice à mésoporosité périodique (PMO) et silsesquioxanes pontés (BS)) qui ont permis une conversion quasi-quantitative de greffage par CuAAC. Nous avons ensuite utilisé cette particularité pour contrôler les propriétés de surface des BS en modifiant leur caractère hydrophile/lipophile. Dans le second axe de travail, nous nous sommes intéressés à l'apport de la chimie click pour la préparation de nanoparticules mésoporeuses de silice multifonctionnelles, dites mécanisées, pour des systèmes à délivrance contrôlée de principes actifs. / The present work aims to develop a trustful methodology of functionalization for hybrid silica materials made by the sol-gel process using the copper-catalyzed alkyne-azide cycloaddition (CuAAC)Click reaction. This transformation can be highly useful in materials science thanks to its high conversions and the excellent functional group tolerance. In this prospect, we have synthesized fully clickable bridged silisesquioxanes and periodic mesoporous organosilica that show high extents of click grafting. CuAAC was then used for tailoring the surface of bridged silsesquioxane and fine-tuning the hydrophilic/lipophilic balance. Finally, the click reaction was used as an efficient way to obtain multiply functionalized mesoporous silica nanoparticles in order to make nanomachines for controlled delivery of cargo molecules.