[IT] Importanti cambiamenti sociodemografici, come la crescita della popolazione mondiale e l’urbanizzazione, stanno incrementando il fabbisogno di alimenti a livello mondiale. In contemporanea si sta assistendo ad una profonda trasformazione della dieta umana che tende sempre più a prediligere prodotti di origine animale, frutta e verdura al posto dei cereali. In quest’ottica, serre e stalle per l’allevamento intensivo possono ricoprire un ruolo di spicco, in quanto in grado di produrre tali alimenti con dei rendimenti decisamente maggiori rispetto a quelli che caratterizzano la produzione di vegetali in campo aperto e l’allevamento estensivo. Tra i vari fattori che contribuiscono ad incrementare la produttività di questi edifici agricoli vi è il controllo delle condizioni climatiche interne. Tale controllo del clima interno avviene, in molti casi, attraverso sistemi meccanici il cui utilizzo causa un considerevole consumo energetico che costituisce una minaccia per la transizione verso un’agricoltura più sostenibile. L’obiettivo generale di questa tesi è, quindi, di contribuire alla transizione verso un’agricoltura più sostenibile attraverso il miglioramento della prestazione energetica per il controllo climatico di serre e stalle per l’allevamento intensivo. Per raggiungere tale obiettivo, è stato adottato un triplice approccio basato su un’analisi di letteratura, campagne sperimentali di monitoraggio ed attività di modellazione energetica. L’analisi di letteratura è stata svolta con il fine di districare la complessa rete di relazioni esistente tra controllo climatico e altri domini di interesse della produzione agricola. Il nesso tra prestazione energetica e controllo climatico è stato approfondito analizzando dei set di dati reali acquisiti in una serra e due porcilaie attraverso campagne di monitoraggio. Questo nesso è stato ulteriormente approfondito adottando un approccio numerico che ha portato allo sviluppo e validazione di tre modelli di simulazione energetica per serre, per stalle da polli da carne e per stalle da suini da ingrasso. Ciascun modello di simulazione integra le principali caratteristiche tipiche di tali edifici per stimare con accuratezza i profili temporali delle condizioni ambientali interne e del consumo di energia termica ed elettrica. Le potenzialità di questi modelli nel migliorare la prestazione energetica e le condizioni climatiche di serre e stalle sono state esplorate analizzando specifiche problematiche relazionate al consumo energetico. Il modello energetico per le stalle per polli da carne, infatti, è stato adottato per valutare le potenzialità di un nuovo approccio per la progettazione energeticamente efficiente dell’involucro basato sull’energia primaria. Lo stesso modello è stato usato per valutare la variazione del consumo energetico causata dall’adozione di una strategia di ventilazione mirata al miglioramento del benessere dei polli allevati attraverso la riduzione della concentrazione interna di gas nocivi. Questa tesi contribuisce alla transizione verso una agricoltura più sostenibile fornendo nuove conoscenze e strumenti necessari al miglioramento della prestazione energetica per controllo climatico di serre e stalle per l’allevamento intensivo. Le analisi svolte, infatti, quantificano potenziali riduzioni del consumo energetico ottenibili attraverso l’implementazione di misure di efficientamento energetico, sia a livello di involucro (isolamento termico) che a livello di sistema di controllo climatico (ventilatori a portata variabile). Ulteriori misure per l’efficientamento energetico potrebbero essere valutate attraverso tali modelli che rappresentano importanti risultati di questa ricerca. Essi, infatti, potrebbero avere ricadute positive a livello locale in quanto vari portatori d’interesse (agricoltori, ingegneri e fabbricanti) potrebbero adottarli come strumenti di supporto alle decisioni per valutare nuove tecnologie, strategie e soluzioni mirate alla diminuzione del consumo energetico di serre e stalle. Questi nuovi modelli rappresentano anche un solido punto di partenza per future ricerche in questo campo. Futuri sviluppi potrebbero portare alla creazione di ulteriori moduli di calcolo per valutare altri aspetti, come la variazione della produttività, l’emissione di contaminanti e il benessere animale. Le nuove conoscenze generate in questa tesi potrebbero avere ricadute positive anche a livello globale, in quanto potrebbero rappresentare i fondamenti tecnici per nuovi quadri normativi e schemi di incentivi mirati al miglioramento della performance energetica di edifici agricoli controllati climaticamente attraverso una strategia di tipo top-down. / [ES] Importantes cambios sociodemográficos están conduciendo hacia un considerable crecimiento de la demanda de alimentos a nivel mundial. Al mismo tiempo se está observando una profunda transformación de la dieta humana, que tiende a incluir más productos de origen animal, fruta y verdura. Invernaderos y granjas de ganadería intensiva pueden desempeñar un papel principal, debido a que proporcionan los productos agrícolas necesarios con rendimientos notablemente mayores que los de la producción en campo abierto y de la ganadería extensiva. Entre los factores que contribuyen a incrementar la productividad de estos edificios agrícolas se sitúa el control de las condiciones climáticas internas. Dicho control se realiza a través de sistemas mecánicos cuyo uso causa un considerable consumo energético que representa una amenaza para la transición hacia una agricultura sostenible. El objetivo de esta tesis es contribuir a la transición hacia una agricultura más sostenible a través de la mejora de la prestación energética por control climático de invernaderos y granjas de ganadería intensiva. Para alcanzar dicho objetivo, se ha adoptado un enfoque triple basado en un análisis de literatura, campañas experimentales de monitorización y actividades de modelización energética. El análisis de literatura se ha llevado a cabo con el fin de desentrañar la red de relaciones existentes entre el control climático y otros dominios de interés de la producción agrícola. El nexo entre prestación energética y control climático se ha acometido analizando conjuntos de datos reales, adquiridos en un invernadero y dos granjas de cerdos. El análisis de dicho nexo se ha profundizado adoptando un enfoque numérico que ha llevado al desarrollo y validación de tres modelos de simulación energética para invernaderos y para granjas de pollos y cerdos. Las potencialidades de estos modelos para la mejora de las prestaciones energéticas y las condiciones climáticas se han explorado analizando problemáticas específicas. El modelo energético para granjas de pollos se ha adoptado para el diseño energéticamente eficiente de la envolvente de este tipo de edificio. El mismo modelo se ha usado para evaluar las variaciones de consumo energético causadas por la adopción de una estrategia de ventilación orientada a la mejora del bienestar de los pollos. Esta tesis contribuye a la transición hacia una agricultura más sostenible proporcionando nuevos conocimientos e instrumentos para la mejora de la prestación energética para el control climático de invernaderos y granjas. Los análisis realizados cuantifican potenciales disminuciones del consumo energético alcanzables a través de la implementación de medidas para la eficiencia energética a nivel de envolvente (aislamiento térmico) y a nivel de sistema de control climático (ventiladores con caudal variable). Ulteriores medidas para la eficiencia energética podrían evaluarse a través de dichos modelos que representan importantes resultados de esta investigación. Estos modelos podrían tener repercusiones positivas a nivel local, ya que muchas partes interesadas (agricultores, ingenieros y fabricantes) podrían adoptarlos como instrumentos de apoyo a la toma de decisiones para evaluar nuevas tecnologías y estrategias orientadas a la disminución del consumo energético. Estos nuevos modelos representan también un sólido punto de partida para futuras investigaciones en este campo. Futuros desarrollos podrían implementar nuevos módulos de cálculos para evaluar otros aspectos, como la variación de la productividad, la emisión de contaminantes y el bienestar animal. Los nuevos conocimientos generados en esta tesis podrían tener repercusiones positivas incluso a nivel global, puesto que podrían representar los fundamentos técnicos para nuevos marcos normativos y sistemas de incentivos orientados a la mejora de la prestación energética de edificios agrícolas controlados climáticamente a través de una estrategia de tipo top-down. / [CA] Importants canvis sociodemogràfics estan conduint cap a un considerable creixement de la demanda d'aliments a nivell mundial. Al mateix temps s'està observant una profunda transformació de la dieta humana, que tendeix a incloure més productes d'origen animal, fruita i verdura. Hivernacles i granges de ramaderia intensiva poden exercir un paper principal, pel fet que proporcionen els productes agrícoles necessaris amb rendiments notablement majors que els de la producció en camp obert i de la ramaderia extensiva. Entre els factors que contribueixen a incrementar la productivitat d'aquests edificis agrícoles se situa el control de les condicions climàtiques internes. Aquest control del clima intern es realitza a través de sistemes mecànics, l'ús dels quals causa un considerable consum energètic que representa una amenaça per a la transició cap a una agricultura sostenible. L'objectiu general d'aquesta tesi és contribuir a la transició cap a una agricultura més sostenible a través de la millora de la prestació energètica per al control climàtic d'hivernacles i granges de ramaderia intensiva. Per a aconseguir aquest objectiu, s'ha adoptat un enfocament triple basat en una anàlisi de literatura, campanyes experimentals de monitoratge i activitats de modelització energètica. L'anàlisi de literatura s'ha dut a terme amb la finalitat de desentranyar la complexa xarxa de relacions existents entre el control climàtic i altres dominis d'interés de la producció agrícola. El nexe entre prestació energètica i control climàtic s'ha analitzat amb conjunts de dades reals, adquirides en un hivernacle i dues granges de porcs. L'anàlisi d'aquest nexe s'ha aprofundit encara més adoptant un enfocament numèric que ha portat al desenvolupament i validació de tres models de simulació energètica per a hivernacles i per a granges de pollastres i porcs d'engreixament. Les potencialitats d'aquests models per a la millora de les prestacions energètiques i les condicions climàtiques s'han explorat analitzant problemàtiques específiques. El model energètic per a granges de pollastres s'ha adoptat per al disseny energèticament eficient de l'envolupant d'aquesta mena d'edifici. El mateix model s'ha usat per a avaluar les variacions de consum energètic causades per l'adopció d'una estratègia de ventilació orientada a la millora del benestar dels pollastres. Aquesta tesi contribueix a la transició cap a una agricultura més sostenible proporcionant nous coneixements i instruments per a la millora de la prestació energètica per al control climàtic d'hivernacles i granges. Les anàlisis realitzades quantifiquen potencials disminucions del consum energètic assolibles a través de la implementació de mesures per a l'eficiència energètica tant a nivell d'envolupant (aïllament tèrmic) com a nivell de sistema de control climàtic (ventiladors amb cabal variable). Ulteriors mesures per a l'eficiència energètica podrien avaluar-se a través d'aquests models que representen importants resultats d'aquesta investigació. Aquests models podrien tindre repercussions positives a nivell local, ja que moltes parts interessades (agricultors, enginyers i fabricants) podrien adoptar-los com a instruments de suport a la presa de decisions per a avaluar noves tecnologies i estratègies orientades a la disminució del consum energètic d'hivernacles i granges. Aquests nous models representen també un sòlid punt de partida per a futures investigacions en aquest camp. Futurs desenvolupaments podrien implementar nous mòduls de càlculs per a avaluar altres aspectes, com la variació de la productivitat, l'emissió de contaminants i el benestar animal. Els nous coneixements generats en aquesta tesi podrien tindre repercussions positives fins i tot a nivell global, ja que podrien representar els fonaments tècnics per a nous marcs normatius i sistemes d'incentius orientats a la millora de la prestació energètica d'edificis agrícoles controlats climàticament a través d'una estratègia de tipus top-down. / [EN] Socio-demographic trends, such as population growth and urbanization, are leading to a significant increase of the world food demand. At the same time, there is a shift of the human diet toward livestock products, vegetables, and fruit rather than cereals. Greenhouses and livestock houses can play a primary role since they can supply the necessary agricultural products with higher yields than on-field crop production and extensive animal farming. One way in which productivity is enhanced in these agricultural buildings is by a fine-tuned control of the indoor climate conditions. For this purpose, mechanical climate control systems are often adopted, but they entail a considerable energy consumption whose estimated increase may jeopardize the transition toward a sustainable agriculture. The overall objective of this thesis, hence, is to contribute to the transition toward a sustainable agriculture by improving the energy performance for climate control of greenhouses and livestock houses. To achieve this objective, a three-pronged approach was taken involving a literature review, experimental monitoring campaigns, and energy modelling activities. The literature review was performed to unpick the tangle of mutual relations between climate control and other domains of agricultural production. The nexus between energy performance and climate control was investigated analyzing real datasets acquired through monitoring campaigns performed in a greenhouse and two pig houses. This nexus was further studied adopting a numerical approach which led to the development and validation of three energy simulation models for greenhouses, broiler houses and pig houses. Each simulation model integrates the main features typical of greenhouses and livestock houses to estimate the time profiles of lumped indoor climate conditions and thermal and electrical energy consumption. The opportunities in improving the energy performance and the indoor climate conditions provided by the developed energy models were explored by analyzing specific energy-related problems. The broiler house energy model was adopted to evaluate the potentialities of a new primary energy approach for the energy-efficient envelope design of broiler houses. The same model was applied to evaluate the variation of energy consumption achieved by an improved ventilation strategy aimed at enhancing broiler welfare by reducing indoor noxious gas concentrations. This thesis contributes to the transition toward a more sustainable agriculture providing new knowledge and tools necessary for improving the energy performance for climate control of greenhouses and livestock houses. The performed analyses, in fact, quantify potential decrease of energy consumption achievable through the implementation of energy-efficient measures at both envelope -thermal insulation- and climate control system -variable angular speed fans- level. Further energy-efficient measures could be evaluated adopting the developed energy simulation models that are valuable outputs of this investigation. These models could have a positive impact at local level since stakeholders -farmers, engineers, and manufacturers- could adopt them as decision support tools for the evaluation of new technologies, strategies and solutions aimed at decreasing the overall energy consumption of greenhouses and livestock houses. These novel models represent also a robust starting point for future research in this field. Future advances may lead to the development of further calculation modules to evaluate other aspects of greenhouses and livestock houses, such as productivity variations, contaminant emissions and animal welfare. The new knowledge generated in this thesis could have positive impacts also at global level since it may represent the technical basis for new normative frameworks and incentive schemes aimed at improving the energy performance of climate-controlled agricultural buildings through a top-down approach. / Costantino, A. (2021). Improving Climate Control and Energy Performance in Greenhouses and Livestock Houses: Modelling Advances and Experimental Results [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/178457

Tesis por compendio / [ES] La presente Tesis Doctoral plantea el desarrollo de sistemas antimicrobianos basados en el anclaje covalente reversible de aldehídos de origen natural con actividad antimicrobiana en películas de quitosano para su aplicación en el envasado de alimentos. En primer lugar, se desarrolló un protocolo para la formación de bases de Schiff o iminas de diferentes aldehídos en películas de quitosano. Estas iminas son producto de la condensación de los grupos amino primarios del quitosano con los grupos carbonilo del aldehído. El anclaje de dichos aldehídos, en su mayoría de elevada volatilidad, permite su estabilización a largo plazo en estructuras poliméricas, facilitando su manejo. Las iminas son hidrolizables, y dicha hidrólisis está favorecida a pH < 5, por lo que la naturaleza reversible del enlace ofrece un mecanismo para controlar la liberación del antimicrobiano. Previamente a su anclaje, se evaluó la capacidad antimicrobiana de los aldehídos frente a diversos microorganismos patógenos y alterantes alimentarios. Se caracterizó el enlace imina mediante técnicas espectroscópicas y se cuantificó la incorporación del aldehído a la película de quitosano mediante análisis elemental. Adicionalmente otras propiedades funcionales del material fueron evaluadas, como propiedades térmicas, ópticas o de absorción de agua. En segundo lugar, se evaluó la reversibilidad del enlace imina o base de Schiff por el contacto con soluciones acuosas de diferente acidez. La respuesta al pH de las películas permitió determinar la mayor estabilidad del enlace imina a pH neutros, mientras que a pH ácidos resultó más hidrolizable, permitiendo así una mayor liberación del aldehído anclado. Las películas activas desarrolladas mostraron una buena respuesta antimicrobiana contra Botrytis cinerea y Penicillium expansum, al someterlas a una solución de pH ácido. La respuesta antimicrobiana de las películas se debió exclusivamente a la liberación del aldehído al espacio de cabeza tras la hidrólisis de la imina. La estructura química de los aldehídos tuvo un impacto significativo en la formación de iminas y en las propiedades de la película, así como en su reversibilidad. Así, la presencia del doble enlace (Ca=Cß) en aldehídos a,ß-insaturados podría generar otro tipo de enlaces como la adición de Michael, permitiendo obtener matrices entrecruzadas y más estables que sus análogos saturados. El grado de entrecruzamiento y propiedades de estas películas puede ser modulado por el pH del medio empleado en su síntesis. Para la aplicación tecnológica de las películas antimicrobianas de quitosano con los volátiles anclados reversiblemente, se trabajó con productos de postcosecha frescos o mínimamente procesados. Se empleó la respuesta al pH de las películas siguiendo diferentes estrategias. Por una parte, el sistema se incorporó en el envasado de moras frescas, para ello, se diseñó un envase de doble fondo dónde depositar las películas junto con el medio activador. Se redujo satisfactoriamente el crecimiento de hongos sobre la superficie de la fruta, aumentando el tiempo de vida útil de las moras envasadas de 3 a 12 días. Por otra parte, se envasó piña fresca cortada empleando el mismo diseño del envase, de forma que el jugo ácido exudado por la piña durante su almacenamiento catalizó la hidrólisis de la imina. Las películas activas mejoraron la calidad y redujeron la carga microbiana habitual de la piña, observando una reducción notable respecto al control a partir del día 9. Por último, la actividad antimicrobiana de las películas activas se evaluó en un alimento líquido refrigerado inoculado con E. coli. La acidez del zumo provocó la liberación del aldehído al medio inhibiendo el crecimiento del patógeno. Las películas de quitosano con los aldehídos anclados presentaron respuesta al pH, mostrando una mayor capacidad antimicrobiana al ser sometidas a pH ácido, y pudiendo emplearse en el diseño de envases activos antimicrobianos. / [CA] Aquesta Tesi Doctoral planteja el desenvolupament de sistemes antimicrobians basats en l'ancoratge covalent reversible d'aldehids d'origen natural amb activitat antimicrobiana en pel·lícules de quitosà per aplicar-les a l'envasament d'aliments. En primer lloc, es va desenvolupar un protocol per a la formació de bases de Schiff o imines de diferents aldehids en pel·lícules de quitosà. Aquestes imines són el producte de la addició nucleòfila dels grups amino del quitosà al carbonil de l'aldehid que s'ancorarà. L'ancoratge d'aquests aldehids, majoritàriament d'elevada volatilitat, permet la seva estabilització a llarg termini en estructures polimèriques, facilitant-ne el seu maneig. Les imines són hidrolitzables, i aquesta hidròlisi està afavorida a pH < 5, per la qual cosa la naturalesa reversible de l'enllaç ofereix un mecanisme per controlar l'alliberament de l'antimicrobià. Prèviament a la incorporació d'aquests compostos a les pel·lícules de quitosà, es va avaluar la capacitat antimicrobiana dels aldehids davant de diversos microorganismes patògens i alterants d'aliments. Es va caracteritzar l'enllaç imina mitjançant tècniques espectroscòpiques i es va quantificar la incorporació de l'aldehid a la pel·lícula de quitosà mitjançant anàlisi elemental. Addicionalment, altres propietats funcionals del material van ser avaluades, com a propietats tèrmiques, òptiques o d'absorció d'aigua, verificant la modificació del polímer. En segon lloc, es va avaluar la reversibilitat de l'enllaç imina o base de Schiff pel contacte amb solucions aquoses de diferent acidesa. La resposta al pH de les pel·lícules va permetre determinar la major estabilitat de l'enllaç imina a pH neutres, mentre que a pH àcids va resultar més hidrolitzable, permetent així un alliberament més gran de l'aldehid ancorat. Les pel·lícules actives desenvolupades van mostrar una bona resposta antimicrobiana contra Botrytis cinerea i Penicillium expansum,la qual és deguda exclusivament a l'alliberament de l'aldehid a l'espai de cap després de la hidròlisi de la imina. L'estructura química dels aldehids va tenir un impacte significatiu en la formació d'imines i en les propietats de la pel·lícula, així com en la reversibilitat. Així, la presència del doble enllaç (Ca=Cß) en aldehids a,ß-insaturats podria generar un altre tipus d'enllaços com l'addició de Michael, permetent obtenir matrius entrecreuades i més estables que els seus anàlegs saturats, el qual pot ser modulat pel pH del medi emprat a la síntesi. Per a l'aplicació tecnològica de les pel·lícules antimicrobianes de quitosà amb els volàtils ancorats reversiblement, es va treballar amb productes de postcollita frescos o mínimament processats. Es va emprar la resposta al pH de les pel·lícules seguint diferents estratègies. D'una banda, el sistema es va incorporar a l'envasat de móres fresques, per això es va dissenyar un envàs de doble fons on dipositar les pel·lícules juntament amb el medi activador a pH àcid. Es va reduir satisfactòriament el creixement de fongs sobre la superfície de la fruita, augmentant el temps de vida útil de les móres envasades de 3 a 12 dies. D'altra banda, es va envasar pinya fresca tallada emprant el mateix disseny de l'envàs, de manera que el suc àcid exsudat per la pinya durant el seu emmagatzematge va afavorir la hidròlisi de la imina. Les pel·lícules actives van millorar la qualitat i van reduir la càrrega microbiana habitual de la pinya, observant una reducció notable a partir del dia 9. Per acabar, l'activitat antimicrobiana de les pel·lícules actives es va avaluar en un aliment líquid refrigerat i inoculat amb E. coli. L'acidesa del suc va provocar l'alliberament de l'aldehid al medi inhibint el creixement del patogen. Les pel·lícules de quitosà amb els aldehids ancorats van presentar resposta al pH, mostrant una major capacitat antimicrobiana en ser sotmeses a pH àcid, i podent emprar-se en el disseny d'envasos actius antimicrobians. / [EN] This Doctoral Thesis proposes the development of antimicrobial systems based on the reversible covalent anchoring of naturally occurring aldehydes with antimicrobial activity in chitosan films for their application in food packaging. First, a protocol for the formation of Schiff bases or imines of different aldehydes on chitosan films was developed. These imines are the product of the condensation of the primary amino groups of chitosan with the carbonyl groups of the aldehyde. The immobilization of these aldehydes, most of which are highly volatile, allows their long-term stabilisation in polymeric structures, facilitating their handling. The imines are hydrolysable, and its hydrolysis is favoured at pH < 5, so the reversible nature of the bond provides a mechanism to control the antimicrobial release. Prior to the incorporation of these compounds into chitosan films, the antimicrobial capacity of aldehydes was evaluated against various pathogenic and food spoilage microorganisms. The formed imine bond was characterised by spectroscopic techniques and the incorporation of the aldehyde into the chitosan film was quantified by elemental analysis. Additionally, other functional properties were evaluated, such as thermal, optical and water absorption properties, verifying the modification of the polymer. Secondly, the reversibility of the imine bond or Schiff's base was evaluated by contact with aqueous solutions of different acidity. The pH response of the films allowed determining the higher stability of the imine bond at neutral pH, while at acidic pH it was more hydrolysable, leading a higher release of the anchored aldehyde The developed active films showed a good antimicrobial response against Botrytis cinerea and Penicillium expansum, especially when subjected to an acidic pH solution. The antimicrobial response of the films was exclusively due to the aldehyde released into the headspace after imine hydrolysis. The chemical structure of the aldehydes had a significant impact on imine formation and film properties, as well as on their reversibility. Thus, the presence of the double bond (Ca=Cß) in a,ß-unsaturated aldehydes could generate other types of bonds such as Michael addition, allowing cross-linked polymer, which are more stable than their saturated analogues. The degree of cross-linking and properties of these films can be modulated by the pH of the medium used in their synthesis. For the technological application of chitosan antimicrobial films with reversibly grafted volatiles, fresh or minimally processed post-harvest products were used. The pH response of the films was used following different strategies. On the one hand, the system was incorporated in the packaging of fresh blackberries, for this purpose, a double-bottom package was designed to deposit the films together with the activating medium at acid pH. The solution was added at the time of fruit packaging and allowed the imine bond to be hydrolysed subsequently the aldehyde release into the headspace where it exerted its function. Fungal growth on the fruit surface was successfully reduced, increasing the shelf life of the packed blackberries from 3 to 12 days. Moreover, fresh cut pineapple was packaged using the same packaging design, so that the exuded juice by the pineapple during storage favoured the imine hydrolysis. The active films improved the quality and reduced the usual microbial load of the pineapple, with a noticeable reduction compared to the control from day 9 onwards. Finally, the antimicrobial activity of the active films was evaluated in a refrigerated liquid food inoculated with E. coli. The acidity of the juice resulted in the release of aldehyde into the medium inhibiting the growth of the pathogen. The aldehyde immobilization in chitosan films were pH-responsive, showing a higher antimicrobial capacity when subjected to acidic pH, which can be used in the design of antimicrobial active packaging. / The authors acknowledge the financial support of the Spanish Ministry of Science and Innovation (Grants RTI2018-093452-B- I00, MAT2017-83014-C2-2P and BES-2016-077380 funded by MCIN/AEI/10.13039/501100011033 and by ERDF A way of making Europe) / Heras Mozos, R. (2022). Envases activos basados en el anclaje covalente reversible de compuestos antimicrobianos en quitosano [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/188950 / Compendio

[EN] Nowadays, one of the biggest concerns that permanently keep the attention of main important sectors of human society is health. Modern medical science is compromised with not only providing good adequate treatments but also effective specific solutions for each type of disease or human pathology. In this direction, innovative approaches like tissue engineering or regenerative medicine, controlled drug delivery systems and nanomedicines emerge to bring alternatives to situations hard to solve with conventional treatment and strategies, including the replacement of damaged or diseases tissues and/or organs. Specifically, this research is mainly aimed to design a combined system for controlled, stable and localized release of therapeutic agents that are able to exert their effect selectively on the area that warrants treatment. This construct will have enough versatility to be adapted to almost any kind of treatment, from cancer to tissue regeneration, always that the key requirement of the treatment was the need to provide the treatment of localized, stable and controlled manner. With the purposes of making easier the understanding as well as the design of the system, I was decided, for the proof of concept, to use drugs and materials with known activity applied on tissue regeneration and for the treatment of chronic wounds. The system in question consists of three main elements: 1) The first element is the polymer conjugates of therapeutic agents, which contribute to increasing the selectivity of the therapeutic action of the drug, as well as improved stability, bioavailability and biocompatibility thereof. If the drug is hydrophobic, conjugation contributes to increase its solubility in water, and in the case of proteins used as therapeutic agents, the combination helps reduce the body's immune response, increasing the chance of successful of the treatment. 2) The second element are the biodegradable polymeric microparticles, which in this case act like encapsulation agents for polymeric conjugate , thus allowing to have a second control point in the release kinetics of the therapeutic agents . Simultaneously, the microparticles also play a role in modifying the texture of the final construct, ascribing mechanical and physicochemical properties that help to improve some biological properties of the final material, such as the affinity, adhesion and cell proliferation. 3) The third element consists of a nanoporous membrane made of a biodegradable polymer by electrospinning, which constitute the unifier element of the whole system. This membrane provides manageability to the construct and is itself the last point of control in the release kinetics of the therapeutic agent or agents. Besides, it must be biocompatible and stable at ambient conditions, since this probably is going to be exposed to the environment while protecting the wound, in the case of this kind of application. These three elements, which themselves are complex systems separately, are systematically combined to achieve a synergistic relationship between them so that each one power the qualities of the other two. The resulting construct was characterized and it demonstrated to have characteristic properties that can be used as a control parameter during manufacture of this new material. Also, preliminary biological studies developed "in vitro" indicated that the proposed system may be a good candidate for deeper studies as alternative treatment for chronic wounds and other pathologies that require localized administration for long periods of time. / [ES] Actualmente, una de las mayores preocupaciones que permanentemente laman la atención de los principales sectores de la sociedad humana es la salud. La ciencia médica moderna está comprometida no solo con suministrar tratamientos adecuados, sino más bien ofrecer soluciones efectivas y específicas para cada tipo de enfermedad o patología humana. En este sentido, estrategias innovadoras como la ingeniería de tejidos o la medicina regenerativa, los sistemas de liberación controlada de fármacos y las nanomedicinas, surgen como buenas alternativas para abordar situaciones difíciles de resolver aplicando los tratamientos y estrategias terapéuticas convencionales, como es el caso cuando se hace necesario reemplazar tejidos o incluso órganos dañados por algún traumatismo o enfermedad. Concretamente, el presente trabajo de investigación tiene por objetivo principal diseñar un sistema combinado para la liberación controlada, estable y localizada de agentes terapéuticos que sean capaces de ejercer su efecto de forma selectiva sobre la zona que amerita el tratamiento. Este constructo tendrá la versatilidad suficiente como para poder adaptarse a casi cualquier tipo de tratamiento, desde el cáncer hasta la regeneración de tejido, siempre que el requisito clave del tratamiento sea la necesidad de suministrar el tratamiento de manera localizada, estable y controlada. Para efectos de facilitar la compresión y el diseño del sistema se escogió para la prueba de concepto materiales y fármacos asociados a la regeneración de tejidos, como tratamiento para casos de heridas crónicas. El sistema en cuestión está constituido por tres elementos principales: 1) El primer elemento son los conjugados poliméricos de agentes terapéuticos que contribuirán a aumentar la selectividad de la acción terapéutica del fármaco, así como también a mejora la estabilidad, biodisponibilidad y biocompatibilidad de los mismos. En caso de que el fármaco sea hidrofóbico, la conjugación contribuye a aumentar su solubilidad en agua, y en el caso de usar proteínas como agentes terapéuticos, la conjugación contribuye a disminuir la respuesta inmunológica del cuerpo incrementando las posibilidad de éxito del tratamiento. 2) El segundo elemento son micropartículas poliméricas biodegradables, que en este caso actúan con agentes de encapsulación para los conjugados poliméricos, permitiendo así contar con un segundo punto de control en la cinética de liberación de los agentes terapéuticos. Simultáneamente, las micropartículas también cumplen un papel de modificador de la textura del constructo final, adjudicándole propiedades mecánica y fisicoquímicas que contribuyen a mejorar las propiedades biológicas del material final, como son la afinidad, la adhesión y la proliferación celular. 3) El tercer elemento consiste en una membrana polimérica biodegradable nanoporosa hecha por electrospinning, que constituyen el elemento unificados del sistema, aporta manejabilidad al constructo y es en sí mismo el último punto de control en la cinética de liberación del agente terapéutico. Este último debe ser biocompatible y estable en condiciones ambientales, puesto que probablemente este expuesto al ambiente mientras protege la herida, en el caso concreto de este tipo de aplicación. Estos tres elementos, que en sí mismos constituyen sistemas complejos por separado, se han combinado sistemáticamente para alcanzar una relación sinérgica entre ellos de manera que cada uno potencia las cualidades de los otros dos. El constructo resultante se caracterizó demostrando tener propiedades características que se pueden utilizar como parámetro de control durante la fabricación del mismo. Así mismo estudios in vitro del sistema desarrollado señalan que puede ser un buen candidato para el tratamiento de heridas crónicas entre otras patologías que requieran tratamientos localizados. / [CA] Actualment, una de les majors preocupacions que permanentment llepen l'atenció dels principals sectors de la societat humana és la salut. La ciència mèdica moderna està compromesa no solament amb subministrar tractaments adequats, sinó més aviat oferir solucions efectives i específiques per a cada tipus de malaltia o patologia humana. En aquest sentit, estratègies innovadores com l'enginyeria de teixits o la medicina regenerativa, els sistemes d'alliberament controlat de fàrmacs i les nanomedicines, sorgeixen com a bones alternatives per a abordar situacions difícils de resoldre aplicant els tractaments i estratègies terapèutiques convencionals, com és el cas quan es fa necessari reemplaçar teixits o fins i tot òrgans danyats per algun traumatisme o malaltia. Concretament, el present treball de recerca té per objectiu principal dissenyar un sistema combinat per a l'alliberament controlat, estable i localitzada d'agents terapèutics que seguen capaços d'exercir el seu efecte de forma selectiva sobre la zona que amirita el tractament. Aquest constructe tindrà la versatilitat suficient com per a poder adaptar-se a quasi qualsevol tipus de tractament, des del càncer fins a la regeneració de teixit, sempre que el requisit clau del tractament sega la necessitat de subministrar el tractament de manera localitzada, estable i controlada. Per a efectes de facilitar la compressió i el disseny del sistema es va escollir per a la prova de concepte materials i fàrmacs associats a la regeneració de teixits, com a tractament per a casos de ferides cròniques. El sistema en qüestió està constituït per tres elements principals: 1) El primer element són els conjugats polimèrics d'agents terapèutics que contribuiran a augmentar la selectivitat de l'acció terapèutica del fàrmac, així com també a millora l'estabilitat, biodisponibilitat i biocompatibilitat dels mateixos. En cas que el fàrmac sega hidrofòbic, la conjugació contribueix a augmentar la seua solubilitat en aigua, i en el cas d'usar proteïnes com a agents terapèutics, la conjugació contribueix a disminuir la resposta immunològica del cos incrementant les possibilitat d'èxit del tractament. 2) El segon element són microparticles polimèriques biodegradables, que en aquest cas actuen amb agents d'encapsulació per als conjugats polimèrics, permetent així comptar amb un segon punt de control en la cinètica d'alliberament de l'agent terapèutics. Simultàniament, les microparticles també compleixen un paper de texturitzant del constructe final, adjudicant-li propietats mecànica i fisicoquímiques que contribueixen a millorar la propietats biològiques del material final, com són l'afinitat, l'adhesió i la proliferació cel·lular. 3) El tercer element consisteix en una membrana polimèrica biodegradable nanoporosa feta per electrospinning, que constitueixen el element unificats del sistema, aporta manejabilitat al constructe i és en si mateix el ultimi punt de control en la cinètica d'alliberament de l'agent terapèutic. Aquest últim ha de ser biocompatible i estable en condicions ambientals, ja que probablement aquest exposat a l'ambient mentre protegeix la ferida, en el cas concret d'aquest tipus d'aplicació. Aquests tres elements que en si mateixos constitueixen sistemes complexos per separat, s'han combinat sistemàticament per a aconseguir una relació sinergètica entre ells de manera que cadascun potencia les qualitats dels altres dos. El constructe resultant es va caracteritzar demostrant tenir propietats característiques que es poden utilitzar com a paràmetre de control durant la fabricació del mateix. Així mateix estudis in vitro del sistema desenvolupat assenyalen que pot ser un bon candidat per al tractament de ferides cròniques entre altres patologies que requeriren tractaments localitzats. / Rodríguez Escalona, GDJ. (2016). DEVELOPMENT OF CONTROLLED DRUG DELIVERY SYSTEMS OF POLYMERIC NANOMEDICINES ASSOCIATED TO SCAFFOLDS FOR TISSUE REGENERATION [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/63231

[ES] La capacidad de las células madre para proliferar formando distintas células especializadas les otorga la potencialidad de servir de base para terapias efectivas para patologías cuyo tratamiento era inimaginable hasta hace apenas dos décadas. Sin embargo, esta capacidad se encuentra mediada por estímulos fisiológicos, químicos, y eléctricos, específicos y complejos, que dificultan su traslación a la rutina clínica. Por ello, las células madre representan un campo de estudio en el que se invierten amplios esfuerzos por parte de la comunidad científica. En el ámbito de la regeneración nerviosa, para modular su desarrollo y diferenciación el tratamiento farmacológico, la electroestimulación, y la estimulación optogenética son técnicas que están consiguiendo prometedores resultados. Es por ello por lo que en la presente tesis se ha desarrollado un conjunto de sistemas electrónicos para permitir la aplicación combinada de estas técnicas in vitro, con perspectiva a su aplicación in vivo. Hemos diseñado una novedosa tecnología para la liberación eléctricamente controlada de fármacos. Esta tecnología está basada en nanopartículas de sílice mesoporosa y puertas moleculares de bipiridina-heparina. Las puertas moleculares son electroquímicamente reactivas, y encierran los fármacos en el interior de las nanopartículas, liberándolos ante un estímulo eléctrico. Hemos caracterizado esta tecnología, y la hemos validado mediante la liberación controlada de rodamina en cultivos celulares de HeLa. Para la combinación de liberación controlada de fármacos y electroestimulación hemos desarrollado dispositivos que permiten aplicar los estímulos eléctricos de forma configurable desde una interfaz gráfica de usuario. Además, hemos diseñado un módulo de expansión que permite multiplexar las señales eléctricas a diferentes cultivos celulares. Además, hemos diseñado un dispositivo de estimulación optogenética. Este tipo de estimulación consiste en la modificación genética de las células para que sean sensibles a la radiación lumínica de determinada longitud de onda. En el ámbito de la regeneración de tejido mediante células precursoras neurales, es de interés poder inducir ondas de calcio, favoreciendo su diferenciación en neuronas y la formación de circuitos sinápticos. El dispositivo diseñado permite obtener imágenes en tiempo real mediante microscopía confocal de las respuestas transitorias de las células al ser irradiadas. El dispositivo se ha validado irradiando neuronas modificadas con luz pulsada de 100 ms. También hemos diseñado un dispositivo electrónico complementario de medida de irradiancia con el doble fin de permitir la calibración del equipo de irradiancia y medir la irradiancia en tiempo real durante los experimentos in vitro. Los resultados del uso de los bioactuadores en procesos complejos y dinámicos, como la regeneración de tejido nervioso, son limitados en lazo abierto. Uno de los principales aspectos analizados es el desarrollo de biosensores que permitiesen la cuantización de ciertas biomoléculas para ajustar la estimulación suministrada en tiempo real. Por ejemplo, la segregación de serotonina es una respuesta identificada en la elongación de células precursoras neurales, pero hay otras biomoléculas de interés para la implementación de un control en lazo cerrado. Entre las tecnologías en el estado del arte, los biosensores basados en transistores de efecto de campo (FET) funcionalizados con aptámeros son realmente prometedores para esta aplicación. Sin embargo, esta tecnología no permitía la medición simultánea de más de una biomolécula objetivo en un volumen reducido debido a las interferencias entre los distintos FETs, cuyos terminales se encuentran inmersos en la solución. Por ello, hemos desarrollado instrumentación electrónica capaz de medir simultáneamente varios de estos biosensores, y la hemos validado mediante la medición simultánea de pH y la detección preliminar de serotonina y glutamato. / [CA] La capacitat de les cèl·lules mare per a proliferar formant diferents cèl·lules especialitzades els atorga la potencialitat de servir de base per a teràpies efectives per a patologies el tractament de les quals era inimaginable fins fa a penes dues dècades. No obstant això, aquesta capacitat es troba mediada per estímuls fisiològics, químics, i elèctrics, específics i complexos, que dificulten la seua translació a la rutina clínica. Per això, les cèl·lules mare representen un camp d'estudi en el qual s'inverteixen amplis esforços per part de la comunitat científica. En l'àmbit de la regeneració nerviosa, per a modular el seu desenvolupament i diferenciació el tractament farmacològic, l'electroestimulació, i l'estimulació optogenética són tècniques que estan aconseguint prometedors resultats. És per això que en la present tesi s'ha desenvolupat un conjunt de sistemes electrònics per a permetre l'aplicació combinada d'aquestes tècniques in vitro, amb perspectiva a la seua aplicació in vivo. Hem dissenyat una nova tecnologia per a l'alliberament elèctricament controlat de fàrmacs. Aquesta tecnologia està basada en nanopartícules de sílice mesoporosa i portes moleculars de bipiridina-heparina. Les portes moleculars són electroquímicament reactives, i tanquen els fàrmacs a l'interior de les nanopartícules, alliberant-los davant un estímul elèctric. Hem caracteritzat aquesta tecnologia, i l'hem validada mitjançant l'alliberament controlat de rodamina en cultius cel·lulars de HeLa. Per a la combinació d'alliberament controlat de fàrmacs i electroestimulació hem desenvolupat dispositius que permeten aplicar els estímuls elèctrics de manera configurable des d'una interfície gràfica d'usuari. A més, hem dissenyat un mòdul d'expansió que permet multiplexar els senyals elèctrics a diferents cultius cel·lulars. A més, hem dissenyat un dispositiu d'estimulació optogenètica. Aquest tipus d'estimulació consisteix en la modificació genètica de les cèl·lules perquè siguen sensibles a la radiació lumínica de determinada longitud d'ona. En l'àmbit de la regeneració de teixit mitjançant cèl·lules precursores neurals, és d'interés poder induir ones de calci, afavorint la seua diferenciació en neurones i la formació de circuits sinàptics. El dispositiu dissenyat permet obtindré imatges en temps real mitjançant microscòpia confocal de les respostes transitòries de les cèl·lules en ser irradiades. El dispositiu s'ha validat irradiant neurones modificades amb llum polsada de 100 ms. També hem dissenyat un dispositiu electrònic complementari de mesura d'irradiància amb el doble fi de permetre el calibratge de l'equip d'irradiància i mesurar la irradiància en temps real durant els experiments in vitro. Els resultats de l'ús dels bioactuadors en processos complexos i dinàmics, com la regeneració de teixit nerviós, són limitats en llaç obert. Un dels principals aspectes analitzats és el desenvolupament de biosensors que permeteren la quantització de certes biomolècules per a ajustar l'estimulació subministrada en temps real. Per exemple, la segregació de serotonina és una resposta identificada amb l'elongació de les cèl·lules precursores neurals, però hi ha altres biomolècules d'interés per a la implementació d'un control en llaç tancat. Entre les tecnologies en l'estat de l'art, els biosensors basats en transistors d'efecte de camp (FET) funcionalitzats amb aptàmers són realment prometedors per a aquesta aplicació. No obstant això, aquesta tecnologia no permetia el mesurament simultani de més d'una biomolècula objectiu en un volum reduït a causa de les interferències entre els diferents FETs, els terminals dels quals es troben immersos en la solució. Per això, hem desenvolupat instrumentació electrònica capaç de mesurar simultàniament diversos d'aquests biosensors i els hem validat amb mesurament simultani del pH i la detecció preliminar de serotonina i glutamat. / [EN] The stem cells' ability to proliferate to form different specialized cells gives them the potential to serve as the basis for effective therapies for pathologies whose treatment was unimaginable until just two decades ago. However, this capacity is mediated by specific and complex physiological, chemical, and electrical stimuli that complicate their translation to clinical routine. For this reason, stem cells represent a field of study in which the scientific community is investing a great deal of effort. In the field of nerve regeneration, to modulate their development and differentiation, pharmacological treatment, electrostimulation, and optogenetic stimulation are techniques that are achieving promising results. For this reason, we have developed a set of electronic systems to allow the combined application of these techniques in vitro, with a view to their application in vivo. We have designed a novel technology for the electrically controlled release of drugs. This technology is based on mesoporous silica nanoparticles and bipyridine-heparin molecular gates. The molecular gates are electrochemically reactive and entrap the drugs inside the nanoparticles, releasing them upon electrical stimulus. We have characterized this technology and validated it by controlled release of rhodamine in HeLa cell cultures. For combining electrostimulation and controlled drug release we have developed devices that allow applying the different electrical stimuli in a configurable way from a graphical user interface. In addition, we have designed an expansion module that allows multiplexing electrical signals to different cell cultures. In addition, we have designed an optogenetic stimulation device. This type of stimulation consists of genetically modifying cells to make them sensitive to light radiation of a specific wavelength. In tissue regeneration using neural precursor cells, it is interesting to be able to induce calcium waves, favoring the cell differentiation into neurons and the formation of synaptic circuits. The designed device enable the obtention of real-time images through confocal microscopy of the transient responses of cells upon irradiation. The device has been validated by irradiating modified neurons with 100 ms pulsed light stimulation. We have also designed a complementary electronic irradiance measurement device to allow calibration of the irradiator equipment and measuring irradiance in real time during in vitro experiments. The results of using bioactuators in complex and dynamic processes, such as nerve tissue regeneration, are limited in an open loop. One of the main aspects analyzed is the development of biosensors that would allow quantifying of specific biomolecules to adjust the stimulation provided in real time. For instance, serotonin secretion is an identified response of neural precursor cells elongation, among other biomolecules of interest for the implementation of a closed-loop control. Among the state-of-the-art technologies, biosensors based on field effect transistors (FETs) functionalized with aptamers are promising for this application. However, this technology did not allow the simultaneous measurement of more than one target biomolecule in a small volume due to interferences between the different FETs, whose terminals are immersed in the solution. This is why we have developed electronic instrumentation capable of simultaneously measuring several of these biosensors, and we have validated it with the simultaneous pH measurement and the preliminary detection of serotonin and glutamate. / Monreal Trigo, J. (2023). Electronic Devices for the Combination of Electrically Controlled Drug Release, Electrostimulation, and Optogenetic Stimulation for Nerve Tissue Regeneration [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/193841

[ES] La terapia fotodinámica (PDT) y la terapia fototérmica (PTT) son alternativas prometedoras, poco invasivas y muy localizadas a los tratamientos tradicionales contra el cáncer. Ambas se basan en la acción de transductores de energía lumínica (fotosensibilizadores, PS o agentes fototérmicos, PTA) responsables de la transducción de la energía lumínica en mediadores químicos o energía térmica, respectivamente, y la consiguiente destrucción de los tejidos tumorales. En la PDT, la activación con luz de un PS, genera oxígeno singlete y otras especies de oxígeno reactivo (ROS) al reaccionar con el oxígeno molecular, y destruyendo los tejidos tumorales y su microvasculatura. El éxito de esta terapia se basa en la elección de un PS óptimo que absorba luz de la longitud de onda apropiada para penetrar suficientemente en los tejidos y que tenga las propiedades fotofísicas adecuadas. En este trabajo hemos sintetizado un panel de cinco PS del tipo BODIPY, tres de ellos completamente nuevos, y hemos caracterizado su estructura y actividad fotodinámica y citotóxica. En la terapia fototérmica, la irradiación de PTAs que actúan como transductores de la energía lumínica en energía térmica, provoca un aumento de temperatura localizado capaz de dañar las estructuras celulares, destruyendo el tejido tumoral y activando respuestas inmunitarias. En este trabajo utilizamos como PTAs nanopartículas de oro, que se caracterizan por sus propiedades ópticas únicas. En concreto utilizamos nanoestrellas de oro (AuNSt) cuya banda de resonancia de plasmón localizada (LSPR) se localiza en la región del infrarrojo cercano (NIR) del espectro electromagnético. La morfología y composición de las AuNSts provoca un fuerte aumento del campo electromagnético a su alrededor cuando sus electrones de conducción se excitan con luz NIR. Este efecto, además de provocar grandes aumentos de temperatura en su superficie, facilita la absorción multifotónica de ciertos compuestos orgánicos fotolábiles, lo que permite el desarrollo de nanodispositvos capaces de combinar la acción de la hipertermia localizada con la fotodisociación molecular para la liberación controlada de fármacos. En este contexto se desarrollaron cinco sistemas diferentes capaces de ejercer una acción sinérgica en sistemas celulares entre la PTT y la quimioterapia. Dos de ellos utilizan AuNSts para la activación de prodrogas de doxorrubicina (DOX) modificacadas con enlaces fotolábiles de tipo 2-nitrobencílico. El siguiente sistema utiliza AuNSts recubiertas de una capa mesoporosa de sílice (AuNSt@mSiO2), cargadas con DOX, y selladas con una puerta de parafinas termosensibles para la liberación de la DOX mediante el calor generado con la irradiación NIR. El cuarto sistema utiliza las mismas AuNSt@mSiO2 cargadas con DOX, pero selladas con un derivado voluminoso de polietilenglicol que contiene el espaciador fotolábil 2-nitrobencílico, para la liberación de la droga por la fotodisrupción molecular de este espaciador por absorción multifotónica. El último sistema utiliza nanopartículas de tipo Janus formadas por AuNSts funcionalizadas con un derivado del ácido succínico que contiene el espaciador 2-nitrobencílico y nanopartículas mesoporosas de sílice cargadas con DOX y funcionalizadas con un complejo supramolecular benzimidazol-ß-ciclodextrina sensible al pH. La fotodisrupción del enlace fotolábil, libera el mensajero químico (ácido succínico) que protonará la puerta sensible a pH, liberando la DOX. Se caracterizó la estructura, composición y actividad de todos los sistemas tanto in vitro como en sistemas celulares, obteniendo resultados sinérgicos entre la hipertermia localizada y la liberación intracelular de DOX, fotoinducida por luz NIR, en todos los sistemas desarrollados. / [CA] La teràpia fotodinámica (PDT) i la teràpia fototérmica (PTT) són alternatives prometedores, poc invasives i molt localitzades als tractaments tradicionals contra el càncer. Ambdós es basen en l'acció de transductors d'energia lumínica (fotosensibilitzadors, PS o agents fototérmicos, PTA) responsables de la transducció de l'energia lumínica en mediadors químics o energia tèrmica, respectivament, i la consegüent destrucció dels teixits tumorals. En la PDT, l'activació amb llum d'un PS, genera oxígen singlet i altres espècies reactive d'oxigen (ROS) al reaccionar amb l'oxígen molecular, i destrueixen els teixits tumorals i la seua microvasculatura. L'èxit d'esta teràpia es basa en l'elecció d'un PS òptim que absorbisca llum de la longitud d'ona apropiada per a penetrar prou en els teixits i que tinga les propietats fotofísiques adequades. En este treball hem sintetitzat un panell de cinc PSs del tipus BODIPY, tres d'ells completament nous, i hem caracteritzat la seua estructura i activitat fotodinámica i citotóxica. En la teràpia fototérmica, la irradiació de PTAs que actuen com transductors de l'energia lumínica en energia tèrmica, provoca un augment de temperatura localitzat capaç de danyar les estructures cel·lulars, destruint el teixit tumoral i activant respostes immunitàries. En este treball utilitzem com a PTAs nanopartícules d'or, que es caracteritzen per les seues propietats òptiques úniques. En concret utilitzem nanoestreles d'or (AuNSt), la banda de ressonància de plasmón localitzada (LSPR) de les quals es sitúa en la regió de l'infraroig pròxim (NIR) de l'espectre electromagnètic. La morfología i composició de les AuNSts provoca un fort augment del camp electromagnètic al seu voltant quan els seus electrons de conducció s'exciten amb llum NIR Este efecte, a més de provocar un gran augment de temperatura en la seua superfície, facilita l'absorció multifotónica de certs compostos orgànics fotolábils, la qual cosa permet el desenvolupament de nanodispositius capaços de combinar l'acció de l'hipertermia localitzada amb la fotodisociación molecular per a l'alliberament controlat de substàncies. En este context es varen desenvolupar cinc sistemes diferents capaços d'exercir una acció sinèrgica en sistemes cel·lulars entre la PTT i la quimioteràpia. Dos d'ells utilitzen AuNSts per a l'activació de prodrogues de doxorrubicina (DOX) modificades amb enllaços fotolábils de tipus 2-nitrobencílic. El següent sistema utilitza AuNSts recobertes d'una capa mesoporosa de sílice (AuNSt\@mSiO2), carregades amb DOX, i segellades amb una porta de parafina termosensible per a l'alliberament de la DOX per mitjà del calor generat amb la irradiació NIR. El quart sistema utilitza les mateixes AuNSt\@mSiO2 carregades amb DOX, però segellades amb un derivat voluminós de polietilenglicol que conté l'espaciador fotolábil 2-nitrobencílic, per a l'alliberament de la droga per la fotodisrupció molecular d'aquest espaciador per absorció multifotónica. L'últim sistema utilitza nanopartículas de tipus Janus formades per AuNSts funcionalitzades amb un derivat de l'àcid succínic que conté l'espaciador 2-nitrobencílic i nanopartícules mesoporosas de sílice carregades amb DOX i funcionaliezades amb un complex supramole-cular benzimidazol-ß-ciclodextrina sensible al pH. La fotodisrupció de l'enllaç fotolábil, allibera el missatger químic (àcid succínic) que protronarà la porta sensible a pH, alliberant la DOX. Es va caracteritzar l'estructura, composició i activitat de tots els sistemes tant in vitro com en models cel·lulars, obtenint resultats sinèrgics entre la hipertèrmia localitzada i l'alliberament intracel·lular de DOX, fotoinduït per llum NIR, en tots els sistemes desenvolupats. / [EN] Photodynamic therapy (PDT) and photothermal therapy (PTT) are promising, lowinvasive, very localized alternatives to traditional cancer treatments. Both are based on the action of light energy transducers (photosensitizers, PS or photothermal agents, PTAs) responsible for the transduction of light energy in chemical mediators o thermal energy, respectively, and the consequent destruction of tumor tissues. In PDT, light activation of a PS, generates singlet oxygen and other reactive oxygen species (ROS) by reacting with molecular oxygen, and destroying tumor tissues and their microvascu-lature. The success of this therapy is based on the choice of an optimal PS that absorbs light of the appropriate wavelength to penetrate the tissues sufficiently and that has adequate photophysical properties. In this work we have synthesized a panel of five BODIPY-type PSs, three of them completely new, and we have characterized their structure and photodynamic and cytotoxic activity. In photothermal therapy, the irradiation of PTAs which act as transducers of light energy into hermal energy, causes a localized temperature increase capable of damaging cellular structures, destroying tumor tissue and activating immune responses. In this work we use as PTAs gold nanoparticles, which are characterized by their unique optical properties. In particular, we use gold nanostars (AuNSt) whose localized surface plasmon resonance band (LSPR) is located in the near infrared (NIR) region of the electromagnetic spectrum. The morphology and composition of the AuNSts causes a strong increase in the electromagnetic field around them when their conductive electrons are excited by NIR light. This effect, besides causing large temperature increases on its surface, facilitates the multiphotonic absorption of certain photolabile organic compounds, which allows the development of nanodevices capable of combining the action of localized hyperthermia with molecular photodissociation for the controlled release of drugs. In this context, five different systems capable of carrying out a synergic action in cellular systems between PTT and chemotherapy were developed. Two of them use AuNSts for the activation of doxorubicin (DOX) prodrugs modified with photolabile linkages 2-nitrobenzyl-type. The next system uses AuNSts coated with a mesoporous layer of silica (AuNSt@mSiO2), loaded with DOX, and capped with a thermosensitive paraffin gate for the release of DOX by the heat generated by NIR irradiation. The fourth system uses the same DOX-loaded AuNSt@mSiO2, but sealed with a bulky polyethylene glycol derivative containing the photolabile 2-nitrobenzyl spacer, for drug release by the molecular photodisruption of this spacer by multiphoton absorption. The last system uses Janus-type nanoparticles formed by AuNSts functionalized with a succinic acid derivative containing the 2-nitrobenzylic spacer and mesoporous silica nanoparticles loaded with DOX and functionalized with a benzim-idazole-ß-cyclodextrin pH-sensitive supramolecular complex. The photodisruption of the photolabile bond releases the chemical messenger (succinic acid) that will protonate the pH-sensitive gate, releasing the DOX. The structure, composition and activity of all systems were characterized both in vitro and in cellular systems, obtaining syner-gistic results between localized hyperthermia and intracellular release of DOX, photoinduced by NIR light, in all developed systems. / Gorbe Moya, M. (2024). Nanodispositivos inteligentes para liberación controlada de fotosensibilizadores en terapia fotodinámica [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/214342