Background: Boron Neutron Capture Therapy (BNCT) is a binary approach to cancer therapy that requires accumulation of boron atoms preferentially in tumour cells. This can be achieved by using nanoparticles as boron carriers and taking advantage of the enhanced permeability and retention (EPR) effect. Here, we present the preparation and characterization of size and shape-tuned gold NPs (AuNPs) stabilised with polyethylene glycol (PEG) and functionalized with the boron-rich anion cobalt bis(dicarbollide), commonly known as COSAN. The resulting NPs were radiolabelled with 124I both at the core and the shell, and were evaluated in vivo in a mouse model of human fibrosarcoma (HT1080 cells) using positron emission tomography (PET). Methods: The thiolated COSAN derivatives for subsequent attachment to the gold surface were synthesized by reaction of COSAN with tetrahydropyran (THP) followed by ring opening using potassium thioacetate (KSAc). Iodination on one of the boron atoms of the cluster was also carried out to enable subsequent radiolabelling of the boron cage. AuNPs grafted with mPEG-SH (5 Kda) and thiolated COSAN were prepared by ligand displacement. Radiolabelling was carried out both at the shell (isotopic exchange) and at the core (anionic absorption) of the NPs using 124I to enable PET imaging. Results: Stable gold nanoparticles simultaneously functionalised with PEG and COSAN (PEG-AuNPs@[4]) with hydrodynamic diameter of 37.8 0.5 nm, core diameter of 19.2 1.4 nm and -potential of 18.0 0.7 mV were obtained. The presence of the COSAN on the surface of the NPs was confirmed by Raman Spectroscopy and UV-Vis spectrophotometry. PEG-AuNPs@[4] could be efficiently labelled with 124I both at the core and the shell. Biodistribution studies in a xenograft mouse model of human fibrosarcoma showed major accumulation in liver, lungs and spleen, and poor accumulation in the tumour. The dual labelling approach confirmed the in vivo stability of the PEG-AuNPs@[4]. Conclusions: PEG stabilized, COSAN-functionalised AuNPs could be synthesized, radiolabelled and evaluated in vivo using PET. The low tumour accumulation in the animal model assayed points to the need of tuning the size and geometry of the gold core for future studies.

Plasmonische Substrate stellen ein leistungsstarkes Werkzeug für analytische Anwendungen dar. Neue plasmonische Substrate werden entwickelt, um das Spektrum ihrer Anwendungen und die Nachweisgrenzen der analytischen Spektroskopie zu erweitern. Diese Arbeit setzte sich zum Ziel, plasmonische Nanostrukturen mit Magnesiumfluorid zu beschichten. Magnesiumfluoridbeschichtungen sind zwar porös, weisen aber eine hohe mechanische Stabilität und außergewöhnliche optische Eigenschaften auf (niedrigen Brechungsindexes, großen optischen Fensters). Die Kombination dieser Eigenschaften mit den positiven Eigenschaften von plasmonischen Nanostrukturen kann zu fortschrittlichen plasmonischen Substraten für analytische Anwendungen führen. Diese Arbeit bietet zwei Ansätze für die Beschichtung der plasmonischen Nanostrukturen an die Core-Shell-Nanopartikelherstellung, die einen plasmonischen Core enthält und die Beschichtung von auf Glas immobilisierten plasmonischen Nanostrukturen. Über Metal@metal Fluoride Core-Shell-Nanopartikel wurde in der Literatur noch nichts berichtet. Daher Au@MgF2wurde ein Ansatz verfolgt, der auf dem Wissen über Metall-@Metalloxide und Metallfluoride@Metallfluoride basiert und die Synthese von Core-Shell-Nanopartikeln ermöglicht. Die erhaltenen Strukturen wurden mit elektronenmikroskopischen Methoden charakterisiert. Der zweite Ansatz bestand in der Immobilisierung von Goldnanopartikeln auf Glas und deren Beschichtung mit Magnesiumfluorid. Diese Fertigungsart verleiht eine hohe mechanische Stabilität und wissenswerte optische Eigenschaften an plasmonischen Substraten, die sich durch eine hohe nanoskopische Homogenität der Goldnanopartikelverteilung auszeichnen und optischer Signale, die echte analytische Anwendungen ermöglichen, ermittelt. Die Beschichtung von auf Glas mit Magnesiumfluorid immobilisierten Goldnanopartikeln führt zu einem sehr vielversprechenden Substrat , das in Zukunft für Sensorik und andere Anwendungen verwendet werden kann. / Plasmonic substrates can be a powerful tool for analytical applications. In order to broaden the spectrum of their applications and to push the detection limits of analytical spectroscopy, new plasmonic substrates are developed. The motivation of this work was to coat plasmonic nanostructures with magnesium fluoride. Coatings of magnesium fluoride are porous but exhibit high mechanical stability and extraordinary optical properties including a low refractive index and a wide optical window. Combining these properties with the beneficial properties of plasmonic nanostructures can lead to advanced plasmonic substrates for analytical applications. Two approaches for coating of the plasmonic nanostructures are proposed in this work: a core-shell nanoparticles fabrication and coating of plasmonic nanostructures immobilized on glass. The fabrication of Au@MgF2 core-shell nanoparticles turned out to be an extremely challenging approach. Such systems have not been reported in the literature yet. Therefore, an approach based on knowledge of metal@metal oxides and metal fluorides@metal fluorides core-shell nanoparticles synthesis was undertaken. The obtained structures were characterized using electron microscopy methods. Due to the numerous difficulties in the synthesis and characterization this way of coating plasmonic nanostructures with magnesium fluoride was not further processed. The approach based on immobilization of gold nanoparticles on glass and coating them with magnesium fluoride using a dip-coating method provides plasmonic substrates that are characterized by a high nanoscopic homogeneity of the gold nanoparticles distribution, a high mechanical stability, interesting optical properties and enhancement factors of optical signals that allow for real analytical applications. The coating of gold nanoparticles immobilized on the glass with magnesium fluoride results in very promising substrate that can be used for sensing and other applications in the future.

No description available.

No description available.

No description available.

No description available.

Biomaterials may be any class of material that aids in the regeneration, replacement, or augmentation of damaged tissues. The design of biomaterials is becoming increasingly sophisticated as new technologies enable the manufacture and incorporation of smaller components and structural features. Thus, a demand for equally sophisticated tools and methods to study biomaterials are necessary. Two such tools are X-ray micro-computed tomography (micro-CT) and electron microscopy. Micro-CT has the advantage of imaging materials in 3D and non-destructively, but cannot reach the same resolving power as electron microscopy. However, electron microscopy has limited application with biomaterials due to destructive sample preparation requirements. The advantages and limitations of each imaging technique presents a complementary relationship between the two. This thesis aims to develop and apply a complementary workflow using X-ray and electron microscopy to investigate two diverse biomaterials: a titanium dental implant, and collagen tissue scaffold. In a pilot study, a 3D printed titanium dental implant with a novel dual-stemmed design was investigated for its biocompatibility in vivo. Dual-stemmed and conventional conical implants were inserted into the tibia of New Zealand White rabbits for 3 and 12 weeks, then retrieved with surrounding bone. The implants were analyzed using micro-CT, electron microscopy, and histology. Active bone growth and remodelling around the dual-stemmed implant at both time points was observed. Comparative bone-implant contact indicated the dual-stemmed implants supported bone-implant integration, and demonstrates the comparable biocompatibility of these 3D printed stemmed implants in rabbits up to 12 weeks. In a separate study, a gold functionalized collagen scaffold for tissue engineering applications has been developed. This scaffold design is intended for improved detection of scaffold degradation behaviour in vivo using X-ray CT. In this thesis, micro-CT and electron microscopy were used to analyze the resultant scaffold structure after fabrication, as it is important for understanding the outcomes of in vivo experiments. Imaging revealed a highly heterogeneous structure at both the micron and nanometer length scales. Interconnected pores from 50 – 400 μm made up 80% of the scaffold volume, while gold nanoparticles and agglomerates ranging from 16 – 1000 nm were non-uniformly dispersed at the nanoscale throughout the collagen matrix. This work highlights how complementary X-ray and electron microscopy can be applied to characterize diverse biomaterials during developmental and pre-clinical phases. / Thesis / Master of Applied Science (MASc) / The continued development of next generation biomedical materials, otherwise known as biomaterials, is in part dependant on the resources and technology that exist to drive manufacturing, characterization, and testing. Biomaterials are being designed and controlled at length scales smaller than the diameter of a single hair, and therefore specialized tools are required to accurately investigate and characterize these new designs. Two such tools are X-ray and electron microscopy, which can be used to image and understand three-dimensional biomaterials non-destructively, and with high resolution, respectively. However, both imaging techniques struggle to provide both. This thesis aims to develop and apply a complementary workflow using X-ray and electron microscopy to investigate two diverse biomaterials: a titanium dental implant, and collagen tissue scaffold, with high resolution, and in three dimensions.

Due to an ever-increasing global population and limited resource availability, there is a constant need for detection of both natural and anthropogenic hazards in water, air, food, and material goods. Traditionally a different instrument would be used to detect each class of contaminant, often after a concentration or separation protocol to extract the analyte from its matrix. Raman spectroscopy is unique in its ability to detect organic or inorganic, airborne or waterborne, and embedded or adsorbed analytes within environmental systems. This ability comes from the inherent abilities of the Raman spectrometer combined with concentration, separation, and signal enhancement provided by drop coating deposition Raman (DCDR) and surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS). Herein the capacity of DCDR to differentiate between cyanotoxin variants in aqueous solutions was demonstrated using principal component analysis (PCA) to statistically demonstrate spectral differentiation. A set of rules was outlined based on Raman peak ratios to allow an inexperienced user to determine the toxin variant identity from its Raman spectrum. DCDR was also employed for microcystin-LR (MC-LR) detection in environmental waters at environmentally relevant concentrations, after pre-concentration with solid-phase extraction (SPE). In a cellulose matrix, SERS and normal Raman spectral imaging revealed nanoparticle transport and deposition patterns, illustrating that nanoparticle surface coating dictated the observed transport properties. Both SERS spectral imaging and insight into analyte transport in wax-printed paper microfluidic channels will ultimately be useful for microfluidic paper-based analytical device (𝜇PAD) development. Within algal cells, SERS produced 3D cellular images in the presence of intracellularly biosynthesized gold nanoparticles (AuNP), documenting in detail the molecular vibrations of biomolecules at the AuNP surfaces. Molecules involved in nanoparticle biosynthesis were identified at AuNP surfaces within algal cells, thus aiding in mechanism elucidation. The capabilities of Raman spectroscopy are endless, especially in light of SERS tag design, coordinating detection of analytes that do not inherently produce strong Raman vibrations. The increase in portable Raman spectrometer availability will only facilitate cheaper, more frequent application of Raman spectrometry both in the field and the lab. The tremendous detection power of the Raman spectrometer cannot be ignored. / Ph. D.

[ES] La presente tesis doctoral titulada "Reconocimiento de neurotransmisores basado en nanopartículas de oro y de sílice mesoporosa para aplicaciones de detección y liberación controlada" es una tesis realizada por compendio de artículos la cual se centra en el diseño, preparación, caracterización y evaluación de distintos nanodispositivos para la detección colorimétrica de neurotransmisores y sistemas de liberación controlada que responden a neurotransmisores basados en nanopartículas de oro y nanopartículas de sílice mesoporosa, equipadas con ligandos orgánicos, efectores enzimáticos, puertas moleculares y especies cromofluorogénicas o medicamentos. En el primer capítulo se introduce una visión general de lo que son los neurotransmisores, sus principales características y el importante papel que éstos desempeñan en el funcionamiento de nuestro organismo. Además, se presenta una descripción general de las propiedades y potenciales aplicaciones de las nanopartículas de oro funcionalizadas con ligandos orgánicos como sistemas de detección y las nanopartículas mesoporosas de sílice funcionalizadas con puertas moleculares como sistemas de liberación controlada. A continuación, en el segundo capítulo se presentan los objetivos generales que son abordados en los siguientes capítulos experimentales. En el tercer capítulo, se presentan tres sistemas de detección colorimétrica de neurotransmisores basados en la agregación de nanopartículas de oro doblemente funcionalizadas con ligandos orgánicos. El primer sistema es un sensor capaz de detectar de forma selectiva el neurotransmisor serotonina, utilizando nanopartículas de oro funcionalizadas con ditio-bis(propionato de succinimidilo) y N-Acetil-L-Cisteína. El segundo sistema consiste en un sensor para la detección selectiva del neurotransmisor norepinefrina diseñado a partir de nanopartículas de oro funcionalizadas con 4-(liponiloxi)benzaldehído y ácido 4-mercato fenilborónico. El tercer sistema está compuesto por nanopartículas de oro funcionalizadas con 4-(liponiloxi)benzaldehído y N-Acetil-L-Cisteína, para la detección de normetanefrina, un importante biomarcador del tumor feocromocitoma. Todos estos sistemas se evalúan en medios competitivos como suero sanguíneo u orina. En el cuarto capítulo se muestran dos sistemas de liberación controlados enzimáticamente basados en la apertura de puertas moleculares. El primer sistema de liberación controlada responde a la presencia del neurotransmisor acetilcolina. En concreto, se utilizan nanopartículas de sílice mesoporosa funcionalizadas en su superficie con grupos de ácido fenilborónico y tapadas con la enzima acetilcolinesterasa mediante la formación de ésteres cíclicos de ácido fenilborónico entre las cadenas de oligosacáridos de la enzima y los grupos fenilborónicos de la superficie de las nanopartículas. En este caso la reacción enzimática produce ácido acético que da lugar a la hidrolisis de los ésteres borónicos, destapando los poros y liberando la carga contenida en el interior. Además, se evalúa la capacidad del dispositivo diseñado para liberar el citotóxico doxorubicina en células cancerosas en presencia de acetiltiocolina. El segundo sistema consiste en un nanodispositivo para la liberación controlada en respuesta al neurotransmisor L-glutamato. Para esto se utilizan nanopartículas tipo Janus de oro-sílice mesoporosa funcionalizadas con la enzima L-glutamato oxidasa en la parte del oro y con una puerta molecular autoinmolante de arilboronato en la superficie de la sílice. La liberación controlada se basa en el reconocimiento del L-glutamato por la enzima L-glutamato oxidasa y la posterior formación de peróxido de hidrogeno, que es la especie que induce la escisión de la puerta autoinmolante y la subsecuente apertura de los poros. Finalment es mostra que el sistema dissenyat és capaç d'alliberar un fàrmac citotòxic en cèl·lules de càncer de cervell després de detectar la presència de L-glutamat. / [CA] La present tesi doctoral titulada "Reconeixement de neurotransmissors basat en nanopartícules d'or i de sílice mesoporosa per a aplicacions de detecció i alliberació controlada" és una tesi realitzada per compendi d'articles la qual se centra en el disseny, preparació, caracterització i avaluació de diferents nanodispositius per a la detecció colorimètrica de neurotransmissors i sistemes d'alliberació controlada que responen a neurotransmissors basats en nanopartícules d'or i nanopartícules de sílice mesoporosa equipades amb lligands orgànics, efectors enzimàtics, portes moleculars i espècies cromofluorogénicos o medicaments. En el primer capítol s'introdueix una visió general del que són els neurotransmissors, les seves principals característiques i l'important paper que aquests tenen en el funcionament del nostre organisme. A més es presenta una descripció general de les propietats i potencials aplicacions de les nanopartícules d'or funcionalitzades amb lligands orgànics com a sistemes de detecció, i de les nanopartícules mesoporoses de sílice funcionalitzades amb portes moleculars com a sistemes d'alliberament controlat. A continuació, en el segon capítol es presenten els objectius generals que són abordats en els següents capítols experimentals. En el tercer capítol, es presenten tres sistemes de detecció colorimètrica de neurotransmissors basats en l'agregació de nanopartícules d'or doblement funcionalitzades amb lligands orgànics. El primer sistema és un sensor capaç de detectar de forma selectiva el neurotransmissor serotonina, utilitzant nanopartícules d'or funcionalitzades amb ditiobis (propionat de succinimidilo) i N acetil-L-cisteïna. El segon sistema consisteix en un sensor per a la detecció selectiva de neurotransmissor norepinefrina dissenyat a partir de nanopartícules d'or funcionalitzades amb 4- (liponiloxi) benzaldehid i Àcid 4-mercatofenilborònic. El tercer sistema està compost per nanopartícules d'or funcionalitzades amb 4- (liponiloxi) benzaldehid i N acetil-L-cisteïna, per a la detecció de normatanefrina un important biomarcador del tumor feocromocitoma. Tots aquests sistemes s'avaluen en mitjans competitius com sèrum sanguini u orina. En el quart capítol es mostren dos sistemes d'alliberament controlats enzimàticament basats en l'obertura de portes moleculars. El primer sistema d'alliberament controlat respon a la presència del neurotransmissor acetilcolina. En concret, s'utilitzen nanopartícules de sílice mesoporosa funcionalitzades en la seva superfície amb grups d'àcid fenilborònic i tapades amb l'enzim acetilcolina esterasa mitjançant la formació d'èsters cíclics d'àcid fenilborònic entre les cadenes d'oligosacàrids de l'enzim i els grups fenilborónicos de la superfície de les nanopartícules. En aquest cas, la reacció enzimàtica produeix àcid acètic que dóna lloc a la hidròlisi dels èsters borònics, destapant els porus i alliberant la càrrega continguda a l'interior. A més, s'avalua la capacitat del dispositiu dissenyat per alliberar el citotòxic doxorubicina en cèl·lules canceroses en presència d'acetiltiocolina. El segon sistema consisteix en un nanodispositiu per alliberació controlada en resposta al neurotransmissor L-glutamat, per al que s'utilitzen nanopartícules tipus Janus d'or-sílice mesoporosa funcionalitzades amb l'enzim L-glutamat oxidasa en la part de l'or i amb una porta molecular autoimmolant d'arilboronat a la superfície de la sílice. La alliberació controlada es basa en el reconeixement de L-glutamat per l'enzim L-glutamat oxidasa i la posterior formació de peròxid d'hidrogen, que és l'espècie que indueix l'escissió de la porta autoimmolant i la subseqüent obertura dels porus. Finalment es mostra que el sistema dissenyat és capaç d'alliberar un fàrmac citotòxic en cèl·lules de càncer de cervell després de detectar la presència de L-glutamat. / [EN] This doctoral thesis entitled "Neurotransmitters recognition based on gold and mesoporous silica nanoparticles for sensing and controlled release applications" it is a thesis carried out by compendium of articles, which is focused on the design, preparation, characterization and evaluation of nanodevices for the colorimetric sensing of neurotransmitters and controlled delivery systems responsive to neurotransmitters, based on gold nanoparticles and mesoporous silica nanoparticles equipped with organic ligands, enzymatic effectors, molecular gates and chromo-fluorogenic species or drugs. The first chapter introduces an overview about what neurotransmitters are, their main characteristics and the important role they play in the functioning of our body. In addition, a general description of the properties and potential applications of gold nanoparticles functionalized with organic ligands as detection systems and mesoporous silica nanoparticles functionalized with molecular gates as controlled delivery systems is presented. In the second chapter, the general objectives that are addressed in the following experimental chapters are presented. In the third chapter, three colorimetric detection systems of neurotransmitters based on the aggregation of gold nanoparticles doubly functionalized with organic ligands are presented. The first system is a sensor capable of selectively detecting the neurotransmitter serotonin, using gold nanoparticles functionalized with dithio-bis(succinimidyl propionate) and N acetyl-L-cysteine. The second system consists of a sensor for the selective detection of the neurotransmitter norepinephrine designed from gold nanoparticles functionalized with 4- (liponyloxy)benzaldehyde and 4-mercaptophenylboronic acid. The third system is composed of gold nanoparticles functionalized with 4-(liponyloxy)benzaldehyde and N-Acetyl-L-Cysteine, for the detection of normetanephrine, an important biomarker of the pheochromocytoma tumor. All these systems are evaluated in competitive media such as blood serum or urine. In the fourth chapter, two enzymatic controlled delivery systems based on the opening of molecular gates are developed. The first controlled delivery system responds to the presence of the neurotransmitter acetylcholine. Specifically, it consists of mesoporous silica nanoparticles functionalized on their surface with phenylboronic acid groups and capped with the enzyme acetylcholinesterase, via the formation of cyclic phenylboronic acid esters between the oligosaccharide chains of the enzyme and the phenylboronic groups on the nanoparticles surface. In this case, the enzymatic reaction produces acetic acid that induces the hydrolysis of the boronic esters, uncapping the pores and releasing the entrapped payload. In addition, the ability of the nanodevice to release the cytotoxic doxorubicin in cancer cells in the presence of acetylthiocholine is evaluated. The second delivery system consists of a nanodevice responsive to the neurotransmitter L-glutamate. It is based on Janus gold-silica mesoporous nanoparticles functionalized with the enzyme L-glutamate oxidase in the gold part and with a self-immolative arylboronate molecular gate on the surface of the silica. Controlled delivery is based on the recognition of L-glutamate by the enzyme L-glutamate oxidase and the subsequent formation of hydrogen peroxide, which results in the cleavage of the self-immolative gate and the uncapping of the pores. Finally, it is shown that the designed system is capable of releasing a cytotoxic drug in brain cancer cells after detecting the presence of L-glutamate. / The authors acknowledge financial support from the Spanish Government (Projects MAT2015-64139-C4-1-R, MAT2015-64139-C4-4-R (MINECO/FEDER) and Project AGL2015-70235-C2-2-R) and the Generalitat Valenciana (Projects PROMETEOII/2014/047 and PROMETEO/2018/024). T. Godoy-Reyes is grateful to Generalitat Valenciana for her Santiago Grisolía fellowship. A. García-Fernández is grateful to the Spanish Government for her FPU fellowship. A. Llopis-Lorente thanks “La Caixa” Foundation for his PhD grant. SCSIE (Universitat de València) is gratefully acknowledged for all the equipment employed. / Godoy Reyes, TM. (2020). Neurotransmitters recognition based on gold nanoparticles and mesoporous silica nanoparticles for sensing and controlled release applications [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/158420

[ES] La presente tesis doctoral titulada "Mesoporous silica and gold-based nanodevices: new controlled delivery platforms for biomedical applications" se centra en el diseño, síntesis, caracterización y evaluación de distintos nanodispositivos híbridos orgánico-inorgánicos. En concreto, se utilizan como soporte nanopartículas mesoporosas de sílice y nanopartículas de oro para su aplicación biomédica, en concreto en el campo del cáncer de mama. En el primer capítulo se introduce el marco general en el que se engloban los estudios realizados. Se presentan los conceptos relacionados con nanotecnología y nanomedicina, así como la interacción de las nanopartículas a nivel biológico con el organismo y las células. Finalmente, se introducen conceptos básicos del cáncer de mama y la aplicación de nanomateriales como terapia. A continuación, en el segundo capítulo, se exponen los objetivos de la presente tesis doctoral que son abordados en los siguientes capítulos experimentales. En el tercer capítulo se describe el primer nanomaterial para la liberación controlada de dos inhibidores (navitoclax y S63845) de las proteínas anti- apoptóticas de la familia Bcl-2. Este sistema se ha diseñado con el objetivo de superar la resistencia a navitoclax en un modelo celular de cáncer de mama triple negativo. En concreto, se han preparado nanopartículas mesoporosas de sílice cargadas con navitoclax y S63845, y funcionalizadas con un aptámero dirigido a la proteína de superficie MUC1, que actúa como puerta molecular. En este trabajo hemos demostrado que las nanopartículas diseñadas son internalizadas preferentemente por células tumorales de cáncer de mama. También hemos demostrado la capacidad de las nanopartículas de revertir la resistencia a navitoclax en un modelo celular de cáncer de mama triple negativo. Además, ponemos de manifiesto la disminución del principal efecto adverso (trombocitopenia) asociado a la administración del navitoclax en su formulación libre, gracias a la encapsulación en las nanopartículas. En el capítulo cuatro se presenta un sistema sensible a pH para la liberación controlada de un cargo fluorescente y la maquinaria de edición génica basada en el sistema CRISPR/Cas9, dirigido a la edición del gen codificante de la proteína fluorescente verde (GFP, del inglés gren fluorescent protein). El nanodispositivo está constituido por nanopartículas mesoporosas de sílice cargadas con rodamina B, funcionalizadas con polietilenimina y revestidas con el plásmido codificante del sistema CRISPR/Cas9. En este trabajo se ha demostrado el escape lisosomal de las nanopartículas, mediado por el efecto esponja de protones de la PEI. Asimismo, mostramos un nanodispositivo pionero en su campo, basado en nanopartículas mesoporosas de sílice, capaz de realizar la doble función de llevar a cabo la edición del gen codificante de GFP y la liberación exitosa del cargo fluorescente. En el quinto, y último, capítulo experimental se propone una nueva aproximación para realizar una terapia enzimática prodroga empleando nanopartículas de oro como transportadores enzimáticos. En este caso, se aborda la funcionalización de nanopartículas de oro con la enzima peroxidasa de rábano (HRP, del inglés horseradish peroxidase), capaz de transformar la prodroga inocua ácido indol-3-acético en especies radicales que resultan tóxicas para las células tumorales. En este capítulo se ha demostrado el efecto terapéutico del nanodispositivo en combinación con la prodroga en modelos celulares de cáncer de mama de los subtipos luminal A y triple negativo. Además, se ha confirmado la eficacia terapéutica del sistema en esferoides tumorales formados por células de cáncer de mama triple negativo. Por último, se presentan en el capítulo seis las conclusiones extraídas del desarrollo de esta tesis doctoral. Los resultados obtenidos en este trabajo contribuirán al desarrollo de nuevos nanomateriales inteligentes con aplicación en diversas áreas de la nanomedicina. / [CA] La present tesi doctoral titulada "Mesoporous silica and gold-based nanodevices: new controlled delivery platforms for biomedical applications" se centra en el disseny, síntesi, caracterització i avaluació de diferents nanodispositius híbrids orgànic-inorgànics. En concret, s'utilitzen com a suport nanopartícules mesoporoses de sílice i nanopartícules d'or per a la seua aplicació biomèdica, en concret en el camp del càncer de mama. En el primer capítol s'introdueix el marc general en el qual s'engloben els estudis realitzats. Es presenten els conceptes relacionats amb la nanotecnologia i nanomedicina, així com la interacció de les nanopartícules a nivell biològic amb l'organisme i les cèl·lules. Finalment, s'introdueixen conceptes bàsics del càncer de mama i l'aplicació de nanomaterials com a teràpia. A continuació, en el segon capítol, s'exposen els objectius de la present tesi doctoral que són abordats en els següents capítols experimentals. En el tercer capítol es descriu el primer nanomaterial utilitzat per a l'alliberament controlat de dos inhibidors (navitoclax i S63845) de les proteïnes anti-apoptòtiques de la família Bcl-2. Aquest sistema s'ha dissenyat amb l'objectiu de superar la resistència a navitoclax en un model cel·lular de càncer de mama triple negatiu. En concret, s'han preparat nanopartícules mesoporoses de sílice carregades amb navitoclax i S63845, i funcionalitzades amb un aptàmer dirigit a la proteïna de superfície MUC1, que actua com a porta molecular. En aquest treball hem demostrat que les nanopartícules dissenyades són internalitzades preferentment per cèl·lules tumorals de càncer de mama. També hem demostrat la capacitat de les nanopartícules de revertir la resistència a navitoclax en un model cel·lular de càncer de mama triple negatiu. A més, posem de manifest la disminució del principal efecte advers (trombocitopènia) associat a l'administració del navitoclax en la seua formulació lliure, gràcies a l'encapsulació en les nanopartícules. En el capítol quatre es presenta un sistema sensible a pH per a l'alliberament controlat d'una càrrega fluorescent i la maquinària d'edició gènica basada en el sistema CRISPR/Cas9, dirigit a l'edició gènica del gen codificant de la proteïna fluorescent verda (GFP, del anglés gren fluorescent protein). El nanodispositiu està constituït per nanopartícules mesoporoses de sílice carregades amb rodamina B, funcionalitzades amb polietilenimina i revestides amb el plàsmid codificant del sistema CRISPR/Cas9. En aquest treball s'ha demostrat la fuga lisosomal de les nanopartícules, mediat per l'efecte esponja de protons de la PEI. Així mateix, vam mostrar un nanodispositiu pioner en el seu camp, basat en nanopartícules mesoporoses de sílice, capaç de realitzar la doble funció de dur a terme l'edició del gen codificant de la GFP i l'alliberament exitós de la càrrega fluorescent. En el cinqué i últim capítol experimental es proposa una nova aproximació per a realitzar una teràpia enzimàtica prodroga emprant nanopartícules d'or com a transportadors enzimàtics. En aquest cas, s'aborda la funcionalització de nanopartícules d'or amb l'enzim peroxidasa de rave (HRP, del anglés horseradish peroxidase), capaç de transformar la prodroga innòcua àcid indol-3-acètic en espècies radicals que resulten tòxiques per a les cèl·lules tumorals. En aquest capítol s'ha demostrat l'efecte terapèutic del nanodispositiu en combinació amb la prodroga en models cel·lulars de càncer de mama dels subtipus luminal A i triple negatiu. A més, s'ha confirmat l'eficàcia terapèutica del sistema en esferoides tumorals formats per cèl·lules de càncer de mama triple negatiu. Finalment, en el capítol sis es presenten les conclusions extretes del desenvolupament d'aquesta tesi doctoral. Els resultats obtinguts en aquesta tesi contriburan al desenvolupament de nous nanomaterials intel·ligents amb aplicació en diverses àrees de la nanomedicina. / [EN] This Ph.D. thesis entitled "Mesoporous silica and gold-based nanodevices: new controlled delivery platforms for biomedical applications" is focused on the design, synthesis, characterisation, and evaluation of several hybrid organic-inorganic nanomaterials. We have developed mesoporous silica nanoparticles and gold nanoparticles for biomedical applications, specifically in the breast cancer area. The first chapter includes an overview of the concepts related to the research performed. Introductory notions about nanotechnology and biomedicine are presented, as well as the basis of the interactions of nanoparticles with biological systems. Finally, breast cancer disease and the application of nanomaterials as therapy are described. Next, in the second chapter, the objectives addressed in the following experimental chapters are displayed. In the third chapter, we present the first nanomaterial for the controlled delivery of two inhibitors (navitoclax and S63845) of the Bcl-2 anti-apoptotic proteins. This nanosystem has been designed to overcome navitoclax resistance in a triple-negative breast cancer cellular model. We have prepared mesoporous silica nanoparticles loaded with navitoclax and S63845 and functionalised with an aptamer targeting MUC1 surface protein as a molecular gate. In this work, the specific targeting of the nanodevice to breast cancer cells has been demonstrated. The ability to overcome navitoclax resistance has been shown in navitoclax-resistant triple-negative breast cancer cells. Furthermore, navitoclax encapsulation in the nanoparticles has proved to reduce the main adverse effect (thrombocytopenia) associated with free formulated drug administration. In the fourth chapter, we describe a pH-responsive nanosystem for the controlled co-delivery of a fluorescent cargo and the genome-editing machinery based on CRISPR/Cas9, which targets the green fluorescent protein (GFP) coding gene. The nanodevice consists of mesoporous silica nanoparticles loaded with rhodamine B, functionalised with polyethyleneimine, and capped with the CRISPR/Cas9 plasmid. In the present work, we have shown the lysosomal scape capacity of the nanodevice enhanced by the proton sponge effect of PEI. We have also demonstrated a pioneering mesoporous silica-based nanodevice efficient in the simultaneous genome editing of the GFP gene (as a model gene) and the successful release of a fluorescent cargo (as a model drug). In the fifth and last experimental chapter, we propose a new approximation to develop enzyme prodrug therapy using gold nanoparticles as enzyme carriers. In this case, we use gold nanoparticles functionalised with the enzyme horseradish peroxidase (HRP), which transforms the non-toxic prodrug indol-3-acetic acid into radical species toxic to tumour cells. In this chapter, the therapeutic effect of the nanodevice in combination with the prodrug has been demonstrated in two breast cancer cell subtypes (luminal A and triple-negative breast cancers). Also, the therapeutic effect of the material has been corroborated in multicellular tumour spheroid-like cultures formed by triple-negative breast cancer cells. Finally, in the sixth chapter, the conclusions derived from the presented studies and the general conclusions of this Ph.D. thesis are released. The obtained results will promote the development of new smart nanomaterials with diverse biomedical applications. / Gema Vivo-Llorca thanks the Generalitat Valenciana for her fellowship ACIF/2017/072. Vicente Candela-Noguera thanks the Spanish Government for his fellowship FPU15/02753. We would like to thank Servier for the workart used in the figures of this manuscript (Servier Medical Art https://smart.servier.com/). We thank the Spanish Government (project RTI2018-100910-B-C41 (MCUI/AEI/FEDER, UE); SAF2017-84689-R-B (MCUI/AEI/FEDER, UE)) and the Generalitat Valenciana (project PROMETEO/2018/024 and PROMETEO/2019/065) for support. / Vivo Llorca, G. (2021). Mesoporous silica and gold-based nanodevices: new controlled delivery platforms for biomedical applications [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/172713