En esta Tesis Doctoral se propuso la síntesis de hidrogeles termo-sensibles para aplicaciones biomédicas a partir de copolímeros de alginato y N-isopropilacrilamida (NIPAAm). Los copolímeros de injerto se obtuvieron empleando tres métodos de síntesis: uno basado en la generación de los sitios reactivos por medio de un iniciador redox convencional (nitrato de amonio y cerio(IV), CAN), el otro mediante radiaciones ionizantes de alta energía, mientras que el tercer método se realizó en dos etapas consecutivas, obteniendo primero polímeros telequélicos amino-terminados los cuales se unieron luego a la cadena del alginato por medio de una reacción de condensación. Los copolímeros obtenidos fueron caracterizados química y térmicamente empleando distintas técnicas analíticas tales como Resonancia Magnética Nuclear de protón (1H-NMR), Espectroscopía Infrarroja con Transformada de Fourier (FTIR), análisis termogravimétrico (TGA), reología y mediciones de punto de nube (CP). Los copolímeros de injerto obtenidos mediante irradiación con rayos gamma de soluciones acuosas de alginato y NIPAAm presentaron buenas propiedades físicas, tal como solubilidad y termosensibilidad. La composición de los copolímeros resultó ser función de la dosis de radiación y la composición de alginato y NIPAAm en la mezcla inicial de reacción. De las otras dos vías de síntesis química utilizadas, resultó mejor aquella basada en la obtención de PNIPAAm amino terminado (PNIPAAm-NH2), y su posterior injerto en la cadena de alginato mediante la reacción de condensación entre los grupos amino del PNIPAAm y los grupos carboxílicos del alginato, ya que se obtuvieron copolímeros con estructura química controlada, con cadenas laterales de masas molares conocidas y una composición definida por la mezcla de reacción. Los hidrogeles empleados en los ensayos de hinchamiento se prepararon en forma de perlas, por medio del goteo de soluciones de copolímeros sobre una solución de cloruro de calcio. El grado de hinchamiento de los hidrogeles obtenidos a partir de los copolímeros sintetizados por irradiación presentó una dependencia con la temperatura y el contenido de PNIPAAm. Por otra parte, si bien los copolímeros obtenidos a partir del injerto de PNIPAAm-NH2 sobre el alginato presentaron termosensibilidad en solución, tal como se pudo observar en los ensayos de reología, los hidrogeles obtenidos a partir de estos copolímeros no mostraron luego este comportamiento, debido probablemente al menor contenido de PNIPAAm una vez obtenido el hidrogel hinchado. iii Para llevar a cabo ensayos de liberación se seleccionaron como matrices portadoras del fármaco modelo a aquellos hidrogeles más promisorios de acuerdo a los resultados de hinchamiento obtenidos previamente. Estudios preliminares de liberación de atenolol empleando hidrogeles termosensibles, preparados a partir de los copolímeros de injerto obtenidos por irradiación, mostraron una liberación de aproximadamente un 70 % del contenido inicial del fármaco en el hidrogel en la primer hora de ensayo a 37 °C. / In this Doctoral Thesis the synthesis of thermo-responsive hydrogels for biomedical application obtained from alginate and N-isopropylacrylamide (NIPAAm) graft copolymers has been proposed. In order to obtain the copolymers three methods of graft copolymerization have been studied: gamma-ray irradiation and two different methods of conventional grafting reactions using chemical initiator agents. Obtained graft copolymers were chemically and thermally characterized by H-Nuclear Magnetic Resonance (1H-NMR), Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), Thermal Gravimetric Analysis (TGA), rheology, and cloud point measurements (CP). Graft copolymers obtained by gamma-ray irradiation of aqueous solutions of alginate and NIPAAm presented good physical properties such as solubility and thermosensibility. Copolymers composition is a function of radiation dose and alginate and NIPAAm composition in the initial aqueous solution. Only graft copolymers obtained from amino-terminated PNIPAAm, PNIPAAm-NH2 prepared by a redox initiator, and grafted to alginate by a condensation reaction between amino groups of PNIPAAm-NH2 and carboxylic groups of alginate, gave copolymers with a know chemical structure with side chains of defined molar mass defined and a composition given by the reaction mixture. Swelling degree studies were performed on hydrogels obtained by dropping an aqueous solution of the copolymer onto a solution of calcium chloride. Swelling degree of the hydrogels, prepared by using the copolymers synthesized by gamma irradiation, was a function of both temperature and NIPAAm content. On the other hand, even when copolymers obtained by grafting PNIPAAm-NH2 onto alginate showed an observable thermosensibility in solution, hydrogels prepared with those graft copolymers did not behave in the same way, probably due to the low PNIPAAm content in the swollen hydrogel. Controlled release studies were carried out on those hydrogels that presented thermosensitivity in the swelling study. Preliminary results on athenolol release, using the thermosensitivity hydrogels obtained from the graft copolymers synthesized by gamma radiation, gave a 70 % recovery of initial drug load after one hour at 37 ºC.

La presente tesis trata sobre la síntesis y caracterización de los hidrogeles interpenetrados (IPN) sensibles a la temperatura y al pH, compuestos por una primera red polimérica basada en N-isopropilacrilamida (NiPAAm) (termosensible) y una segunda red polimérica basada en macromonómero de 2-oxazolina y acrilamida (sensible al pH). Estos hidrogeles IPN se sintetizan en tres etapas. Primeramente, se sintetiza el hidrogel de NiPAAm por polimerización radicalaria de una solución acuosa de NiPAAm en presencia de la N,N’-metil-bisacrilamida (BIS) como agente entrecruzante. Después se sintetiza la segunda red polimérica mediante una polimerización radicalaria de la acrilamida y un macromonómero de 2-oxazolina (MM), el cual es un copolímero estadístico de 2-metil-2-oxazolina (MeOXA) y 2-carboxietil-2-oxazolina (EsterOXA), en presencia de la primera red polimérica de NiPAAm. Finalmente, se realiza la hidrólisis básica de los grupos ésteres presentes en el hidrogel IPN. Se caracteriza al hidrogel IPN por diferentes métodos. La absorción de agua y la sensibilidad del hidrogel IPN a diferentes pH y temperaturas se determina mediante el peso de los hidrogeles en diferentes condiciones. La caracterización estructural se realiza por espectroscopia infrarroja con transformada de Fourier (FTIR) mediante la técnica de reflectancia total atenuada (ATR) y por resonancia magnética nuclear de protón (1H-RMN) en el modo de alta resolución con ángulo mágico (HR-MAS). Su comportamiento mecánico se estudia mediante el análisis mecánico dinámico de compresión (AMC). La caracterización estructural demuestra la formación del hidrogel IPN. La sensibilidad a la temperatura del hidrogel IPN se debe a la presencia del PoliNiPAAm, conforme aumenta la cantidad molar del NiPAAm, disminuye la temperatura de transición conformacional, aumentando la contracción del hidrogel. Mientras que la sensibilidad al pH del hidrogel IPN se debe a la presencia de los grupos carboxilatos de la segunda red polimérica, el hidrogel a pH bajos se contrae y a pH altos se expande. / The present thesis is about the synthesis and characterization of interpenetrated polymer network (IPN) hydrogels of sensitive temperature and sensitive pH, composed of a first polymer network based on N-isopropylacrylamide (NiPAAm) (thermosensitive) and a second polymer network based on macromonomer of 2-oxazoline and acrylamide (ph sensitive). These IPN hydrogels are synthesized in three steps. Firstly, the NiPAAm hydrogel is synthesized by free radical polymerization in an aqueous NiPAAm solution in presence of N,N´-methyl-bisacrylamide (BIS) as crosslinking agent. After the second polymer network is synthesized by free radical polymerization of acrylamide and macromonomer (MM) of 2-oxazoline, which is a statistical copolymer of 2-methyl-2- oxazoline (MeOXA) and 2-carboxyethyl-2-oxazoline. (EsterOXA), in the presence of the first NiPAAm polymer network. Finally, the ester groups present in the IPN hydrogel is hydrolyzed. The IPN hydrogel is characterized by different methods. Hydrogel swelling and the sensitivity of the IPN hydrogel at different pH and temperatures is determined by the weight of the hydrogels under different conditions. The structural characterization by Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) the technique of attenuated total reflectance (ATR) and proton nuclear magnetic resonance (1H-RMN) by highresolution magic-angle-spinning (HR-MAS). The mechanical behavior is studied through dynamic mechanical analysis (DMA). The structural characterization demonstrates formation of the IPN hydrogel. The sensitivity to temperature of the IPN hydrogel is due to presence of PoliNiPAAm, just as the molar amount of NiPAAm increases, decreases the conformational transition temperature; raise the contraction of the hydrogel. While the pH sensitivity of the IPN hydrogel is due to presence of the carboxylate groups of the second polymer network, at down pH the hydrogel contracts and at high pH the hydrogel expands. / Tesis

Esta Tesis Doctoral se ha centrado en la síntesis electroquímica de polímeros conductores basados en polianilina modificada con ácido 2-aminotereftálico y piperazina. Los polímeros sintetizados se han estudiado en la oxidación electroquímica de dopamina y ácido ascórbico y su posible aplicación como sensores electroquímicos a pH fisiológico. Además, se ha estudiado la síntesis química de hidrogeles de los copolímeros desarrollados, se han caracterizado con diferentes técnias y se ha estudiado su aplicación como electrodos en supercondensadores.

Tesis por compendio / [ES] La tesis doctoral se centra en el desarrollo de un hidrogel sensible a analitos, funcionalizado con sondas de ADN, con estructura difractiva como transductor óptico para aplicaciones de diagnóstico in vitro. El primer capítulo incluye una visión general de los diferentes conceptos relacionados con el biosensado, los desarrollos recientes en el mercado del diagnóstico in vitro y, en particular, los biosensores de ADN. Además, se presenta la síntesis y caracterización de hidrogeles, su papel como matriz de soporte en biosensado y las estrategias de inmovilización. Por último, se explican los conceptos básicos de la holografía como nueva estrategia de detección y el papel de las diferentes redes de difracción en la biosensación. A continuación, en el Capítulo 2, se discuten los objetivos de este proyecto. El objetivo de esta investigación es desarrollar hidrogeles que incorporen sondas de ADN y dotarlas de una estructura difractiva para que actúen como transductores ópticos sin etiquetas. Se consideran dos tipos de estructuras difractivas: redes holográficas de relieve superficial (SRG) y redes de transmisión de volumen (VTG). La fase inicial de este trabajo se centró en la optimización de hidrogeles, ajustando su composición para que actuaran como biosensores holográficos. Se seleccionaron acrilamida y bisacrilamida para la preparación del hidrogel mediante reacción de polimerización por radicales libres. Además, para introducir la respuesta del analito en la red de hidrogeles 3D, hubo que investigar y poner a punto diferentes estrategias de inmovilización de biorreceptores. En el capítulo 3, la estrategia optimizada consiste en incorporar directamente sondas de ADN modificadas con acridita mediante copolimerización con monómeros de acrilamida durante la formación del hidrogel. Los hidrogeles funcionalizados con ADN se caracterizaron mediante imágenes de fluorescencia y se exploró su versatilidad mediante la fabricación de microarrays. Por último, el hidrogel optimizado sensible a los analitos se utilizó como plataforma para la preparación de SRG. El capítulo 4 describe otro enfoque adoptado para la funcionalización del hidrogel con sondas de ADN. Se añadió un comonómero de acrilato de propargilo al hidrogel de acrilamida, con el fin de introducir la presencia de residuos alcínicos y facilitar una mayor incorporación de las sondas de ADN. Las sondas de ADN utilizadas tenían grupos terminales tiol y se incorporaron mediante química de clic tiol-eno/tiol-yo, debido a la presencia de enlaces C-C dobles y triples. Con esta estrategia, se demostraron dos enfoques de inmovilización de sondas de ADN: durante y después de la síntesis del hidrogel. Los resultados preliminares mostraron que los SRGs tienen potencial para detectar directamente la hibridación de oligonucleótidos en un formato libre de etiquetas. En el capítulo 5, se optimizó el proceso de grabación de VTGs no inclinados en capas de hidrogel para mejorar el rendimiento del transductor. Tras una cuidadosa evaluación de los parámetros de grabación holográfica, las composiciones de las soluciones de incubación y los tiempos de incubación, las estructuras VTG se grabaron con una buena reproducibilidad, logrando una excelente eficiencia de difracción. Además, se estudió su estabilidad en agua para bioensayos. Por último, se observó que los VTG, modificados con oligonucleótidos, respondían selectivamente hibridándose sólo con la diana complementaria, a la vez que conservaban sus propiedades de difracción. El trabajo de investigación demostró la viabilidad de utilizar redes difractivas en capas de hidrogel como biosensores libres de etiquetas, capaces de detectar sondas de ADN, complementarias a la secuencia inmovilizada, en un medio acuoso. Por último, en el capítulo 6, se analizan comparativamente el rendimiento y la aplicabilidad de los distintos enfoques estudiados y se discuten las perspectivas futuras de los hidrogeles de ácidos nucleicos para la detección holográfica. / [CA] La tesi doctoral se centra en el desenvolupament d'un hidrogel sensible a anàlits, funcionalitzat amb sondes d'ADN, amb estructura difractiva com a transductor òptic per a aplicacions de diagnòstic in vitro. El primer capítol inclou una visió general dels diferents conceptes relacionats amb el biosensado, els desenvolupaments recents en el mercat del diagnòstic in vitro i, en particular, els biosensores d'ADN. A més, es presenta la síntesi i caracterització d'hidrogels, el seu paper com a matriu de suport en biosensado i les estratègies d'immobilització. Finalment, s'expliquen els conceptes bàsics de l'holografia com a nova estratègia de detecció i el paper de les diferents xarxes de difracció en la biosensación. A continuació, en el Capítol 2, es discuteixen els objectius d'este projecte. L'objectiu d'esta investigació és desenvolupar hidrogels que incorporen sondes d'ADN i dotar-les d'una estructura difractiva perquè actuen com a transductors òptics sense etiquetes. Es consideren dos tipus d'estructures difractivas: xarxes hologràfiques de relleu superficial (SRG) i xarxes de transmissió de volum (VTG). La fase inicial d'este treball es va centrar en l'optimització d'hidrogels, ajustant la seua composició perquè actuaren com biosensores hologràfics. Es van seleccionar acrilamida I bisacrilamida per a la preparació de l'hidrogel mitjançant reacció de polimerització per radicals lliures. A més, per a introduir la resposta de l'anàlit en la xarxa d'hidrogels 3D, va caldre investigar i posar a punt diferents estratègies d'immobilització de biorreceptores. En el capítol 3, l'estratègia optimitzada consisteix a incorporar directament sondes d'ADN modificades amb acridita mitjançant copolimerización amb monòmers d'acrilamida durant la formació de l'hidrogel. Els hidrogels funcionalitzats amb ADN es van caracteritzar mitjançant imatges de fluorescència i es va explorar la seua versatilitat mitjançant la fabricació de bioxips. Finalment, l'hidrogel optimitzat sensible als anàlits es va utilitzar com a plataforma per a la preparació de SRG. El capítol 4 descriu un altre enfocament adoptat per a la funcionalització de l'hidrogel amb sondes d'ADN. Es va afegir un comonómero de acrilato de propargilo a l'hidrogel d'acrilamida, amb la finalitat d'introduir la presència de residus alcínicos i facilitar una major incorporació de les sondes d'ADN. Les sondes d'ADN utilitzades tenien grups terminals tiol i es van incorporar mitjançant química de clic tiol-eno/tiol-ino, a causa de la presència d'enllaços C-C dobles i triples. Amb esta estratègia, es van demostrar dos enfocaments d'immobilització de sondes d'ADN: durant i després de la síntesi de l'hidrogel. Els resultats preliminars van mostrar que els SRGs tenen potencial per a detectar directament la hibridació de oligonucleótidos en un format lliure d'etiquetes. En el capítol 5, es va optimitzar el procés de gravació de VTGs no inclinats en capes d'hidrogel per a millorar el rendiment del transductor. Després d'una acurada avaluació dels paràmetres de gravació hologràfica, les composicions de les solucions d'incubació i els temps d'incubació, les estructures VTG es van gravar amb una bona reproducibilidad, aconseguint una excel·lent eficiència de difracció. A més, es va estudiar la seua estabilitat en aigua per a bioensayos. Finalment, es va observar que els VTG, modificats amb oligonucleótidos, responien selectivament hibridant-se només amb la diana complementària, alhora que conservaven les seues propietats de difracció. El treball de recerca va demostrar la viabilitat d'utilitzar xarxes difractivas en capes d'hidrogel com biosensores lliures d'etiquetes, capaces de detectar sondes d'ADN, complementàries a la seqüència immobilitzada, en un medi aquós. Finalment, en el capítol 6, s'analitzen comparativament el rendiment i l'aplicabilitat dels diferents enfocaments estudiats i es discuteixen les perspectives futures dels hidrogels d'àcids nucleics per a la detecció hologràfica. / [EN] The PhD thesis focuses on the development of an analyte-sensitive hydrogel, functionalised with DNA probes, with a diffractive structure as an optical transducer for in vitro diagnostic applications. The first chapter includes an overview of the different concepts related to biosensing, recent developments in the in vitro diagnostics market and, in particular, DNA biosensors. Furthermore, the synthesis and characterisation of hydrogels, their role as a support matrix in biosensing and immobilisation strategies are presented. Finally, the basic concepts of holography as a new detection strategy and the role of different diffraction gratings in biosensing are explained. Then, in Chapter 2, the objectives of this project are discussed. The aim of this research is to develop hydrogels that incorporate DNA probes and provide them with a diffractive structure to act as label-free optical transducers. Two types of diffractive structures are considered: surface-relief holographic gratings (SRGs) and volume transmission gratings (VTGs). The initial phase of this work focused on the optimisation of hydrogels, adjusting their composition to act as holographic biosensors. Acrylamide and bisacrylamide were selected for hydrogel preparation by free radical polymerisation reaction. Furthermore, in order to introduce the analyte response into the 3D hydrogel network, different bioreceptor immobilisation strategies had to be investigated and fine-tuned. In chapter 3, the optimised strategy is to directly incorporate acridite-modified DNA probes by copolymerisation with acrylamide monomers during hydrogel formation. The DNA-functionalised hydrogels were characterised by fluorescence imaging and their versatility was explored by microarray fabrication. Finally, the optimised analyte-responsive hydrogel was used as a platform for SRG preparation. Chapter 4 describes another approach adopted for functionalisation of the hydrogel with DNA probes. A propargyl acrylate comonomer was added to the acrylamide hydrogel in order to introduce the presence of alkyl residues and facilitate further incorporation of the DNA probes. The DNA probes used had thiol end-groups and were incorporated by thiol-ene/thiol-yo click chemistry, due to the presence of double and triple C-C bonds. With this strategy, two approaches to DNA probe immobilisation were demonstrated: during and after hydrogel synthesis. Preliminary results showed that SRGs have the potential to directly detect oligonucleotide hybridisation in a label-free format. In chapter 5, the recording process of unslanted VTGs in hydrogel layers was optimised to improve transducer performance. After careful evaluation of holographic recording parameters, incubation solution compositions and incubation times, the VTG structures were recorded with good reproducibility, achieving excellent diffraction efficiency. In addition, their stability in water for bioassays was studied. Finally, oligonucleotide-modified VTGs were found to respond selectively by hybridising only to the complementary target, while retaining their diffraction properties. The research work demonstrated the feasibility of using diffractive networks in hydrogel layers as label-free biosensors, capable of detecting DNA probes, complementary to the immobilised sequence, in an aqueous medium. Finally, in chapter 6, the performance and applicability of the different approaches studied are comparatively analysed and future prospects of nucleic acid hydrogels for holographic detection are discussed. / I would like to acknowledge the government of Valencia to for the PhD fellowship “Santiago Grisolia” and the BEFPI/2022 grant for a 4-months doctoral stay and also the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness MINECO (ADBIHOL national project) for their financial support. / Zezza, P. (2023). Holographic biosensors made of DNA-functionalised hydrogels for in vitro diagnostic [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/202597 / Compendio

La presente tesis trata sobre la síntesis y caracterización de los hidrogeles interpenetrados (IPN) sensibles a la temperatura y al pH, compuestos por una primera red polimérica basada en N-isopropilacrilamida (NiPAAm) (termosensible) y una segunda red polimérica basada en macromonómero de 2-oxazolina y acrilamida (sensible al pH). Estos hidrogeles IPN se sintetizan en tres etapas. Primeramente, se sintetiza el hidrogel de NiPAAm por polimerización radicalaria de una solución acuosa de NiPAAm en presencia de la N,N’-metil-bisacrilamida (BIS) como agente entrecruzante. Después se sintetiza la segunda red polimérica mediante una polimerización radicalaria de la acrilamida y un macromonómero de 2-oxazolina (MM), el cual es un copolímero estadístico de 2-metil-2-oxazolina (MeOXA) y 2-carboxietil-2-oxazolina (EsterOXA), en presencia de la primera red polimérica de NiPAAm. Finalmente, se realiza la hidrólisis básica de los grupos ésteres presentes en el hidrogel IPN. Se caracteriza al hidrogel IPN por diferentes métodos. La absorción de agua y la sensibilidad del hidrogel IPN a diferentes pH y temperaturas se determina mediante el peso de los hidrogeles en diferentes condiciones. La caracterización estructural se realiza por espectroscopia infrarroja con transformada de Fourier (FTIR) mediante la técnica de reflectancia total atenuada (ATR) y por resonancia magnética nuclear de protón (1H-RMN) en el modo de alta resolución con ángulo mágico (HR-MAS). Su comportamiento mecánico se estudia mediante el análisis mecánico dinámico de compresión (AMC). La caracterización estructural demuestra la formación del hidrogel IPN. La sensibilidad a la temperatura del hidrogel IPN se debe a la presencia del PoliNiPAAm, conforme aumenta la cantidad molar del NiPAAm, disminuye la temperatura de transición conformacional, aumentando la contracción del hidrogel. Mientras que la sensibilidad al pH del hidrogel IPN se debe a la presencia de los grupos carboxilatos de la segunda red polimérica, el hidrogel a pH bajos se contrae y a pH altos se expande. / The present thesis is about the synthesis and characterization of interpenetrated polymer network (IPN) hydrogels of sensitive temperature and sensitive pH, composed of a first polymer network based on N-isopropylacrylamide (NiPAAm) (thermosensitive) and a second polymer network based on macromonomer of 2-oxazoline and acrylamide (ph sensitive). These IPN hydrogels are synthesized in three steps. Firstly, the NiPAAm hydrogel is synthesized by free radical polymerization in an aqueous NiPAAm solution in presence of N,N´-methyl-bisacrylamide (BIS) as crosslinking agent. After the second polymer network is synthesized by free radical polymerization of acrylamide and macromonomer (MM) of 2-oxazoline, which is a statistical copolymer of 2-methyl-2- oxazoline (MeOXA) and 2-carboxyethyl-2-oxazoline. (EsterOXA), in the presence of the first NiPAAm polymer network. Finally, the ester groups present in the IPN hydrogel is hydrolyzed. The IPN hydrogel is characterized by different methods. Hydrogel swelling and the sensitivity of the IPN hydrogel at different pH and temperatures is determined by the weight of the hydrogels under different conditions. The structural characterization by Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) the technique of attenuated total reflectance (ATR) and proton nuclear magnetic resonance (1H-RMN) by highresolution magic-angle-spinning (HR-MAS). The mechanical behavior is studied through dynamic mechanical analysis (DMA). The structural characterization demonstrates formation of the IPN hydrogel. The sensitivity to temperature of the IPN hydrogel is due to presence of PoliNiPAAm, just as the molar amount of NiPAAm increases, decreases the conformational transition temperature; raise the contraction of the hydrogel. While the pH sensitivity of the IPN hydrogel is due to presence of the carboxylate groups of the second polymer network, at down pH the hydrogel contracts and at high pH the hydrogel expands. / Tesis

Tesis por compendio / [ES] El objetivo de esta tesis doctoral ha sido el diseño y caracterización estructural de estructuras tipo gel basadas de polisacáridos extraídos de biomasa acuática con interés para aplicaciones relacionadas con la alimentación. Las propiedades de los polisacáridos extraídos de algas y plantas acuáticas son adecuadas para producir diferentes estructuras tipo gel basadas en la formación de redes reticuladas, como hidrogeles, aerogeles y emulsion-gels. En la primera parte de esta tesis se investigaron los diferentes mecanismos de gelificación de polisacáridos sulfatados, así como los parámetros que afectan a la estructura y las propiedades funcionales de los hidrogeles obtenidos. En base a los resultados, se evaluó la potencial aplicación de los hidrogeles y aerogeles de agar y k-carragenato para encapsular una proteína alimentaria modelo como la caseína, explorando así el efecto protector contra la hidrólisis enzimática tras digestiones gastrointestinales simuladas. En la segunda parte de esta tesis, se desarrollaron estructuras de aerogeles mediante la valorización de una fuente de biomasa residual infrautilizada, como es el Arundo donax. Con esta biomasa se generaron fracciones celulósicas con diferentes grados de purificación y extractos bioactivos solubles en agua, que posteriormente se utilizaron para producir aerogeles bioactivos híbridos. La estructura altamente porosa y la elevada capacidad de sorción de los aerogeles los convierten en excelentes candidatos para la sustitución de las almohadillas absorbentes para mantener la calidad de los productos cárnicos envasados. Los emulsion-gels son reconocidos por su gran potencial como ingredientes funcionales en la industria alimentaria como modificadores de textura y como sustitutos de grasas sólidas. Además, pueden utilizarse como vehículo para la liberación controlada de compuestos bioactivos liposolubles. Así, en la última parte de esta tesis, se investigó la naturaleza de las interacciones entre los componentes en las formulaciones de emulsion-gels basadas en polisacáridos y se relacionó con su estructura y comportamiento mecánico y reológico. Después de estudiar el mecanismo de gelificación de los emulsion-gels de carragenato, estos sistemas se adaptaron y utilizaron para dos diferentes aplicaciones relevantes para los sectores de alimentación y biomedicina. En primer lugar, se produjeron y evaluaron estructuras gelificadas a partir de emulsion-gels de agar y k-carragenato y aerogeles cargados de aceite como encapsulantes de un bioactivo lipofílico como la curcumina. Los resultados mostraron que el tipo de polisacárido y el estado físico de las redes del gel tenían un impacto en la estructura de los productos de la digestión. Por otro lado, se evaluó el potencial de los emulsion-gels basados en polisacáridos sulfatados (k-carragenato y agar) para la producción de un material capaz de simular tejido graso. Los resultados evidencian que los emulsions-gels de agar son adecuadas para producir materiales que simulan las propiedades dieléctricas para imitar tejidos de bajo y alto contenido en agua. / [CA] L'objectiu d'aquesta tesi doctoral ha sigut, el disseny i caracterització estructural d'estructures tipus gel, basades en polisacàrids extrets de biomassa aquàtica amb interès per a aplicacions relacionades amb l'alimentació. Les propietats dels polisacàrids extrets d'algues i plantes aquàtiques, són adequades per a produir diferents estructures tipus gel basades en la formació de xarxes reticulades, com a hidrogels, aerogels i emulsió-gels. En la primera part d'aquesta tesi es van investigar els diferents mecanismes de gelificació de polisacàrids sulfatats, així com els paràmetres que afecten l'estructura i les propietats funcionals dels hidrogels obtinguts. Sobre la base dels resultats, es va avaluar la potencial aplicació dels hidrogels i aerogels d'agar i k-carraguenina per a encapsular una proteïna alimentària model com la caseïna, explorant així l'efecte protector contra la hidròlisi enzimàtica després de digestions gastrointestinals simulades. A la segona part d'aquesta tesi, es van desenvolupar estructures d' aerogels mitjançant la valorització d'una font de biomassa residual infrautilitzada, com és el Arundo donax. Amb aquesta biomassa es van generar fraccions cel·lulòsiques amb diferents graus de purificació i extractes bioactius solubles en aigua, que posteriorment es van utilitzar per a produir aerogels bioactius híbrids. L'estructura altament porosa i l'elevada capacitat de sorció dels aerogels els converteixen en excel·lents candidats per a la substitució dels coixinets absorbents per a mantenir la qualitat dels productes carnis envasats. Els emulsió-gels són reconeguts pel seu gran potencial com a ingredients funcionals en la indústria alimentària com a modificadors de textura i com a substituts de greixos sòlids. A més, poden utilitzar-se com a vehicle per a l'alliberament controlat de compostos bioactius liposolubles. Així, a l'última part d'aquesta tesi, es va investigar la naturalesa de les interaccions entre els components dins les formulacions d' emulsió-gels basades en polisacàrids i es va relacionar amb la seua estructura i comportament mecànic i reològic. Després d'estudiar el mecanisme de gelificació dels emulsió-gels de carraguenina, aquests sistemes es van adaptar i es van utilitzar per a dues aplicacions diferents, rellevants per als sectors de l' alimentació i la biomedicina. En primer lloc, es van produir i van avaluar estructures gelificades a partir de emulsió-gels d'agar i k-carraguenina i aerogels carregats d'oli com a encapsulants d'un bioactiu lipofílic com la curcumina. Els resultats van mostrar que el tipus de polisacàrid i l'estat físic de les xarxes del gel tenien un impacte en l'estructura dels productes de la digestió. D'altra banda, es va avaluar el potencial dels emulsió-gels basats en polisacàrids sulfatats (k-carraguenina i agar) per a la producció d'un material capaç de simular teixit gras. Els resultats evidencien que els emulsió-gels d'agar són adequats per a produir materials que simulen les propietats dielèctriques podentimitar teixits de baix i alt contingut en aigua. / [EN] The aim of this doctoral thesis was to design and characterize the structure of gel-like structures based on polysaccharides extracted from aquatic biomass, with interest for food-related applications. The properties of polysaccharides extracted from seaweeds and aquatic plants make them suitable to produce a range of gel-like structures based on the formation of interconnected networks, such as hydrogels, aerogels and emulsion-gels. In the first part of this thesis, the different gelation mechanism of sulphated polysaccharides and the parameters affecting the structure and functional properties of the obtained hydrogels were investigated. Based on the results, the potential application of agar and k-carrageenan hydrogels and aerogels to encapsulate a model food protein such as casein was evaluated, thus exploring the protective effect against the enzymatic hydrolysis upon simulated gastrointestinal digestions. In the second part of this thesis, aerogel structures were developed by valorising an underutilized waste biomass source such as Arundo donax. This biomass was used to generate cellulosic fractions with different purification degrees and water-soluble bioactive extracts, which were subsequently used to produce hybrid bioactive aerogels. The highly porous structure and high sorption capacity of aerogels make them excellent candidates for the replacement of absorbent pads to maintain the quality of packaged meat products. Emulsion-gels are recognized for their great potential as functional ingredients in the food industry to modify texture and for solid fat replacement. Moreover, they can be used as a delivery vehicle for the controlled release of fat-soluble bioactive compounds. Thus, in the last part, the nature of interactions between the components in polysaccharide-based emulsion-gel formulations was investigated and related to their structure and mechanical and rheological behavior. After studying the gelation mechanism of carrageenan emulsion-gels, these systems were adapted and used for two different applications relevant to the food and biomedicine sectors. Firstly, oil-filled gel-like structures from agar and k-carrageenan emulsion-gels and oil-filled aerogels were produced and evaluated as carriers of a lipophilic bioactive such as curcumin. The results showed that the polysaccharide type and the physical state of the gel network had an impact on the structure of the digestion products. On the other hand, the potential of emulsion-gels based on sulphated polysaccharides (k-carrageenan and agar) for the production of tissue mimicking phantoms was evaluated. The results evidence that the agar emulsion-gels are suitable to produce materials simulating the dielectric properties to mimic low- and high-water content tissues. / Synchrotron experiments were performed at NCD beamline at ALBA Synchrotron with the collaboration of ALBA staff (2018022638 project). This work was financially supported by the grant RTI2018-094268-B-C22 (MCIU/AEI/FEDER, UE). Part of this work was supported by the COST Action ES1408 European network for algal-bioproducts (EUALGAE). Cynthia Fontes-Candia is recipient of a pre-doctoral grant from CONACYT (MEX/Ref. 306680). The projects RTI2018-094268-B-C22 and RTI2018-094408-J-I00 were funded by MCIN/AEI/10.13039/501100011033 and by “ERDF A way of making Europe”. This work has also received financial support from project PID2019-107663RB-I00 from the Spanish Ministry of Science and Innovation (MICINN). Cynthia Fontes-Candia is recipient of a pre-doctoral grant from CONACYT (MEX/Ref. 306680). Marta Martinez-Sanz is recipient of a Juan de la Cierva (IJCI-2015-23389) contract from the Spanish Ministry of Economy, Industry and Competitiveness. / Fontes Candia, C. (2022). Development and Characterization of Gel-Like Structures from Aquatic Biomass for Food Applications [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/181564 / TESIS / Compendio

La administración tópica de medicamentos en terapias oftalmológicas consiste en colocar el fármaco (generalmente una solución o suspensión) directamente sobre el ojo mediante goteo. Luego de esta aplicación el tiempo de residencia del fármaco en la película lagrimal es generalmente corto, típicamente entre 2 y 5 minutos, y durante este tiempo solamente se absorbe en el tejido corneal entre 1 y 10% de la dosis aplicada. El resto del fármaco es drenado hacia la circulación sistémica junto con la lágrima. Usualmente estas limitaciones son compensadas con la aplicación de dos o más dosis seguidas, espaciadas cada 5 minutos, a fin de alcanzar la dosis terapéutica en el tejido. Según la gravedad de la patología, puede que este procedimiento deba realizarse varias veces al día. Todo este proceso conlleva a que se produzcan fluctuaciones muy marcadas en los niveles del fármaco en los tejidos, pudiendo alcanzarse valores superiores o inferiores a los niveles terapéuticos requeridos. Además, el uso de gotas oculares está asociado a una rápida variación en la velocidad de administración del fármaco a la córnea, lo cual a su vez limita la eficacia del sistema terapéutico. Si bien la administración tópica clásica mediante gotas (colirios) es de fácil aplicación y presenta menos complicaciones potenciales que otros sistemas de administración tópica (inyecciones, insertos, etc.), no es posible tener un control adecuado de la administración del fármaco ya que no permite controlar los niveles alcanzados con sucesivas aplicaciones durante todo el periodo de tratamiento. Por otra parte la absorción sistémica del fármaco a través del drenaje lagrimal genera una distribución del mismo en tejidos no específicos y evita el pasaje por el hígado, pudiendo causar efectos adversos sistémicos importantes, en especial cuando se administran de manera crónica. Con el objetivo de mejorar la absorción del fármaco en el sitio de acción o de absorción específico se han desarrollado estrategias alternativas que permiten aumentar su tiempo de permanencia en el ojo. Estos sistemas se denominan sistemas de transporte y liberación controlada de fármacos y se basan en la posibilidad de localizar el fármaco o la droga justamente en el sitio de acción y suministrar la cantidad necesaria durante el tiempo requerido, con el propósito de mejorar la biodisponibilidad y disminuir los efectos no deseados. Los sistemas de transporte y liberación de medicamentos son diseñados para regular la velocidad de liberación del fármaco, mantener una concentración terapéutica estable en el organismo, y evitar que se produzcan fluctuaciones importantes en sus niveles plasmáticos. En este caso la frecuencia de dosificación disminuye, se reduce el peligro de sobredosificación, se mejora la absorción, se alcanza un mayor tiempo de residencia y se producen menos efectos secundarios. La liberación de la droga a partir de estos sistemas puede ser constante durante un dado período o bien puede estar promovida por la acción de un determinado factor del entorno. Dentro de los sistemas alternativos para la administración de medicamentos oculares se encuentran las formulaciones semisólidas (geles), los ungüentos, los sistemas coloidales, los insertos y las lentes de contacto. Estos sistemas incrementan significativamente la eficiencia de las terapias oculares. Sin embargo presentan algunos inconvenientes como ser: visión borrosa en el caso de geles y ungúentos, problemas de colocación y expulsión, como sucede con los injertos. En el caso de las lentes de contacto, además de prolongar el tiempo de permanencia, también mejora la absorción, ya que su dimensión y ubicación (frente a la córnea) permite un contacto íntimo con la superficie corneal. Además presentan la ventaja de no interferir con la visión del paciente, no son expulsadas del ojo y en general presentan un alto confort. Las lentes de contacto adecuadas para estos fines son las denominadas “blandas” y son fabricadas empleando hidrogeles poliméricos ligeramente entrecruzados y se las conoce como lentes de contacto terapéuticas. Estas lentes de contacto terapéuticas, son preparadas fácilmente como sistemas de liberación mediante la inmersión de la lente en una solución de la droga o principio activo y actuando como reservorio. Las lentes de contacto de hidrogel han sido propuestas desde 1965 como posibles dispositivos para liberación o delivery de drogas. Sin embargo la mayoría de los estudios realizados desde esa fecha apuntan al estudio de la eficiencia que presentan las lentes de contacto blandas, diseñadas para otros fines (corrección óptica) como reservorio de medicamentos. Los inconvenientes que se presentan con las lentes de contacto blandas comerciales como sistemas de liberación controlada es su baja afinidad y capacidad de captar diferentes tipos de fármacos. Asimismo, en los casos donde la carga del fármaco en el hidrogel es adecuada, su mayor limitación radica en que la liberación para algunos fármacos ocurre demasiado rápido como para mantener niveles terapéuticos en las estructuras oculares durante períodos de tiempo suficientemente largos. En los últimos años se ha puesto mayor énfasis en la innovación tecnológica de lentes de contacto diseñados específicamente para sistemas de liberación de fármacos, debido en parte a los avances realizados en la comprensión de los mecanismos involucrados en los procesos de liberación, y al desarrollo y aplicación de nuevas estrategias orientadas a mejorar la capacidad de carga y el desempeño de estos sistemas. El comportamiento ideal de un sistema de liberación controlada o delivery de fármacos debería ser tal que pudiese regular la velocidad de liberación de forma tal de administrar la cantidad apropiada de fármaco, en el lugar adecuado y en el momento necesario. Una estrategia aplicada recientemente en el campo de la tecnología farmacéutica para el desarrollo de sistemas de transporte y liberación controlada de fármacos es el uso de hidrogeles responsivos, materiales con grupos funcionales capaces de modificar su estructura en respuesta a estímulos externos. En este marco, la aplicación de hidrogeles responsivos se basa en la posibilidad de que estos materiales modifiquen sus estructuras ante cambios del entorno, provocados por la presencia de un estado patológico, por requerimientos biológicos fluctuantes o por la aparición de ciertas biomoléculas, y liberen la cantidad apropiada del principio activo (fármaco) en función de la magnitud de ese cambio. La ventaja de emplear estos materiales radica en que se combinan las propiedades características de los hidrogeles con el potencial de regular la captación o liberación de sustancias en respuesta a cambios producidos en el entorno. El objetivo de este trabajo es sintetizar hidrogeles responsivos para su aplicación como sistemas de transporte y liberación de fármacos oculares de forma tal que permitan aumentar los tiempos de permanencia del fármaco en contacto con los tejidos oculares y lograr ejercer un control efectivo en la velocidad de liberación del mismo. Como se expuso previamente, esto permitirá: aumentar la absorción del fármaco, mejorar la biodisponibilidad, minimizar los efectos secundarios, disminuir la frecuencia de dosificación, evitar múltiples aplicaciones por dosis y mejorar el cumplimiento de la pauta terapéutica por parte de los pacientes. Particularmente, en este trabajo la elección del material se orientó hacia la posibilidad de modular la velocidad de liberación del fármaco en respuesta a pequeños cambios en el valor del pH lagrimal. A partir de copolimeros de dos monómeros acrílicos, 2-hidroxietil metacrilato (HEMA) y 2-(diisopropilamino)etil metacrilato (DPA), esperamos obtener un material, que presente por un lado propiedades compatibles para ser uso en la fabricación de lentes de contacto; y por otro lado que posea propiedades pH responsivas que permitan ser utilizados como sistemas para modular la liberación de fármacos y en particular en terapias oftalmológicas. El presente trabajo está organizado en capítulos. En el capítulo I se introduce el tema con una breve exposición de los conceptos generales sobre la administración de fármacos oculares y las vías de absorción. También se definen los sistemas de liberación controlada, sus características, y particularmente se describen las ventajas y desventajas del empleo de lentes de contacto terapéuticas y las posibilidades de emplear sistemas responsivos. En el capítulo II se describe de forma general la síntesis de los hidrogeles y los materiales y métodos empleados para la misma. En el capítulo III se estudian las propiedades fisicoquímicas de los hidrogeles sintetizados empleando diferentes técnicas de caracterización. Se estudian las características espectrales, las propiedades térmicas y las características superficiales. Como caracterización específica para su potencial aplicación se estudian las propiedades ópticas, la humectabilidad, el contenido acuoso y la densidad, a fin de determinar si los mismos son compatibles con su uso como lente de contacto terapéutica. En el capítulo IV se estudia el comportamiento de los copolímeros HEMA/DPA como sistemas de captación y liberación de principios activos, y su capacidad de controlar la velocidad de liberación a través de cambios en el pH del medio. En primer lugar se realiza un estudio sobre la capacidad de incorporar diferentes principios activos en diferentes condiciones de carga (pH y concentración de la solución de carga); en segundo lugar se analizan las interacciones entre algunos principios activos incorporados y la matriz de los polímeros; y en tercer lugar se estudia la capacidad de liberar los principios activos incorporados. A partir de éstos se determinan los tiempos y las cantidades de compuestos liberados en diferentes condiciones de pH y para las distintas composiciones y grados de entrecruzamiento de los hidrogeles. En el capítulo V se detallan las conclusiones generales de este trabajo y en el capítulo IX se plantean actividades y líneas de estudio que pueden ser motivo de trabajos futuros.

S’han dipositat capes primes d’hidrogel per tal de modificar les propietats superficials i millorar el comportament dels biomaterials. Dues de les tècniques de deposició química en fase vapor més comunes s’han estudiat per poder dur a terme aquestes modificacions. La deposició química foto-iniciada en fase vapor (piCVD) és un mètode simple, ràpid i no agressiu que permet depositari films d’hidrogel. És un mètode que s’inicia a la superfície de la mostra i que permet recobrir de manera homogènia superfícies tridimensionals com és el cas de les micro-partícules. El piCVD ofereix un ventall molt ampli d’hidrogels amb capacitat d’absorbir aigua, incorporant co-monòmers amb diferents propietats. Els hidrogels poden ser dissenyats perquè la reactivitat es localitzi a nivell superficial, millorant d’aquesta manera la funcionalització química dels hidrogels. Tanmateix, un nou mètode s’ha utilitzat per micro-estructurar les superfícies durant la deposició via piCVD per obtenir hidrogels amb comportaments especials. Els hidrogels termo-sensibles s’han obtingut via deposició química iniciada en fase vapor (iCVD). S’ha desenvolupat una llibreria d’hidrogels termo-sensibles, els quals exhibeixen una temperatura de transició molt marcada. La microbalança de quars amb dissipació (QCM-D) s’ha fet servir per analitzar la transició d’aquests films. La combinació de les propietats que ofereixen els films termo-sensibles dona la possibilitat de dissenyar una plataforma per prevenir la formació de biofilms. / Se han depositado capas delgadas de hidrogel para lamodificación superficial y mejora del comportamiento de los biomateriales. Dos de las técnicasmás comunes de deposición química en fase vapor se han estudiado para llevar a cabo estas modificaciones. La deposición química foto-iniciada en fase vapor (piCVD) es un método simple, rápido y no agresivo que permite depositar films de hidrogel. Es un método que se inicia en la superficie de la muestra y que permite recubrir de manera homogénea superficies tridimensionales como es el caso de las micro-partículas. El piCVD ofrece un abanico muy amplio de hidrogeles con capacidad de absorber agua, incorporando co-monomeros con diferentes propiedades. Los hidrogeles se pueden diseñar para que la reactividad se localice a nivel superficial, mejorando de esta manera la funcionalización química de los hidrogeles. Así mismo, un nuevo método se ha utilizado para micro-estructurar las superficies durante la deposición vía piCVD para obtener hidrogeles con comportamientos especiales. Los hidrogeles termo-sensibles se han obtenido vía deposición química iniciada en fase vapor (iCVD). Se ha desarrollado una librería de hidrogeles termo-sensibles, los cuales exhiben una temperatura de transición muy marcada. La microbalanza de cuarzo con disipación (QCM-D) se ha utilizado para analizar la transición de este film. La combinación de las propiedades que ofrecen los films termo-sensibles da la posibilidad de diseñar una plataforma para prevenir la formación de biofilms. / Thin hydrogel films have been deposited to modify surface properties and improve biomaterials performance. Two of the most common chemical vapor deposition techniques have been studied to carry out these modifications. Photo-initiated chemical vapor deposition piCVD has been developed as a simple, not aggressive and easy method for the deposition of thin hydrogel films. This method follows a versatile surface-driven reaction process that allows homogeneous coating of both 2D and 3D geometries, such as microspheres. piCVD offers the possibility to fabricate a wide range of swellable thin films, incorporating co-monomers with different properties, such as amine-reactivity, suitable for further modification. The hydrogels can be designed by nano-confining the reactivity to the near surface region, improving the chemical functionality of hydrogels. In addition, a new method to create micro-patterned surfaces can be applied during piCVD deposition to design surfaces having special behavior. Thermo-responsive thin hydrogel films have also been obtained via initiated chemical vapor deposition (iCVD). A library of thermo-sensitive films exhibiting controlled lower critical solution temperatures (LCST) has been generated. Quartz crystal microbalance with dissipation analysis has been used to analyze the phase-transition of these films. The intrinsic properties of thermo-sensitive hydrogels, such as tunable surface hydrophilicity or release of film-entrapped molecules, open the possibility to design systems for controlling biofilm formation.