Tesis por compendio / The present PhD thesis, entitled: "Essential oil components encapsulated in mesoporous silica supports: a bioactive properties evaluation and a toxicological approach" focuses on the study of protection and controlled release of natural bioactive agents, derived from essential oil components (EOCs), encapsulated in mesoporous silica particles (MSPs). In addition, this thesis evaluatesthe silica-based supports to reduceundesirable sensorial propertiesandfor ensuring a low-health risk. The first section of the thesis shows the effect of encapsulation of EOCs in mesoporous silica supports. This study evaluates the efficiency of free and encapsulated EOCs to reduce the viability of cancer colon cell lines. This sectionalso shows the selectivity of encapsulated EOCs against cancer linesandtheir effect onnormal (non-cancer) colon cells. Results indicate that EOCs effect can be enhanced and sustained in time when EOCs are encapsulated. Moreover, EOCs' encapsulation shows promising specificity indices, reaching to double effect on colon cancer cells above normal cells. On the other hand,the encapsulation supports and their surface functionalization allows the odour masking of high volatility EOCs. Therefore, the delivery system based on MSPs represents an excellent alternative to promote controlled EOCs release, taking advance of their bioactive properties and solving the technical disadvantages related to volatility and unpleasant odours. Finally, samples used for garlic components encapsulation were immobilised in nanofibers to provide homogeneous and easy-to-handle hybrid system for controlling delivery.The developed 'composite' has potential applications on food, pharmacology, medical or engineering fields. The second sectionof the thesis evaluates the toxicity of the mesoporous silica supports through in vitro and in vivo assessments. Cell viability allows to identify the cytotoxic impact based on the kind of silica-based support, and their features (doses range, size and surface structure changes). Furthermore, the use of Caednorhabditis elegansmodel,shows the in vivo effects afterMSPs ingestion. The toxicological study confirms that size and surface structure, are decisiveMSPs' featuresfor reducing the toxicity risks for health. In summary, the present thesis evaluates the mesoporous silica-based particles as supports for EOCs encapsulation and identifies the main MSPs' features forreducingthe health-toxicity impact. Results of this thesis show that MSPs improve the EOCs activity and help to solve technical problemsof EOCs' volatility.Moreover, these results open up a suitable and safety option for oral delivery devices. / La presente tesis titulada: "Componentes de aceites esenciales encapsulados en soportes mesoporosos de sílice: una evaluación de sus propiedades bioactivas y un enfoque toxicológico" se centra enla evaluación de las propiedades funcionales y organolépticas de agentes naturales bioactivos, derivados de componentes de aceites esenciales, encapsulados en materiales mesoporosos de sílice; a la vez que evalua la toxicidad de los soportes utilizados,con el fin de proponer nuevos sistemas de liberación controlada por vía oral. La primera sección de esta tesis muestra el efecto de la encapsulación de los compuestos de aceites esenciales (EOCs, por sus siglas en inglés) en soportes mesoporosos de sílice. Por un lado, seevalúa la eficiencia de los EOCs libres y encapsulados para reducir la viabilidad en líneas celulares de cáncer de colon. Además, se evalúa la selectividad de los EOCs frente a células de colon normales (líneas no tumorales). Por otro lado, seestudia la capacidad de enmascaramiento de olor de los soportes. Los resultados obtenidos, evidencian en primer lugar, que los EOCs encapsulados mejoran su actividad frente a células de cáncer,en comparacióncon la respuesta de los compuestos sin encapsular. La encapsulación hace que el efecto de los EOCs sea sostenido en el tiempo, y muestra índices de especificidad prometedores, cuandose evalua el efecto toxico de los EOCsfrente a células de cáncer de colon y células normales. Los resultados de esta primera sección, indican que los soportes basados en partículas de sílice mesoporosa (MSPs, por sus siglas en inglés) protegen y liberan eficientemente los compuestos, sino que, a la vez que la funcionalización de la superficie de las MSPs permite enmascarar el olor de los compuestos de mayor volatilidad, y con mayores inconvenientes a nivel sensorial (p.e. compuestos derivados del ajo). Por lo tanto, el sistema de encapsulación se plantea como una excelente alternativa para (i) promover la liberación controlada de EOCs, (ii) aprovechar y mejorar el efecto de sus propiedades bioactivas en células de cáncer de colón y (iii) controlar las desventajas técnicas relacionadas con la volatilidad y limitaciones organolepticas. Por último, se ha comprobado que los soportes empleados en la encapsulación de los compuestos derivados de ajo, mantienen su funcionalidad luego der ser inmovilizados en nanofribras de nylon.Con esto, se busca desarrollar un nuevo sistema de 'composite';un material híbrido y homogéneo, fácil de manejar, que libera controladamente los compuestos encapsulados desde soportes tipo fibras (composites).Estoexpande el abanico de aplicaciones de los EOCs en laindustria alimentaria y farmacológica. La segunda sección de esta tesis, evalúa la toxicidad de los soportes de sílice mesoporosa (MSPs) mediante ensayos in vitro e in vivo. En primer lugar, la viabilidad celular permite identificar el impacto citotóxico de los MSPs sobre líneas celulares de colón. En particular, se evalúa los soportes mesoporosos de sílice, tipo MCM41, en función de (i) las dosis empleadas, (ii) la diferencia de tamaño (micro y nanopartículas) y (iii) el efecto que la funcionalización de la superficie genera en la viabilidad celular. Por otro lado, empleando el modelo Caednorhabditis elegans, yadministrando por vía oral las MSPs,se evalua la influencia de las características de laspartículas (MSPs) en función de la esperanza de vida (lifespan) y la calidad con la que viven y envejecen (healthspan) los nematodos. Los resultados de este estudio,muestran que el tamaño y la estructura de la superficie de las partículas, son parámetros determinantesal momento de diseñar soportes de bajoriesgo toxicológico. En resumen, la presente tesis ha evaluado las características de la sílice mesoporosa, micro y nanoparticulada, como soporte de encapsulación para mejorar la actividad y las aplicaciones de los compuestos de aceites esenciales, al mismo tiempo / La present tesi titulada: "Components d'olis essencials encapsulats en suports mesoporosos de sílica: una avaluació de les seves propietats bioactives i un enfocament toxicològic" se centra en estudis de protecció i alliberament controlat d'agents naturals bioactius, derivats de components d'olis essencials, encapsulats en materials mesoporosos de sílica. Els components d'olis essencials encapsulats milloren les seves propietats funcionals i redueixen els problemes sensorials per aplicacions futures, garantint, al mateix temps, la baixa toxicitat dels suports desenvolupats. La primera secció de la tesi mostra l'efecte d'encapsulació dels components d'olis essencials (EOCs, per les seves sigles en anglès) en suports mesoporosos de sílica sobre la millora de les seues propietats bioactives i el camuflament de problemes sensorials. Este estudi avalua l'eficiència dels EOCs lliures i encapsulats per a reduir la viabilitat en línies cel¿lulars de càncer còlon. A més, la selectivitat dels EOCs es va provar enfront de cèl¿lules de còlon normals (no canceroses). Els resultats han demostrat que l'efecte dels EOCs pot ser millorat i sostingut en el temps quan els EOCs estan encapsulats. Encara més, l'encapsulació dels EOCs mostra índexs d'especificitat prometedors, arribant a duplicar la toxicitat en l'efecte en les cèl¿lules de càncer de còlon amb comparacio en les cèl¿lules normals. Els resultats també mostren que els suports basats en partícules de sílice mesoporoses (MSPs, per les seves sigles en anglès) no sols protegixen i alliberen EOCs eficientment, sinó que, a més, la funcionlització en superfície de les MSPs permet emmascarar l'olor dels EOCs d'alta volatilitat, que té una aplicació limitada a causa dels seus problemes sensorials(p.e. compostos derivats de l'all). Per tant, el sistema de subministrament proposat resulta una excel¿lent alternativa per a (i) promoure l'alliberament controlat de EOCs, (ii) avançant en les seues propietats bioactives en cel¿lulas de càncer còlon i (iii) controlant els desavantatges tècnics relacionats amb la volatilitat i la disseminació desagradable de les olors. Finalmet, les mostres utilitzades per encapsulació de compostos d'all es van immobilitzar en nanofibres per a proporcionar un sistema híbrid homogeni i fàcil de manejar amb administració controlada i característiques bioactives, per aplicacions potencials en l'àrea d'alimentació, farmacologia, medicina o enginyeria. La segona secció avalua la toxicitat del suports de sílice mesoporosa per mitjà d'avaluacions in vitro e in vivo. La viabilitat cel¿lular permet identificar l'impacte citotòxic basat en el tipus de suport base de sílice i les seues característiques (rang de dosi, grandària i canvis en l'estructura superficial).A més, utilitzant el model in vivo Caednorhabditis elegants, s'ha estudiat la influència de les característiques de la sílice mesoporosa, administrant micro i nanopartícules de base sílice, no sols en l'esperança de vida, sinó també en el comportament dels nematodes durant el seu envelliment. Aquest estudi ha demostrat que la grandària i l'estructura superficial, són decisius per a reduir el risc de toxicitat dels suports de sílice mesoporosa i obrir la possibilitat d'utilitzar estos materials en aplicacions d'ingesta oral. En resum, la present tesi ha avaluat les característiques de les partícules de sílice mesoporosa, com a suports d'encapsulació per a millorar l'activitat i les aplicacions dels EOCs, alhora que es va avaluar el seu principal risc tòxicologic. En conseqüència, els resultats obrin una opció adequada i de seguretat per als dispositius d'administració oral. / Acosta Romero, C. (2017). Essential oil components encapsulated in mesoporous silica supports: a bioactive properties evaluation and toxicological approach [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/90653 / Compendio

Tesis por compendio / La presente tesis doctoral, titulada "Nanotecnología y química supramolecular en procesos de liberación controlada y reconocimiento molecular para aplicaciones biomédicas", se centra en dos temas importantes: el reconocimiento molecular y los procesos de liberación controlada. Esta tesis doctoral está estructurada en cuatro capítulos. El primer capítulo introduce el concepto de materiales híbridos orgánicos-inorgánicos funcionalizados con puertas moleculares y sus aplicaciones biomédicas como nanomateriales para dirigir y controlar la liberación controlada de fármacos. Además se introduce una breve descripción sobre sensors colorimétricos basados en la base de la quimica supramolecular, particularmente en los procesos de reconocimiento molecular. En particular, el capítulo 2 describe la preparacion de cinco nanodispositivos que responden a enzimas. Estos materiales híbridos se componen de dos unidades principales: un soporte mesoporoso basado en sílice inorgánica, capaz de encapsular moléculas orgánicas y un compuesto orgánico anclado en la superficie externa del soporte mesoporoso inorgánico que actúa como puerta molecular. Todos los sistemas propuestos utilizan puertas moleculares peptídicas que responden a temperatura o enzimas como estímulo. La segunda parte de esta tesis doctoral se centra en el diseño y desarrollo de un nuevo compuesto químico capaz de detectar monóxido de carbono in vivo. En resumen, para todos los resultados antes mencionados podemos decir que esta tesis doctoral constituye una contribución científica original al desarrollo de la química supramolecular. Sus resultados derivados de los estudios presentados dejan rutas abiertas para continuar el estudio y el desarrollo de nuevos materiales híbridos y sensors químicos más eficientes para aplicaciones biomédicas y terapeuticas. / This PhD thesis entitled "Nanotechnology and supramolecular chemistry in controlled release and molecular recognition processes for biomedical applications", is focused on two important subjects: molecular recognition and controlled delivery processes. This PhD thesis is structured in four chapters. The first chapter introduces the concept of organic-inorganic hybrid materials containing switchable "gate-like" ensembles and their biomedical applications as nanomaterials for targeting and control drug delivery. Furthermore, is introduced a short review about chromo-fluorogenic chemosensors based on basic principles of supramolecular chemistry, particulary in molecular recognition processes. In particular, in chapter 2 is focus on the development of enzymatic-driven nanodevices. These hybrid materials are composed of two main units: an inorganic silica based mesoporous scaffold, able to store organic molecules and an organic compound anchored on the external surface of the inorganic mesoporous support than acts as molecular gate. All the systems proposed use peptidic gates that respond to temperature or enzimatic stimulis. The second part of this PhD thesis is focused on the design and development of a new chemical compound capable of detecting carbon monoxide in vivo. In summary, for all the results above mentioned we can say that this PhD thesis constitutes an original scientific contribution to the development of supramolecular chemistry. Its results derived from the studies presented leaves open routes to continue the study and development of new hybrid materials and more efficient chemical sensors with biomedical and therapeutic applications. / La present tesi doctoral, titulada "Nanotecnologia i química supramolecular en processos d'alliberament controlat i reconeixement molecular per a aplicacions biomèdiques", es centra en dos temes importants de la química: el reconeixement molecular i els processos d'alliberament controlat. Aquesta tesi doctoral està estructurada en quatre capítols. El primer capítol introdueix el concepte de materials híbrids orgànics-inorgànics funcionalitzats amb portes moleculars i les seves aplicacions biomèdiques com nanomaterials per dirigir i controlar l'alliberament controlat de fàrmacs. A més s'introdueix una breu descripció sobre sensors colorimètrics fonamentats en la base de la química supramolecular, particularment en els processos de reconeixement molecular. En particular, el capítol 2 descriu la preparació de cinc nanodispositius que responen a enzims. Aquests materials híbrids es componen de dues unitats principals: un suport mesoporos basat en sílice inorgànica, capaç d'encapsular molècules orgàniques i un compost orgànic ancorat a la superfície externa del suport mesoporós inorgànic que actua com a porta molecular. La segona part d'aquesta tesi doctoral es centra en el disseny i desenvolupaent d'un nou compost químic capaç de detectar monòxid de carboni in vivo. En resum, per a tots els resultats abans mencionats podem dir que esta tesi doctoral constituïx una contribució científica original al desenvolupament de la química supramolecular. Els seus resultats derivats dels estudis presentats deixen rutes obertes per a continuar l'estudi i el desenvolupament de nous materials hibrids i sensors químics més eficients per a aplicacions biomèdiques i terapeutiques. / De La Torre Paredes, C. (2017). Nanotechnology and supramolecular chemistry in controlled release and molecular recognition proceses for biomedical applications" [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/94043 / Compendio

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

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

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

L'accès à l'eau potable est indispensable au développement de la vie. La pollution, liée aux activités anthropiques, constitue une menace pour la santé humaine et pour les espèces sauvages. Parmi les nombreux polluants retrouvés dans les eaux, la pollution par les métaux lourds constitue un problème environnemental d'intérêt mondial en raison de leur toxicité élevée, même à des concentrations très faibles, et de leur persistance dans la nature. De nombreuses méthodes peuvent être mises en oeuvre pour l'élimination des métaux lourds dans l'eau. Parmi elles, les procédés d'adsorption sont très attractifs car très efficaces et peu couteux. Les zéolithes sont des matériaux bien connus pour leurs propriétés d'échange. Les matériaux mésoporeux modifiés ou adsorbants carbonés sont également très attractifs du fait de leur importante surface spécifique. Dans ce manuscrit, les performances d'adsorption de cations métalliques en phase aqueuse sur des matériaux mésoporeux, silices SBA-15, SBA-16, KIT-6 modifiées par l'EDTA et carbone CMK-3 obtenu par réplication ont été étudiées et comparées avec celles de la zéolithe NaX. Les propriétés physico-chimiques de l'ensemble des matériaux ont été caractérisées par plusieurs techniques d'analyses. L'influence des paramètres expérimentaux (pH, temps de contact, température, concentration des ions métalliques et de la présence d'ions concurrents) sur l'adsorption a été étudiée en mode batch. L'efficacité de ces matériaux a également été étudiée dans un réacteur dynamique à lit fixe. Les résultats obtenus ont montré que tous les matériaux étudiés éliminent efficacement et rapidement les métaux divalents dans les eaux même à faible concentration. Néanmoins, le carbone CMK-3 s'avère être le meilleur adsorbant du fait de sa grande capacité d'adsorption même en présence d'espèces compétitrices. / Access to sustainable and clean drinking water is a main concern as the Earth's human population continues its steady growth. Unfortunately, many of the available water resources are becoming increasingly polluted as a result of the direct discharge of industrial effluents. Heavy metals pollution, in particular, is an environmental problem of global interest due to their high toxicity, even at very low concentrations, and persistence in nature. Many methods are available for metal ions removal including adsorption which is attracting a lot of attention recently. Zeolites are well known for having very high exchange capacities. On the other hand, many researchers are studying the removal of heavy metals by modified mesoporous materials or carbonaceous adsorbents. In this thesis, the adsorption efficiencies of several materials for heavy metal removal in aqueous phase were investigated and compared to those of the faujasite NaX zeolite. Mesoporous silica SBA-15, SBA-16, KIT-6 were synthesized and modified with EDTA. Moreover, CMK-3 carbon was nano-casted from SBA-15 then the physic-chemical properties of these materials were characterized by different techniques. The effects of several experimental conditions on adsorption such as pH, contact time, temperature, metal ions concentration and the presence of competitors were studied in batch experiments. Then the efficiency of all these materials was also studied in a dynamic fixed bed reactor. Based on the obtained results, it could be said that all these materials are good candidates for divalent heavy metals removal from waste water even at low concentration. However, CMK-3 material has a high sorption capacity even in presence of competitor species.

O presente trabalho propõe o uso das cinzas de dois resíduos agroindustriais - casca de arroz e bagaço de cana-de-açúcar - como fonte de sílica (SiO2) para a síntese de sílicas mesoporosas altamente ordenadas. Esta aplicação, além de agregar valor aos resíduos, busca uma alternativa ao tetraetil ortossicato, uma fonte de sílica dispendiosa, cuja obtenção resulta em danos ambientais. Amostras de cascas arroz de quatro procedências distintas foram caracterizadas por termogravimetria/ termogravimetria derivada (TG/DTG), calorimetria exploratória diferencial (DSC) e análise elementar de CHN. Com base nestes resultados, duas amostras foram selecionadas para obtenção de sílica. Outras duas amostras de bagaço de cana-de-açúcar de origens diferentes foram também caracterizadas por esta metodologia. Para melhor entender as etapas de degradação térmica da matéria orgânica, os resultados de TG/DTG foram associados aos de FT-IR e um estudo cinético por TG foi realizado. Diferentes tratamentos em meio ácido, com o objetivo de remover impurezas e reduzir o tempo necessário para calcinação dos materiais, foram realizados. O método escolhido para cada um dos materiais foi definido a partir dos testes e por avaliação de resultados de TG/DTG. As cinzas obtidas após calcinação em mufla dos materiais com e sem tratamento ácido prévio, foram caracterizadas por MEV/EDS, DRX e isotermas de adsorção/dessorção de N2. As cinzas das amostras com tratamento apresentaram maior pureza que as não tratadas e, para as obtidas a partir casca de arroz, foram amorfas e com alta área superficial BET (200-300 m2.g-1). A síntese de sílicas mesoporosas foi testada empregando-se as cinzas isoladas de amostras tratadas em meio ácido utilizando três rotas sintéticas diferentes. Em uma delas foi possível obter um material de morfologia esférica, com área superficial BET de cerca de 500 m2.g-1 e diâmetro de poro médio (BJH) de 4 nm. A caracterização por espalhamento de raios X a baixo ângulo (SAXS) revelou um ordenamento hexagonal dos poros. Um material de mesma morfologia foi obtido empregando-se silicato de sódio comercial ao invés das cinzas. Os materiais obtidos possuem potencial para diversas aplicações, destacando-se o uso no empacotamento de colunas para cromatografia líquida, encapsulação de fármacos com liberação controlada, catálise e suporte para deposição de materiais. / This work proposes the use of ashes of two agro-industrial wastes - rice husk and sugar cane bagasse - as a source of silica (SiO2) for the synthesis of highly ordered mesoporous silicas. This application, besides adding value to waste, aims an alternative to ortossicato tetraethyl, an expensive source of silica, whose obtaining causes environmental damage. Samples of rice husks from four different sources were characterized by thermogravimetry / derivative thermogravimetry (TG / DTG), differential scanning calorimetry (DSC) and elemental CHN analysis. Based on these results, two samples were selected to obtain silica. Two other samples of sugar cane bagasse from different sources were also characterized by this methodology. To better understand the steps of thermal degradation of organic matter, the results of TG / DTG were associated with FT-IR and a kinetic study was performed by TG. Different treatments in an acid medium were carried out with the aim of removing impurities and reduce the time required for calcination of the materials. The method chosen for each material was defined from the tests and from evaluation of the results of TG / DTG. The ash obtained after the calcination of materials in muffle furnace, with and without prior acid treatment, were characterized by SEM / EDS, XRD and isotherms of adsorption/desorption of N2. The treated samples ashes showed higher purity than those not treated, and for those obtained from rice hulls were amorphous and with high BET surface area (200-300 m2.g-1). The synthesis of mesoporous silicas were tested employing the isolated ash samples treated in acid medium using three different synthetic routes. In one of them it was possible to obtain a spherical morphology material with BET surface area of 500 m2.g-1 and average pore diameter (BJH) of 4 nm. The characterization by small angle X-ray scattering (SAXS) showed a hexagonal ordering of the pores. A material with the same morphology was obtained employing commercial sodium silicate instead of the ash. The synthetized materials have potential for many applications, including packaging of liquid chromatography columns, encapsulation of drugs with controlled release, catalysis and support for deposition of materials.

A contaminação de aguas pela mistura Benzeno, Tolueno, Etilbenzeno e Xilenos (BTEX) vem gerando a necessidade do desenvolvimento de metodologias altamente eficientes na remoção de poluentes e de metodologias analíticas para monitoramento ambiental suficientemente sensíveis, seletivos, reprodutíveis e rápidos. Nesse contexto, adsorventes com propriedades magnéticas aparecem como alternativas eficientes, de baixo custo e de fácil automação, inclusive possibilitando o desenvolvimento de metodologia analítica baseada na extração em fase sólida magnética (m-SPE), que vem ganhando interesse crescente por permitir extração rápida e análise efetiva dos poluentes com alta sensibilidade. A busca por adsorventes adequados exige o estudo de materiais com grande área superficial, funcionalizáveis e estáveis como as sílicas, mais especificamente uma comparação entre os tipos de sílica e do tipo de agente funcionalizante nas propriedades de adsorção/dessorção. Sílicas mesoporosas oraganofuncionalizas magnéticas com diferentes morfologias foram preparadas: sílica mesoporosa ordenada MCM-48 e MCM-41, bem como nanoparticulas esféricas de sílica mesoporosa (NPSiO2). A formação da silica mesoporosa ordenada começa com a preparação de um template de CTAB sobre o qual são depositados/formados os materiais MCM-41 e MCM-48. A concentração de CTAB deve ser controlada com cuidado pois estruturas com diferentes morfologias podem ser geradas variando-se esse parâmetro. As análises de espectroscopia FTIR, DRX e sorção de N2 revelaram que os materiais preparados são sílicas mesoporosas ordenadas com arranjo tipo giroide 3D (MCM-48) ou do tipo hexagonal (MCM-41) com área superficial respectivamente de 1212 m2.g-1 e 1159 m2.g-1. Além disso, as imagens de MET do material MCM-48 mostraram tamanho médio de partícula igual a 116 nm ± 15 nm. Para facilitar a remoção do adsorvente, nanopartículas de magnetita (SPION) foram incorporadas na superfície dos materiais adsorventes. O tempo de remoção típico foi determinado como sendo de 1 minuto. A organofuncionalização da sílica com octadecilssilano (C18), octilssilano (C8) e difenilssilano (Ph2) foi confirmada por espectroscopia FTIR e análise termogravimétrica demostrando a presença e a percentagem em massa dos grupos orgânicos em cada tipo de sílica mesoporosa. Usando como referência sílica gel 60 comercial (Sílica), foram comparadas as propriedades de adsorção frente a BTEX em agua, quando o agente funcionalizante é C8, C18 ou Ph2. Os resultados indicaram que as capacidades de adsorção, segundo o modelo de Langmuir, seguem a seguinte ordem C8≥C18>>Ph2. A partir disso, as propriedades de adsorção das demais sílicas funcionalizadas com C8 foram comparadas determinando-se que as capacidades de adsorção, segundo o modelo de Langmuir, estão na seguinte ordem: MCM-48>Sílica>NPSiO2>MCM-41. O nanocompósito organofuncionalizado MCM48-C8/SPION, que mostrou as melhores propriedades de adsorção, foi usado para a extração em fase sólida magnética (m-SPE) de BTEX em agua de posto de gasolina. Verificou-se que apenas 30 mg de adsorvente, 5 min de contato com a solução de BTEX, 1 min para remoção do adsorvente e 1 min para a extração foram suficientes para concentração/recuperação de BTEX de agua pela técnica de m-SPE, viabilizando a análise quantitativa, no caso por CG-MS. / The contamination of water bodies by Benzene, Toluene, Ethylbenzene and Xylenes (BTEX) has prompted the development of more efficient methodologies for their removal and the development of sufficiently sensitive, selective, reproducible and fast analytical methods for environmental monitoring. In this context, adsorbent materials with magnetic properties appear as efficient, low cost and easy automation alternatives, including the development of analytical methods based on magnetic solid phase extraction (m-SPE), which has gaining increasing interest since allows rapid extraction and effective analysis of pollutants with high sensitivity. The search for suitable adsorbents requires the study of materials with large surface area, functionalizable and stable as the silica\'s family, more specifically a comparison between the types of silica and the type of functionalizing agent on their adsorption/desorption properties. Magnetic organofunctionalized mesoporous silicas with different morphologies were prepared: ordered mesoporous silica MCM-48 and MCM-41, as well as spherical nanoparticles of mesoporous silica (NPSiO2). The formation of ordered mesoporous silica begins with the preparation of a CTAB template on which silica is deposited/formed to produce MCM-41 and MCM-48 materials. The CTAB concentration must be carefully controlled since colloidal structures with different morphologies can be generated by varying this parameter. The FTIR, XRD and N2 sorption spectroscopy analyzes confirmed the preparation of ordered mesoporous silica materials with a gyroid 3D (MCM-48), or hexagonal type (MCM-41) arrangement respectively with a surface area of 1212 m2.g-1 and 1159 m2.g-1. In addition, the MET images of the MCM-48 material showed mean particle size equal to 116 nm ± 15 nm. To facilitate removal from water, magnetite nanoparticles (SPIONs) were incorporated into the surface of adsorbent materials. The typical removal time was determined to be 1 minute. The organofunctionalization of the silica with octadecylsilane (C18), octylsilane (C8) and diphenylsilane (Ph2) was confirmed by FTIR spectroscopy and thermogravimetric analysis demonstrating the presence and allowing the determination of the mass percentage of the organic fraction in each type of mesoporous silica. Using commercial silica gel (Silica) as reference, the adsorption properties toward BTEX in water were compared when the functionalizing agent is C8, C18 or Ph2. The results indicated that the adsorption capacities, according to the Langmuir model, decrease in the following order C8 ≥ C18 >> Ph2. From this, the adsorption properties of the C8 functionalized silicas were compared showing that the adsorption capacities according to the Langmuir model decrease in the following order: MCM-48 > Silica > NPSiO2 > MCM-41. The organofunctionalized nanocomposite MCM48-C8/SPION, exhibiting the best adsorption properties, was used in magnetic solid phase extraction (m-SPE) of BTEX from gas station water. Only 30 mg of adsorbent, 5 min of contact with the BTEX solution, 1 min to remove the adsorbent and 1 min for extraction were enough for concentration/recovery of BTEX in water by m-SPE technique suitable for quantitative analysis, in this case by CG-MS.

A contaminação de aguas pela mistura Benzeno, Tolueno, Etilbenzeno e Xilenos (BTEX) vem gerando a necessidade do desenvolvimento de metodologias altamente eficientes na remoção de poluentes e de metodologias analíticas para monitoramento ambiental suficientemente sensíveis, seletivos, reprodutíveis e rápidos. Nesse contexto, adsorventes com propriedades magnéticas aparecem como alternativas eficientes, de baixo custo e de fácil automação, inclusive possibilitando o desenvolvimento de metodologia analítica baseada na extração em fase sólida magnética (m-SPE), que vem ganhando interesse crescente por permitir extração rápida e análise efetiva dos poluentes com alta sensibilidade. A busca por adsorventes adequados exige o estudo de materiais com grande área superficial, funcionalizáveis e estáveis como as sílicas, mais especificamente uma comparação entre os tipos de sílica e do tipo de agente funcionalizante nas propriedades de adsorção/dessorção. Sílicas mesoporosas oraganofuncionalizas magnéticas com diferentes morfologias foram preparadas: sílica mesoporosa ordenada MCM-48 e MCM-41, bem como nanoparticulas esféricas de sílica mesoporosa (NPSiO2). A formação da silica mesoporosa ordenada começa com a preparação de um template de CTAB sobre o qual são depositados/formados os materiais MCM-41 e MCM-48. A concentração de CTAB deve ser controlada com cuidado pois estruturas com diferentes morfologias podem ser geradas variando-se esse parâmetro. As análises de espectroscopia FTIR, DRX e sorção de N2 revelaram que os materiais preparados são sílicas mesoporosas ordenadas com arranjo tipo giroide 3D (MCM-48) ou do tipo hexagonal (MCM-41) com área superficial respectivamente de 1212 m2.g-1 e 1159 m2.g-1. Além disso, as imagens de MET do material MCM-48 mostraram tamanho médio de partícula igual a 116 nm ± 15 nm. Para facilitar a remoção do adsorvente, nanopartículas de magnetita (SPION) foram incorporadas na superfície dos materiais adsorventes. O tempo de remoção típico foi determinado como sendo de 1 minuto. A organofuncionalização da sílica com octadecilssilano (C18), octilssilano (C8) e difenilssilano (Ph2) foi confirmada por espectroscopia FTIR e análise termogravimétrica demostrando a presença e a percentagem em massa dos grupos orgânicos em cada tipo de sílica mesoporosa. Usando como referência sílica gel 60 comercial (Sílica), foram comparadas as propriedades de adsorção frente a BTEX em agua, quando o agente funcionalizante é C8, C18 ou Ph2. Os resultados indicaram que as capacidades de adsorção, segundo o modelo de Langmuir, seguem a seguinte ordem C8≥C18>>Ph2. A partir disso, as propriedades de adsorção das demais sílicas funcionalizadas com C8 foram comparadas determinando-se que as capacidades de adsorção, segundo o modelo de Langmuir, estão na seguinte ordem: MCM-48>Sílica>NPSiO2>MCM-41. O nanocompósito organofuncionalizado MCM48-C8/SPION, que mostrou as melhores propriedades de adsorção, foi usado para a extração em fase sólida magnética (m-SPE) de BTEX em agua de posto de gasolina. Verificou-se que apenas 30 mg de adsorvente, 5 min de contato com a solução de BTEX, 1 min para remoção do adsorvente e 1 min para a extração foram suficientes para concentração/recuperação de BTEX de agua pela técnica de m-SPE, viabilizando a análise quantitativa, no caso por CG-MS. / The contamination of water bodies by Benzene, Toluene, Ethylbenzene and Xylenes (BTEX) has prompted the development of more efficient methodologies for their removal and the development of sufficiently sensitive, selective, reproducible and fast analytical methods for environmental monitoring. In this context, adsorbent materials with magnetic properties appear as efficient, low cost and easy automation alternatives, including the development of analytical methods based on magnetic solid phase extraction (m-SPE), which has gaining increasing interest since allows rapid extraction and effective analysis of pollutants with high sensitivity. The search for suitable adsorbents requires the study of materials with large surface area, functionalizable and stable as the silica\'s family, more specifically a comparison between the types of silica and the type of functionalizing agent on their adsorption/desorption properties. Magnetic organofunctionalized mesoporous silicas with different morphologies were prepared: ordered mesoporous silica MCM-48 and MCM-41, as well as spherical nanoparticles of mesoporous silica (NPSiO2). The formation of ordered mesoporous silica begins with the preparation of a CTAB template on which silica is deposited/formed to produce MCM-41 and MCM-48 materials. The CTAB concentration must be carefully controlled since colloidal structures with different morphologies can be generated by varying this parameter. The FTIR, XRD and N2 sorption spectroscopy analyzes confirmed the preparation of ordered mesoporous silica materials with a gyroid 3D (MCM-48), or hexagonal type (MCM-41) arrangement respectively with a surface area of 1212 m2.g-1 and 1159 m2.g-1. In addition, the MET images of the MCM-48 material showed mean particle size equal to 116 nm ± 15 nm. To facilitate removal from water, magnetite nanoparticles (SPIONs) were incorporated into the surface of adsorbent materials. The typical removal time was determined to be 1 minute. The organofunctionalization of the silica with octadecylsilane (C18), octylsilane (C8) and diphenylsilane (Ph2) was confirmed by FTIR spectroscopy and thermogravimetric analysis demonstrating the presence and allowing the determination of the mass percentage of the organic fraction in each type of mesoporous silica. Using commercial silica gel (Silica) as reference, the adsorption properties toward BTEX in water were compared when the functionalizing agent is C8, C18 or Ph2. The results indicated that the adsorption capacities, according to the Langmuir model, decrease in the following order C8 ≥ C18 >> Ph2. From this, the adsorption properties of the C8 functionalized silicas were compared showing that the adsorption capacities according to the Langmuir model decrease in the following order: MCM-48 > Silica > NPSiO2 > MCM-41. The organofunctionalized nanocomposite MCM48-C8/SPION, exhibiting the best adsorption properties, was used in magnetic solid phase extraction (m-SPE) of BTEX from gas station water. Only 30 mg of adsorbent, 5 min of contact with the BTEX solution, 1 min to remove the adsorbent and 1 min for extraction were enough for concentration/recovery of BTEX in water by m-SPE technique suitable for quantitative analysis, in this case by CG-MS.

Ces travaux de thèse sont dédiés à l’élaboration, la caractérisation et l’application des nanoparticules de silice mésoporeuse (MSNs) et d’organosilice (PMOs). Ces nanomatériaux qui font l’objet d’un grand intérêt dans la communauté scientifique, présentent des propriétés intéressantes telles que: une surface spécifique élevée, le contrôle de la morphologie, la porosité ajustable et enfin la facilité de fonctionnalisation de leur surface par des groupes fonctionnels. Dans cette thèse, deux familles de nanoparticules ont été étudiées : les nanoparticles de silice mésoporeuse (MSNs) et les nanoparticules d’organosilice.Premièrement, les MSNs synthétisées avec une taille de 200 nm et une surface spécifique de 810 m2/g ont été fonctionnalisées d’une manière covalente avec des antioxydants, un polyphénol l’acide caféique (CAF) qui est lié par sa fonction acide (-COOH) à une fonction amine (préalablement greffée sur la silice), ou un flavonoïde la ruine (RUT) qui est liée par l’isocianatopropylthrietoxysilane comme intermédiaire silicique. Les antioxydants ont été greffés afin de diminuer le stress oxydant. Les effets cellulaires sont étudiés sur deux lignées, une lignée de cellules issues d’un carcinome colo-rectal (lignée Caco-2) et une lignée tumorale de la peau (lignée HaCaT).Dans une deuxième partie, nous avons étudié l’influence de l’ajout d’un co-solvant «éthanol» au cours de la synthèse sur la morphologie des nanoparticules de silice mésoporeuse qui entraine la formation de nanoparticules de forme bâtonnet (MSNR) ainsi que le changement de structure de la poosité. Par la suite, les NPs de forme sphérique MSNA et les NPs de forme bâtonnet MSNR ont été chargées par la doxorubicine (DOX) et testées in vitro sur des cellules MCF-7.De plus, les synthèses de nanoparticules d’organosilice ont été réalisées. Ces nanomatériaux sont exclusivement synthétisés à partir de bis (3-méthoxysilyl propyl) -N-méthylamine et bis (triéthoxysilylpropyl) amine. Tout d'abord, la synthèse des NPs d’organosilice à cavité (HPONP) est decrite. Les HPONP ont été utilisés alors pour la délivrance de méthotrexate dans des cellules MCF-7. Deuxièmement, la synthèse d'autres types de NP d’organosilice (HMONP) obtenus par condensation du précurseur de bis (3-méthoxysilyl propyl) -N-méthylaminea été étudiée. Afin d'élargir la cavité des NP, nous avons signalé l'utilisation de TEB comme agent gonflement conduisant à la synthèse des HMLONP à large cavité. La morphologie et les compositions des NP ont été complètement caractérisées par diverses techniques et la délivrance de pepstatine à partir de HMLONP est envisagée. Pour ajouter une biodégradabilité aux nanocarriers, des nanoparticules mixtes ont été synthétisées par condensation de la bis (3-méthoxysilyl) propylméthylamine et du bis [3-(triéthoxysilyl) propyl] disulfure. Différentes nanoplatformes ont été conçues et entièrement caractérisées. La biodégradabilité a été évaluée dans des conditions quasi physiologiques. En outre, la voie de synthèse a été modifiée pour concevoir des nanoparticules d'organosilice à base d'éthylène ou de porphyrine. Ces nanoparticules ont été testées in vitro avec des cellules de cancer du sein et utilisées pour la délivrance de méthotrexate et de gemcitabine monophosphate.Enfin, on a décrit les nanoparticules organosilice de type cœur coquille. La coquille de ces nanoparticules obtenue par condensation du bis- (triéthoxysilyl) éthane et du bis (3- (triéthoxysilyl) propyl) tétrasulfure. Ces nanoparticules biodégradables du fait des groupements tetrasulfure ont été testées in vitro avec des cellules de cancer du sein pour l'imagerie et la délivrance d’un anticancéreux. / This work is dedicated to the development, characterization and application of nanoparticles of mesoporous silica (MSNs) and organosilica (PMOs) nanoparicles. Silica nanoparticles became the subject of intense research worldwide for many reasons: their unique chemical and physical characteristics, high biocompatibility, various shapes ranging from spheres to rods with tunable diameter, easily functionalizable surface, and the ability to be used as a shell on different type of inorganic nanoparticles such as gold, iron oxide, lanthanide nanoparticles. In this dissertation mesoporous silica NPs and organosilica NPs have been designed, optimized and fully characterized. These two types of silica NPs have been applied for biological applications (drug delivery and bioimaging).First, mesoporous silica nanoparticles (MSNs) were designed and were covalently coated with antioxidant molecules, namely, caffeic acid (MSN-CAF) or rutin (MSN-RUT), in order to diminish the impact of oxidative stress induced after transfection into cells. Two cellular models involved in the entry of nanoparticles in the body were used for this purpose: the intestinal Caco-2 and the epidermal HaCaT cell lines. Rutin gave the best results in terms of antioxidant capacities preservation during coupling procedures, cellular toxicity alleviation, and decrease of ROS level after 24 h incubation of cells with grafted nanoparticles.Secondly, we studied the control of the shape of MSNs by the addition of ethanol (EtOH) as cosolvent. Spherical (MSNA) or Rod MSNs (MSNR) were obtained, and then loaded loaded with doxorubicin and incubated with MCF-7 breast cancer cells. MSNA and MSNR particles were efficient in killing cancer cells but their behaviour in drug delivery was altered on account of the difference in their morphology.Then, the syntheses of new organosilica nanoparticles are reported. These nanomaterials are exclusively synthesized from bis (triethoxysilylpropyl) amine (BTSPA), bis (3-methoxysilyl propyl) -N-methylamine (BMSPMA) and bis- (triethoxysilyl) ethane precursors. First, it is reported the synthesis of hollow organosilica NPs (HPONPs) obtained through the condensation of bis (triethoxysilylpropyl) amine precursor by sol-gel process. HPONPs were used then for methotrexate delivery in MCF-7 cells. Secondly, it is reported the synthesis of other types of hollow organosilica NPs (HMONPs) obtained through the condensation of bis (3-methoxysilyl propyl) -N-methylamine precursor. In order to enlarge the cavity of NPs, we reported the use of TEB as swelling agent leading to the synthesis of HMLONPs. The morphology and the compositions of the NPs were fully characterized by various techniques and the pepstatin delivery from HMLONPs are under considaration. To add biodegradability to the nanocarriers, mixed nanoparticles were synthesized through the condensation of bis (3-methoxysilyl) propyl methylamine and the bis [3-(triethoxysilyl) propyl] disulfide. Different nanoplatforms were designed and fully characterized. The biodegradability was assessed in near-physiological conditions. Furthermore, the synthesis pathway was modified to design ethylene-porphyrin based organosilica nanoparticles. These nanoparticles were tested in vitro with breast cancer cells and used for methotrexate and gemcitabine monophosphate delivery.Finally, gold core shell mixed organosilica nanoparticles were described. The mixed shell of these nanoparticles was obtained by the co-condensation of bis- (triethoxysilyl) ethane and the bis (3-(triethoxysilyl) propyl)tetrasulfide. These biodegradable nanoparticles were tested in vitro with breast cancer cells for photon fluorescence imaging and core shell NPs were studied for drug delivery.