[ES] Las fibras ópticas son dispositivos muy utilizados en el campo de las telecomunicaciones desde su descubrimiento. En las últimas décadas, las fibras ópticas comenzaron a utilizarse como sensores fotónicos. Los primeros trabajos se centraron en la medición de unas dimensiones físicas en un punto específico. Posteriormente, surgió la posibilidad de medir las propiedades de la fibra óptica en diferentes puntos a lo largo de la fibra. Este tipo de sensores se definen como sensores distribuidos. Los componentes optoelectrónicos fueron desarrollados e investigados para telecomunicaciones. Los avances en las telecomunicaciones hicieron posible el desarrollo de sistemas de interrogación para sensores de fibra óptica, creciendo en paralelo con los avances de las telecomunicaciones. Se desarrollaron sistemas de interrogación de fibra óptica que permiten el uso de una única fibra óptica monomodo estándar como sensor que puede monitorear decenas de miles de puntos de detección al mismo tiempo. Los métodos que extraen la información de detección de la señal reflejada en la fibra óptica son los más empleados debido a la facilidad de acceso al sensor y la flexibilidad de estos sistemas. Los más estudiados son la reflectometría en dominios de tiempo y frecuencia. La reflectometría óptica en el dominio del tiempo (OTDR) fue la primera técnica utilizada para detectar la posición de los fallos en las redes de comunica-ción de fibra óptica. El OTDR sensible a la fase hizo posible detectar la elongación y la temperatura en una posición específica. Paralelamente, los gratings de Bragg (FBG) se convirtieron en los dispositivos más utilizados para implementar sensores en fibra óptica discretos. Se desarrollaron técnicas de multiplexación para realizar la detección en múltiples puntos utilizando FGBs. La reflectometría realizada interrogando arrays de FBG débiles demuestra que mejora el rendimiento del sistema en comparación al uso de una fibra monomodo. Los sistemas de interrogatorio actuales tienen algunos inconvenientes. Algunos de ellos son velocidad de interrogatorio limitada, grandes dimensiones y alto costo. En esta tesis doctoral se desarrollaron nuevos sistemas de interrogación y sensores de fibra óptica para superar algunos de estos inconvenientes. Los sensores de fibra óptica de plástico demuestran ser una plataforma innovadora para desarrollar nuevos sensores y sistemas de interrogación de bajo costo y fáciles de implementar para fibras de plástico comerciales. Se investigó la reflectometría en el dominio del tiempo y las técnicas fotónicas de microondas para la interrogación de una matriz de rejillas débiles que permitieron simplificar el sistema de interrogación para la detección de temperatura y vibración. / [CA] Les fibres òptiques són dispositius molt utilitzats en el camp de les telecomunica-cions des del seu descobriment. En les últimes dècades, les fibres òptiques van començar a utilitzar-se com a sensors fotònics. Els primers treballs es van centrar en el mesurament d'unes dimensions físiques en un punt específic. Posteriorment, va sorgir la possibilitat de mesurar les propietats de la fibra òptica en diferents punts al llarg de la fibra. Aquest tipus de sensors es defineixen com a sensors distribüits. Els components optoelectrònics van ser desenvolupats i investigats per a telecomunicacions. Els avanços en les telecomunicacions van fer possi-ble el desenvolupament de sistemes d'interrogació per a sensors de fibra òptica, creixent en paral·lel amb els avanços de les telecomunicacions. Es van desenvolupar sistemes d'interrogació de fibra òptica que permeten l'ús d'una única fibra òptica monomodo estàndard com a sensor que pot monitorar desenes de milers de punts de detecció al mateix temps. Els mètodes que extreuen la informació de detecció del senyal reflectit en la fibra òptica són els més utilitzats a causa de la facilitat d'accés al sensor i la flexibilitat d'aquests sistemes. Els més estudiats són la reflectometría en dominis de temps i freqüència. La reflectometría òptica en el domini del temps (OTDR) va ser la primera tècnica utilitzada per a detectar la posició de les fallades en les xarxes de comunicació de fibra òptica. El OTDR sensible a la fase va fer possible detectar l'elongació i la temperatura en una posició específica. Paral·lelament, els gratings de Bragg (FBG) es van convertir en els dispositius més utilitzats per a implementar sensors en fibra òptica discrets. Es van desenvolupar tècniques de multiplexació per a realitzar la detecció en múltiples punts utilitzant FGBs. La reflectometría realitzada interrogant arrays de FBG febles demostra que millora el rendiment del sistema en comparació a l'ús d'una fibra monomodo. Els sistemes d'interrogatori actuals tenen alguns inconvenients. Alguns d'ells són velocitat d'interrogatori limitada, voluminositat i alt cost. En aquesta tesi doctoral es van desenvolupar nous sistemes d'interrogació i sensors de fibra òptica per a superar alguns d'aquests inconvenients. Els sensors de fibra òptica de plàstic demostren ser una plataforma innovadora per a desenvolupar nous sensors i siste-mes d'interrogació de baix cost i fàcils d'implementar per a fibres de plàstic comercials. Es va investigar la reflectometría en el domini del temps i les tècniques fotòniques de microones per a la interrogació d'una matriu de reixetes febles que van permetre simplificar el sistema d'interrogació per a la detecció de temperatura i vibració. / [EN] Optical fibers are devices largely used in telecommunication field since their discovery. In the last decades, optical fibers started to be used as photonic sensors. The first works were focused on the measurement of physical dimensions to a specific point. Afterward, emerged the possibility to measure the optical fiber properties at different locations along the fiber. These kinds of sensors are defined as distributed sensors. The optoelectronic components were developed and investigated for telecommunications. The progress in telecommunication made possible the development of optical fiber sensors interrogation systems, growing in parallel with the advances of telecommunications. Optical fiber interrogation systems were developed to use a single standard monomode optical fiber as a sensor that can monitor tens of thousands of sensing points at the same time. The methods that extract the sensing information from the backscattered signal in the optical fiber are widely employed because of the easiness of access to the sensor element and the flexibility of these systems. The most studied are the reflectometry in time and frequency domains. The optical time domain reflectometry (OTDR) was the first technique used to detect the position of the failures in the optical fiber communication networks. Using phase sensitive OTDR it is possible to sense strain and temperature at a specific position. In parallel, fiber Bragg gratings (FBGs) became the most widely used devices to implement discrete optical fiber sensors. Multiplexing techniques were developed to perform multi points sensing using these gratings. The reflectometry performed interrogating weak FBGs arrays demonstrate to improve the performance of the system employing a single mode fiber. The interrogation systems nowadays have some drawbacks. Some of them are limited speed of interrogation, bulkiness, and high cost. New interrogation systems and optical fiber sensors were developed in this doctoral thesis to overcome some of these drawbacks. Plastic optical fiber sensors demonstrate to be an innovative platform to develop both new sensors and low cost, easy to implement interrogation systems for commercial plastic fibers. Reflectometry in time domain and microwave photonic techniques were investigated for the interrogation of weak gratings array allowed to simplify the interrogation system for the sensing of temperature and vibration. / I would like to greatly thank the European Union’s Horizon 2020 Research and Innovation Program that funded the research described in this thesis under the Marie Sklodowska-Curie Action Grant Agreement 722509. / Sartiano, D. (2021). Design of optical fiber sensors and interrogation schemes [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/161357

[ES] En este trabajo de tesis doctoral, la investigación se ha centrado en el desarrollo de diferentes procesos catalíticos heterogéneos empleando materiales híbridos orgánico-inorgánicos porosos (MOFs y sílices funcionalizadas) y materiales orgánicos aromáti-cos (PAFs), que se han estudiado en diversas reacciones orgánicas. Tras la preparación de los MOFs en estudio, se han caracterizado sus propiedades estructurales y se han determinado sus centros activos en los clústeres metálicos (circonio, hafnio o cerio). La reactividad de estos MOFs y de los materiales híbridos sílice-aminas se ha estudia-do teniendo en cuenta sus centros catalíticos; estas reacciones se han optimizado lle-vando a cabo un estudio de los mecanismos de reacción. Finalmente, se han preparado sólidos homoquirales de tipo PAF que presentan el sistema binaftilo, cuya reactividad también ha sido probada. Más específicamente, en el capítulo 3 se ha estudiado la esterificación de amidas, que permite convertirlas en ésteres, grupos funcionales más versátiles. Esta transfor-mación se ha abordado desde la catálisis heterogénea via MOFs basados en circonio, hafnio y cerio de las series MOF-808, UiO-66 y MOF-801. El catalizador más eficien-te para la esterificación de amidas ha sido el MOF-808-Zr. Mediante análisis TGA y la adsorción de una molécula sonda básica (CO) estudiada utilizando espectroscopia FT-IR, se han determinado los centros ácidos de Lewis y Brönsted presentes en ellos. De los MOFs preparados en este trabajo, el MOF 808-Zr posee una menor conectividad de los clústeres metálicos y un mayor tamaño de poro mayor que el UiO-66 y el MOF-801; además, tiene el balance adecuado de centros ácidos y básicos de Brönsted y Lewis para activar los sustratos de la reacción. El alcance de la alcoholisis con n-butanol se ha extendido a un gran número de sustratos (amidas primarias, secundarias y terciarias; aromáticas y alifáticas). La reacción también se ha estudiado en condicio-nes no solvolíticas con alcoholes más complejos. El catalizador es estable durante la reacción y puede ser reutilizado fácilmente. El mecanismo de reacción en la esterifica-ción de benzamida con n butanol catalizada por MOF-808-Zr se ha investigado me-diante el análisis cinético empleando el modelo de LHHW y el estudio in situ de las interacciones moleculares por FT-IR. En el capítulo 4, se ha investigado la deuteración por intercambio isotópico deute-rio/hidrógeno catalizada por aminas soportadas en sílice comerciales empleando D2O como fuente de deuterio. Este procedimiento es aplicable a una gran gama de sustra-tos, como compuestos carbonílicos, sales de organofosfonio, nitrocompuestos e, inclu-so, hormonas esteroideas. La estabilidad del catalizador, SiO2-(CH2)3-NH2, se mantie-ne hasta en 10 usos de reacción sin pérdidas significativas de la actividad. Por último, en el capítulo 5, se afronta la síntesis y aplicación de PAFs homoquira-les donde se ha integrado el esqueleto del BINOL (1,1′-binaftil-2,2′-diol) y del BIN-BAM (1,1' binaftil-2,2'-disulfonimida) generando tres nuevos PAFs activos en catáli-sis asimétrica: PAF-3,3'-(S)-BINOL, PAF-6,6'-(R)-BINOL y PAF 3,3'-(S)-BINBAM. En concreto, el PAF-6,6'-(R)-BINOL ha demostrado su actividad catalítica en la reacción de alquilación de aldehídos aromáticos con dietil-zinc y el catalizador PAF-3,3'-(S)-BINBAM es activo en la reacción aldólica de Mukaiyama y la reducción del doble enlace de compuestos carbonílicos a,b-insaturados. / [CA] En aquesta tesi doctoral, la investigació s'ha centrat en el desenvolupament de dife-rents processos catalítics heterogenis emprant materials híbrids orgànic-inorgànics porosos (MOFs i sílices funcionalitzades) i materials orgànics aromàtics (PAFs), que s'han estudiat en diverses reaccions orgàniques. Després de la preparació dels MOFs en estudi, s'han caracteritzat les seues propietats estructurals i s'han determinat els seus centres actius en els clústers metàl·lics (zirconi, hafni o ceri). La reactivitat d'aquests MOFs i dels materials híbrids sílice-amines s'ha estudiat tenint en compte els seus cen-tres catalítics; aquestes reaccions s'han optimitzat duent a termini un estudi dels meca-nismes de reacció. Finalment, s'han preparat sòlids homoquirals de tipus PAF que presenten el sistema binaftilo, la reactivitat del qual també ha sigut provada. Més específicament, en el capítol 3 s'ha estudiat l'esterificació d' amides, que per-met convertir-les en èsters, grups funcionals més versàtils. Aquesta transformació s'ha abordat des de la catàlisi heterogènia via *MOFs basats en zirconi, hafni i ceri de les sèries MOF-808, UiO-66 i MOF-801. El catalitzador més eficient per a l'esterificació d'amides ha sigut el MOF-808-Zr. Mitjançant anàlisi TGA i l'adsorció d'una molècula sonda bàsica (CO) estudiada utilitzant espectroscopia FT-IR, s'han determinat els cen-tres àcids de Lewis i Brönsted presents en ells. Dels MOFs preparats en aquest treball, el MOF 808-Zr posseeix una menor connectivitat dels clústers metàl·lics i una major grandària de porus que el UiO-66 i el MOF-801; a més, té el balanç adequat de centres àcids i bàsics de Brönsted i Lewis per a activar els substrats de la reacció. L'abast de l'alcoholisi amb n-butanol s'ha estés a un gran nombre de substrats (amides primàries, secundàries i terciàries; aromàtiques i alifàtiques). La reacció també s'ha estudiat en condicions no solvolítiques amb alcohols més complexos. El catalitzador és estable durant la reacció i pot ser reutilitzat fàcilment. El mecanisme de reacció en l'esterifica-ció de benzamida amb n-butanol catalitzada per MOF-808-Zr s'ha investigat mitja-nçant l'anàlisi cinètica emprant el model de LHHW i l'estudi in situ de les interaccions moleculars per FT-IR. En el capítol 4, s'ha investigat la deuteració per intercanvi isotòpic deuteri/hidrògen catalitzada per amines suportades en sílices comercials emprant D2O com a font de deuteri. Aquest procediment és aplicable a una gran gamma de substrats, com a com-postos carbonílics, sals d'organofosfoni, nitrocompostos i, inclosa, hormones esteroi-dals. L'estabilitat del catalitzador, SiO2-(CH2)3-NH2, es manté fins a 10 usos de reac-ció sense pèrdues significatives de l'activitat. Finalment, en el capítol 5, s'afronta la síntesi i aplicació de PAFs homoquirals on s'ha integrat l'esquelet del BINOL (1,1′-binaftil-2,2′-diol) i del BINBAM (1,1'-binaftil-2,2'-disulfonimida) generant tres nous PAFs actius en catàlisi asimètrica: PAF-3,3'-(S)-BINOL, PAF-6,6'-(R)-BINOL i PAF 3,3'-(S)-BINBAM. En concret, el PAF-6,6'-(R)-BINOL ha demostrat la seua activitat catalítica en la reacció d'alquilació d'aldehids aromàtics amb dietil-zinc i el catalitzador PAF-3,3'-(S)-BINBAM és actiu en la reacció aldólica de Mukaiyama i la reducció del doble enllaç de compostos carbonílics a,b-insaturats. / [EN] In this Doctoral Thesis, the research has been focused on the development of different heterogeneous catalytic processes using hybrid porous organic-inorganic materials (MOFs and functionalized silicas) and organic aromatic materials (PAFs), which have been studied in various organic reactions. After the preparation of the MOFs under study, their structural properties have been characterised and their active centres in the metal clusters (zirconium, hafnium or cerium) have been determined. The reactivity of these MOFs and the hybrid silica-mine materials has been studied considering their catalytic centres; these reactions have been optimised by carrying out a study of the reaction mechanisms. Finally, homochiral PAF-type solids have been prepared with the binafil system, whose reactivity has also been tested. More specifically, the esterification of amides has been studied in Chapter 3. This reaction allows to convert the amides into esters, which are more versatile functional groups. This transformation has been approached from the heterogeneous catalysis via MOFs based on zirconium, hafnium and cerium of the MOF-808, UiO-66 and MOF-801 series. The most efficient catalyst for amide esterification has been MOF-808-Zr. Using TGA analysis and the adsorption of a basic probe molecule (CO) studied using FT-IR spectroscopy, the acid centres of Lewis and Brönsted present in them have been determined. Among the MOFs prepared in this work, MOF 808-Zr has a lower metal cluster connectivity and a larger pore size than UiO-66 and MOF-801; it also has the appropriate balance of acid and basic Brönsted and Lewis centres to activate the reaction substrates. The scope of n-butanol alcoholysis has been extended to a large number of substrates (primary, secondary and tertiary amides; aromatic and aliphatic). The reaction has also been studied in non-solvolitic conditions with more complex alco-hols. The catalyst is stable during the reaction and can be easily reused. The reaction mechanism in the esterification of benzamide with n-butanol catalysed by MOF-808-Zr has been investigated through kinetic analysis using the LHHW model and the in situ study of molecular interactions by FT-IR. In Chapter 4, the deuteration by isotopic deuterium/hydrogen exchange catalysed by commercial silica-supported amines using D2O as a source of deuterium has been investigated. This procedure is applicable to a wide range of substrates, such as carbonylic compounds, organophosphonium salts, nitro compounds and, even, steroid hormones. The stability of the catalyst, SiO2-(CH2)3-NH2, is maintained for up to 10 reaction uses without significant loss of activity. Finally, in Chapter 5, the synthesis and application of homochiral PAFs, in which the structure of BINOL (1,1′-binaftil-2,2′-diol) and BIN-BAM (1,1' binaftil-2,2'-disulfonimide) has been integrated, is discussed. Three new PAFs active in asymmetric catalysis has been generated: PAF-3,3'-(S)-BINOL, PAF-6,6'-(R)-BINOL and PAF 3,3'-(S)-BINBAM. In particular, PAF-6,6'-(R)-BINOL has demonstrated its catalytic activity in the alkylation reaction of aromatic aldehydes with diethyl zinc and the catalyst PAF-3,3'-(S)-BINBAM is active in the Mukaiyama aldolic reaction and the reduction of the double bond of carbonylic a,b-unsaturated compounds. / Villoria Del Álamo, B. (2021). Síntesis de catalizadores sólidos orgánicos e híbridos orgánicos-inorgánicos y su aplicación [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/163789

Tesis por compendio / [ES] La presente tesis doctoral se centra en el diseño, síntesis y caracterización de varios nanodispositivos híbridos orgánico-inorgánicos, utilizando como soporte nanopartículas de sílice mesoporosa equipadas con enzimas y puertas moleculares, los cuales muestran capacidades comunicativas además de la evaluación de diferentes estrategias de comunicación. El primer capítulo incluye un resumen de diferentes conceptos sobre los que se fundamentan los estudios realizados tales como nanotecnología, materiales de sílice mesoporosa, materiales con puertas moleculares que reaccionan a estímulos específicos, partículas Janus y biocomputación. Finalmente, se incluyen conceptos básicos acerca de la comunicación química, materiales y estrategias empleados hasta ahora y ejemplos representativos. A continuación, en el segundo capítulo, se presentan los objetivos generales de esta tesis doctoral que son abordados en los siguientes capítulos experimentales. El tercer capítulo muestra un sistema de biocomputación para liberación basado en nanopartículas Janus de oro-sílice mesoporosa capaces de comunicarse con el entorno procesando la información e imitando la función lógica booleana propia de un demultiplexer y que resulta en la liberación controlada de la carga. Se muestra que dicho nanodispositivo puede llevar a cabo sus funciones en medios complejos como en células cancerígenas. En el cuarto capítulo, se presenta un modelo circular de comunicación dentro de una red de tres nanopartículas diferentes basado en el intercambio jerárquicamente programado de mensajes químicos. La parte mesoporosa del nanodispositivo 1 (S1βgal) es cargada con la especie fluorescente [Ru(bpy)3]Cl2 y tapada con cadenas de oligo(etilenglicol) que contienen puentes disulfuro y que funcionan como puertas moleculares, mientras que la enzima β-galactosidasa es unida a la parte del oro. En la nanopartícula 2 (S2galox), la enzima galactosa oxidasa es inmovilizada en la cara del oro mientras que la sílice mesoporosa es cargada con 4-(bromometil)benzoato de metilo y los poros tapados con un derivado de arilboronato autoinmolante sensible a H2O2 que forma un complejo huéspedanfitrión con β-ciclodextrina. Finalmente, el nanodispositivo 3 (S3est) es funcionalizado con la enzima esterasa en la parte del oro, cargada con la especie reductora hidroclururo de tris(2-carboxietil)fosfina (TCEP) en la parte mesoporosa y tapada con una nanoválvula supramolecular que responde a pH (βciclodextrina:benzimidazol). En el quinto capítulo, se muestra un modelo interactivo de comunicación química entre una nanopartícula Janus abiótica y un organismo vivo (Saccharomyces cerevisiae). En particular, el nanodispositivo está basado en nanopartículas funcionalizadas con glucosa oxidasa en la parte del oro, cargadas con el genotóxico fleomicina y tapadas con la puerta molecular sensible a pH (βciclodextrina:benzimidazol). El microorganismo usado en el estudio es una levadura modificada que expresa GFP bajo el control del promotor del gen RNR3; la transcripción de dicho gen es inducida con la exposición a agentes que dañan el ADN. La ruta de comunicación interactiva empieza con la adición de sacarosa (estímulo de entrada) la cual es hidrolizada en glucosa por la invertasa localizada en el espacio periplásmico de las levaduras y que difunde al nanodispositivo donde es trasformada en el correspondiente ácido por la glucosa oxidasa de la parte del oro. La bajada local de pH da lugar a la apertura de la nanoválvula sensible a pH del nanovehículo y con ello a la liberación de fleomicina (mensaje de vuelta) que induce la expresión de GFP (señal de salida) en las levaduras. En el sexto capítulo, proponemos una estrategia para establecer una comunicación lineal entre dos microorganismos diferentes que no interactúan entre ellos mediada por un nanodispositivo que actúa como traductor químico. Finalmente, las conclusiones generales de la presente tesis doctoral son expuestas en el capítulo siete. El estudio de las capacidades comunicativas de los nanodispositivos mesoporosos funcionalizados con enzimas permite la construcción de estrategias de cooperación entre diferentes entidades que permiten funcionalidades que van más allá que aquellas llevadas a cabo por agentes individuales. / [CA] La present tesi doctoral es centra en el disseny, síntesi i caracterització de diversos nanodispositius híbrids orgànic-inorgànics, utilitzant com a suport nanopartícules de sílice mesoporosa equipades amb enzims i portes moleculars, i que mostren capacitats comunicatives a més de l’avaluació de diferents estratègies de comunicació. El primer capítol inclou un resum de diferents conceptes sobre els quals es fonamenten els estudis realitzats com ara nanotecnologia, materials de sílice mesoporosa, materials amb portes moleculars que reaccionen a estímuls específics, partícules Janus i biocomputació. Finalment, s’inclouen conceptes bàsics sobre la comunicació química, materials i estratègies utilitzades fins ara i exemples representatius. A continuació, en el segon capítol, es presenten els objectius generals d’aquesta tesi doctoral que són abordats en els següents capítols experimentals. El tercer capítol mostra un sistema de biocomputació per alliberament basat en nanopartícules Janus d’or-sílice mesoporosa capaços de comunicar-se amb l’entorn processant la informació i imitant la funció lògica booleana pròpia d’un demultiplexer i que resulta en l’alliberament controlat de la càrrega. Es mostra que aquest nanodispositiu pot dur a terme les seves funcions en mitjans complexos com en cèl·lules canceroses. En el quart capítol, es presenta un model circular de comunicació dins d’una xarxa de tres nanopartícules diferents basat en l’intercanvi jeràrquicament programat de missatges químics. La part mesoporosa del nanodispositiu 1 (S1βgal) es carrega amb l’espècie fluorescent [Ru(bpy)3]Cl2 i es tapa amb cadenes d’oligo(etilenglicol) que contenen ponts disulfur i que funcionen com portes moleculars, mentre que l’enzim β-galactosidasa s’immobilitza a la part de l’or. A la nanopartícula 2 (S2galox), l’enzim galactosa oxidasa s’immobilitza a la cara de l’or mentre que la sílice mesoporosa es carrega amb 4-(bromometil)benzoat de metil i els porus són tapats amb un derivat d’arilboronat autoimmolant sensible a H2O2 que forma un complex hoste-amfitrió amb β-ciclodextrina. Finalment, el nanodispositu 3 (S3est) es funcionalitza amb l’enzim esterasa en la part de l’or, es carrega amb l’espècie reductora hidroclurur de tris (2-carboxietil) fosfina (TCEP) a la part mesoporosa i es tapa amb una nanoválvula supramolecular que respon a pH (β-ciclodextrina:benzimidazol). En el cinqué capítol, es mostra un model interactiu de comunicació química entre una nanopartícula Janus abiòtica i un organisme viu (Saccharomyces cerevisiae). En particular, el nanodispositiu està basat en nanopartícules funcionalitzades amb glucosa oxidasa en la part de l’or, carregades amb el genotòxic fleomicina i tapades amb la porta molecular sensible a pH (βciclodextrina:benzimidazol). El microorganisme utilitzat en l’estudi és un rent modificat que expressa GFP sota el control del promotor del gen RNR3; la transcripció d’aquest gen és induïda amb l’exposició a agents que danyen l’ADN. La ruta de comunicació interactiva comença amb l’addició de sacarosa (estímul d’entrada) la qual és hidrolitzada en glucosa per la invertasa localitzada en l’espai periplasmàtic dels rents i que difon al nanodispositiu on és transformada en el corresponent àcid per la glucosa oxidasa de la part de l’or. La baixada local de pH dona lloc a l’obertura de la nanoválvula sensible a pH del nanovehicle i amb això l’alliberament de fleomicina (missatge de tornada) que indueix l’expressió de GFP (senyal de sortida) en el rent. En el sisé capítol, proposem una estratègia per establir una comunicació lineal entre dos microorganismes diferents que no interactuen entre ells facilitada per un nanodispositiu que actua com a traductor químic. Finalment, les conclusions generals de la present tesi doctoral són exposades en el capítol set. L’estudi de les capacitats comunicatives dels nanodispositius mesoporosos funcionalitzats amb enzims permet la construcció d’estratègies de cooperació entre diferents entitats que permeten funcionalitats que van més enllà que aquelles dutes a terme per agents individuals. Esperem que els resultats obtinguts inspiren aplicacions futures en diferents àrees com ara biomedicina, nanorobots, materials que imiten la naturalesa i tecnologies de la informació. / [EN] This PhD Thesis is focused on the design, synthesis and characterization of several hybrid organic-inorganic nanodevices using mesoporous silica nanoparticles equipped with enzymes and molecular gates which display communication capabilities as well as the design and evaluation of different communication strategies. The first chapter includes an overview of the different concepts which lay the foundations of the presented studies such as nanotechnology, mesoporous silica materials, stimuli-responsive gated materials, Janus particles and biocomputing. Basic concepts of chemical communication, materials and enabling technologies employed so far and representative examples in this field are also included. Next, in the second chapter, the general objectives of this PhD Thesis that are addressed in the following experimental chapters are presented. The third chapter shows a biocomputing delivery system based on Janus gold-mesoporous silica nanoparticles capable of chemically communicating with the environment and processing the information mimicking a demultiplexer Boolean logic function which results in a programmed cargo release. Finally, it is shown that such nanodevice is operative in complex media such as cancer cells. In the fourth chapter, it is presented a circular model of communication within a network of three different nanoparticles based on the hierarchically programmed exchange of chemical messages. The mesoporous face of nanodevice 1 (S1βgal) is loaded with the fluorescent dye [Ru(bpy)3]Cl2 and capped with disulfidecontaining oligo(ethylene glycol) chains acting as gatekeepers, whereas the enzyme β-galactosidase is attached to the gold face. In nanoparticle 2 (S2galox), the enzyme galactose oxidase is immobilized on the Au face, while the mesoporous silica is loaded with methyl 4-(bromomethyl)benzoate and the mesopores capped with a H2O2-sensitive self-immolative arylboronate derivative which forms a host-guest complex with β-cyclodextrin. Finally, the nanodevice 3 (S3est) is functionalized with the enzyme esterase on the Au face, loaded with the reductive species tris(2- carboxyethyl)phosphine hydrochloride (TCEP) in the mesoporous face and capped with a pH-responsive supramolecular nanovalve (β-cyclodextrin:benzimidazole). In the fifth chapter, it is showed an interactive model of chemical communication between an abiotic Janus nanoparticle and a living organism (Saccharomyces cerevisiae). In particular, the nanodevice is based on Janus goldmesoporous silica nanoparticles functionalized with glucose oxidase on the Au face, loaded with the genotoxin phleomycin and capped with a pH-responsive (βcyclodextrin:benzimidazole) gatekeeper. The microorganism used in the studies is an engineered budding yeast that expresses GFP under the control of the RNR3 promoter; RNR3 gene transcription is induced upon exposure to DNA-damaging agents. The interactive communication pathway starts with the addition of sucrose (input) which is hydrolyzed into glucose by invertase located in periplasmic space of yeasts and diffuses to the nanodevice where it is transformed into the corresponding acid by glucose oxidase on the Au face. The local drop in pH leads to uncapping of the pH-sensitive nanovalve in the nanocarrier and the release of phleomycin (feedback messenger) that induces GFP expression (output) in yeasts. In the sixth chapter, we propose a strategy to establish linear communication between two different non-interacting microorganisms mediated by a nanodevice which acts as a chemical “nanotranslator”. Finally, the general conclusions from this PhD Thesis are presented in chapter seven. The study of communication capabilities of enzyme-functionalized mesoporous nanodevices enables the construction of strategies of cooperation between different entities allowing sophisticated functionalities that go beyond those carried out by individual agents. We hope that the obtained results inspire future applications in different areas such as biomedicine, nanorobots, life-like materials and information technologies. / The authors wish to thank the Spanish Government (projects RTI2018-100910-B-C41 and RTI2018-101599-B-C22 (MCUI/AEI/FEDER, UE), CTQ2017-87954-P), the Generalitat Valenciana (PROMETEO 2018/024), the Comunidad de Madrid (IND2017/BMD7642) and CIBER-BBN (NANOCOMMUNITY project) for support. / De Luis Fernández, B. (2021). Development of enzyme-functionalized hybrid mesoporous nanodevices for advanced chemical communication [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/171506 / Compendio

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

[ES] La mayoría de las terapias contra el cáncer de mama que se utilizan actualmente en la práctica clínica se centran en atacar las células tumorales. Sin embargo, los nuevos avances en el campo de la inmunología han resaltado el papel principal del microambiente tumoral en la modulación tumoral. Específicamente, los fibroblastos asociados al cáncer desempeñan un papel importante en la progresión tumoral, la modulación de la inmunidad tumoral y la resistencia a la terapia. Por ello, esta tesis doctoral titulada "Nanopartículas de sílice mesoporosas dirigidas al microambiente tumoral como herramienta para el tratamiento del cáncer de mama" se centra en el diseño de un nanodispositivo dirigido a los fibroblastos asociados al cáncer y en la evaluación de su potencial como nueva estrategia terapéutica para el tratamiento del cáncer de mama. Se diseñó y sintetizó una nanopartícula utilizando nanopartículas mesoporosas de sílice como soporte, cargadas con doxorrubicina y funcionalizadas con un péptido ligando de FAP-¿ (NP-FAP-DOX). La caracterización de NP-FAP-DOX mostró una liberación controlada de la carga y un perfil no tóxico in vitro. Los estudios in vitro evaluaron la eficacia de las nanopartículas para dirigirse a FAP-¿, la citotoxicidad celular y la penetrabilidad tumoral en las líneas celulares de cáncer de mama, en los fibroblastos asociados al cáncer derivados de biopsias de pacientes con cáncer de mama triple negativo y en los organoides derivados de pacientes con cáncer de mama. Estos estudios demostraron que NP-FAP-DOX se dirigió eficazmente y produjo un efecto citotóxico en células de cáncer de mama con expresión positiva de FAP-¿, así como en fibroblastos asociados al cáncer. Además, la NP-FAP-DOX presentó una buena eficiencia de penetración en los organoides derivados de paciente, manteniendo así la acción dirigida y el efecto citotóxico en este modelo tridimensional. Finalmente, se evaluó la eficacia de NP-FAP-DOX in vivo en un modelo murino de cáncer de mama triple negativo. La NP-FAP-DOX mostró una buena capacidad para atacar tumores y una administración eficaz de fármacos, lo que dio como resultado un efecto antitumoral in vivo. Además, el tratamiento in vivo con NP-FAP-DOX se dirigió eficazmente a los fibroblastos asociados al cáncer y los eliminó, lo que llevó a la remodulación del microambiente tumoral y a la activación de la respuesta inmunitaria del tumor. Específicamente, este tratamiento promovió la infiltración de linfocitos, aumentó el porcentaje de células asesinas naturales y disminuyó los macrófagos M2, lo que llevó a un aumento de la proporción M1/M2 en los tumores. Además, las nanopartículas mejoraron el perfil terapéutico y de seguridad del fármaco libre, previniendo la toxicidad cardíaca y sistémica inducida por doxorrubicina. Con todo, estos resultados demostraron el potencial de los nanodispositivos diseñados como un nuevo sistema de administración de fármacos dirigido para el tratamiento del cáncer de mama. Estas nanopartículas pueden mejorar la eficacia de la administración de fármacos, superar los efectos secundarios adversos y mejorar la eficacia de la terapia mediante la modulación del microambiente tumoral. / [CA] La majoria de les teràpies contra el càncer de mama que s'utilitzen actualment en la pràctica clínica, es centren en atacar les cèl·lules tumorals. Tanmateix, els nous avanços en el camp de la immunologia han ressaltat el paper principal del microambient tumoral en la modulació tumoral. Específicament, els fibroblasts associats al càncer tenen un paper important en la progressió tumoral, la modulació de la immunitat tumoral i la resistència a teràpia. Per això, aquesta tesi doctoral titulada "Nanopartícules de sílice mesoporoses dirigides al microambient tumoral com a ferramenta per al tractament del càncer de mama" es centra en el disseny d'un nanodispositiu dirigit als fibroblasts associats al càncer i en l'avaluació del seu potencial com a nova estratègia terapèutica per al tractament del càncer de mama. Es va dissenyar i sintetitzar una nanopartícula utilitzant nanopartícules mesoporoses de sílice com a suport, carregades amb doxorubicina i funcionalitzades amb un pèptid lligand de FAP-¿ (NP-FAP-DOX). La caracterització de NP-FAP-DOX va mostrar un alliberament controlat de la càrrega i un perfil no tòxic in vitro. Els estudis in vitro van avaluar la eficàcia de les nanopartícules en l'acció dirigida a FAP-¿, la citotoxicitat cel·lular i la penetrabilitat tumoral en les línies cel·lulars de càncer de mama, en els fibroblasts associats al càncer derivats de biòpsies de pacients amb càncer de mama triple negatiu i en els organoides derivats de pacients amb càncer de mama. Aquests estudis van demostrar que NP-FAP-DOX es dirigia eficaçment i produïa un efecte citotòxic en les cèl·lules de càncer de mama amb expressió positiva de FAP-¿, així com en fibroblasts associats al càncer. A més, la NP-FAP-DOX va presentar una bona eficiència de penetració en els organoides derivats de pacient, mantenint així l'acció dirigida i l'efecte citotòxic en aquest model tridimensional. Finalment, es va avaluar la eficàcia de NP-FAP-DOX in vivo en un model murí de càncer de mama triple negatiu. La NP-FAP-DOX va mostrar una bona capacitat per a atacar tumors i una administració eficaç de fàrmacs, el que va donar com a resultat un efecte antitumoral in vivo. Addicionalment, el tractament in vivo amb NP-FAP-DOX es va dirigir eficaçment als fibroblasts associats al càncer generant la seua depleció i així, la remodelació del microambient tumoral i l'activació de la resposta immunitària del tumor. Específicament, aquest tractament va promoure la infiltració de limfòcits, va augmentar el percentatge de cèl·lules citocides naturals i va disminuir els macròfags M2, el que va conduir a un augment en la proporció M1/M2 en els tumors. A més, les nanopartícules van millorar el perfil terapèutic i de seguretat del fàrmac lliure, prevenint la toxicitat cardíaca i sistèmica induïda per la doxorubicina. Amb tot, aquests resultats demostraren el potencial dels nanodispositius dissenyats com un nou sistema d'administració de fàrmacs dirigits per al tractament del càncer de mama. Aquestes nanopartícules poden millorar l'eficàcia de l'administració de fàrmacs, reduir els efectes secundaris adversos i millorar l'eficàcia de la teràpia mitjançant la modulació del microambient tumoral. / [EN] Most of the breast cancer therapies currently used in the clinical practice are focused on targeting tumor cells. Nevertheless, new advances in the immunology field uncovered the main role of the tumor microenvironment in tumor modulation. Specifically, cancer-associated fibroblasts play an important role in tumor progression, tumor immunity modulation, and therapy resistance. Hence, this Ph.D. thesis entitled "Mesoporous silica nanoparticles targeting tumor microenvironment as a tool for breast cancer treatment" is focused on the design of a nanodevice targeting cancer-associated fibroblasts and on the evaluation of its potential as a new therapeutic strategy for breast cancer treatment. A nanoparticle was designed and synthesized using mesoporous silica nanoparticles as support, loaded with doxorubicin, and functionalized with a FAP-¿ ligand peptide (NP-FAP-DOX). NP-FAP-DOX's characterization showed controlled cargo release and an in vitro nontoxic profile. The in vitro studies evaluated the nanoparticle efficacy to target FAP-¿, cellular cytotoxicity, and tumor penetration in breast cancer cell lines, cancer-associated fibroblasts derived from triple-negative breast cancer patient biopsies, and breast cancer patient-derived organoids. These studies probed that the NP-FAP-DOX efficiently targeted and produced a cytotoxic effect in breast cancer cells with FAP-¿ positive expression as well as in cancer-associated fibroblasts. Moreover, the NP-FAP-DOX presented good penetration efficiency in patient-derived organoids, while maintaining the targeting and cytotoxic effect in this 3D model. Finally, the NP-FAP-DOX's in vivo efficacy was evaluated in a murine triple-negative breast cancer model. The NP-FAP-DOX showed a tumor-targeting ability and effective drug delivery, resulting in an in vivo antitumoral effect. Moreover, the NP-FAP-DOX in vivo treatment efficiently targeted and depleted cancer-associated fibroblasts, leading to tumor microenvironment re-modulation and activation of tumor immune response. Specifically, this treatment promoted lymphocyte infiltration, increased the percentage of natural killer cells, and decreased the M2-like macrophages leading to an increased M1/M2 ratio in tumors. Besides, the nanoparticles improved the therapeutic and safety profile of the free drug, preventing doxorubicin-induced cardio and systemic toxicity. Overall, these results demonstrated the potential of the designed nanodevices as a new targeted drug delivery system for breast cancer treatment. These nanoparticles can improve drug delivery efficacy, overcome adverse side effects, and enhance therapy efficacy through the modulation of the tumor microenvironment. / Trigo Lameirinhas, AC. (2024). Mesoporous Silica Nanoparticles Targeting Tumor Microenvironment as a Tool for Breast Cancer Treatment [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/210630

Tesis por compendio / [ES] Los componentes de los aceites esenciales (CAEs) han demostrado ser eficaces contra una amplia variedad de microorganismos. Sin embargo, su aplicación plantea desafíos debido a su baja solubilidad y alteración de las propiedades organolépticas en los alimentos. Por tanto, la búsqueda de nuevas formas de dosificación es fundamental para promover su uso en la industria alimentaria. La presente tesis doctoral está centrada en el desarrollo y aplicación de sistemas antibacterianos y antivirales basados en la inmovilización covalente de CAEs para mejorar la calidad y seguridad de alimentos líquidos. El primer capítulo evaluó el efecto de la adición de componentes naturalmente presentes en los alimentos (proteínas, lípidos, carbohidratos, ácidos orgánicos y etanol) sobre la actividad antimicrobiana de diferentes CAEs (carvacrol, eugenol, geraniol, timol y vainillina) en su forma libre. Además, se evaluó la influencia de los componentes alimentarios sobre la vainillina inmovilizada. Los resultados mostraron que la albúmina sérica bovina (BSA), el aceite de girasol y algunos carbohidratos fueron los componentes que más inhibieron la actividad antimicrobiana de los CAEs libres, con algunas excepciones. En los medios que contienen BSA, no se inhibió la actividad antimicrobiana del geraniol. Lo mismo ocurrió con eugenol en aceite de girasol, o con carvacrol, eugenol, geraniol y timol en presencia de D-lactosa. La vainillina inmovilizada confirmó el efecto inhibidor de las proteínas, lípidos y carbohidratos sobre la actividad antimicrobiana, pero el ácido cítrico y el etanol mejoraron la actividad antimicrobiana. Estos resultados demuestran la importancia de considerar la composición de la matriz alimentaria al seleccionar un compuesto antimicrobiano. El segundo capítulo evaluó la aplicación de CAEs frente al crecimiento y producción de guaiacol por un microorganismo alterante y termorresistente como Alyciclobacillus acidoterrestris en zumo de naranja. Para ello, se utilizaron CAEs inmovilizados con dos enfoques diferentes: como aditivos y como coadyuvantes tecnológicos. La presencia de CAEs provocó una reducción microbiana y una inhibición de la producción de guayacol, que fue mantenida tras la inmovilización. Este hecho es de gran interés, ya que la inmovilización evita el problema de alteración organoléptica del producto, derivado de la aplicación de estos antimicrobianos en forma libre. En el tercer capítulo se estudió la actividad antiviral de los CAEs, tanto en forma libre como inmovilizada, frente al virus Tulane en agua. La aplicación de CAEs en forma libre logró una reducción de la infectividad de sólo 1 log10, mientras que concentraciones equivalentes de antimicrobiano inmovilizado redujeron la infectividad a más de 4,5 log10. Por otro lado, el mecanismo antiviral se basó en la modificación o alteración de cápside viral. Además, se determinó que los CAEs inmovilizados no son citotóxicos en concentraciones antivirales efectivas. A pesar de la eficacia observada tras la inmovilización de los CAEs, su aplicación práctica en la industria alimentaria presenta varios desafíos, siendo uno de ellos la aceptación de esta tecnología por parte de los consumidores. El último capítulo estudió la percepción de los consumidores sobre el uso de la nanotecnología en el procesamiento de alimentos. La valoración de los distintos alimentos en los que se había aplicado nanotecnología en su procesamiento o envasado fue en general positiva. De todos los productos, aquellos en los que la nanotecnología no formaba parte de los alimentos recibieron la mejor valoración. Teniendo en cuenta este resultado, los CAEs inmovilizados aplicados como coadyuvantes tecnológicos serían los más valorados y, por tanto, podrían ser una excelente alternativa a los tratamientos de conservación convencionales, para controlar tanto virus como bacterias durante la producción y el almacenamiento de alimentos. / [CA] Els components dels olis essencials (COEs) han demostrat ser eficaços en fornt d'una àmplia varietat de microorganismes. Tot i això, la seua aplicació planteja desafiaments a causa de la seua baixa solubilitat i alteració de les propietats organolèptiques en els aliments. Per tant, la recerca de noves formes de dosificació és fonamental per promoure'n l'ús a la indústria alimentària. Aquesta tesi doctoral està centrada en el desenvolupament i l'aplicació de sistemes antibacterians i antivirals basats en la immobilització covalent de COEs per a millorar la qualitat i la seguretat d'aliments líquids. El primer capítol va avaluar l'efecte de l'addició de components naturalment presents als aliments (proteïnes, lípids, carbohidrats, àcids orgànics i etanol) sobre l'activitat antimicrobiana de diferents COEs (carvacrol, eugenol, geraniol, timol i vainillina) en la seua forma lliure. En aquesta primera part també es va avaluar la influencia dels components alimentaris sobre la vainillina immobilitzada. Els resultats van mostrar que l'albúmina sèrica bovina (BSA), l'oli de gira-sol i alguns carbohidrats van ser els components que van inhibir més l'activitat antimicrobiana dels COEs lliures, amb algunes excepcions. Als mitjans que contenen BSA no es va inhibir l'activitat antimicrobiana del geraniol. El mateix va passar amb eugenol en oli de gira-sol, o amb carvacrol, eugenol, geraniol i timol en presencia de D-lactosa. La vainillina immobilitzada va confirmar l'efecte inhibidor de les proteïnes, els lípids i els carbohidrats sobre l'activitat antimicrobiana, però l'àcid cítric i l'etanol van millorar l'activitat antimicrobiana. Aquests resultats demostren la importància de considerar la composició de la matriu alimentària quan s'ha de seleccionar un compost antimicrobià per a una aplicació concreta. El segon capítol va avaluar l'aplicació de COEs en front del creixement i la producció de guaiacol per un microorganisme alterant i termorresistent com Alyciclobacillus acidoterrestris en suc de taronja. Per això, es van utilitzar COEs immobilitzats amb dos enfocaments diferents: com a additius i com a coadjuvants. La presència de COEs provoca una reducció microbiana i una inhibició de la producció de guaiacol, així com manté la seua eficàcia després de la immobilització. Aquest fet és de gran interès, ja que la immobilització evita el problema d'alteració organolèptica del producte, derivat de l'aplicació d'aquests antimicrobians en forma lliure. Al tercer capítol es va estudiar l'activitat antiviral dels COEs, tant en forma lliure com immobilitzada, davant del virus Tulane en aigua. L'aplicació de COEs en forma lliure va aconseguir una reducció de la infectivitat de només 1 log10, mentre que concentracions equivalents d'antimicrobià immobilitzat van reduir la infectivitat a més de 4,5 log10. D'altra banda, es va comprobar que el mecanisme antiviral es va basar en la modificació o alteració de la càpside viral. A més, es va determinar que els COEs immobilitzats no són citotòxics en concentracions antivirals efectives. Tot i l'eficàcia observada després de la immobilització dels COEs, la seua aplicació pràctica a la indústria alimentària presenta diversos desafiaments, un dels quals és l'acceptació d'questa tecnologia per part dels consumidors. El darrer capítol va estudiar la percepció dels consumidors sobre l'ús de la nanotecnologia en el processament d'aliments. La valoració dels diferents aliments en que s'havia aplicat nanotecnologia al seu processament o envasat va ser en general positiva. De tots els productes, aquells en que la nanotecnologia no formava part dels aliments van rebre la millor valoració. Tenint en compte aquest resultat, els COEs immobilitzats aplicats com a coadjuvants de processament serien els més valorats i, per tant, podrien ser una alternativa excel·lent als tractaments de conservació convencionals, per controlar tant virus com bacteris durant la producció i l'emmagatzematge d'aliments. / [EN] Essential oil components (EOCs) have proven to be effective against a wide variety of microorganisms. However, the direct application of these compounds poses challenges due to their low solubility and alteration of the organoleptic properties of foods. Therefore, the search for new dosage forms of these promising antimicrobials is essential to promote their use in the food industry. The present doctoral thesis is focused on the development and application of antibacterial and antiviral systems based on the covalent immobilization of EOCs to improve the quality and safety of liquid foods. The first chapter evaluated the effect of the addition of components naturally present in food (proteins, lipids, carbohydrates, organic acids and ethanol) on the antimicrobial activity of certain EOCs (carvacrol, eugenol, geraniol, thymol and vanillin) in their free form. In this first part, the influence of these food components on the antimicrobial activity of vanillin immobilized on silicon oxide particles was also evaluated. The results showed that bovine serum albumin (BSA), sunflower oil and some carbohydrates were the food components that most inhibited the antimicrobial activity of the free EOCs, with some exceptions. In media containing BSA the antimicrobial activity of geraniol was not inhibited. The same occurred with eugenol in media containing sunflower oil, or with carvacrol, eugenol, geraniol and thymol in media with D-lactose. Immobilized vanillin confirmed the inhibitory effect of the proteins, lipids and carbohydrates on the antimicrobial activity, but citric acid and ethanol enhanced the antimicrobial activity. These results demonstrate the importance of considering the composition of the food matrix when selecting an antimicrobial compound. The second chapter evaluated the application of EOCs against the growth and production of guaiacol by a spoilage and heat-resistant microorganism such as Alyciclobacillus acidoterrestris in orange juice. For this purpose, EOCs immobilized on silicon oxide particles were used with two different approaches: as additives and as processing aids. The presence of EOCs causes a microbial reduction and an inhibition of guaiacol production, maintaining their effectiveness after immobilization. This fact is of great interest, since immobilization avoids the problem of organoleptic alteration of the product, derived from the application of these antimicrobials in free form. In the third chapter, the antiviral activity of EOCs, both in free and immobilized form, against Tulane virus in water was studied. The application of EOCs in free form achieved a reduction in infectivity of only 1 log10, equivalent concentrations of immobilized antimicrobial reduced infectivity to more than 4.5 log10. On the other hand, it has been demonstrated that the antiviral mechanism is based on the ability of immobilized antimicrobials to modify or disrupt the viral capsid. Furthermore, it was determined that immobilized EOCs are not cytotoxic at effective antiviral concentrations. Despite the efficacy observed after immobilization of EOCs against bacteria and viruses, their practical application in the food industry presents several challenges, one of them is the acceptance of this technology by consumers. Thus, the last chapter studied the perception of consumers regarding the use of nanotechnology in food processing. The evaluation of the different foods in which nanotechnology had been applied in their processing or packaging was generally positive, and most consumers would buy them. Of all the products, those in which nanotechnology was not part of the food received the best evaluation. Considering this result, immobilized EOCs applied as processing aids would be the most highly valued, and therefore could be an excellent alternative to conventional preservation treatments, to control both viruses and bacteria during food production and storage. / This research forms part of project PID2021-128141OB-C21 funded by MCIN/AEI/10.13039/501100011033 and by “ERDF A way of making Europe”. H.G.LL. acknowledges the Universitat Politécnica de València for his predoctoral fellowship. The authors acknowledge native English translator Helen Warburton for editing the text. The authors gratefully acknowledge the financial support from the project PID2021-128141OB-C21 funded by MCIN/AEI/10.13039/501100011033 and by “ERDF A way of making Europe”. This work is also granted by the project TED2021- 132035B-I00, funded by MCIN/AEI/10.13039/501100011033 and by “European Union NextGenerationEU/PRTR”. CG-B thanks the financial support received from the Spanish State Agency of Research (PID2022-136963OBI00/AEI/10.13039/501100011033), the Xunta de Galicia [ED431C 2021/29 and Centro singular de investigación de Galicia accreditation 2019-2022 (ED431G 2019/03)], and the European Regional Development Fund (ERDF). H.G.LL. acknowledges the Universitat Politècnica de València for his predoctoral fellowship. The authors gratefully acknowledge the financial support from the project PID2021- 128141OB-C21 funded by MCIN/AEI/10.13039/501100011033 and by “ERDF A way of making Europe”. This work is also granted by the project TED2021-132035B-I00, funded by MCIN/AEI/10.13039/501100011033 and by “European Union NextGenerationEU/PRTR”. H.G.LL. acknowledges the Universitat Politècnica de València for his predoctoral fellowship.The authors gratefully acknowledge the financial support for the experiment reported herein from the Spanish Government (RTI2018-101599-B-C21-AR). Héctor Gómez Llorente wishes to thank the Universitat Politècnica de València for the FPI Grant. / Gómez Llorente, H. (2024). New Strategies to Enhance the Quality and Safety of Liquid Foods Based on the Use of Natural Antimicrobial Compounds [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/207284 / Compendio