Caracterización estructural y funcional de la Interfase nano-bio en Sistemas de 2- y 3- Dimensiones

Abstract

Introducción: La Nanomedicina es una disciplina emergente en la que se combinan la Nanotecnología y la Biotecnología, lo que justifica que para su evolución sea necesario reunir investigaciones del campo médico, químico, farmacéutico y de ciencias e ingeniería de materiales [1]. De forma general, el término Nanomedicina hace referencia a la interacción a escala nanométrica que se produce en el interior de un sistema vivo entre un material y determinados órganos o células, sin afectar al resto de tejidos. En este contexto, es posible diseñar nanomateriales (NMs) tridimensionales (3D) y recubrimientos sobre sustratos macroscópicos (2D). Las superficies en 2D y 3D se funcionalizan con ligandos específicos que permiten tanto la internalización y liberación de moléculas portadoras en las células diana, como la mejora de los tiempos de circulación y por ende la prolongación de la vida útil del material, al conseguir mimetizarse con el entorno y evitar ser reconocido como un cuerpo extraño [2]. Muchos materiales que presentan recubrimientos de polímeros sintéticos y, en particular, los basados en polietilenglicol (EGn), han demostrado ser de gran aplicación en la distribución controlada de fármacos y la absorción celular. Por otro lado, los NMs y sustratos macroscópicos de oro son una de las superficies más estudiadas y que mayores ventajas presentan en aplicaciones biomédicas [3]. La modificación controlada de estas superficies inorgánicas con grupos funcionales específicos, frecuentemente de naturaleza orgánica, permite diseñar estructuras híbridas que presentan propiedades físicas y químicas únicas. Existen numerosas estrategias para modificar de manera controlada la superficie de los NMs y sustratos macroscópicos con los grupos funcionales deseados. Las monocapas autoensambladas (SAMs) son una opción atractiva para el diseño de la química superficial en una amplia gama de sustratos metálicos, que permite modificar de manera simple, flexible y exitosa, las propiedades intrínsecas de la superficie. Esta estrategia, enmarcada dentro de las aproximaciones grafting to, se basa en injertar moléculas, de tamaño y forma bien definidos, en la superficie de los sustratos mediante un grupo terminal [4]. Esta estrategia ha sido y es fundamental en la ciencia de superficies, sin embargo, presenta ciertas limitaciones relacionadas con el pequeño espesor de los recubrimientos que se obtienen. Estas limitaciones se pueden evitar mediante el diseño de películas orgánicas de mayor espesor, conocidas como recubrimientos compactos tipo brush [5]. Las metodologías más eficaces para alcanzar este tipo de películas son las grafting from, en la que las cadenas poliméricas se forman por adición sucesiva de monómeros a partir de un sustrato modificado con grupos funcionales iniciadores de la polimerización, obteniéndose películas poliméricas ancladas a la superficie de alta densidad de empaquetamiento. Ambas estrategias, grafting to y grafting from, pueden emplearse para formar películas poliméricas tanto en NMs como en sustratos macroscópicos. La investigación recogida en esta memoria aborda la preparación y caracterización de recubrimientos poliméricos de EGn sobre sustratos macroscópicos y nanopartículas de oro (AuNPs), empleando tanto la metodología grafting to de formación de SAMs como la polimerización radical controlada por transferencia atómica mediada electroquímicamente (eATRP), que es una de las estrategias grafting from más relevantes en la actualidad [6]. Contenido: El trabajo comienza con el estudio de una molécula tiolada relativamente corta como es el EG7-SH, formando SAMs sobre sustratos de Au. Mediante las técnicas electroquímicas de voltamperometría cíclica (VC), espectroscopía de impedancia electroquímica (EIS) y curvas de capacidad se consigue una caracterización profunda de la película formada. El análisis estructural de la misma se complementa con las técnicas de caracterización superficial como son las espectroscopias fotoelectrónica de rayos X (XPS) e infrarroja de absorción-reflexión (IRRAS), la balanza electroquímica de cuarzo (EQCM) y las medidas de ángulo de contacto. La EG7-SAM se establece como sistema modelo sencillo en el que se fundamenten trabajos posteriores, empleando EGn-SH de mayor tamaño (n = 18, 45 y 136). Se estudian tanto los recubrimientos formados sobre sustratos macroscópicos de Au como en AuNPs. En este último caso, la estabilidad coloidal de las suspensiones EGn-AuNPs se evalúa en términos de temperatura, pH y concentración salina. Para ello, se emplean medidas de espectroscopia ultravioleta visible (UV-Vis), dispersión dinámica de luz (DLS) y medidas de potencial ζ. Por otro lado, se investiga la formación de películas compactas vía eATRP sobre superficies de Au en medio acuoso. En este punto, se evalúa, en primer lugar, el sistema de reacción multicomponente necesario para obtener recubrimientos de calidad. Una vez establecido, se profundiza en las condiciones experimentales que permiten formar estructuras tipo brush bien definidas. La caracterización de estas es análoga a la empleada para evaluar los recubrimientos obtenidos formando SAMs. Conclusión: En su conjunto, la investigación desarrollada en este trabajo contribuye a ampliar el conocimiento sobre recubrimientos moleculares basados en EGn en sustratos en 2D y 3D sobre sustratos de Au, obtenidos empleado diferentes aproximaciones experimentales. La caracterización profunda de las películas formadas permite afirmar que son potenciales candidatas para diversas aplicaciones en el campo biomédico, pero también exhiben propiedades electroquímicas interesantes que las hacen atractivas en el diseño de sensores. Además, la caracterización químico-física de las películas basadas en EGn llena un hueco en el ámbito de conocimiento estructural y funcional de las películas moleculares.

Introduction: Nanomedicine is an emerging discipline that combines nanotechnology and biotechnology, so there is a need for expertise in the medical, chemical, pharmaceutical and materials science and engineering fields for its development [1]. Overall, Nanomedicine refers to the interaction at the nanometric scale that occurs within a living system between a material and certain organs or cells, without affecting the rest of the tissues. In this context, it is possible to design both three-dimensional (3D) NMs and macroscopic (2D) coatings. The 2- and 3-dimensional surfaces are functionalized with specific ligands that allow both the internalization and release of carrier molecules into target cells, as well as improving circulation times and thus extending the lifetime of the nanomaterial (NM) or surface coating by mimicking the environment and avoiding recognition as a foreign body [2]. Many materials are usually surrounded by synthetic polymeric coatings and, in particular, those based on polyethylene glycol (EGn), have proven to be of great application in controlled drug delivery and cellular uptake. Additionally, gold NMs and macroscopic substrates are one of the most studied and most advantageous surfaces for biomedical applications [3]. Controlled modification of these inorganic surfaces with specific functional groups, often organic in nature, allows the design of hybrid structures that exhibit specific physical and chemical properties. It is possible to control the surface modification of both NMs and macroscopic substrates though different strategies. Self-assembled monolayers (SAMs) are an attractive option for the design of surface chemistry on a wide range of metal substrates, allowing simple, flexible, and successful modification of intrinsic surface properties. This strategy, framed within the grafting to approaches, is based on grafting molecules, of welldefined size and shape, onto the surface of the substrates by means of a terminal group [4]. This strategy has been, as still is, fundamental in surface science. However, it has certain limitations related to the small thickness of the coatings obtained. These limitations can be avoided by designing thicker organic films, known as compact brush coatings [5]. The most effective methodologies to achieve this kind of films are known as grafting from, in which polymer chains are formed by successive addition of monomers from a substrate modified with polymerization-initiating functional groups, thus obtaining surface-anchored polymer films of high packing density. Both strategies, grafting to and grafting from, can be used to prepare polymer films on both NMs and macroscopic substrates. This research focuses on the preparation and characterization of EGn polymeric coatings from both macroscopic substrates and gold nanoparticles (AuNPs), using either the grafting to methodology of SAMs formation, or the electrochemically-mediated atom transfer controlled radical polymerisation (eATRP), one of the most relevant grafting from approaches at present [6]. Content: This work with the study of a relatively short thiolated molecule, EG7-SH, that is employed to prepare SAMs on Au substrates. By means of the electrochemical techniques of cyclic voltammetry, impedance spectroscopy and capacitance curves, an in-depth characterization of the EG7-SAM is achieved. The structural analysis of the film is complemented with XPS, IRRAS, QCM and contact angle measurements. EG7-SAM is established as a simple model system on which the subsequent works using larger EGn-SH (n = 18, 45 and 136), are based. Both coatings formed on macroscopic substrates and AuNPs are studied. In the latter, the colloidal stability of the obtained EGn-AuNPs suspensions is evaluated in terms of temperature, pH and salt concentration. For this purpose, UV-Vis, DLS and ζ characterization techniques are used. On the other hand, the formation of compact films via eATRP on Au surfaces in aqueous media is investigated. First, the multicomponent reaction system required to obtain quality coatings is evaluated. Once it is established, the experimental conditions to obtain well-defined brush-like structures are further investigated. The characterization of these is analogous to that used to evaluate the coatings obtained by preparing SAMs. Conclusión: As a whole, the research developed in this work contributes to extend the knowledge about EGn-based molecular coatings on 2- and 3-dimensional substrates on Au substrates, obtained using different experimental approaches. The in-depth characterization of the films formed allows to affirm that they are potential candidates for various applications in the biomedical field, but also exhibit interesting electrochemical features that make them attractive for sensor design. Furthermore, the chemical-physical characterization of EGnbased films fills a gap in the field of structural and functional knowledge of molecular films.