Multifunctional silica-based nanoparticles for biomedical applications

Abstract

Mi proyecto de tesis fue supervisado por la Dr. Anna Roig y Dr. Concepción Domingo y se centraba en la preparación de nanopartículas basadas en sílice con aplicaciones biomédicas. El propósito de la tesis es fabricar materiales híbridos (orgánicos-inorgánicos) complejos como dispensadores de fármacos utilizando fluidos supercríticos (FSC) con las propiedades adecuadas para su aplicación en biomedicina. Para conseguirlo, se han abordado dos objetivos principales: primero, evaluar la potencialidad de materiales porosos basados en sílice, sintetizados sin usar agentes porogénicos, como sistemas de liberación de fármacos; y segundo, explotar la utilidad de los fluidos supercríticos en la síntesis y funcionalización de materiales. Durante la realización de la tesis, se han sintetizado materiales nanoestructurados basados en sílice, cargado con un fármaco modelo, modificado física y químicamente en su superficie y estudiado de forma preliminar como potenciales sistemas biomédicos analizando su interacción con entidades y medios biológicos relevantes. El manuscrito está organizado en ocho capítulos: • El capítulo 1 proporciona una introducción general a la nanotecnología y la ciencia de coloides (con especial mención a la nanomedicina), junto con las principales estrategias para sintetizar nanopartículas de sílice y óxido de hierro y sus aplicaciones biomédicas. También se da una breve explicación sobre el magnetismo, así como descripciones y usos de los FSC en ciencia de materiales. El objetivo de este capítulo es situar al lector en el contexto científico de la tesis. • El capítulo 2 describe la síntesis y caracterización de los materiales porosos basados en sílice empleados en la tesis: aerogeles de sílice monolíticos, partículas submicrométricas de sílice y nanopartículas compuestas núcleo(óxido de hierro)-corteza(sílice). • El capítulo 3 informa sobre la fabricación de productos híbridos para aplicaciones biomédicas impregnando los materiales basados en sílice con un agente terapéutico a través de su disolución en dióxido de carbono (CO2) supercrítico. El capítulo incluye la preparación in situ y encapsulación de dos fotosensibilizadores orgánicos como una prueba de concepto. Los detalles sobre los procesos y la caracterización, en términos de carga, propiedades estructurales y texturales de los materiales resultantes, son presentados. Se dedica especial atención a la conformación química y estabilidad del fármaco dentro de las matrices de sílice y la cinética de liberación in vitro en medio acuoso. • El capítulo 4 explica el uso de biopolímeros para recubrir las partículas basadas en sílice, los cuales confieren propiedades para aplicaciones biomédicas, tales como la liberación controlada de fármacos y características mejoradas para las interacciones con células. El método de recubrimiento implicó el uso de CO2 comprimido como no-solvente o como medio de reacción y catalizador para el polímero. Se presentan las propiedades morfológicas y estabilidad térmica de los materiales obtenidos. Los resultados en la dispensación del fármaco in vitro en medio acuoso y la estabilidad del fármaco se presentan y se comparan con los encontrados para partículas sin recubrir. • El capítulo 5 muestra los estudios preliminares de nuestros materiales como portadores potenciales de fármacos, en términos de degradabilidad, estabilidad coloidal en medios biológicos, citotoxicidad y captación celular. Estrategias para la funcionalización de la superficie de la sílice con el objetivo de solucionar dificultades comunes relacionadas con sus bioaplicaciones también se recogen. • El capítulo 6 enumera las conclusiones generales derivadas de la presente tesis e incluye algunas sugerencias para futuras investigaciones en el tema. • El capítulo 7 da una breve introducción a los fundamentos teóricos de las técnicas experimentales utilizadas y las características técnicas de los equipos empleados. • El capítulo 8 contiene información sobre el autor y las publicaciones obtenidas durante el trabajo de doctorado.

My assigned project under the supervision of Dr. Anna Roig and Dr. Concepción Domingo was focused on the preparation of multifunctional silica-based nanoparticles for biomedical applications. The thesis aims to fabricate hybrid (organic-inorganic) complex materials as drug carriers using supercritical fluids (SCFs) with adequate properties for their application in biomedicine. For that purpose, two main objectives have been addressed: first, evaluation of the potentiality of porous silica-based materials synthesized without using porogenic agents as drug delivery systems; and second, exploiting the utility of the supercritical fluids in the synthesis and functionalization of materials. During the realization of this thesis, silica-based nanostructured materials have been synthesized, loaded with a model drug, physical and chemically modified in their surface, and preliminarily studied as potential biomedical tools analyzing their interactions with relevant biological entities and media. The manuscript is organized into eight chapters. • Chapter 1 provides a general introduction to nanotechnology and colloidal science (with a special mention to nanomedicine) together with the main strategies to synthesize both silica and iron oxide nanoparticles and their biomedical applications. A brief explanation on magnetism is also given, as well as descriptions and uses of SCFs in materials science. The aim of the chapter is to place the reader in the scientific context of the thesis. • Chapter 2 describes the synthesis and characterization of the porous silica-based materials employed in the thesis: silica monolithic aerogels, silica submicron-sized particles and composite core(iron oxide)-shell(silica) nanoparticles. • Chapter 3 reports on the fabrication of hybrid products for biomedical applications by impregnating silica-based materials with a therapeutic agent trough dissolution in supercritical carbon dioxide. The chapter includes the simultaneous in situ preparation and encapsulation of two organic photosensitizers as a proof-of-concept. Details on the processes and on the characterization, in terms of organic load, structural and textural properties of the resulting materials, are presented. Special attention is devoted to the chemical conformation and stability of the drug inside the silica matrices and to the in vitro release kinetics in aqueous media. • Chapter 4 explains the use of biopolymers to coat the silica-based particles conferring them with enhanced properties for biomedical uses, such as sustain drug release and improved features for the interactions with cells. Coating method involved the use of compressed carbon dioxide as antisolvent or as reaction medium and catalyst for the polymer. The morphological properties and thermal stability of the resulting materials are presented. Results on In vitro drug delivery in aqueous media and drug stability are presented and compared with those found for uncoated particles. • Chapter 5 shows preliminary studies of our materials as potential drug carriers, in terms of degradability, colloidal stability in biological media, cytotoxicity and cellular uptake. Strategies of silica surface functionalization with the goal of overcoming problems encounter in bioapplications are also gathered. • Chapter 6 lists the general conclusions derived from the present thesis and includes some suggestions for further research on the topic. • Chapter 7 gives brief introductions to the theoretical fundaments of the used experimental techniques and technical characteristics of the employed equipments. • Chapter 8 contains information about the author and the publications obtained during the PhD work.