The life of nanoparticles in contact with biological media and entities

Abstract

Para contribuir al creciente requerimiento de una caracterización rigurosa de los materiales utilizados en el campo de nanotoxicología, el estudio de los problemas de toxicidad y seguridad de los nanomateriales, esta tesis tiene como objetivo describir la evolución de la identidad de las nanopartículas (capítulos 2 y 3), centrándose en la plata, un material muy comercializado, cuando se expone a entornos biológicos. Esta identidad completa puede ser el resultado de procesos individuales, incluyendo la agregación, la aglomeración, la adsorción de proteínas (o biomoléculas), la corrosión y la disolución, o todos ellos a la vez. La reactividad química de las nanopartículas, lo que hace de ellas unos materiales muy útiles para muchos productos, puede ser, al mismo tiempo, motivo de preocupación sobre el efecto nocivo para la salud. Esta preocupación puede ser abordada mediante el aumento de la persistencia de las nanopartículas. Sin embargo, también hay que considerar la posibilidad de perder la reactividad deseada debido al aumento de la persistencia. Por lo tanto, es importante controlar y equilibrar estas dos propiedades. En tales circunstancias, esta tesis también tiene como objetivo investigar la reactividad química y la persistencia de las nanopartículas de plata (AgNPS) en medios biológicos, así como el modo de controlarlas. En particular, la disolución de las AgNPs con diferentes propiedades de superficie se ha estudiado en medios de cultivo celular completos y se han identificado y cuantificado las especies generadas debido a este proceso (capítulo 3). A continuación, se ha trabajado en el control de la reactividad química de las AgNPs utilizando diferentes enfoques, incluyendo la pasivación de la superficie, conduciendo el equilibrio y estructuras core-shell (capítulos 3 y 4). Además, la correlación de los comportamientos de las nanopartículas en ambientes biológicos con su correspondiente respuesta biológica es crucial para comprender mejor el mecanismo de respuesta. Gracias a estancias cortas en diferentes laboratorios de biología, también han sido exploradas otras consideraciones respecto a la determinación de los efectos tóxicos tales como citotoxicidad, inmunotoxicidad y ecotoxicidad (capítulo 5).

Contributing to an increasing requirement of strict material characterization in the field of nanotoxicology, the study of toxicity and safety issues of nanomaterials, this thesis dissertation aims at describing the evolution of the identity of nanoparticles (chapters 2 and 3), focusing on silver, a highly commercialized material, when they are exposed to biological environments. This complete identity can be a result of individual processes including aggregation, agglomeration, protein (or biomolecule) adsorption, corrosion and dissolution or mixtures of them. Chemical reactivity of nanoparticles, which make them useful for many products, may, at the same time, cause concern about adverse health effect. This concern can be solved by increasing the persistence of the nanoparticles. However, the possibility to lose the desired reactivity due to increased persistency should also be considered. Hence, it is important to control and balance these two properties. In such circumstances, this thesis also aims to investigate the chemical reactivity and persistency of silver nanoparticles (AgNPs) in biological media as well as how to control them. Particularly, dissolution of AgNPs with different surface properties has been studied in complete cell culture media and the generated species due to this process have been identified and quantified (chapter 3). Then, chemical reactivity of AgNPs has been tuned using different approaches including surface passivation, equilibrium driving and core-shell structures (chapters 3 and 4). Additionally, correlating the behaviors of nanoparticles in biological environments with their corresponding biological response is crucial to better understand the response mechanism. Thankful to short visits to different biology laboratory, various considerations in determining toxic effects (cytotoxicity, immunotoxicity and ecotoxicity) have been explored (chapter 5).