Microwave synthesis of inorganic nanocrystals and their evaluation in biological environments

Abstract

En resumen, esta tesis presenta algunas rutas sintéticas para diseñar nanopartículas dispersables en agua, biocompatibles y evalúa su interacción con entidades biológicas. Para lograr este propósito, utilicé la síntesis asistida por microondas para obtener SPIONs, nanopartículas de oro (Au NPs) y Au – SPIONs nanocomposites. Posteriormente, me centré en la funcionalización superficial de SPIONs con diferentes estabilizantes electrostáticos y BSA para hacerlas dispersables y estables en los medios de cultivo celular. Así, investigamos la interacción entre SPIONs y BSA mediante el uso de técnicas diferentes. Determinamos constantes de interacción, cambios estructurales y la termodinámica de la interacción de BSA con SPIONs. Finalmente, trabajando con otros miembros del grupo, analizamos la influencia de la capa de BSA en la toxicidad, la absorción y la localización intracelular de SPIONs en dos tipos de líneas celulares in vitro. Los efectos biológicos de recubrimiento BSA en SPIONs también se investigaron en el modelo simple in vivo C. elegans. Esta tesis se organiza en siete capítulos: • El capítulo 1 introduce: i) los conceptos básicos de la nanociencia, nanomedicina y el magnetismo de las nanopartículas de óxido de hierro, ii) los métodos sintéticos generales para la producción de nanopartículas de óxido de hierro y nanopartículas de oro, y sus aplicaciones biomédicas, iii) la interacción de nanopartículas con proteínas, y el efecto del recubrimiento de proteína en las respuestas biológicas de las nanopartículas. • El capítulo 2 presenta: i) la síntesis asistida por microondas de SPIONs y nanopartículas de Au, ii) la funcionalización superficial de SPIONs con polivinil pirrolidona, hidróxido de tetrametilamonio y citrato trisódico hidratado y iii) la síntesis a gran escala de SPIONs funcionalizadas con citrato mediante el uso de un Microondas multi-modo. • El capítulo 3 extiende el uso del método de síntesis asistida por microondas de Au-SPIONs híbridas. Se ha establecido una ruta fácil asistida por microondas utilizando polioles de forma rápida y verde para sintetizar nanotriángulos (NT) de oro (Au) decorados con nanopartículas de óxido de hierro superparamagnéticas (SPIONs) con un alto rendimiento. El rendimiento de Au-NTs puede ser controlado ajustando los parámetros de síntesis. • El capítulo 4 muestra la funcionalización superficial de SPIONs con BSA. La estabilidad de las BSA-SPIONs funcionalizadas se ha investigado en varias soluciones biológicamente relevantes. El mecanismo de adsorción, la termodinámica y la conformación estructural del BSA sobre los SPIONs se analiza en detalle. • El capítulo 5 presenta la modificación del comportamiento de SPIONs en entornos biológicos después de su recubrimiento con BSA. En particular, se evalúa la degradación de SPIONs con y sin recubrimiento de BSA en una solución tampón de citrato (pH 4,6), imitando el ambiente ácido lisosomal. También se investigó la citotoxicidad, la captación y localización de SPIONs con y sin recubrimiento de BSA en dos tipos de células y los efectos biológicos del recubrimiento BSA en el modelo in vivo C. elegans. • El capítulo 6 enumera las principales conclusiones derivadas de esta tesis doctoral y algunas sugerencias para futuros trabajos en el campo. • El capítulo 7 recoge información sobre el autor y sus publicaciones durante el período de realización de esta tesis doctoral.

Briefly, this thesis presents some synthetic ways to engineer water dispersible, biocompatible nanoparticles and evaluation of their behaviors in biological environments. To achieve this purpose, I first used a microwave-assisted method to synthesize superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPIONs), Gold nanoparticles (Au NPs) and Au nanotriangles-SPIONs nanocomposites (Au NTs-SPIONs). I then focused on the surface functionalization of SPIONs with different electrostatic stabilizers and BSA to make them dispersible and stable in cell media. Thereafter, the interaction between SPIONs and BSA was investigated by using several different techniques. Binding behaviors, structural changes and thermodynamics of BSA upon interaction with SPIONs have been elucidated. Finally, working with other group members, we evaluated the effects of the BSA coating on the toxicity, uptake and intracellular localization of SPIONs on two types of in vitro cell lines (MDA MB 231 cell line and HL 60 cell line). Biological effects of BSA coating on SPIONs' surface were also investigated on a simple in vivo model of C. elegans. This thesis is organized in seven chapters. • Chapter 1 introduces: i) basic concepts of nanoscience, nanomedicine and magnetism of iron oxide nanoparticles, ii) general synthetic methods for producing iron oxide and gold nanoparticles, and their biomedical applications, iii) the interaction of nanoparticles with proteins, and the effect of protein coating on the biological responses of nanoparticles. • Chapter 2 presents: i) microwave-assisted synthesis of SPIONs and Au nanoparticles, ii) surface functionalization of SPIONs with polyvinyl pyrrolidone, tetramethylammonium hydroxide and trisodium citrate dihydrate and iii) large scale-up synthesis of citrate functionalized SPIONs by using a multi-mode MW apparatus. • Chapter 3 further explores the use of microwave assisted method in the synthesis of Au-SPIONs hybrid nanoparticles. A facile, fast and bio-friendly microwave-assisted polyol route was established to synthesize high yield of gold (Au) nanotriangles (NT) decorated with superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPIONs). The yield of AuNTs could be controlled by adjusting synthetic parameters. • Chapter 4 shows the further surface functionalization of SPIONs by BSA. The stability of the BSA functionalized SPIONs has been investigated in several biologically relevant media. The adsorption mechanism, thermodynamics and structure conformation of BSA upon adsorption on SPIONs were also revealed in detail. • Chapter 5 reports the effects of BSA coating on the behaviors of SPIONs in biological environments. In particular, degradation of SPIONs with and without BSA coating in citrate buffer (pH 4.6), mimicking the lysosomal acidic environment, was evaluated. We also investigated the cytotoxicity, uptake and localization of SPIONs with and without BSA coating on two types of cells. Furthermore, biological effects of BSA coating were also evaluated on the in vivo model C. elegans.. • Chapter 6 includes the general conclusions extracted from the PhD work. Some suggestions for the future work are also included. Chapter 7 provides the author’s CV and the publications that have resulted from the thesis.