Encapsulation of inorganic payloads into carbon nanotubes with potential application in therapy and diagnosis

Abstract

Los nanotubos de carbono representan un grupo de materiales relativamente nuevo con potencial aplicación en diferentes áreas científicas. Esta tesis se centra en beneficiarse de sus cavidades internas para encapsular compuestos biomédicamente relevantes. Los nanotubos de carbono permiten el confinamiento de materiales en su interior impidiendo su fuga y, en consecuencia, reduciendo los efectos secundarios, no deseados, de estos materiales en el medio circundante. Esto hace que los nanotubos de carbono sean unos vectores elegantes para el diagnóstico y tratamiento de enfermedades. Se ha demostrado que el proceso utilizado para purificar muestras de nanotubos de carbono permite no sólo la reducción de impurezas, que podrían causar citotoxicidad, sino también acortar la longitud de los nanotubos. Teniendo en cuenta que el análisis termogravimétrico es una técnica ampliamente utilizada para evaluar la pureza de muestras de nanotubos de carbono, se ha investigado la influencia que tienen diferentes parámetros que controlan este análisis para asegurar que los resultados obtenidos son lo más precisos y representativos posible. El proceso de purificación también ha sido reajustado para minimizar la cantidad de catalizador en muestras de nanotubos de carbono. También hemos desarrollado un protocolo que permite determinar el contenido de catalizador en muestras de nanotubos de carbono mediante espectroscopía ultravioleta-visible de una manera precisa y fiable. Se ha investigado la preparación de cloruro de samario(III) anhidro a partir de óxido de samario(III), así como la capacidad que ofrece el material preparado para el llenado de nanotubos de carbono, ya que éste tiene interés para el desarrollo de radiotrazadores. El proceso de llenado de nanotubos de carbono resulta en muestras que contienen grandes cantidades de material externo, no encapsulado, lo cual puede comprometer el rendimiento del material en el contexto biológico. Hemos desarrollado un protocolo para monitorizar la eliminación del material no encapsulado a través de espectroscopía de ultravioleta-visible, que a la vez permite mejorar el procedimiento de lavado. El uso de nanotubos de carbono multicapa tiene algunos beneficios sobre sus homólogos monocapa debido a la presencia de una cavidad interna más grande que puede contener más material. Se ha investigado el cierre espontáneo de las puntas de nanotubos de carbono multicapa a través de su calentamiento térmico a diferentes temperaturas, así como la encapsulación de distintos materiales en el mismo rango de temperaturas. Finalmente, distintas muestras de nanotubos de carbono multicapa llenos han sido examinadas in-vitro con el fin de evaluar su citotoxicidad y la captación celular de los nanosistemas desarrollados.

Carbon nanotubes present a relatively novel group of materials with potential application in different scientific fields. The scope of this Thesis is to benefit from their inner cavities to encapsulate biomedically relevant payloads. Carbon nanotubes allow the confinement of selected materials within their walls, preventing their leakage and, as a consequence, undesired effects of such materials to the surrounding media. This makes filled carbon nanotubes very elegant vectors for the diagnosis and therapy of diseases. The process used to purify samples of carbon nanotubes proved to be a valuable asset, not only in the reduction of impurities which might cause cytotoxicity, but also for shortening the length of nanotubes. Thermogravimetric analysis is a widely-used technique in evaluating the purity of carbon nanotube samples. The role of different parameters that control the analysis has been investigated to assure that the most appropriate and representative results are obtained. The purification process has also been readjusted to assure the presence of the lowest amount of catalyst possible in the carbon nanotube samples with the employed purification strategy. We have also introduced a simple UV-Vis spectrophotometric assertion of the catalyst content in samples of nanotubes in a precise and reliable manner. The preparation of dry samarium(III) chloride from samarium(III) oxide was investigated, together with the nanotube filling-ability of the prepared material, of interest for the development of radiotracers. Bulk filling of carbon nanotubes results in samples that contain a large amount of external, non-encapsulated material, which can compromise the performance of the material in the biological context. We have developed a protocol to monitor the removal of the non-encapsulated material by means of UV-Vis, which in turn allows improving the washing procedure. The usage of multi-walled carbon nanotubes has some benefits over their single-walled counterparts, due to the presence of a bigger cavity which can host more material. The spontaneous closure of the tips of multi-walled carbon nanotubes by thermal annealing was investigated at different temperatures, along with the encapsulation of different materials. The prepared filled multi-walled samples were tested in-vitro to assess cytotoxicity and cellular uptake of the developed nanosystems.