Development of carbon nanocapsules for biomedical applications

Abstract

La alta superficie y el hueco interior de los nanotubos de carbono (del inglés CNTs) los convierte en candidatos ideales para el desarrollo de nanovectores inteligentes para su aplicación en nanomedicina. Su cavidad interna puede emplearse para alojar compuestos seleccionados para propósitos de diagnóstico o terapéuticos, mientras que las paredes externas pueden modificarse para aumentar su biocompatibilidad e incluso para su direccionamiento. Un reto importante para trasladar los sistemas basados en CNT a su uso clínico es la reducción o eliminación de su toxicidad. Teniendo en cuenta la preocupación sobre salud y seguridad de nanomateriales, se han intensificado los esfuerzos de investigación para mejorar la biocompatibilidad de los CNTs, incluyendo el desarrollo de nuevas estrategias para el acortamiento y purificación de los mismos. La primera parte de esta tesis se enfoca en el estudio de la influencia del vapor de agua sobre la longitud, pureza y la integridad de las paredes de los nanotubos de carbono monocapa (del inglés SWCNTs) producidos tanto por deposición catalítica en fase de vapor (del inglés CVD ) como por descarga de arco. Para obtener nanotubos de carbono individualizados desarrollamos un protocolo que consiste en dispersar las muestras en orto-diclorobenceno y hemos empleado microscopía electrónica de barrido para adquirir las imágenes. CVD CNTs cortos con una longitud media de aprox. 200 nm se obtienen después de 10 h de tratamiento con vapor de agua, mientras que los CNT sintetizados por descarga de arco muestran una baja reactividad frente el vapor de agua. También se investigó la eficiencia de otros métodos de acortamiento comúnmente empleados, como son la molienda de bolas, una mezcla de ácido sulfúrico/nítrico y el tratamiento con piraña, tanto para SWCNTs como para CNTs multicapa (del inglés MWCNT) producidos por CVD. La combinación de piraña y vapor de agua resultó ser la más eficiente para el acortamiento de SWCNTs, y la combinación de ácido sulfúrico/nítrico con vapor de agua para MWCNTs. Estos protocolos proporcionan un buen equilibrio entre la obtención de nanotubos cortos con una distribución de longitud pequeña y la pureza de las muestras con un alto rendimiento de producción. En la segunda parte, estudiamos la encapsulación de distintos haluros metálicos, de interés tanto para imagen como para terapia, dentro de SWCNTs preparados por CVD y por descarga de arco. Se ha investigado el papel que juega la temperatura de calientamiento en el grado de cierre de las puntas de los nanotubos de carbono. Este estudio ha permitido la preparación de CNTs llenos con haluros metálicos de forma eficiente. El llenado de nanotubos de carbono da lugar a muestras que contienen una gran cantidad de material no encapsulado, externo a los nanotubos de carbono, que puede afectar e incluso dominar las propiedades de los nanotubos de carbono llenos. Por lo tanto, desarrollamos un protocolo que permite la eliminación de compuestos no encapsulados en poco tiempo y respetuoso con el medio ambiente, utilizando agua como solvente "verde" en un sistema Soxhlet, a la vez que se minimiza la cantidad de agua residual. La última parte de la tesis describe la modificación de las paredes externas de CNTs llenos. SWCNTs se han funcionalizado covalentemente a través de las reacciones de Tour y Prato, la primera resultando en un grado de funcionalización mayor. Para completar el estudio, las paredes externas de MWCNT llenos con cloruro de lutecio fueron decoradas con nanopartículas de oro. Estas nanocápsulas híbridas tienen interés para su uso como agentes duales para el diagnóstico y la terapia. En resumen, esta tesis aporta nuevos conocimientos sobre la preparación de nanocápsulas de carbono, para el desarrollo de la siguiente generación de agentes teranósticos.

The high surface area and hollow core of carbon nanotubes (CNTs) make them ideal candidates for the development of smart nanovectors in nanomedicine. Their inner cavity can be employed to host selected payloads for either diagnosis or therapeutic purposes while the external walls can be modified to increase their biocompatibility and even for targeting purposes. A major challenge to turn the potential of CNT based devices into customer applications is to reduce or eliminate their toxicity. Taking into account health and safety concerns, intensified research efforts are conducted to improve the biocompatibility of CNTs, including the development of new shortening and purification strategies.

The first part of this thesis focused on the influence of steam on the length, purity, and sidewall integrity of chemical vapor deposition (CVD) and arc discharge single-walled carbon nanotubes (SWCNTs). In order to obtain individualized carbon nanotubes we developed a protocol that consisted of dispersing the samples in ortho-dichlorobenzene and employed scanning electron microscopy (SEM) to acquire the images. Short CVD CNTs with median length of ca. 200 nm can be obtained after 10 h of steam treatment, whereas arc discharged CNTs show low reactivity towards steam. The efficiency of other commonly employed shortening methods, namely ball milling, sulfuric/nitric acids, and piranha was also investigated for both SWCNT and multi-walled CNTs (MWCNTs) grown by CVD. A combination of piranha and steam turned out to be the most efficient for SWCNTs, and a combined sulfuric/nitric acids and steam for MWCNTs. These protocols provide a good balance between length distribution, sidewall integrity and purity of samples with a high yield of production.

In the second part, we report on the encapsulation of selected metal halides, of interest for both imaging and therapy, inside CVD and arc discharge SWCNTs. The role of temperature on the degree of end-closing has been investigated, which has allowed the preparation of closed-ended metal halide filled CNTs. Bulk filling of carbon nanotubes results in samples that contain a large amount of non-encapsulated material, external to the carbon nanotubes, which can affect and even dominate the properties of filled carbon nanotubes. Therefore, we developed a straight forward approach that allows the removal of non-encapsulated compounds in a time efficient and environmentally friendly manner, using water as a “green” solvent in a Soxhlet setup, while minimizing the residual waste.

The last part of the thesis describes the external modification of previously filled CNTs. SWCNTs have been covalently functionalized via Tour and Prato reactions, the former resulting in a higher degree of functionalization. To complete the study, lutetium chloride filled MWCNTs were externally decorated with gold nanoparticles. The developed hybrid nanocapsules hold potential to be employed as dual agents for diagnosis and therapy.

To summarize, this thesis brings new insights in the preparation of carbon nanocapsules, i.e. close-ended filled carbon nanotubes with chosen payloads, for the development of the next generation of theranostic agents.