Synthesis of rare earth nanoparticles and their use in in vivo biomedical applications

• Autores: Vivian Andrea Torres Vera
• Directores de la Tesis: Benito Jorge Rubio Retama (dir. tes.), Enrique López Cabarcos (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Complutense de Madrid ( España ) en 2023
• Idioma: inglés
• Número de páginas: 168
• Títulos paralelos:
  • Síntesis de nanopartículas de tierras raras y su uso en aplicaciones biomédicas
• Tribunal Calificador de la Tesis: Maria Concepción Civera Tejuca (presid.), Gonzalo Villaverde Cantizano (secret.), Paulino Alonso Cristobal (voc.), M. Carmen Iglesias de la Cruz (voc.), José Marques Hueso (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Farmacia por la Universidad Complutense de Madrid y la Universidad de Alcalá
• Materias:
  • Química
    • Química inorgánica
      • Tierras raras
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Docta Complutense
• Resumen
  • español

    Las nanopartículas son una excelente alternativa a las sondas fluorescentes tradicionales ya que solucionan las principales limitaciones estas. Aumentando así, la resistencia al fotoblanqueo, la fotoestabilidad, mejorando los tiempos de vida, etc. Adicionalmente, debido a la versatilidad que poseen para ser modificadas en su superficie, aumentan la biocompatibilidad en sistemas biológicos y la especificidad en la detección del objetivo, haciéndolas una excelente opción para aplicaciones biomédicas.

    Las nanopartículas de tierras raras (RE-NPs) son de gran interés en aplicaciones biomédicas debido a que entres sus propiedades destacan los grandes desplazamientos de Stokes, los largos tiempos de vida, y las bandas de emisiones intensas. También poseen una emisión de luz que puede darse siguiendo los procesos "upconversion"(UCL), "downconversion" (DCL) o "downshifting" (DL), permitiendo emisiones en un amplio rango, que va desde el UV-Vis hasta el NIR. Si se combinan estas propiedades con la versatilidad que poseen estas nanopartículas para anclar moléculas biológicas, son candidatos ideales para aplicaciones teracnósticas, en bioimagen o como biosensores altamente específicos.

    Este trabajo de tesis está orientado en el estudio de RE-NPs para aplicaciones in vivo e in vitro, enfocándose principalmente en la optimización de las propiedades ópticas y fisicoquímicas. Como introducción se comienza explicando los procesos de fotoluminiscencia, comparando los mecanismos, las propiedades químicas y ópticas las RE-UCNPs con las de fluoróforos más tradicionales, para finalizar una revisión del estado del arte sobre las aplicaciones de las RE-NPs en la biomedicina.

    Los capítulos experimentales de esta tesis se dividen en cuatro secciones diferentes, las tres primeras centradas en la optimización de las propiedades ópticas de las RE- UCNPs y la cuarta sección es una aplicación novedosa de RE-NPs en la biomedicina. En el primer trabajo se estudia el efecto de la concentración de los dopantes y de la intensidad de la excitación en la emisión de los procesos de UCL y DL de nanopartículas de ß-NaYF4:Yb3+,Er3 y se describe el papel de los diferentes mecanismos de emisión presentes en relación con el ratio de los dopantes. El segundo estudio se basa en uno de los principales desafíos de las RE-NPs para las aplicaciones biomédicas y es su uso en medios acuosos. La transferencia de las nanopartículas del medio orgánico al acuoso suele ir acompañada por una extinción de la luminiscencia, En este caso se protegen nanopartículas ß-NaYF4:Yb3+,Er3+ recubriéndolas con un polímero y se evita la interacción directa de las moléculas de agua con las RE-NPs, disminuyendo la relajaciones no radiativas y mejorando las propiedades ópticas en soluciones acuosas. En el tercer trabajo se estudia el papel que tiene la arquitectura estructural en la emisión y en la sensibilidad térmica de nanopartículas NaYF4@NaYF4:Nd60,Yb20@CaF2 que poseen una estructura tipo sándwich, se ha estudiado el efecto del grosor de la capa activa, la presencia de una capa protectora y la influencia de poseer un núcleo activo o inactivo en las propiedades espectroscópicas.

    Finalmente, en la segunda sección experimental de esta tesis, se enfocó en desarrollar un nanosistema que participe en el aumento de la proliferación de células endoteliales in vitro y en modelos de ratón. Para ello se utilizaron nanopartículas de NaYF4@NaYF4:Nd60,Yb20@CaF2 a las cuales se les ancló en su superficie una proteína señalizadora (VEGF) con el objetivo de aumentar el tiempo de vida de la VEGF a través de la estabilización y liberación controlada por acción de las RE-NPs y así aumentar la proliferación de células endoteliales a través del proceso de angiogénesis

  • English

    Nanomaterials are an excellent alternative to conventional fluorescent probes (organic dyes and fluorescent proteins) because they overcome their main limitations. Thus, they increase resistance to photobleaching, photostability, enable multiplexing, extend lifetime, etc. Moreover, due to the versatility of nanomaterials and especially nanoparticles that can be modified on their surface, they increase biocompatibility in biological systems and specificity in targeting, which makes them an excellent option for in vivo and in vitro biomedical applications.Rare earth nanoparticles are of great interest for biomedical applications due to their unique physical and chemical properties. Ln3+ ions have highly degenerate electronic states and strongly favored f-f orbital transitions, which translate into specific optical properties such as large Stokes shifts, long lifetimes, sharp and intense emission bands, and considerable resistance to photobleaching and photochemical degradation. It is worth noting that in this type of nanoparticles, depending on the transitions that occur after the excitation process, light emission can occur through an upconversion process, in which multiple photons with lower energy produce emission with higher energy, or through a downshifting process. In this process, a photon with higher energy produces a lower emission. Thanks to this type of emission, rare earth nanoparticles can emit light in a wide range of the electromagnetic spectrum, from UV-vis emissions to near-infrared emissions, making them excellent fluorescent probes. Combining the above properties with the versatility these nanoparticles to bound biological molecules such as DNA, RNA proteins, etc., they are ideal candidates for theracnostic applications (detection and treatment) and are also suitable for bioimaging, as sensors and as drug carriers...