Resumen de Processing and structuring of molecular materials for enviromental and biomedical applications
César Díez Gil
Durante la últimas décadas la construcción de dispositivos basados en materiales moleculares funcionales se ha convertido en uno de los principales objetivos para la ciencia de los materiales. Aunque las propiedades fundamentales de dichos materiales (electrónicas, magnéticas, ópticas, mecánicas, etc) vienen determinadas por las propiedades de sus constituyentes moleculares, la funcionalidad final de dichos dispositivos vendrá determinada en gran medida por las diferentes técnicas de procesado y estructuración empleadas durante su construcción. En este contexto, el objetivo principal de esta tesis se centra en el uso de diferentes técnicas de procesado y estructuración de compuestos con actividad medioambiental y biomédica para el desarrollo de nuevos materiales funcionales. Los metales pesados, y especialmente el mercurio, son especies altamente tóxicas cuya presencia, debida a causas tanto naturales como antropogénicas, se ha visto incrementada de forma global generando una situación de riesgo no solo para el medio ambiente sino también para el ser humano. Así pues, el desarrollo de nuevos sensores capaces de llevar a cabo la detección sensible y selectiva de iones Hg(II) disuelto en medio acuoso supone un desafío para la ciencia actual. La primera parte de esta tesis doctoral se ha basado en el procesado y nano-estructuración de dos compuestos orgánicos (1 y 2) derivados del 2,3-diaza-1,3-butadieno capaces de llevar a cabo la detección selectiva de iones Hg(II) mediante métodos ópticos. Como resultado se han obtenido diversos sistemas heterogeneos capaces de detectar la presencia dichos iones en medios acuosos. El primero de ellos, basado en un proceso de fisisorción de los indicadores previamente descritos sobre una membrana de celulosa, dio como resultado el desarrollo de sondas sensoras de un solo uso y bajo coste para la detección de Hg(II). Dichas sondas fueron preparadas siguiendo dos técnicas de estructuración diferentes. La más intuitiva de las cuales, que denominamos "técnica de revelado", se basó en el uso de un receptor orgánico sensible a la presencia de iones Hg(II) como agente revelador de una membrana de celulosa previamente impregnada con la muestra contaminada. Aunque los resultados obtenidos usando el receptor colorimétrico 1 como agente de revelado mostraban buena selectividad y reproducibilidad, la sensibilidad de dicho sistema frente a los iones Hg(II) se pudo establecer en la decenas de ppm, lejos de las unidades de ppb establecidas por la Unión Europea (EU) y la Agencia de Protección Medioambiental Estadounidense (EPA) como máximo para la presencia de iones Hg(II) en agua potable. Sin embargo este proceso sirvió como una prueba de concepto para el desarrollo de sondas sensoras basadas en el uso de materiales baratos y renovables como la celulosa para la detección de contaminantes. El otro proceso de estructuración empleado involucra la producción y deposición de nanoparticulas de los receptores orgánicos 1 y 2 sobre la superficie de membranas nanoporosas de celulosa. La obtención de estas membranas híbridas supuso un importante incremento en la sensibilidad de las sondas obtenidas alcanzando (con aquellas basadas en el uso del receptor 2) los niveles de detección exigidos por la EU y la EPA (ppb de Hg(II)). En una segunda aproximación se llevó a cabo el anclaje químico de los receptores 3 y 4 sobre la superficie de un substrato sólido para la obtención de un sensor de Hg(II) de alto rendimiento. En este caso llevamos a cabo el desarrollo de un sensor basado en la resonancia superficial de plasmón (SPR) capaz de detectar la presencia de picomoles de iones Hg(II) en medios acuosos. El diseño racional de los receptores (3 y 4) se llevó a cabo para optimizar la sensibilidad, selectividad y fiabilidad del sensor, lo cual nos permitió mejorar los parámetros establecidos por la EPA y la EU en tres ordenes de magnitud. El creciente desarrollo de la medicina regenerativa en general y la regeneración de tejidos en particular ha traído consigo una enorme mejora de la calidad de vida para decenas de miles de personas por todo el mundo. Aunque la mayoría de los biomateriales usados hoy en día presentan la estructura y resistencia adecuada para ser usados en medicina regenerativa, la interacción de dichos materiales con el entorno biológico no se controla de forma completa aun, lo cual genera, en algunos casos, efectos secundarios indeseados. El trabajo desarrollado en esta segunda parte de la tesis se centra en el estudio, caracterización y procesado de un nuevo tipo de material proteinaceo nano-particulado conocido como cuerpos de inclusión (IBs). La primera parte de esta investigación se centró en la caracterización nanoscópica de las propiedades fisico-químicas y estructurales de esta nueva familia de agregados, conocidos como IBs. Así pues, IBs provenientes de diferente trasfondo genético fueron caracterizados mediante diferentes técnicas como la dispersión dinámica de luz (DLS) la microscopia de fuerza atómica (AFM) o el ángulo de contacto (CA). Los resultados obtenidos indicaron que los IBs producidos en ausencia de diferentes elementos de la maquinaria de control de shock térmico celular (genes de la DnaK, ClpA y ClpP) exhiben una diferente distrubución de tamaños, y propiedades fisico-químicas. De esta manera es posible concluir que existe una relación directa entre la conformación de las proteínas recombinantes que forman los IBs y sus propiedades. Una distribución aleatoria de IBs con diferente trasfondo genético se usó para decorar una serie de superficies químicamente modificadas con grupos amino, las cuales fueron sometidas a diferentes ensayos de proliferación celular obteniendo diferentes resultados según el origen genético de los IBs empleados. Dicho experimento probó que es posible utilizar los IBs para modificar las superficies de los materiales con objeto de obtener diferentes comportamientos de proliferación celular, expandiendo el posible uso de dichos materiales para aplicaciones en regeneración de tejidos.
