Desarrollo de nanopartículas magnéticas con aplicaciones en medioambiente y nanomedicina - Peralta, Marcos Emanuel (2021)
El desarrollo de la nanotecnología ha permitido en los últimos años un gran avance en el diseño de nanomateriales con propiedades excepcionales para aplicaciones en múltiples áreas. Las nanopartículas de ciertos óxidos de hierro, como magnetita, poseen un comportamiento superparamagnético, lo que les permite ser guiadas fácilmente mediante un campo magnético externo. El recubrimiento de estas partículas magnéticas con sílice mesoporosa las protege de la oxidación, proporciona características texturales destacadas y una química superficial versátil. Esta tesis doctoral está enfocada en el desarrollo de nanomateriales magnéticos de óxido de hierro y sílice modificada, para su potencial aplicación como nanotransportadores para la administración controlada de fármacos, por un lado, y como nanoadsorbentes de contaminantes orgánicos de medios acuosos, por el otro. Los nanomateriales magnéticos están siendo aplicados ampliamente en el desarrollo de nuevas estrategias de diagnóstico y tratamiento de enfermedades. Una dificultad propia de la terapia farmacológica general es su falta de precisión hacia un sitio patológico específico, lo que puede ocasionar toxicidad, un uso excesivo de fármaco o su degradación prematura. En este trabajo se plantea la administración controlada de fármacos mediante el uso de nanopartículas magnéticas recubiertas con sílice mesoporosa funcionalizada con un copolímero termosensible. Para esto, se sintetizaron nanopartículas de magnetita recubiertas con sílice mesoporosa con estructura core-shell (MMS) y se ancló el polímero poli[N-isopropilacrilamida-co-3-(trimetoxisilil)propilmetacrilato] (PNIPAM-co-MPS) a su superficie. La unión covalente y polimerización sobre las nanopartículas se realizó con un procedimiento en un solo paso. En el nanotransportador híbrido obtenido MMS-PNIPAM-co-MPS, el copolímero fue anclado exitosamente principalmente en superficie de la sílice, dejando los mesoporos libres para poder almacenar sustancias terapéuticas. La caracterización fisicoquímica de MMS-PNIPAM-co-MPS reveló destacados valores de magnetización de saturación, área superficial específica y volumen de poro. Se evaluó la eficiencia de MMS-PNIPAM-co-MPS como sistema de administración de fármacos controlada por la temperatura, mediante ensayos de liberación in vitro usando ibuprofeno como fármaco modelo. Estos ensayos se realizaron por debajo (20 °C) y por encima (40 °C) de la temperatura de disolución crítica inferior (LCST) del copolímero. A bajas temperaturas las cadenas del copolímero se encuentran en su forma hidrofílica extendida, bloqueando los poros; mientras que al superar la LCST se contraen a su forma globular hidrofóbica, dejando los mesoporos abiertos y permitiendo la liberación del fármaco almacenado. Efectivamente, los ensayos mostraron una considerable diferencia (80 %) en la liberación de ibuprofeno entre estas dos temperaturas, y una rápida y completa liberación del fármaco a 40 °C. Estos resultados sugieren que el copolímero termosensible actúa efectivamente como “compuerta” de los mesoporos, para la liberación controlada por la temperatura del fármaco almacenado dentro de los mesoporos. Asimismo, ensayos de citotoxicidad in vitro con células HepG2, expusieron una baja toxicidad del nanotransportador híbrido. Por otro lado, la presencia de contaminantes orgánicos en aguas, como hidrocarburos policíclicos aromáticos (PAHs) y contaminantes emergentes (CECs) como ciertos fármacos, constituyen un riesgo para los humanos y el ecosistema. Muchos de estos contaminantes orgánicos no son removidos eficientemente en las plantas de tratamiento, por lo que aún se necesitan soluciones efectivas. En este trabajo se propone la utilización de nanopartículas magnéticas recubiertas con una capa híbrida de sílice funcionalizada con grupos orgánicos como adsorbente para la eliminación de contaminantes en aguas. Con este propósito, se recubrieron nanopartículas de magnetita con una capa híbrida de sílice usando tetraetoxisilano (TEOS) como precursor de sílice y cloruro de 3-(trimetoxisilil)propiloctadecil dimetilamonio (TPODAC) como agente director de estructura. Las micelas de este surfactante permanecen confinadas de modo covalente dentro de los mesoporos de la sílice, confiriéndole carácter hidrofóbico. Este material híbrido (MMST) así preparado se modificó luego con trimetoxifenilsilano, obteniéndose un nanoadsorbente funcionalizado con grupos aromáticos (MMST-Ph). Ambos materiales se caracterizaron exhaustivamente con diversas técnicas fisicoquímicas y se realizaron experimentos de adsorción tipo batch en medios acuosos con un contaminante individual y con mezclas de contaminantes. Ambos materiales presentaron características superparamagnéticas y pudieron ser separados del medio acuoso fácilmente con un imán. MMST-Ph demostró ser más eficiente en la remoción de PAHs e hidrocarburos alifáticos. La presencia de las cadenas carbonadas y los restos de fenilo unidos a la red mesoestructurada de sílice resultó ser clave en la obtención de altas capacidades de adsorción de PAHs en medios acuosos. En el caso de CECs se testearon ibuprofeno, diclofenac y carbamazepina. Aquí, el adsorbente MMST logró mayores capacidades de adsorción, aunque MMST-Ph obtuvo elevada remoción para ibuprofeno y diclofenac. Los experimentos de regeneración y reutilización mostraron que MMST-Ph puede ser reutilizado en ocho ciclos sin pérdida de capacidad de retención de antraceno. Para el caso de MMST, se observó una caída del 42% en la capacidad de adsorción de ibuprofeno en el segundo ciclo, mientras que en los siguientes siete ciclos la capacidad de remoción se mantuvo constante. Ambos nanoadsorbentes exhibieron capacidades de remoción superiores o comparables a la bibliografía y pudieron usarse para la adsorción de contaminantes orgánicos de diversas familias.