Publication: Desarrollo de nuevos nanomateriales híbridos con aplicaciones biofotónicas
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2015-01-12
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Universidad Complutense de Madrid
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Abstract
El trabajo de investigación desarrollado durante la presente tesis doctoral se ha dirigido hacia la síntesis y estudio de nuevos nanomateriales híbridos orgánico-inorgánicos sensibilizados en todo el espectro visible por incorporación de colorantes específicos para aplicaciones optoelectrónicas y biofotónicas. El diseño, síntesis y estudio detallado de estos nuevos nanomateriales híbridos, nos ha permitido ampliar los conocimientos sobre los procesos que regulan sus propiedades en relación con su estructura para la obtención de nuevos materiales funcionalizados con aplicaciones específicas. La memoria se ha dividido en dos grandes bloques; el primero de ellos aborda la síntesis y caracterización óptica de nuevos materiales para la energía y aplicaciones optoelectrónicas, mientras que el segundo aborda el desarrollo de nanomateriales para la salud, concretamente, a la síntesis controlada, caracterización y estudios biofísicos de nanomateriales híbridos funcionalizados con carbohidratos. La primera parte de esta memoria está dedicada al desarrollo de nuevos colorantes orgánicos e hibridos con emisión láser modulada para aplicaciones optoelectrónicas(Capítulos 1 y 2). Para ello se han sintetizado nuevos colorantes de la familia de los BODIPYs (boradiazadipirrometenos) que, en función de la posición, numero y naturaleza del sustituyente introducido en su estructura, nos ha permitido obtener compuestos con emisión de fluorescencia en todo el espectro visible, desde 450 hasta 740 nm. A lo largo de la memoria se desglosan las estrategias abordadas y los logros más relevantes obtenidos con cada una de ellas para desplazar la longitud de onda de emisión hacia el rojo y hacia el azul. Se han obtenido nuevos colorantes BODIPYs con emisión fluorescente y láser altamente eficiente y estable tanto en disolución como en estado sólido. Bajo idénticas condiciones de bombeo, los nuevos colorantes presentaron eficiencias y estabilidades láser muy superiores a las de los derivados comerciales disponibles con emisión en las mismas regiones del espectro. Por otro lado, para incrementar la estabilidad de estos sistemas y evitar la degradación térmica que limita su aplicación, se han sintetizado nuevos materiales híbridos por unión covalente del colorante a un oligosilsexquioxano poliédrico (POSS T8), que presenta un núcleo inorgánico de estructura cúbica y fórmula molecular (SiO1.5)8. El carácter hibrido del POSS y la unión covalente del colorante al mismo proporciona un canal de disipación de energía térmica sin afectar a las propiedades ópticas del colorante. Se estudiaron las propiedades fotofísicas y láser de estos nuevos materiales híbridos que presentan un incremento significativo de su fotoestabilidad sin reducir, e incluso llegando también a incrementar su eficiencia de emisión. La segunda parte de esta memoria está dedicada al desarrollo de nuevos materiales híbridos basados en POSS para su empleo como nanobloques de construcción y autoensamblaje (Capítulos 3 y 6) y para la presentación multivalente de biomoléculas (carbohidratos, en esta tesis), implicada en numerosos procesos biológicos (materiales para la salud) (Capítulos 4 y 5). Se ha llevado a cabo un estudio detallado del control del grado de funcionalización del núcleo de POSS, empleando para ello el octakis(3-azidopropil)octasilsesquioxano (octa-azido-POSS) y la reacción de cicloadición 1,3-dipolar azida-alquino catalizada por Cu(I) (un ejemplo paradigmático de reacción “click”). Este estudio nos ha permitido la síntesis controlada de POSS heterobifuncionales con grupos de reactividad ortogonal que posibilitan su empleo como nanobloques de construcción para la síntesis controlada a escala nanométrica de nuevos nanomateriales mediante una aproximación “bottom-up”. Además se sintetizó un POSS etiquetado fluorescentemente con una unidad de colorante y con 7 posiciones reactivas adicionales que permiten la introducción de diversos epítopos para aplicaciones biológicas. Esta metodología se ha empleado para la síntesis de nuevos dendrímeros glicoconjugados que contienen el núcleo de POSS como centro del clúster. Los nuevos glico-POSS se han etiquetado primero en uno de los vértices del cubo de silsesquioxano con un colorante BODIPY, que sirve como sonda fluorescente, y se han funcionalizado después en las siete posiciones restantes con diferentes carbohidratos (manosa, galactosa y lactosa), variando el número de unidades sacarídicas (de 7 a 21) y la longitud del espaciador que conecta la unidad de carbohidrato al POSS. Estos compuestos se han ensayado como sistemas multivalentes frente a proteínas de tipo lectina, que reconocen carbohidratos de forma específica y que tienen gran relevancia en numerosos procesos biológicos implicados en el reconocimiento celular. Se han llevado a cabo diferentes estudios biofísicos de interacción carbohidrato-lectina de nuestros glico-POSS. Los compuestos funcionalizados con D-manosa, se estudiaron frente a la lectina modelo de origen vegetal concanavalina A empleando anisotropía de fluorescencia (AF), gracias a la sonda fluorescente incluida en su estructura, resonancia de plasmón de superficie (SPR) y microcalorimetría (ITC). Se llevó a cabo además un estudio con células dendríticas humanas del sistema inmune que sobre-expresan la lectina DC-SIGN, que reconoce específicamente derivados de D-manosa y que está implicada en el reconocimiento de microorganismos patógenos, empleando microscopía confocal de fluorescencia. Los compuestos funcionalizados con D-galactosa y lactosa se estudiaron frente a galectinas mediante AF. Las galectinas son un grupo de lectinas de interés creciente dado que se ha descrito que están involucradas en muchos tipos de cáncer.En último lugar, se ha llevado a cabo un estudio de la agregación de nuestros glico- POSS en medio acuoso empleando una combinación de técnicas biofísicas, incluyendo FP, TEM, GPC, RMN, AFM, DLS y ultra centrifugación analítica. De este estudio, se ha concluido que el proceso de agregación está dirigido por la hidrofobia de la estructura de octasilsesquioxano y que se puede modular el grado de agregación controlando la composición global del híbrido orgánico-inorgánico. Se ha observado, además, que la agregación no afecta a su actividad biológica. La agregación en agua de estos sistemas puede ser de gran utilidad para el encapsulamiento de distintas moléculas hidrófobas así como para la liberación controlada de fármacos.
The purpose of the research work described in this Thesis has been the synthesis and study of new hybrid organic-inorganic nanomaterials that have been sensitized through the entire visible spectrum through the incorporation of specific dyes for optoelectronic and biophotonic applications. The design, synthesis and detailed study of these new hybrid nanomaterials has allowed us to achieve a better and deeper understanding of the complex processes that regulate their properties in relation to their structure, which is key to the preparation of new functional materials. The Thesis manuscript is divided into two main parts. The first one addresses the synthesis and optical characterization of new materials for photonic applications, while the second deals with the controlled synthesis, characterization and biophysical study of hybrid nanomaterials functionalized with carbohydrate epitopes. The first part of the manuscript (Chapters 1 and 2) deals with the development of new dyes with modulated emission for optoelectronic applications. We have addressed this work first from the point of view of the dye with the synthesis of new members of the well-known BODIPY family (boradiazadipyrromethenes) that, through structural modifications, has allowed us to obtain compounds with fluorescence and laser emissions distributed throughout the entire visible spectrum. The manuscript describes all the strategies that we have followed to shift the emission wavelength to the red or to the blue regions of the electromagnetic spectrum as well as the most important outcomes of each strategy. We have obtained new BODIPY dyes showing a highly efficient and stable fluorescence and laser emissions both in solution and in the solid state. Under identical pumping conditions, the new laser dyes showed much higher efficiencies and stabilities than commercially available products emitting in the same spectral regions. Depending on the nature and position of the substituents of the BODIPY chromophore, we were able to modulate the emission wavelength along the entire visible spectrum, between 450-740 nm. Furthermore, to increase the stability of these systems and to avoid the thermal degradation of the dyes, which limits their applications, we have synthesized new hybrid materials by covalently attaching the dye to a polyhedral oligosilsesquioxane (POSS T8), with an inorganic core of cubic structure and molecular formula (SiO1.5)8, which provides a channel for heat dissipation without affecting the optical properties of the dye. We have studied the laser and photophysical properties of the new hybrid dyes, finding a marked improvement in photostability without compromising their efficiency, which even improved in some cases...
The purpose of the research work described in this Thesis has been the synthesis and study of new hybrid organic-inorganic nanomaterials that have been sensitized through the entire visible spectrum through the incorporation of specific dyes for optoelectronic and biophotonic applications. The design, synthesis and detailed study of these new hybrid nanomaterials has allowed us to achieve a better and deeper understanding of the complex processes that regulate their properties in relation to their structure, which is key to the preparation of new functional materials. The Thesis manuscript is divided into two main parts. The first one addresses the synthesis and optical characterization of new materials for photonic applications, while the second deals with the controlled synthesis, characterization and biophysical study of hybrid nanomaterials functionalized with carbohydrate epitopes. The first part of the manuscript (Chapters 1 and 2) deals with the development of new dyes with modulated emission for optoelectronic applications. We have addressed this work first from the point of view of the dye with the synthesis of new members of the well-known BODIPY family (boradiazadipyrromethenes) that, through structural modifications, has allowed us to obtain compounds with fluorescence and laser emissions distributed throughout the entire visible spectrum. The manuscript describes all the strategies that we have followed to shift the emission wavelength to the red or to the blue regions of the electromagnetic spectrum as well as the most important outcomes of each strategy. We have obtained new BODIPY dyes showing a highly efficient and stable fluorescence and laser emissions both in solution and in the solid state. Under identical pumping conditions, the new laser dyes showed much higher efficiencies and stabilities than commercially available products emitting in the same spectral regions. Depending on the nature and position of the substituents of the BODIPY chromophore, we were able to modulate the emission wavelength along the entire visible spectrum, between 450-740 nm. Furthermore, to increase the stability of these systems and to avoid the thermal degradation of the dyes, which limits their applications, we have synthesized new hybrid materials by covalently attaching the dye to a polyhedral oligosilsesquioxane (POSS T8), with an inorganic core of cubic structure and molecular formula (SiO1.5)8, which provides a channel for heat dissipation without affecting the optical properties of the dye. We have studied the laser and photophysical properties of the new hybrid dyes, finding a marked improvement in photostability without compromising their efficiency, which even improved in some cases...
Description
Tesis inédita de la Universidad Complutense de Madrid, Facultad de Ciencias Químicas, Departamento de Química Física, leída el 10-07-2014. Tesis formato europeo (compendio de artículos).