Development of a reproducible and optimized synthetic protocol for the preparation of monodisperse core-shell-type magnetic mesoporous silica nanoparticles

Abstract

[ES] La fabricación de nanopartículas con tamaños por debajo de los 100 nm ha permitido el desarrollo de innovadores nanodispositivos capaces de interactuar de forma directa con sistemas vivos a nivel celular y molecular, convirtiéndose en una parte fundamental dentro del campo de la nanomedicina. Uno de los principales retos a los que se enfrenta la ingeniería de nanopartículas es el desarrollo de nanodispositivos con propiedades físico-químicas bien definidas, ya que de ellas depende el comportamiento y biodistribución de dichos sistemas una vez introducidos en el organismo. No menos importante es el desarrollo de protocolos de síntesis reproducibles y optimizados, indispensables para la fabricación y escalado de nanodispositivos que puedan ser trasladados a futuras aplicaciones biomédicas. El principal objetivo de este proyecto de doctorado es el estudio y fabricación de nanopartículas magnéticas mesoporosas de sílice con estructura "core-shell" para su aplicación como agentes teranósticos en el campo de la nanomedicina. En este estudio se analiza en profundidad la síntesis y caracterización de dichos nanomateriales con el objetivo de producir nanopartículas con unas propiedades físico-químicas bien definidas de forma controlada y reproducible. La obtención de dichas nanopartículas supondría un gran avance de cara al desarrollo de nanodispositivos más complejos y sofisticados. El contenido de la tesis se ha estructurado en distintos capítulos que se detallan brevemente a continuación: ¿El capítulo 1 es una introducción a la nanomedicina, destacando el papel fundamental que tienen las nanopartículas en el desarrollo de nuevas aplicaciones biomédicas. A continuación se presentan las nanopartículas de sílice mesoporosa, mostrando la gran versatilidad de dichos nanomateriales para el desarrollo de dispositivos teranósticos así como sistemas para la liberación controlada de fármacos. Por último, se destaca la importancia de fabricar nanodispositivos con unas propiedades físico-químicas bien definidas como requisito indispensable para la traslación de los resultados experimentales hacia el campo clínico. ¿El capítulo 2 incluye los objetivos principales de la tesis. ¿El capítulo 3 se centra en la síntesis y caracterización de nanopartículas superparamagnéticas de óxido de hierro (USPIONs), siendo estas utilizadas en capítulos posteriores para la síntesis de las nanopartículas mesoporosas tipo "core-shell". Las USPIONs son preparadas a través de un método sencillo de coprecipitación en el que se emplean condiciones de reacción moderadas. Las nanopartículas obtenidas son caracterizadas en profundidad, analizando sus propiedades magnéticas para su aplicación en hipertermia magnética y como agentes de contraste dual en imagen por resonancia magnética (MRI). ¿El capítulo 4 está dedicado a la preparación de nanopartículas magnéticas mesoporosas de sílice con estructura "core-shell". Los conceptos fundamentales relacionados con los mecanismos de formación de este tipo de nanomateriales son ampliamente analizados, así como los parámetros de reacción involucrados en la síntesis. Como punto de partida, se propone un protocolo de síntesis general para la obtención de las nanopartículas tipo "core-shell". A continuación, se analiza en profundidad el efecto que los distintos parámetros de reacción tienen en las propiedades físico-químicas de dichas nanopartículas. Para la fase de optimización se utiliza un modelo semi-empírico como referencia, racionalizando los resultados experimentales observados en base a un posible mecanismo de formación. ¿El capítulo 5 se centra en el análisis y caracterización de la estructura mesoporosa de las nanopartículas tipo "core-shell". Además, se analiza el efecto que los distintos parámetros de reacción tienen sobre la estructura final de las nanopartículas, aportando información adicional sobre su posible mecanismo

[CA] La fabricació de nanopartícules amb grandàries per davall dels 100 nm ha permés el desenvolupament d'innovadors nanodispositius capaços d'interactuar de forma directa amb sistemes vius a nivell cel¿lular i molecular, convertint-se en una part fonamental dins del camp de la nanomedicina. Un dels principals reptes als quals s'enfronta l'enginyeria de nanopartícules és el desenvolupament de nanodispositius amb propietats físic-químiques ben definides, ja que d'elles depén el comportament i biodistribució d'aquests sistemes una vegada introduïts en l'organisme. No menys important és el desenvolupament de protocols de síntesis reproduïbles i optimitzats, indispensables per a la fabricació a gran escala de nanodispositius que puguen ser utilitzats en futures aplicacions biomèdiques. El principal objectiu d'aquest projecte de doctorat és l'estudi i fabricació de nanopartícules magnètiques mesoporoses de sílice amb estructura "core-shell" per a la seua aplicació com a agents teranòstics en el camp de la nanomedicina. En aquest estudi s'analitza en profunditat la síntesi i caracterització d'aquests nanomaterials amb l'objectiu de produir nanopartícules amb unes propietats físic-químiques ben definides de forma controlada i reproduïble. L'obtenció d'aquestes nanopartícules suposaria un gran avanç de cara al desenvolupament de nanodispositius més complexos i sofisticats. El contingut de la tesi s'ha estructurat en diferents capítols que es detallen breument a continuació: ¿El capítol 1 és una introducció a la nanomedicina, destacant el paper fonamental que tenen les nanopartícules en el desenvolupament de noves aplicacions biomèdiques. A continuació es presenten les nanopartícules de sílice mesoporosa, mostrant la gran versatilitat d'aquests nanomaterials per al desenvolupament de dispositius teranòstics així com sistemes per a l'alliberament controlat de fàrmacs. Finalment, es destaca la importància de fabricar nanodispositius amb unes propietats físic-químiques ben definides com a requisit indispensable per a la translació dels resultats experimentals al camp clínic. ¿El capítol 2 inclou els objectius principals de la tesi així com els objectius específics proposats per a cada capítol de la tesi. ¿El capítol 3 està dedicat a la síntesi i caracterització de nanopartícules superparamagnétiques d'òxid de ferro (USPIONs), sent aquestes utilitzades en capítols posteriors per a la síntesi de les nanopartícules mesoporoses tipus "core-shell". Les USPIONs són preparades a través d'un mètode senzill de coprecipitació en el qual s'empren condicions de reacció moderades. Les nanopartícules obtingudes són caracteritzades en profunditat, analitzant les seues propietats magnètiques per a la seua aplicació en hipertèrmia magnètica i com a agents de contrast dual en imatge per ressonància magnètica (MRI). ¿El capítol 4 està dedicat a la preparació de nanopartícules magnètiques mesoporoses de sílice amb estructura "core-shell". Els conceptes fonamentals relacionats amb els mecanismes de formació d'aquest tipus de nanomaterials són àmpliament analitzats, així com els paràmetres de reacció involucrats en la síntesi. Com a punt de partida, es proposa un protocol de síntesi general per a l'obtenció de les nanopartícules tipus "core-shell". A continuació, s'analitza en profunditat l'efecte que els diferents paràmetres de reacció tenen en les propietats físic-químiques d'aquestes nanopartícules. Per a la fase d'optimització s'utilitza un model semi-empíric com a referència, racionalitzant els resultats experimentals observats sobre la base d'un possible mecanisme de formació. ¿El capítol 5 està dedicat a l'anàlisi i caracterització de l'estructura mesoporosa de les nanopartícules tipus "core-shell". A més, s'analitza l'efecte que els diferents paràmetres de reacció tenen sobre l'estructura final de les nanopartícules, aportant informació

[EN] The fabrication of nanoparticles with sizes below 100 nm has opened the door to the development of innovative nanodevices that directly interact with living systems at the cellular and molecular level, becoming an essential part of nanomedicine. One of the main challenges that nanoparticle engineering is currently facing is the design of nanodevices with well-defined physico-chemical properties, which ultimately determine the fate and function of these systems inside the organism. Similarly, the development of reproducible and versatile synthetic protocols is of great importance for manufacture purposes, a fundamental requirement for an efficient translation of this technology into the clinic. The main objective of this PhD thesis is the study and fabrication of core-shell-type magnetic mesoporous silica nanoparticles (M-MSNs) for their application as theranostic nanodevices in the field of nanomedicine. A comprehensive study about the synthesis and characterization of this type of nanomaterials is presented with the aim of obtaining core-shell M-MSNs with well-defined physico-chemical properties in a robust and reproducible way. The fabrication of such particles would provide a versatile and reliable platform for the development of more complex nanodevices with advanced functionalities. The thesis has been structured into several chapters that are briefly summarized as follows: ¿Chapter 1 is an introduction to the topic of nanomedicine, highlighting the importance of nanoparticles in the development of new biomedical applications. Mesoporous silica nanoparticles are then introduced, showing the great versatility that this nanomaterials offer for the development of theranostic nanodevices and smart drug delivery systems. Finally, the development of nanodevices with well-defined physico-chemical properties is identified as a crucial requirement for overcoming biological barriers and facilitate the translation of nanomedicines from the bench to bedside. ¿Chapter 2 presents the aims of this thesis and the specific objectives that are addressed in the following chapters. ¿Chapter 3 is devoted to the synthesis and characterization of ultrasmall superparamagnetic iron oxide nanoparticles (USPIONs), which are later used as magnetic seeds for the synthesis of core-shell M-MSNs. USPIONs are prepared through a simple coprecipitation method using mild reaction conditions. The obtained nanoparticles are fully characterized and their magnetic properties are analyzed focusing on magnetic hyperthermia and dual MR imaging applications. ¿Chapter 4 is a comprehensive study about the preparation of monodisperse core-shell M-MSNs. The main concepts related to the synthesis and formation mechanisms of this type of nanomaterials are revised, together with the reaction parameters that are expected to have a major contribution on the reaction. As a starting point, a general synthetic protocol for the synthesis of core-shell M-MSNs is presented. Then, specific reaction parameters are investigated in order to understand their effect on the physico-chemical properties of the obtained nanoparticles. The application of a semi-empirical model to the optimization stage is presented in an attempt to provide an adequate reference framework to understand the formation of this complex nanodevices. ¿Chapter 5 presents a detailed analysis about the characterization of mesoporous silica materials and, in particular, the assessment of the mesoporous structure of MSNs with a radial distribution of wormhole-like channels. The effects that specific reaction parameters have on the mesoporous silica structure of core-shell M-MSNs are also analysed, providing additional information about the formation of this type of nanoparticles. ¿Chapter 6 gathers the main conclusions of this thesis.