Teorico 25 biotecnologia

Vista previa del material en texto

08/11/2016
1
Prof. Dr. Martín Desimone
Cátedra de Química Analítica Instrumental
La síntesis de las nanopartículas generalmente se realiza en condiciones
termodinámicas controladas y a partir de átomos o moléculas. De esta forma
pueden obtenerse nanopartículas especialmente diseñadas para aplicaciones en
una amplia gama de las tecnologías que afectan las industrias de la electrónica,
telecomunicaciones, biológicas, farmacéuticas, químicas, automotoras,
aeroespaciales y de energía entre otras muchas más.
En el extremo opuesto de estas nanopartículas de diseño, tenemos las
nanopartículas que se producen no intencionalmente, como por ejemplo las
producidas durante procesos de combustión.
En todos los casos las propiedades físicas y químicas son extremadamente
importantes ya que van a determinar el correcto funcionamiento de las
nanopartículas o de los productos que las contengan así como su grado de
toxicidad o inocuidad.
Nanopartículas
08/11/2016
2
Nanopartículas de sílica
Las NPs de sílice se utilizan actualmente en muchas áreas como bioanálisis, 
liberación controlada de fármacos, refuerzo de materiales poliméricos, etc. 
En comparación con las NPs a base de polímeros, que se han utilizado 
ampliamente en bioanálisis y direccionamiento, las NPs de sílice muestran 
menos agregación y la posibilidad de incorporar un gran número de moléculas 
activas (ya sea orgánico o inorgánico) dentro de una sola partícula.
La sílica se forma por una reacción de
«polimerización inorgánica»
Precursor (« monomèrico ») : acido monosilicico
Si
OH
HO OH
OH
[Si(OH)4]
0
Si
OH
+O OHOH
H
H
[Si(OH)3(OH2)]
+
pK = 2
Si
OH
-O OH
OH
[SiO(OH)3]
-
pK = 9.9
Si(OH) 4
SiO(OH) 3-
SiO 2(OH)22-
6 8 10 12 pH
20
40
60
80
100%
08/11/2016
3
Suspensión de nanopartículas
= sol
Del monómero al sol : nucleación
Imágenes obtenidas por TEM de 
nanopartículas de sílica (A) Si12 y 
(B) Si80
08/11/2016
4
08/11/2016
5
CONTROLCONTROLCONTROLCONTROL
NP NP NP NP ----60606060
NP NP NP NP ---- 300300300300
PediculusPediculusPediculusPediculus humanushumanushumanushumanus
Espectroscopía de energía dispersiva 
(EDX). 
CONTROLCONTROLCONTROLCONTROL NP NP NP NP ----60606060
CimexCimexCimexCimex lectulariuslectulariuslectulariuslectularius
08/11/2016
6
Tamaño
Forma
Interacciones
moleculares
DLS
08/11/2016
7
Galindo Gonzalez et al; Silicon 2014
Mebert et al., J. Mater. Chem. B, 2016, 4, 3135--3144
08/11/2016
8
Gram-positiva 
Staphylococcus 
aureus
Gram-negativa 
Pseudomonas 
aeruginosa.
gentamicina
Susceptibilidad
Antibiotic-loaded silica nanoparticles
Alvarez et al; J Mater Chem B 2: 4660-70, 2014. 
Antibiotic-loaded silica nanoparticle–
collagen composite hydrogels with 
prolonged antimicrobial
activity for wound infection prevention
Alvarez et al; J Mater Chem B 2: 4660-70, 2014. 
08/11/2016
9
Rifamycin loaded NPs
S
iN
P
-O
H
Si
N
P-
SH
Si
N
P-
N
H
2
0
5
10
15
20
25
Nanoparticles
IU
 R
if
a
m
y
c
in
 p
e
r 
g
 N
P
s
Gentamicin loaded NPs
S
iN
P-
SO
3-
Si
N
P-
O
H
Si
N
P-
SH
Si
N
P-
N
H
2
0
500
1000
1500
Nanoparticles
IU
 G
e
n
ta
m
ic
in
 p
e
r 
g
 N
P
s
Synthesis and characterization of silica core-shell nanoparticles for the dual delivery 
of gentamicin and ryfamicin antibiotics. 
Mebert et al., J. Mater. Chem. B, 2016, 4, 3135--3144
Mebert et al., J. Mater. Chem. B, 2016, 4, 3135--3144
08/11/2016
10
Synthesis and characterization of silica core-shell nanoparticles for the dual delivery 
of gentamicin and ryfamicin antibiotics. 
Mebert et al., J. Mater. Chem. B, 2016, 4, 3135--3144
08/11/2016
11
Synthesis and Characterization of Ibandronate-Loaded 
Silica Nanoparticles and Collagen Nanocomposites
Alvarez et al; Curr Pharm Biotech 16: 661-8, 2015. 
Nanopartículas huecas
Mitarotonda et al., en redacción, 2016
Unión de diferentes moléculas - anticuerpos
Dopamina
Glutaraldehido
08/11/2016
12
Obtención de partículas de 
Silicato-Fe3O4
Silicato
Fe3O4
Butanol
Tween 20
Sonicado
Butanol
Silicato
Fe3O4
Microemulsión inversa
Si 
O 
O O 
O Si 
O 
O O 
O 
Si 
O 
O O 
O Si 
O 
O O 
O 
Si 
O 
O O 
O 
Si 
O 
O O 
O 
Si 
O 
O O 
O 
Si 
O 
O O 
O 
Si 
O 
O O 
O 
Lavado
Secado a 60°C
08/11/2016
13
 
Si 
O 
O O 
O Si 
O 
O O 
O 
Si 
O 
O O 
O 
Butanol 
Si 
O 
O O 
O 
Si 
O 
O O 
O 
Si 
O 
O O 
O 
Si 
O 
O O 
O 
Si 
O 
O O 
O 
Si 
O 
O O 
O 
Oxido de hierro 
Tween20 
Obtención de partículas de sílica magnéticas en el interior de microemulsiones.
Tuttolomondo et al., Biotechnol Lett (2013) 35:1571–1577
Nanopartículas Magneticas
Las NPs con propiedades superparamagnéticas son los medios ideales para la 
manipulación de materiales biológicos y/o la entrega direccionada de agentes 
terapéuticos. 
Tuttolomondo et al., Biotechnol Lett (2013) 35:1571–1577
08/11/2016
14
Las NPs magnéticas se unen específicamente a las proteínas con histidina 
presentes en el lisado celular
Partículas 
magnéticas
08/11/2016
15
Puntos cuánticos de CdSe
ampliamente utilizados como
marcadores para el diagnóstico
biológico. Puede observarse el
diferente color de la disolución
según el tamaño nanométrico
de los nanocristales. (inferior)
cuando los puntos cuánticos se
recubren con el bioreceptor
adecuado pueden emplearse
como dianas específicas. En el
ejemplo se muestra la
localización en una única célula
de ciertos componentes
celulares
Funcionalización 
de puntos 
cuánticos de 
CdSe con los 
biomarcadores 
específicos e 
inyección de los 
mismos en un 
ratón para la 
localización 
precoz de las 
primeras células 
cancerosas 
08/11/2016
16
Detección de bacterias empleando nanopartículas conjugadas 
con anticuerpos específicos
Nanotoday 2007; 2: 44-50
MATERIALES NANOESTRUCTURADOS
SiX4
Tensioactivo
Microorganismos
Biomoléculas
08/11/2016
17
Clasificación IUPAC de sólidos porosos
•Microporosos: d < 2 nm
•Mesoporosos: 2 nm < d > 50 nm
•Macroporosos: d > 50 nm
Nanomateriales
C. Sanchez et al., C. R. Chimie 13 (2010).
08/11/2016
18
Columnas 
monolíticas para 
HPLC
08/11/2016
19
Oxido MesoestructuradoOxido MesoestructuradoOxido MesoestructuradoOxido Mesoestructurado
OxidoOxidoOxidoOxidoOxidoOxidoOxidoOxido
MesoporosoMesoporosoMesoporosoMesoporosoMesoporosoMesoporosoMesoporosoMesoporoso
Eliminación del MoldeEliminación del MoldeEliminación del MoldeEliminación del MoldeSolSolSolSol----Gel +Gel +Gel +Gel +
AutoAutoAutoAuto----ensambladoensambladoensambladoensamblado
MX4 (X= Cl, OR)
PrecursorPrecursorPrecursorPrecursor
HHHH2222OOOO
EtanolEtanolEtanolEtanol
MoldeMoldeMoldeMolde
Construcción de NanoPoros
C < CMC
H2O
EtOH
HCl
Bellino et al., ACS Appl. Mater. Interfaces 2009, 2, 360.
1. Controlled adhesion and proliferation of a human
osteoblastic cell line by tuning the nanoporosity of
titania and silica coatings
Cell–biomaterial interactions are largely governed by the stiffness and chemical 
composition of the substrate, although the surface topography has also been 
shown to play an important role in the adhesion and proliferation
Bellino, et al. Biomater. Sci., 2013,1, 186-189
08/11/2016
20
Bellino, et al. Biomater. Sci., 2013,1, 186-189
Fluorescent microscope images of DAPI stained cells adhered to films 
Bellino, et al. Biomater. Sci., 2013,1, 186-189
08/11/2016
21
Las células reconocen 
la nano-topografía!!!
Müller et al.,Soft Matter, 2013,9, 6207 Bellino, et al. Biomater. Sci., 2013,1, 186-189
Oxido MesoestructuradoOxido MesoestructuradoOxido MesoestructuradoOxido Mesoestructurado
OxidoOxidoOxidoOxido
MesoporosoMesoporosoMesoporosoMesoporoso
Eliminación del MoldeEliminación del MoldeEliminación del MoldeEliminación del MoldeSolSolSolSol----Gel +Gel +Gel +Gel +
AutoAutoAutoAuto----ensambladoensambladoensambladoensamblado
MX4 (X= Cl, OR)
PrecursorPrecursorPrecursorPrecursor
HHHH2222OOOO
EtanolEtanolEtanolEtanol
MoldeMoldeMoldeMolde
Construcciónde NanoPoros
C < CMC
H2O
EtOH
HCl
0
1x10
7
2x10
7
3x10
7
0
2x10
7
4x10
7
6x10
7
8x10
7
 C
F
U
 c
m
-2
24 h8 h24 h 4 h8 h
ALI
4 h 
 NMS
 MS-4
 MS-9
 C
F
U
 c
m
-2
Submerged 
Pezzoni et al; 2016 enviado
08/11/2016
22
Recubrimiento Mesoporoso 
Transparente con Efecto 
Antibacteriano de Larga Duración
Solicitud de patente INPI Nº 20150102318 
Microporous Mesoporous Mater. 236 (2016) 158-166
Posicionamiento Selectivo de Nanopartículas
E. Martinez, M. G. Bellino, G. J. A. A. Soler-Illia, ACS Applied Materials & Interfaces, 2009, 1, 746-749
08/11/2016
23
Solicitud de patente INPI Nº 20150102318 
Microporous Mesoporous Mater. 236 (2016) 158-166
Solicitud de patente INPI Nº 20150102318 
Microporous Mesoporous Mater. 236 (2016) 158-166
08/11/2016
24
Actividad 
antimicrobiana
Solicitud de patente INPI Nº 20150102318 
Microporous Mesoporous Mater. 236 
(2016) 158-166
Nanobiosensores: dispositivos capaces
de detectar en tiempo real y con una
alta sensibilidad y selectividad agentes
químicos y biológicos. Un biosensor es
un dispositivo compuesto por dos
elementos fundamentales: un receptor
biológico (por ejemplo proteínas,
ADN, células,.....) preparado para
detectar específicamente una sustancia
y un transductor o sensor, capaz de
interpretar la reacción de
reconocimiento biológico que produce
el receptor y traducirla en una señal
cuantificable.
08/11/2016
25
Medida de la actividad metabólica de una única célula mediante
una nanosonda fotónica. El nanosensor está constituido por una
fibra óptica muy afilada que no daña la pared celular y permite el
registro de su actividad a través de la luz que circula por la fibra
previamente biofuncionalizada
Nanobiosensor basado en micropalancas. Las micropalancas se
doblan unos pocos nanómetros cuando tiene lugar una reacción de
reconocimiento molecular en su superficie.
08/11/2016
26
FIN
MUCHAS GRACIAS!!!
Bibliografía
• The supramolecular chemistry of organic-inorganic hybrid materials. Edited by Knut
Rurack and Ramon Martinez-Mañez.
• Nanostructures & nanomaterials. Synthesis, properties & applications. Edited by
Guozhong Cao.
• Surface Chemistry of Nanobiomaterials: Applications of Nanobiomaterials. Editado por
Alexandru Grumezescu MULTI VOLUME SET (I-XI). ELSEVIER. ISBN: 978-0-323-
42861-3. (487 páginas). Año 2016.
• Advanced Surface and Interface Materials. Editor: Ashutosh Tiwari, Hirak K. Patra and
Xuemei Wang. Managing Editors: Sachin Mishra and Sophie Thompson. WILEY-
Scrivener Publishing, USA. Año 2016.
• Nanobiotechnology II. More concepts and application. Edited by Chad A. Mirkin and
Christof M. Niemeyer
• Cellular response to biomaterials. Edited by Lucy Di Silvio.
• Functional Hybrid Materials. Edited by Pedro Gomez-Romero and Clement Sanchez.