Morfología y propiedades estructurales de monocapas con aplicaciones biotecnológicas

Résumé

En esta tesis se aborda el estudio de la morfología y propiedades estructurales de monocapas de sistemas coloidales con aplicaciones biotecnológicas. Los coloides son partículas con un diámetro entre 1 y 1000 nanómetros de forma que debido a su pequeño tamaño, comparten la característica de que poseen una gran cantidad de superficie en comparación con su área, de forma que los efectos superficiales son muy importantes. En concreto, este trabajo se centra en la caracterización y estudio de diversos sistemas coloidales que presentan dos propiedades en común: 1) Sistemas físicos catalogados como materia blanda. 2) Sistemas que presentan actividad superficial. Estos sistemas tienen un enorme impacto en diversos campos como la física, biología o nanotecnología, entre otros, debido a su gran versatilidad y variedad permitiendo multitud de aplicaciones biomédicas y tecnológicas. Entre estos sistemas se encuentran, por ejemplo: microgeles, lípidos, emulsionantes o espumantes. En primer lugar, en esta tesis se realiza una caracterización completa, tanto en superficie como en disolución, de microgeles de Poli (N-isopropilacrilamida-co-ácido metacrílico) (PNIPAM) y Poli (Nisopropilacrilamida-co-ácido metacrílico)- Metacrilato de poli (etilenglicol) (PNIPAMPEG). En segundo lugar, se presenta una caracterización de monocapas de mezclas de lípidos: Dipalmitoilfosfatidilcolina (DPPC), Dipalmitoilfosfatidilserina (DPPS) y colesterol. En último lugar, se aborda el estudio del efecto de un polisacárido, el ácido hialurónico (HA), sobre diferentes moléculas como el polidocanol y proteínas de Albúmina de Suero Humano (HSA) y Albúmina de Suero Bovino (BSA). En referencia al contenido de este manuscrito, se inicia con una introducción a los conceptos básicos que se manejan en la tesis, y por otra parte se expone la motivación y la aplicabilidad de cada sistema. Tras esta introducción se plantearán los objetivos de este proyecto de investigación. En el capítulo de metodología se detallarán los materiales que se ha utilizado para realizar todos los estudios y posteriormente se explican los métodos y técnicas experimentales empleados. La caracterización interfacial y estudio de las monocapas se realiza con la balanza de Langmuir, el Micro-BAM y el tensiómetro de Gota Pendiente. La caracterización en disolución para medir el diámetro hidrodinámico (Dh) y la movilidad electroforética (µe) se realiza mediante el instrumento Malvern Zetasizer Nano zs aplicando Dispersión de Luz Dinámica (DLS). A continuación, se discuten ampliamente todos los resultados obtenidos teniendo en cuenta los trabajos previos y la actualidad del tema. Posteriormente, se muestran las conclusiones que se han obtenido a raíz de este trabajo. En primer lugar, se pone a punto el dispositivo KSV NIMA Micro-BAM (Biolin Scientific, Finlandia) en el laboratorio de superficies e interfases del Departamento de Física Aplicada de la Universidad de Granada. Esta técnica experimental ha permitido visualizar las interfaces caracterizadas y supone un importante complemento a la caracterización superficial realizada. Respecto a los sistemas estudiados, en el caso de los microgeles, se ha podido comprobar que el comportamiento superficial de microgeles de PNIPAM y PNIPAM-PEG es dependiente de la temperatura, de la carga efectiva y de la concentración de electrolito, traduciéndose en un desplazamiento de las isotermas de compresión sin variar su forma. Para el caso de los microgeles de PNIPAM, el aumento de la temperatura y la adición de electrolito varía la carga efectiva de las partículas de microgel, observando que valores similares de carga efectiva dan lugar a isotermas de compresión superpuestas. Para los microgeles de PNIPAM-PEG, se observa nuevamente esta relación de la carga efectiva con las isotermas de compresión, sin embargo, también se ponen de manifiesto interacciones específicas del PEG con la sal de NaNO3, dando lugar a un desplazamiento mayor de las isotermas sin afectar a los efectos electrocinéticos. Para los lípidos, se ha estudiado el efecto de las sales NaCl, CaCl2, MgCl2, LaCl3 en las monocapas de DPPC:DPPS con distintas concentraciones de colesterol, a la misma fuerza iónica. Se ha observado que en presencia de NaCl la monocapa de DPPC:DPPS sufre un efecto de condensación que depende de la concentración del colesterol. En el caso de LaCl3, también se observa un efecto de condensación con el colesterol, con la diferencia de que en este caso la monocapa mantiene sus propiedades independientemente de la concentración de colesterol. Por otro lado, en presencia de cationes divalentes Ca2+ y Mg2+, el efecto de la condensación muestra diferencias respecto a las otras sales debido a efectos específicos, mostrando que el efecto de la condensación depende de la acción combinada de los iones y del colesterol. Por último, el estudio del HA viene motivado por la aplicación biomédica de este polisacárido. Por un lado, se ha utilizado como aditivo para mejorar las propiedades de la espuma esclerosante, una técnica novedosa de tratamiento de varices. El HA mejora la estabilidad de la espuma formada por el medicamento, Polidocanol. Las medidas con la balanza de Langmuir también muestran que la presencia de HA reduce la solubilidad del polidocanol mejorando las interacciones superficiales entre las partículas de polidocanol y con el HA, aumentando también la estabilidad de la monocapa. Por otro lado, se ha comprobado que el HA mejora la propiedades de emulsiones estabilizadas por BSA y HSA para su uso como sistemas transportadores de fármacos. Para el caso del BSA, la presencia de HA en la subfase reduce la actividad superficial de esta proteína ya que al perder su estructura terciaria en la interfaz aire-agua, permite más puntos de unión con las moléculas de HA en la subfase, favoreciendo la formación de bucles y colas en la monocapa, permitiendo mayor número de moléculas en la superficie. Por contra, la HSA al no perder su estructura terciaria ni secundaria en la interfase, impide su interacción con las moléculas de HA, disminuyendo la solubilidad de la proteína y mejorando su actividad superficial. Las publicaciones que estos resultados han dado lugar se encuentran en una lista al final de la tesis.