Synthesis and Assembly of Uniform Plasmonic Gold Nanostructures for Biomedical Applications

Resumen

Se espera de la nanociencia y la nanotecnología que hagan frente a muchos de los retos que amenazan nuestro futuro, desde el almacenamiento de energía hasta la cura de enfermedades. En este contexto, las nanopartículas de oro se encuentran entre los sistemas que están a la cabeza de esta lucha, ofreciendo una combinación única de propiedades ópticas modulables (resonancias plasmónicas superficiales localizadas, LSPRs) y alta estabilidad química con reactividad controlable. Entre la gran variedad de campos de aplicación cubiertos por las nanopartículas de oro, su uso en la detección, el diagnóstico y el tratamiento de enfermedades humanas pueden ser de las que produzcan un mayor impacto en la sociedad. En esta tesis titulada "Síntesis y Ensamblaje de Nanoestructuras Plasmónicas de Oro Uniformes para Aplicaciones en Biomedicina", hemos trabajado en el desarrollo de enfoques novedosos para la síntesis de nanoestructuras plasmónicas que puedan utilizarse para el diagnóstico y tratamiento de diversas enfermedades humanas. Específicamente, los aspectos fundamentales en ella tratados son la síntesis de nanopartículas de oro con propiedades ópticas específicas y su subsiguiente funcionalización y/o auto-ensamblaje, con el objetivo de explotarlas para estudiar y detectar el proceso de amiloidogénesis, así como su aplicación en terapia fototérmica. Una de las principales innovaciones de este trabajo es la implementación de los láseres pulsados como herramientas valiosas para controlar algunos de los aspectos anteriormente mencionados. Como primera estrategia se han sintetizado nanoesferas de oro con elevada monodispersidad y se han auto-ensamblado sobre sustratos usando plantillas piramidales, mediante funcionalización con polietilenglicol tiolado y en presencia de pequeñas concentraciones de un surfactante catiónico. Siguiendo con el concepto de síntesis y funcionalización racionales, se fabricaron nanovarillas de oro y se estabilizaron con el modelo prionoide RepA-WH1. Este enfoque nos permitió inducir la formación de oligómeros amiloides, especies tóxicas que juegan un papel clave en la etiología de una serie de devastadoras enfermedades humanas degenerativas. Además, aprovechamos la sensibilidad de las LSPR y las propiedades de las nanopartículas plasmónicas para incrementar la señal Raman de moléculas (SERS) para monitorizarlo. En una segunda aproximación, aprovechamos la fuerte interacción de las nanopartículas plasmónicas con pulsos láser de femtosegundos para el auto-ensamblaje de nanopartículas de oro anisótropas, así como para su uso en terapia fototérmica. Se ha llevado a cabo una revisión crítica de los usos más relevantes de los láseres pulsados para la remodelación, fragmentación y ensamblaje de nanopartículas de oro, así como de su mecanismo de interacción (Capítulo 4). Posteriormente demostramos que mediante la irradiación con láseres pulsados de femtosegundo se puede controlar el auto-ensamblaje de las nanovarillas de oro utilizando un engarce molecular como mecanismo de ensamblaje. Además, a altas fluencias se sintetizaron especies soldadas con LSPRs en el infrarrojo. Finalmente, se sintetizaron y funcionalizaron nanovarillas de oro de tal manera que se programaron para auto-ensamblarse dentro de los lisosomas de células cancerosas modelo, y de este modo formar especies adecuadas para una terapia fototérmica eficiente con láseres de femtosegundos. Esta tesis presenta un avance significativo en la síntesis, funcionalización y auto-ensamblaje de diferentes nanopartículas plasmónicas para uso en biomedicina, fundamentalmente en el estudio del proceso de amiloidogénesis y para el tratamiento del cáncer mediante terapia fototérmica.