Non-Conventional Techniques for the Generation and modification of GraphenesApplications to the Syntesis of electro-Active Scaffolds for On-Demand Drug Delivery

Resumen

El grafeno se ha convertido, en los últimos años, en uno de los temas de investigación más punteros en el campo de la ciencia y tecnología de los materiales bidimensionales. El grafeno presenta interesantes propiedades debido a su estructura, donde cada átomo de carbono se encuentra covalentemente unido a otros tres átomos de carbono con una hibridación sp2 formando una lámina bidimensional. Su estructura laminar confiere unas propiedades interesantes en muchos áreas de la química, la física y la ingeniería, en particular cuando las capas individuales de grafito se consideran como entidades independientes. Principalmente se caracteriza por poseer una alta conductividad térmica y eléctrica, las cuales se ven afectadas tanto por el número de láminas como por las características estructurales de las mismas, por lo que el principal reto en los últimos años, es el estudio de las condiciones óptimas para la síntesis de una única lámina de grafeno a gran escala, sin realizar grandes modificaciones en su estructura. Además estos materiales se caracterizan por ser conductores trasparentes que combinan una alta flexibilidad y extrema dureza, que lo sitúa como uno de los materiales más resistentes. 2. Contenido de la investigación El objetivo de la tesis es el empleo de técnicas no convencionales en la síntesis y modificación de grafeno para su posterior empleo en aplicaciones biológicas. Para ello se utilizarán técnicas englobadas dentro de la Química Sostenible, como son la mecanoquímica y la irradiación microondas, las cuales evitan el uso de condiciones drásticas de reacción y permiten el escalado del proceso con una disminución de tiempos de reacción y un incremento en los rendimientos. En el Capítulo 1 se presenta un breve resumen de las principales nanoestructuras de carbono, centrándonos en el grafeno. Asímismo, se describen sus principales características y las aplicaciones que de ellas derivan, así como los principales métodos de síntesis dependiendo el material de partida empleado. Finalmente, se realiza una descripción de las principales técnicas de caracterización de grafeno, empleadas durante la tesis. En el Capítulo 2 se describe la metodología llevada a cabo para la exfoliación de grafito mediante procesos de molienda en ausencia de disolvente. Dicha exfoliación se produce a través de interacciones no covalentes con melamina.5 Esta metodología constituye una posibilidad para la obtención de cantidades escalables de grafenos de pocas láminas y con baja concentración de defectos. Este trabajo es propuesto como una alternativa eficiente para el procesado de los materiales de grafeno, tales como la desposición sobre diferentes superficies o la funcionalización química para la obtención de diferentes estructuras para aplicaciones determinadas. Con el objetivo de explicar el papel de la melamina en el proceso de exfoliación de grafito, en el Capítulo 3 se presentan estudios experimentales y teóricos.6 Así, se estudian las interacciones no covalentes de derivados de triazina y benceno y su capacidad de actuar como exfoliantes mediante procesos de molienda, estabilizantes de láminas de grafeno en distintos disolventes. En el Capítulo 4, nos centramos en la modificación covalente de grafeno mediante reacciones de cicloadición 1,3-dipolar y adiciones radicálicas bajo irradiación microondas. En los últimos años la irraciación microondas ha sido empleada como método de activación y purificación de nanoestructuras de carbono. El empleo de ésta metodología nos ha permitido obtener una eficiente funcionalización covalente de grafeno, consiguiendo una disminución de los tiempos de reacción y un incremento en los rendimientos comparado con las técnicas de calefacción convencionales . Finalmente, en el Capítulo 5 se estudia el empleo de grafeno como material conductor en la síntesis de hidrogeles híbridos, con el fin de mejorar las propiedades mecánicas, electrónicas y térmicas de los mismos. Posteriormente, se realizaron estudios in vitro e in vivo empleando estos materiales como sistemas electroactivos para la administración de fármacos con diferente carácter hidrofóbico. 3. Conclusiones Se han empleado técnicas no convencionales en la síntesis y modificación de grafeno para su posterior empleo en aplicaciones biológicas. Para ello se ha utilizado la mecanoquímica, mediante el empleo de molinos de bolas en ausencia de disolvente. Esta metodología permite obtener grafeno de gran calidad y favorece el escalado del proceso. Los resultados experimentales se han corroborado mediante estudios computacionales, con el objetivo de estudiar interacciones no covalentes del grafeno con compuestos aromáticos. El empleo de irradiación microondas como técnica no convencional, ha permitido la eficiente funcionalización de grafeno, con el objeto de la síntesis de materiales específicos. Finalmente se ha empleado el grafeno obtenido mediante tratamiento mecanoquímico, como material conductor en la síntesis de hidrogeles electroactivos para la liberación controlada de fármacos.