Assembly&disassembly of bioinspired single-chain polymer nanoparticles

Resumen

La Nanotecnología se define como la investigación y el desarrollo de tecnología a nivel atómico, molecular o macromolecular, en la escala comprendida entre 1 y 100 nanómetros, persiguiendo una comprensión fundamental de los fenómenos que ocurren en los materiales a escala nanométrica. La Nanotecnología se ha convertido en un área de convergencia entre la Física, la Química, la Biología, la Medicina y la Ingeniería de Materiales, que aporta enfoques innovadores para la solución de problemas fundamentales a día de hoy (salud, energía, medio ambiente, etc.). Ello es debido, por un lado, a las novedosas propiedades que presentan los materiales a escala nanométrica; que permiten desarrollar sensores más precisos, catalizadores más eficientes, nuevos sistemas de liberación de fármacos, membranas de filtración más efectivas, etc. y, por otro lado, de forma similar a la Naturaleza, a la capacidad de auto-organización (autoensamblado) que presentan ciertos nano-objetos. Además, estos nano-objetos de pequeño tamaño (tamaño < 5 - 15 nm) se ven como avanzados sistemas miméticos de las enzimas, a los que podría dotarse de distintas propiedades.ObjetivoEl objetivo de mi tesis ha sido doble: por un lado, abrir nuevas rutas de síntesis de nanopartículas poliméricas unimoleculares (NPUs) de tamaño y forma definidos, tanto reversibles como irreversibles, profundizando en la caracterización de las mismas mediante la combinación de técnicas experimentales (SEC-MALLS, FTIR, RMN, TGA, DLS, TEM, SAXS, SANS, etc.) con simulaciones multi-escala por ordenador. Y, por otro lado, demostrar que se puede dotar de características funcionales a las NPUs: propiedades catalíticas, dosificación de medicamentos, desensamblado en función del pH, etc.2ResultadosEn particular, en esta Tesis se han desarrollado cuatro nuevas rutas de síntesisde nanopartículas poliméricas unimoleculares (NPUs):A) Síntesis de nanopartículas poliméricas unimoleculares (NPUs) basadas encopolímeros de metacrilato de metilo y acrilato de propargilo, P(MMA-co-PgA), por combinación de técnicas de polimerización RAFT y acoplamientoGlaser-Hay de alquinos.Se sintetizaron copolímeros P(MMA-co-PgA) mediante polimerización RAFTcon iniciación redox a temperatura ambiente, para evitar posibles reaccionessecundarias sobre el triple enlace del monómero PgA. Se obtuvo un controlpreciso del peso molecular, polidispersidad y composición de los copolímeroslineales P(MMA-co-PgA) sintetizados trabajando con un tiempo máximo depolimerización de 20 h y un contenido máximo de monómero PgA en laalimentación del 35%. La versatilidad de estos copolímeros permitió lapreparación, por primera vez, de NPUs a temperatura ambiente y en atmosferade aire; mediante acoplamiento de alquinos catalizado por iones cobre (química¿click¿ C-C) (ver Figura 1).Figura 1. Formación de nanopartículas poliméricas unimoleculares (NPUs) medianteacoplamiento de alquinos catalizado por iones cobre (química ¿click¿ C-C) a partir decopolímeros P(MMA-co-PgA).3B) Síntesis de nanopartículas poliméricas unimoleculares (NPUs) basadas en copolímeros de metacrilato de metilo y metacrilato de 2-acetoacetoxi-etilo, P(MMA-co-AEMA), por combinación de técnicas de polimerización RAFT y acoplamiento a través de la reacción de Michael.Partiendo de copolímeros P(MMA-co-AEMA) de alto peso molecular y baja polidispersidad sintetizados a través de polimerización RAFT, se obtuvieron NPUs mediante acoplamiento a través de la reacción de Michael utilizando como entrecruzantes diferentes acrilatos multifuncionales. Medidas de SANS combinadas con estudios de simulaciones multi-escala por ordenador revelaron que la morfología de estas NPs en disolución es similar a la morfología típica de las proteínas intrínsicamente desordenadas (PIDs), mientras que en estado sólido -una vez secas- adoptan una forma globular; tal y como se aprecia en las imágenes de TEM de la Figura 2.Figura 2. A) Gráfica de Kratky obtenida mediante medidas de SAXS en disolución del copolímero P(MMA-co-AEMA) (línea azul) y de las nanopartículas poliméricas unimoleculares, NPUs (línea verde) sintetizadas por acoplamiento a través de la reacción de Michael. B) Imagen de TEM de las NPUs en estado sólido mostrando su estructura globular.4Inspirados en la estructura elongada y multi-globular que presentan estas nanopartículas en disolución, dichas NPUs fueron evaluadas con éxito para la dosificación de compuestos bioactivos como la Vitamina B9 (acido fólico) y el hinokitiol (Figura 2).Figura 3. Dosificación simultánea de los dos compuestos bioactivos (acido fólico e hinokitiol) a partir de nanopartículas poliméricas unimoleculares (NPUs) sintetizadas por combinación de técnicas de polimerización RAFT y acoplamiento a través de la reacción de Michael.C) Síntesis de nanopartículas poliméricas unimoleculares (NPUs) basadas en copolímeros de metacrilato de metilo y metacrilato de 2-acetoacetoxi-etilo, P(MMA-co-AEMA), por combinación de técnicas de polimerización RAFT y complejación de iones metálicos.Los mismos copolímeros P(MMA-co-AEMA) se utilizaron para sintetizar nanopartículas unimoleculares mediante complejación intramolecular de los grupos 2-acetoacetoxi-etilo con iones Cu(II) (ver Figura 4). Aparte de profundizar en el estudio de estas NPUs mediante diferentes técnicas experimentales como: SEC/MALLS, TGA, SANS, RMN, etc. se investigaron las propiedades catalíticas y quimio-selectivas de las mismas en la síntesis de dialquinos. Lo más significativo que encontramos fue su especificidad catalítica a bajas concentraciones de Cu (II) durante la síntesis de dialquinos en presencia,H2ONanopartículaunimolecular5de varios alquinos de la misma familia química; un comportamiento que imitala elevada selectividad de las enzimas naturales (Figura 5). Dicha especificidadcatalítica no se puede obtener con catalizadores clásicos como CuCl2, Cu(OAc)2,Cu(acac)2 en las mismas condiciones de reacción.Figura 4. Síntesis de nanopartículas poliméricas unimoleculares (NP1) a partir decopolímeros P(MMA-co-AEMA) (P1) por complejación de iones Cu(II).Figura 5. Especificidad selectiva mostrada por las nanopartículas poliméricasunimoleculares entrecruzadas con iones de Cu (II).Cu(OAc)2THF, r.t.o o=o o=oooP1 NP1MMAAEMAo ooooCuo oooo6D) Síntesis de nanopartículas poliméricas unimoleculares (NPUs) basadas en copolímeros de metacrilato de metilo y metacrilato de 2-acetoacetoxi-etilo, P(MMA-co-AEMA), por combinación de técnicas de polimerización RAFT y formación de enaminas.Finalmente, teniendo en cuenta el gran potencial que presentan los enlaces covalentes dinámicos (ECDs) a la hora de desarrollar nanopartículas con capacidad de responder a estímulos externos, se prepararon NPUs a través de la formación de enaminas que respondían con cambios estructurales significativos (ensamblado/desensamblado) a cambios de pH. Para ello se utilizaron copolímeros P(MMA-co-AEMA) de bajo peso molecular y baja polidispersidad sintetizados mediante polimerización RAFT. Dichos precursores se funcionalizaron con mono-aminas que posteriormente se intercambiaron con diaminas durante el proceso de formación de las NPUs. Como ejemplo de la versatilidad de los ECDs, estas NPUs pueden desensamblarse en medio ácido y volver a ensamblarse cambiando el pH.Figura 6. Ilustración esquemática del ensamblado / desensamblado de NPUs sintetizadas mediante la formación de enlaces covalentes dinámicos (ECDs) del tipo enamina.P(MMA-co-AEMA)=THF, r.tTHF, r.tH3PO4PolimeroFuncionalizadoNPsTHF, r.t