Hybrid materials for biomedical applications

The increased longevity of humans and the demand for a better quality of life have led to a continuous search for new implant materials. Scientific development coupled with a growing multidisciplinarity between materials science and life sciences has given rise to new approaches such as regenerative medicine and tissue engineering. The search for a material with mechanical properties close to those of human bone produced a new family of hybrid materials that take advantage of the synergy between inorganic silica (SiO4) domains, based on sol-gel bioactive glass compositions, and organic polydimethylsiloxane, PDMS ((CH3)2.SiO2)n, domains. Several studies have shown that hybrid materials based on the system PDMS-SiO2 constitute a promising group of biomaterials with several potential applications from bone tissue regeneration to brain tissue recovery, passing by bioactive coatings and drug delivery systems. The objective of the present work was to prepare hybrid materials for biomedical applications based on the PDMS-SiO2 system and to achieve a better understanding of the relationship among the sol-gel processing conditions, the chemical structures, the microstructure and the macroscopic properties. For that, different characterization techniques were used: Fourier transform infrared spectrometry, liquid and solid state nuclear magnetic resonance techniques, X-ray diffraction, small-angle X-ray scattering, smallangle neutron scattering, surface area analysis by Brunauer–Emmett–Teller method, scanning electron microscopy and transmission electron microscopy. Surface roughness and wettability were analyzed by 3D optical profilometry and by contact angle measurements respectively. Bioactivity was evaluated in vitro by immersion of the materials in Kokubos’s simulated body fluid and posterior surface analysis by different techniques as well as supernatant liquid analysis by inductively coupled plasma spectroscopy. Biocompatibility was assessed using MG63 osteoblastic cells. PDMS-SiO2-CaO materials were first prepared using nitrate as a calcium source. To avoid the presence of nitrate residues in the final product due to its potential toxicity, a heat-treatment step (above 400 °C) is required. In order to enhance the thermal stability of the materials subjected to high temperatures titanium was added to the hybrid system, and a material containing calcium, with no traces of nitrate and the preservation of a significant amount of methyl groups was successfully obtained. The difficulty in eliminating all nitrates from bulk PDMS-SiO2-CaO samples obtained by sol-gel synthesis and subsequent heat-treatment created a new goal which was the search for alternative sources of calcium. New calcium sources were evaluated in order to substitute the nitrate and calcium acetate was chosen due to its good solubility in water. Preparation solgel protocols were tested and homogeneous monolithic samples were obtained. Besides their ability to improve the bioactivity, titanium and zirconium influence the structural and microstructural features of the SiO2-TiO2 and SiO2-ZrO2 binary systems, and also of the PDMS-TiO2 and PDMS-ZrO2 systems. Detailed studies with different sol-gel conditions allowed the understanding of the roles of titanium and zirconium as additives in the PDMS-SiO2 system. It was concluded that titanium and zirconium influence the kinetics of the sol-gel process due to their different alkoxide reactivity leading to hybrid xerogels with dissimilar characteristics and morphologies. Titanium isopropoxide, less reactive than zirconium propoxide, was chosen as source of titanium, used as an additive to the system PDMS-SiO2-CaO. Two different sol-gel preparation routes were followed, using the same base composition and calcium acetate as calcium source. Different microstructures with high hydrophobicit were obtained and both proved to be biocompatible after tested with MG63 osteoblastic cells. Finally, the role of strontium (typically known in bioglasses to promote bone formation and reduce bone resorption) was studied in the PDMS-SiO2-CaOTiO2 hybrid system. A biocompatible material, tested with MG63 osteoblastic cells, was obtained with the ability to release strontium within the values reported as suitable for bone tissue regeneration.

Síntese de compostos multiporfirínicos covalentes

Nesta tese descreve-se a síntese de compostos multiporfirínicos covalentes bem como a avaliação da potencial utilização destes compostos como quimiossensores de iões metálicos e para a construção de estruturas supramoleculares com fulerenos. No capítulo 1 desta tese é feita uma introdução à química, propriedades e aplicações das porfirinas e sistemas multiporfirínicos. Relativamente aos sistemas multiporfirínicos é feita uma revisão bibliográfica acerca das estratégias de síntese e abordagem geral à química supramolecular de sistemas porfirina-fulereno. No capítulo 2 são apresentados os resultados referentes à síntese e caracterização dos vários sistemas multiporfirínicos desenvolvidos neste trabalho. De um modo geral, a síntese desses compostos envolveu reações de substituição aromática nucleofílica. Para esse efeito foi necessário preparar porfirinas de partida contendo grupos nucleofílicos nas posições meso (-C6H4OH e -C6H4NH2). Os sistemas multiporfirínicos foram obtidos por reações entre as porfirinas de partida e hexafluorobenzeno ou 5,10,15,20tetraquis(pentafluorofenil)porfirina. Descreve-se também a síntese de uma díade porfirina-C60 e de uma pentíade contendo quatro unidades de porfirina e uma de C60, envolvendo reações de cicloadição 1,3-dipolar e de substituição aromática nucleofílica. Os estudos efetuados ao nível da aplicação de alguns dos novos sistemas multiporfirínicos sintetizados e de um dos seus precursores, a 5-[4(pentafluorofeniloxi)fenil]-10,15,20-trifenilporfirina, como sensores de iões metálicos encontram-se descritos no capítulo 3. Neste capítulo, a título introdutório, é feita uma breve abordagem aos quimiossensores colorimétricos e de fluorescência, apresentando também alguns exemplos de porfirinas como quimiossensores de iões metálicos já descritos na literatura científica. A caracterização fotofísica dos compostos em estudo também é descrita neste capítulo. Os compostos estudados mostraram capacidade de interagir com vários iões metálicos, verificando-se um aumento da seletividade para o ião Hg2+ com o aumento do número de unidades porfirínicas constituintes dos sistemas multiporfirínicos. Os resultados referentes aos estudos de complexação de alguns dos sistemas multiporfirínicos sintetizados com fulerenos encontram-se descritos no capítulo 4. Neste capítulo descreve-se também a caracterização fotofísica dos compostos em estudo. Os estudos realizados com os sistemas multiporfirínicos mostraram uma fraca interação com os fulerenos C60 e C70. No entanto, os valores das constantes de afinidade obtidos com 1-metil-2-(4piridil)[60]fulero[c]pirrolidina mostraram que os sistemas multiporfirínicos apresentam capacidade para formar complexos com este derivado de C60 por coordenação axial e por interações π-π. No capítulo 5 é discutido o trabalho que envolveu o desenvolvimento de novos métodos na síntese de derivados tetrapirrólicos do tipo pirrolo[3,4-b]porfirinas contendo um grupo NH livre no anel exocíclico. A estratégia de síntese requereu a preparação de uma clorina fundida com um anel pirrolina seguida da redução do anel pirrolina. Deste modo obteve-se uma nova clorina fundida com um anel pirrolidina contendo um grupo NH livre. Esta nova clorina foi usada na preparação de uma díade clorina-porfirina por reação de N-arilação com 5,10,15,20-tetraquis(pentafluorofenil)porfirina. A estrutura cristalina da nova díade foi resolvida por difração de raios-X de cristal único. A estrutura dos compostos sintetizados foi estabelecida recorrendo a diversas técnicas espectroscópicas nomeadamente ressonância magnética nuclear (RMN de 1H, 13C e 19F), espectrometria de massa e espectrofotometria de UVvis. No último capítulo desta tese descrevem-se, pormenorizadamente, todas as experiências efetuadas, incluindo os métodos de síntese, purificação e caracterização estrutural dos diversos compostos sintetizados bem como as medições espectrofotométricas e espectrofluorimétricas.

(E)-2-[2-(2-Aminofenil)vinil]-1-metilquinolin-4(1H)-ona como precursor de novos compostos heterociclicos

Esta dissertação reporta a síntese de novos derivados de 4-quinolonas com potencial atividade biológica e está dividida em 3 capítulos. No primeiro capítulo é feita uma breve introdução aos compostos do tipo 4quinolona, azepina e indol, focando a nomenclatura, atividade biológica e métodos de síntese mais comuns deste tipo de compostos, e é apresentada a nomenclatura dos compostos sintetizados ao longo deste trabalho. No segundo capítulo são descritas as metodologias desenvolvidas para obtenção dos compostos pretendidos. Foram sintetizados novos derivados de 4-quinolonas via reações de N-metilação seguida de ciclização in situ da (E)-N(2-acetilfenil)-3-(2-nitrofenil)acrilamida, via reações de redução da 1-metil-2-[2(2-nitrofenil)vinil]quinolin-4(1H)-ona e reações de halogenação da 1-metil-2-[2(2-nitrofenil)vinil]quinolin-4(1H)-ona e da 2-[2-(2-aminofenil)vinil]-1metilquinolin-4(1H)-ona. Posteriormente, fizeram-se estudos de reatividade da 1-metil-2-[2-(2-nitrofenil)vinil]quinolin-4(1H)-ona e da 2-[2-(2-aminofenil)vinil]-3bromo-1-metilquinolin-4(1H)-ona. Na reação de redução in situ seguida de ciclização intramolecular da 1-metil-2-[2-(2-nitrofenil)vinil]quinolin-4(1H)-ona obteve-se a 2-(1H-indol-2-il)-1-metilquinolin-4(1H)-ona. Partindo da 2-[2-(2aminofenil)vinil]-3-bromo-1-metilquinolin-4(1H)-ona via reações de BuchwaldHartwig obteve-se a 11-metil-5H-benzo[6,7]azepino[3,2-b]quinolin-6(11H)-ona. Novas N-[2-(2-(3-bromo-1-metil-4-oxo-1,4-di-hidroquinolin-2il)vinil)fenil]alquilamidas foram obtidas via reações de acilação da 2-[2-(2aminofenil)vinil]-3-bromo-1-metilquinolin-4(1H)-ona em piridina seca usando diferentes cloretos de acilo. Numa tentativa de ciclização intramolecular da N[2-(2-(3-bromo-1-metil-4-oxo-1,4-di-hidroquinolin-2-il)vinil)fenil]-hexanamida via reação de Ullmann intramolecular foi obtida a 2-(1-hexanoil-1H-indol-2-il)-1metilquinolin-4(1H)-ona. Após a descrição detalhada das metodologias de síntese são apresentadas as principais conclusões deste trabalho e perspectivas futuras. Por último, no terceiro capítulo, são apresentados os procedimentos experimentais usados para obtenção dos compostos sintetizados e os dados relativos à sua caracterização estrutural, que foi sendo discutida ao longo do segundo capítulo. Os compostos sintetizados foram caracterizados por espetroscopia de ressonância magnética nuclear monodimensional (1H e 13C) e bidimensional (HSQC, HMBC) e por espetrometria de massa e sempre que possível por espetrometria de massa de alta resolução.