L'anoditzat d'alumini com a eina per a la fabricació de nanomaterials 1D

El projecte se centra en la fabricació de nanomaterials 1D mitjançant una estratègia sintètica, basada en la combinació de metodologies top-down i bottom-up: la deposició de materials diversos a l’interior de l’estructura porosa de l’alúmina anòdica. En una primera etapa del treball, es desenvolupa el procés de fabricació de les membranes poroses, conegut com anoditzat de l’alumini. S’analitzen diversos aspectes del procés per tal d’optimitzar-lo i aconseguir la fabricació de capes poroses d’elevada qualitat de manera controlada, reproduïble i utilitzant un alumini de baixa puresa. Posteriorment, s’avalua la versatilitat de les membranes com a plantilla per a l’obtenció de nanomaterials amb geometria 1D (nanofils i nanotubs) mitjançant tècniques diverses. D’una banda es fabriquen nanofils de níquel magnètics mitjançant tècniques electroquímiques de deposició, amb la novetat que la formació del dipòsit té lloc directament a través del sistema alumini – alúmina. D’altra banda, s’obtenen nanotubs d’òxid de ferro magnètic (Fe3O4) mitjançant la tècnica de deposició per capes atòmiques. Les dues tècniques permeten un alt control de tots els paràmetres estructurals. Finalment, s’inclou un estudi sobre la preparació de membranes poroses d’alúmina anòdica avançades. La principal característica d’aquestes membranes és la modulació a voluntat del diàmetre de porus, resultant en pseudo-nanoestructures 1D.

Nanomaterials in the European Union [the quest for a regulatory regime]

Mentre que les nanotecnologies s'espera que porti beneficis importants en molts sectors i contribuir a la competitivitat, hi ha un creixent cos de dades científiques que indiquin que hi ha motius raonables per témer que els nanomaterials en particular pot donar lloc a els possibles riscos i efectes nocius per a la salut i el medi ambient. El meu objectiu és examinar com la Unió Europea està donant forma a un règim regulatori per nanomaterials: l'opció regulatòria escollida, la legislació vigent aplicable i la seva eficàcia (amb especial atenció sobre REACH buits normatius), la posició adoptada per la els diferents actors en aquest procés i l'evolució prevista legal en el curt termini.

Mechanisms underlying cytotoxicity induced by engineered nanomaterials: a review of in vitro studies

Engineered nanomaterials are emerging functional materials with technologically interesting properties and a wide range of promising applications, such as drug delivery devices, medical imaging and diagnostics, and various other industrial products. However, concerns have been expressed about the risks of such materials and whether they can cause adverse effects. Studies of the potential hazards of nanomaterials have been widely performed using cell models and a range of in vitro approaches. In the present review, we provide a comprehensive and critical literature overview on current in vitro toxicity test methods that have been applied to determine the mechanisms underlying the cytotoxic effects induced by the nanostructures. The small size, surface charge, hydrophobicity and high adsorption capacity of nanomaterial allow for specific interactions within cell membrane and subcellular organelles, which in turn could lead to cytotoxicity through a range of different mechanisms. Finally, aggregating the given information on the relationships of nanomaterial cytotoxic responses with an understanding of its structure and physicochemical properties may promote the design of biologically safe nanostructures.

Nanopartícul·les core-shell estabilitzades en polímer amb propietats calítiques i bactericides medioambientalment segure

Aquest projecte de doctorat és un treball interdisciplinari adreçat a l’obtenció de nous nanocompòsits (NCs) funcionals sintetitzats a partir de materials polimèrics bescanviadors d’ions que són modificats amb nanopartícules metàl•liques (NPMs) de diferent composició. Els materials desenvolupats s’avaluen en funció de dues possibles aplicacions: 1) com a catalitzadors de reaccions orgàniques d’interès actual (NCs basats en pal•ladi) i, 2) la seva dedicació a aplicacions bactericides en el tractament d’aigües domèstiques o industrials (NCs basats en plata). El desenvolupament de nanomaterials és de gran interès a l’actualitat donades les seves especials propietats, l’aprofitament de les quals és la força impulsora per a la fabricació de nous NCs. Les nanopartícules metàl•liques estabilitzades en polímer (Polymer Stabilized Metal Nanoparticles, PSNPM) s’han preparat mitjançant la tècnica in-situ de síntesi intermatricial (Inter-matrix synthesis, IMS) que consisteix en la càrrega seqüencial dels grups funcionals de les matrius polimèriques amb ions metàl•lics, i la seva posterior reducció química dins de la matriu polimèrica de bescanvi iònic. L’estabilització en matrius polimèriques evita l’agregació entre elles (self-aggreagtion), un dels principals problemes coneguts de les NPs. Pel desenvolupament d’aquesta metodologia, s’han emprat diferents tipus de matrius polimèriques de bescanvi iònic: membrana Sulfonated PolyEtherEtherKetone, SPEEK, així com fibres sintètiques basades en polypropilè amb diferents tipus de grups funcionals, que ens permeten el seu ús com a filtres en la desinfecció de solucions aquoses o com a material catalitzador. Durant el projecte s’ha anat avançant en l’optimització del material nanocomposite final per a les aplicacions d’interès, en quant activitat i funcionalitat de les nanopartícules i estabilitat del nanocomposite. Així, s’ha optimitzat la síntesi de NPs estabilitzades en resines de bescanvi iònic, realitzant un screening de diferents tipus de resines i la seva avaluació en aplicacions industrials d’interès.

Síntesi, caracterització i aplicació de membranes catalítiques amb nanopartícules de pal·ladi

Les nanopartícules metàl·liques són catalitzadors molt efectius degut a la seva elevada àrea superficial específica. No obstant, degut a la seva gran tendència a l’agregació, sovint és necessària la seva immobilització sobre suports per tal de dur a terme aplicacions específiques. La immobilització de les nanopartícules dins d’una matriu polimèrica ha demostrat ser una bona metodologia per a aquest propòsit, doncs permet l’estabilització i protecció de les partícules, així com la recuperació del catalitzador. Mitjançant la incorporació de nanopartícules metàl·liques a membranes polimèriques es poden obtenir materials nanocomposites molt efectius, que podrien combinar la capacitat catalítica dels nanomaterials amb l’efectivitat dels processos de membrana en un sol pas. L’objectiu a llarg termini és l’obtenció de membranes catalítiques actives capaces de realitzar simultàniament la separació i la destrucció de contaminants presents en solució. Concretament, en aquest treball s’han desenvolupat membranes polimèriques de Poliètersulfona amb grup Cardo modificada amb grups sulfònics per tal de sintetitzar nanopartícules de Pd mitjançant la tècnica de la Síntesi Intermatricial. Tant el polímer modificat com les membranes i el nanocomposite obtingut han estat caracteritzats i l’eficiència catalítica s’ha avaluat monitoritzant la reducció catalítica del 4-nitrofenol en presència de NaBH4.

The effects of electron-hole separation on the photoconductivity of individual metal oxide nanowires

The responses of individual ZnO nanowires to UV light demonstrate that the persistent photoconductivity (PPC) state is directly related to the electron¿hole separation near the surface. Our results demonstrate that the electrical transport in these nanomaterials is influenced by the surface in two different ways. On the one hand, the effective mobility and the density of free carriers are determined by recombination mechanisms assisted by the oxidizing molecules in air. This phenomenon can also be blocked by surface passivation. On the other hand, the surface built-in potential separates the photogenerated electron¿hole pairs and accumulates holes at the surface. After illumination, the charge separation makes the electron¿hole recombination difficult and originates PPC. This effect is quickly reverted after increasing either the probing current (self-heating by Joule dissipation) or the oxygen content in air (favouring the surface recombination mechanisms). The model for PPC in individual nanowires presented here illustrates the intrinsic potential of metal oxide nanowires to develop optoelectronic devices or optochemical sensors with better and new performances.

Growth and functionalization of carbon nanotubes on quartz filter for environmental applications

Background: Air pollution has become an important issue worldwide due to its adverse health effects. Among the different air contaminants, volatile organic compounds (VOCs) are liquids or solids with a high vapor pressure at room temperature that are extremely dangerous for human health. Removal of these compounds can be achieved using nanomaterials with tailored properties such as carbon nanotubes. Methods: Vertically-aligned multiwall carbon nanotubes (CNTs) were successfully grown on quartz filters by means of plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD). Furthermore, a plasma treatment was performed in order to modify the surface properties of the CNTs. The adsorption/desorption processes of three chlorinated compounds (trichloroethylene, 1,2-dichlorobenzene and chloroform) on the CNTs were studied using mass spectrometry measurements with a residual gas analyzer. Results: The adsorption capability of the CNTs increased after functionalization of their surface with a water plasma treatment. In addition, it was found that the presence of aromatic rings, water solubility and polarity of the VOCs play an important role on the adsorption/desorption kinetics at the CNTs surface. Conclusions: This study demonstrates the applicability of CNTs deposited on quartz filters for the removal or selective detection of volatile organic compounds (VOCs). The presence of aromatic rings in VOCs results in π -stacking interactions with a significant increase of their adsorption. On the other hand, it was found that CNTs surface interactions increase with water solubility and polarity of the VOC.

New cationic nanovesicular systems containing lysine-based surfactants for topical administration: Toxicity assessment using representative skin cell lines

Many strategies for treating diseases require the delivery of drugs into the cell cytoplasm following internalization within endosomal vesicles. Thus, compounds triggered by low pH to disrupt membranes and release endosomal contents into the cytosol are of particular interest. Cationic nanovesicles have attracted considerable interest as effective carriers to improve the delivery of biologically active molecules into and through the skin. In this study, lipid-based nanovesicles containing three different cationic lysine-based surfactants were designed for topical administration. We used representative skin cell lines and in vitro assays to assess whether the cationic compounds modulate the toxic responses of these nanocarriers. The nanovesicles were characterized in both water and cell culture medium. In general, significant agglomeration occurred after 24 h incubation under cell culture conditions. We found different cytotoxic responses among the formulations, which depended on the surfactant,cell line (3T3, HaCaT, and THP-1) and endpoint assayed (MTT, NRU, and LDH). Moreover, no potential phototoxicity was detected in fibroblast or keratinocyte cells, whereas only a slight inflammatory response was induced, as detected by IL-1a and IL-8 production in HaCaT and THP-1 cell lines, respectively. A key finding of our research was that the cationic charge position and the alkyl chain length of the surfactants determine the nanovesicles resulting toxicity. The charge on the a-amino group of lysine increased the depletion of cell metabolic activity, as determined by the MTT assay, while a higher hydrophobicity tends to enhance the toxic responses of the nanovesicles. The insights provided here using different cell lines and assays offer a comprehensive toxicological evaluation of this group of new nanomaterials.

Supramolecular chemistry for nanomedicine

Mimicking Nature, supramolecular chemistry represents the chemistry beyond the molecule, in view that intermolecularinteractions constitute the driving force for the preparation of molecular and supramolecular assemblies, using the chemicalinformation contained in molecular building blocks. Upon molecular recognition between discrete units, chemical processessuch as self-assembly and self-organisation start operating, and are the leading processes to build up supramolecular aggregates and materials. When those materials have dimensions on thenanometric scale, a recently emerging scientific discipline is defined,Nanoscience. Nanomaterials are promising tools for many applications, and their use in biomedical and clinical applicationsdefines the so-called Nanomedicine. In this review we present a few selected examples of nanomaterials designed for therapeutical purposes, emphasizing the importance of the preparation methodology in terms of their therapeutical use.

Lysine-based surfactants in nanovesicle formulations: the role of cationic charge position and hydrophobicity in in vitro cytotoxicity and intracellular delivery

Understanding nanomaterial interactions within cells is of increasing importance for assessing their toxicity and cellular transport. Here, we developed nanovesicles containing bioactive cationic lysine-based amphiphiles, and assessed whether these cationic compounds increase the likelihood of intracellular delivery and modulate toxicity. We found different cytotoxic responses among the formulations, depending on surfactant, cell line and endpoint assayed. The induction of mitochondrial dysfunction, oxidative stress and apoptosis were the general mechanisms underlying cytotoxicity. Fluorescence microscopy analysis demonstrated that nanovesicles were internalized by HeLa cells, and evidenced that their ability to release endocytosed materials into cell cytoplasm depends on the structural parameters of amphiphiles. The cationic charge position and hydrophobicity of surfactants determine the nanovesicle interactions within the cell and, thus, the resulting toxicity and intracellular behavior after cell uptake of the nanomaterial. The insights into some toxicity mechanisms of these new nanomaterials contribute to reducing the uncertainty surrounding their potential health hazards.