Biomimetic mineralization: encapsulation in calcium carbonate shells

Calcium carbonate biomineralization is a self-assembly process that has been studied to be applied in the biomedical field to encapsulate biomolecules. Advantages of engineering mineral capsules include improved drug loading efficiencies and protection against external environment. However, common production methods result in heterogeneous capsules and subject biomolecules to heat and vibration which cause irreversible damage. To overcome these issues, a microfluidic device was designed, manufactured and tested in terms of selectivity for water and oil to produce a W/O/W emulsion. During the development of this work there was one critical challenge: the selective functionalization in closed microfluidic channels. Wet chemical oxidation of PDMS with 1M NaOH, confirmed by FTIR, followed by adsorption of polyelectrolytes - PDADMAC/PSS - confirmed by UV-Vis and AFM results, render the surface of PDMS hydrophilic. UV-Vis spectroscopy also confirmed that this modification did not affect PDMS optical properties, making possible to monitor fluids and droplets. More important, with this approach PDMS remains hydrophilic over time. However, due to equipment constrains selectivity in microchannels was not achieved. Therefore, emulsion studies took place with conventional methods. Several systems were tried, with promising results achieved with CaCO3 in-situ precipitation, without the use of polymers or magnesium. This mineral stabilizes oil droplets in water, but not in air due to incomplete capsule formation.

Sol-gel entrapped biosystems: enzyme(s) and whole cells

In this work two different procedures to utilize the sol-gel technology were applied to immobilize/encapsulate enzymes and living cells. CO2 has reached levels in the atmosphere that make it a pollutant. New methods to utilize this gas to obtain products of added value can be very important, both from an environmentally point of view and from an economic standpoint. The first goal of this work was to study the first reaction of a sequential, three-step, enzymatic process that carries out the conversion of CO2 to methanol. Of the three oxidoreductases involved, our focus was on formate dehydrogenase (FateDH) that converts CO2 to formate. This reaction requires the presence of the cofactor β-nicotinamide adenine dinucleotide in reduced form (NADH). The cofactor is expensive and unstable. Our experiments were directed towards generating NADH from its oxidized form (NAD+), using glutamate dehydrogenase (GDH). The formation of NADH from NAD+ in aqueous medium was studied with both free and sol-gel entrapped GDH. This reaction was then followed by the conversion of CO2 to formate, catalysed by free or sol-gel entrapped FateDH. The quantification of NADH/NAD+ was made using UV/Vis spectroscopy. Our results showed that it was possible to couple the GDH-catalyzed generation of the cofactor NADH with the FateDH-catalyzed conversion of CO2, as confirmed by the detection of formate in the medium, using High Performance Liquid Chromatography (HPLC). The immobilization of living cells can be advantageous from the standpoint of ease of recovery, reutilization and physical separation from the medium. Also dead cells may not always exhibit enzymatic activities found with living cells. In this work cell encapsulation was performed using Escherichia coli bacteria. To reduce toxicity for living organisms, the sol-gel method was different than for enzymes, and involved the use of aqueous-based precursors. Initial encapsulation experiments and viability tests were carried out with E. coli K12. Our results showed that sol-gel entrapment of the cells was achieved, and that cell viability could be increased with additives, namely betaine that led to greater viability improvement and was selected for further studies. For an approach to “in-cell” Nuclear Magnetic Resonance (NMR) experiments, the expression of the protein ctCBM11 was performed in E. coli BL21. It was possible to obtain an NMR signal from the entrapped cells, a considerable proportion of which remained alive after the NMR experiments. However, it was not possible to obtain a distinctive NMR signal from the target protein to distinguish it from the other proteins in the cell.

Chlorite Dismutase from perchlorate reducing bacteria. A potential biocatalyst to eliminate chlorinated species from polluted water resources and industrial wastes

Magnetospirillum (M.) sp. strain Lusitani, a perchlorate reducing bacteria (PRB), was previously isolated from a wastewater treatment plant and phylogenetic analysis was performed to classify the isolate. The DNA sequence of the genes responsible for perchlorate reduction and chlorite dismutation was determined and a model was designed based on the physiological roles of the proteins involved in the pcr-cld regulon. Chlorite dismutase (Cld) was purified from Magnetospirillum sp. strain Lusitani cells grown in anaerobiosis in the presence of perchlorate. The protein was purified up to electrophoretic grade using HPLC techniques as a 140 kDa homopentamer comprising five ~28 kDa monomers. Steady-state kinetic studies showed that the enzyme follows a Michaelis-Menten model with optimal pH and temperature of 6.0 and 5°C, respectively. The average values for the kinetic constants KM and Vmax were respectively 0.56 mM and 10.2 U, which correspond to a specific activity of 35470 U/mg and a turnover number of 16552 s-1. Cld from M. sp. strain Lusitani is inhibited by the product chloride, but not by dioxygen. Inhibition constants KiC= 460 mM and KiU= 480 mM indicated that sodium chloride is a weak mixed inhibitor of Cld, with a slightly stronger competitive character. The X-ray crystallography structure of M. sp. strain Lusitani Cld was solved at 3.0 Å resolution. In agreement with cofactor content biochemical analysis, the X-ray data showed that each Cld monomer harbors one heme b coordinated by a histidine residue (His188), hydrogen-bonded to a conserved glutamic acid residue (Glu238). The conserved neighboring arginine residue (Arg201) important for substrate positioning, was found in two different conformations in different monomers depending on the presence of the exogenous ligand thiocyanate. UV-Visible and CW-EPR spectroscopies were used to study the effect of redox agents, pH and exogenous ligands on the heme environment.

Poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene)/NAY zeolite hybrid membranes as a drug release platform applied to ibuprofen release

Poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene)/NaY zeolite composite membranes were prepared by solvent casting and evaluated as a suitable drug release platform through the evaluation of loading and release of ibuprofen. The membranes were characterized at the morphological, structural and mechanical levels. The 1H-NMR spectra indicate that only the membranes with 16 and 32 % of NaY were useful for IBU encapsulation and the drug release was followed by UV-Vis spectroscopy. The release profile is independent of the zeolite content and can be described by the Korsmeyer-Peppas model. The membrane with 32 % zeolite content releases more than double IBU amount when compared with the membrane with 16 % showing that zeolite content allows tailoring membrane drug release content for specific applications. The drug release platform developed in this work is suitable for other drugs and applications.

Controlled aggregation of gold nanoparticles in a di-ureasilmatrix. Optical and micro indentation investigation

Nanocomposite materials with an organic-inorganic urea-silicate (di-ureasil) based matrix containing gold nanoparticles (NPs) were synthesized and characterized by optical (UV/Vis) spectroscopy and indentation measurement. The urea silicate gels were obtained by reaction between silicon alkoxyde modified by isocyanate group and polyethylene glycol oligomer with amine terminal groups in presence of catalyst. The latter ensures the successful incorporation of citrate-stabilized gold NPs in the matrix. It is shown that using a convenient destabilizing agent (AgNO3) and governing the preparative conditions, the aggregation degree of gold NPs can be controlled. The developed synthesis procedure significantly simplifies the preparative procedure of gold/urea silicate nanocomposites, compared to the procedure using gold NPs, preliminary covered with silica shells. Mechanical properties of the prepared sample were characterised using depth sensing indentation methods (DSI) and an idea about the type of aggregation structures was suggested.

Investigation on the homogeneity and stability of aqueous nano cellulose suspensions prepared using pluronic F-127

This paper presents the results of experimental investigation on the aqueous dispersion behaviour of micro crystalline cellulose (MCC) prepared using Pluronic F-127. For this purpose, different concentrations (0.5-3.0 wt.%) of MCC were dispersed in water with the help of ultrasonication technique using various concentrations of Pluronic F-127. The homogeneity of the suspensions and agglomerations were characterized by optical and transmission electron microscopy and the concentration of well dispersed MCC was measured using UV-Vis spectroscopy. Also, the suspensions were subjected to high speed ultracentrifugation at 3000 rpm and observed visually for sedimentation and subsequently, concentration was calculated using UV-Vis, in order to assess the long term stability of the suspensions. Based on these experiments, optimum concentration of Pluronic to disperse different MCC concentrations has been suggested.

Laccase-catalyzed synthesis of conducting polyaniline-lignosulfonate composite

Enzymatic polymerization of aniline was first performed in lignosulfonate (LGS) template system. High-redox-potential catalyst laccase, isolated from Aspergillus, was used as a biocatalyst in the synthesis of conducting polyaniline/lignosulfonate (PANI-ES-LGS) complex using atmospheric oxygen as the oxidizing agent. The linear templates (LGS), also serving as the dopants, could facilitate the directional alignment of the monomer and improve the solubility of the conducting polymer. The process of the polymerization was monitored using UV-Vis spectroscopy, by which the conditions for laccase-catalyzed synthesis of PANI-ES-LGS complex were also optimized. The structure characterizations and solubility of the complex were carried out using corresponding characterization techniques respectively. The PANI-ES-LGS suspensions obtained was used as coating for cotton with a conventional padder to explore the applications of the complex. The variable optoelectronic properties of the coated cotton were confirmed by cyclic voltammetry and color strength test. The molecular weight changes of LGS treated by laccase were also studied to discuss the mechanism of laccase catalyzed aniline polymerization in LGS template system.

Synthesis of new peptide derivatives that self-assemble into nanostructured hydrogels for biomedical applications

Tese de Doutoramento em Ciências (área de especialização em Química)

Remoção fotocatalítica de micropoluentes em meios porosos funcionalizados

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Civil

Integração no laboratório da Lameirinho e controlo aos tecidos acabados

Dissertação de mestrado em Técnicas de Caraterização e Análise Química

Estudios de compuestos heterocíclicos y modificaciones químicas de membranas con fines farmacéuticos 4127

Teniendo en cuenta las propiedades bactericidas y tripanosas de algunos de los derivados sintetizados en nuestro laboratorio, se continuará con la obtención de nuevos derivados naftoquinónicos con sustituyentes hetericíclicos, derivados del isoxazol y del pirazol. A los compuestos obtenidos se le estudiarán sus propiedades físico-químicas y su estabilidad, tanto en solución como en estado sólido. Por otro lado se prepararán y caracterizarán membranas de polisacáridos naturales o semisintéticos con el objeto de obtener materiales farmacéuticos con propiedades especiales. Los estudios comprenderán: I. Síntesis de nuevos análogos nitrogenados de naftoquinonas. Se obtendrán derivados con sustituyentes carboxílicos, y con la posterior formación de sales se intentarán mejorar las propiedades hidrofílicas de derivados de isoxazolilnaftoquinonas. Se continuará con la síntesis de las pirazolilnaftoquinonas. II. Estabilidad de isoxazolilnaftoquinonas. Se realizarán estudios hidrolíticos, utilizando espectrofotometría UV-visible y cromatografía líquida de alta presión, y térmicos, por DSC, TG y DTA, a diversas isoxazolilnaftoquinonas con finalidad de establecer las mejores condiciones para su formulación. III. Se aplicarán los conceptos de QSAR a fin de establecer los parámetros que mejor se correlacionen con la actividad biológica. También se determinarán las modificaciones moleculares que incrementen la actividad biológica mediante cálculos utilizando métodos semiempíricos. IV. Preparación de membranas asimétricas de polisacáridos naturales o semisintéticos y sus modificaciones químicas. Estas investigaciones comprenderán cuatro etapas: 1- preparación de membranas; 2- reacciones de superficie; 3- estudios de liberación de los principios activos en diferentes medios; 4- caracterización de las membranas.

Efectos biológicos del empleo de implantes ortopédicos de polipropileno en perros

Este trabajo pretende aportar conocimientos sobre el desarrollo de nuevos materiales para implantes ortopédicos en Medicina Veterinaria y Humana, de bajo costo y sin efectos biológicos indeseables. Para esto se pretende verificar los posibles efectos biológicos de los implantes de polipropileno, mediante una evaluación clínica, bioquímica e histopatológica en 12 caninos a los que se les implantará una placa ortopédica, por las técnicas quirúrgicas de rutina. Sobre el material de implante (polipropileno) se efectuará un estudio de homogeneidad química y de los posibles efectos del organismo sobre el mismo, mediante espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier y espectroscopía Uv-visible. Objetivos generales Aportar conocimientos para: desarrollar nuevos materiales para implantes ortopédicos, de bajo costo, buena adaptabilidad mecánica y toxicidad mínima. Objetivos específicos 1. Verificar los posibles efectos biológicos de los implantes (placas ortopédicas) de polipropileno en perros, mediante una evaluación clínica, bioquímica e histopatológica de los animales implantados. 2. Determinar la homogeneidad química, la presencia y concentración de antioxidantes y los posibles estados superficiales del material utilizado para la confección de las placas, mediante espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier. 3. Determinar el efecto del organismo sobre el polímero mediante espectroscopía UV-visible.

Determinación analítica de compuestos orgánicos en complejos huésped-receptor

Los complejos Huésped-Receptor son supermoléculas en las cuales se producen interacciones específicas que modifican las propiedades físicas y químicas de los sustratos incluidos. Dentro de los receptores más comunes para compuestos orgánicos se encuentran los éteres corona y sus derivados, las ciclodextrinas y los metaciclofanos. Estudios fotofísicos y fotoquímicos con estos receptores indican que los sustratos orgánicos incluidos experimentan un notable incremento de sus propiedades luminiscentes. Un gran número de compuestos orgánicos que son de interés en varios campos como el biológico, farmacéutico y agroquímico presentan estructuras derivados en núcleos como el indólico, naftalénico o benzofuránico que tienen propiedades fluorescentes. Se considera interesante desarrollar métodos analíticos sensibles para la determinación de compuestos orgánicos que presentan estructuras derivadas de estos núcleos, haciendo para ello uso del incremento en la propiedad fluorescente de los mismos en presencia de agentes acomplejantes. Se determinarán las condiciones más favorables para la detección por fluorescencia en presencia de los receptores que muestren la mayor interacción con cantidades límites de compuestos como serotonina (hormona), metatonina (fármaco), carbaryl y carbofuran (pesticidas), cuya determinación por otros métodos (espectofotometría UV-Visible, cromatografía líquida de alta presión) es engorrosa, poco sensible o requiere reacciones de derivatización para su mejor cuantificación. (...) La importancia potencial de este proyecto es el desarrollo de técnicas analíticas sensibles para la determinación de compuestos orgánicos que tienen importancia fundamental en la detección de algunas enfermedades o trastornos funcionales, como el caso de las hormonas o de determinados psicofármacos como alcaloides, y en la toxicidad de ciertos alimentos vegetales que pueden contener residuos de herbicidas o sus metabolitos en frutos y semillas. (...)

Diseño y caracterización de plataformas de biorreconocimiento basadas en el uso de nanoestructuras, biomoléculas y polímeros. Aplicaciones para el desarrollo de (bio)sensores electroquímicos. Design and characterization of biorecognition platforms based on the use of nanostructures, biomolecules and polymers. Applications for the development of electrochemical (bio)sensors.

Los requerimientos de métodos analíticos que permitan realizar determinaciones más eficientes en diversas ramas de la Química, así como el gran desarrollo logrado por la Nanobiotecnología, impulsaron la investigación de nuevas alternativas de análisis. Hoy, el campo de los Biosensores concita gran atención en el primer mundo, sin embargo, en nuestro país es todavía un área de vacancia, como lo es también la de la Nanotecnología. El objetivo de este proyecto es diseñar y caracterizar nuevos electrodos especialmente basados en el uso de nanoestructuras y estudiar aspectos básicos de la inmovilización de enzimas, ADN, aptámeros, polisacáridos y otros polímeros sobre dichos electrodos a fin de crear nuevas plataformas de biorreconocimiento para la construcción de (bio)sensores electroquímicos dirigidos a la cuantificación de analitos de interés clínico, farmaco-toxicológico y ambiental.Se estudiarán las propiedades de electrodos de C vítreo, Au, "screen printed" y compósitos de C modificados con nanotubos de C (CNT) y/o nanopartículas (NP) de oro y/o nanoalambres empleando diversas estrategias. Se investigarán nuevas alternativas de inmovilización de las biomoléculas antes mencionadas sobre dichos electrodos, se caracterizarán las plataformas resultantes y se evaluarán sus posibles aplicaciones analíticas al desarrollo de biosensores con enzimas y ADNs como elementos de biorreconocimiento. Se funcionalizarán CNT con polímeros comerciales y sintetizados en nuestro laboratorio modificados con moléculas bioactivas. Se diseñarán y caracterizarán nuevas arquitecturas supramoleculares basadas en el autoensamblado de policationes, enzimas y ADNs sobre Au. Se evaluarán las propiedades catalíticas de NP de magnetita y de perovskitas de Mn y su aplicación al desarrollo de biosensores enzimáticos. Se diseñarán biosensores que permitan la detección altamente sensible y selectiva de secuencias específicas de ADNs de interés clínico. Se estudiará la interacción de genotóxicos con ADN (en solución e inmovilizado) y se desarrollarán biosensores que permitan su cuantificación. Se construirán biosensores enzimáticos para la cuantificación de bioanalitos, especialmente glucosa, fenoles y catecoles, y sensores electroquímicos para la determinación de neurotransmisores, ácido úrico y ácido ascórbico. Se diseñarán nuevos aptasensores electroquímicos para la cuantificación de biomarcadores, comenzando por lisozima y trombina y continuando con otros de interés regional/nacional.Se emplearán las siguientes técnicas: voltamperometrías cíclica (CV), de pulso diferencial (DPV) y de onda cuadrada (SWV); "stripping" potenciométrico a corriente constante (PSA); elipsometría; microbalanza de cristal de cuarzo con cálculo de pérdida de energía por disipación (QCM-D); resonancia de plasmón superficial con detección dual (E-SPR); espectroscopía de impedancia electroquímica (EIE); microscopías de barrido electroquímico (SECM), de barrido electrónico (SEM), de transmisión (TEM) y de fuerzas atómicas (AFM); espectrofotometría UV-visible; espectroscopías IR, Raman, de masas, RMN.Se espera que la inclusión de los CNT y/o de las NP metálicas y/o de los nanoalambres en los diferentes electrodos permita una mejor transferencia de carga de diversos analitos y por ende una detección más sensible y selectiva de bioanalitos empleando enzimas, ADN y aptámeros como elementos de biorreconocimiento. Se espera una mayor eficiencia en los aptasensores respecto de los inmunosensores, lo que permitirá la determinacion selectiva de diversos biomarcadores. La modificación de electrodos con nanoestructuras posibilitará la detección altamente sensible y selectiva del evento de hibridación. La respuesta obtenida luego de la interacción de genotóxicos con ADN permitirá un mejor conocimiento de la asociación establecida, de la cinética y de las constantes termodinámicas. Los neurotransmisores podrán ser determinados a niveles nanomolares aún en muestras complejas.

Sensores basados en nanocavidades de sistemas supramoleculares. Sensors based on nanocavities of supramolecular systems.

Uno de los grandes desafíos analíticos es resolver la complejidad del análisis de cantidades trazas de compuestos orgánicos debido a la baja sensibilidad analítica de las técnicas usuales que permiten una determinación específica como IR o RMN. El uso de espectrofotometría UV-Visible y espectroluminiscencia, técnicas que presentan mayor sensibilidad, se ve dificultada en muchos casos por el efecto matriz producido en el tratamiento de muestras reales y complejas o pérdida de la selectividad debido a la superposición de bandas.La interacción por formación de complejos entre determinados sustratos y receptores macrocíclicos que presentan poros o cavidades nanométricas, puede afectar las propiedades espectroscópicas de los sustratos. La respuesta de técnicas sensibles puede traducirse así en un análisis selectivo debido al reconocimiento molecular que se establece entre un dado receptor y el sustrato de interés. Por otra parte puede mejorar la sensibilidad debido a efectos de micropolaridad del medio, a efectos de restricciones de grados de libertad, por compartamentalización o protección de los estados excitados de los sustratos incluidos. El uso analítico de receptores selectivos es un área actualmente en desarrollo, que permite una rápida determinación de especies químicas, disminuyendo el efecto de interferentes, mejorando la sensibilidad y disminuyendo el tratamiento de la muestra.Se estudiarán los mecanismos involucrados en las interacciones y los factores que los modifican por técnicas espectroscópicas como UV-visible, RMN y luminiscencia. Se determinarán los parámetros analíticos por luminiscencia en los medios y condiciones en que la sensibilidad analítica muestre el mayor incremento. Se realizarán las pruebas de validación en las mejores condiciones para cada uno y mezclas de analitos relacionados en muestras reales.