Diseño, obtención y caracterización de nanosistemas basados en la modificación y funcionalización de la superficie de nanoestrellas de oro para potenciales aplicaciones biomédicas

Abstract

Las nanoestrellas de oro (AuNS) son nanopartículas que poseen un centro esférico y brazos o puntas que sobresalen desde dicho centro. Presentan propiedades ópticas y electrónicas interesantes centradas en la región de la luz donde los tejidos vivos poseen la menor absorción. En particular, estas nanopartículas anisotrópicas presentan la mayor potenciación del aumento espectroscópico por superficie respecto de otras morfologías. Sin embargo, su baja estabilidad debido a su alta anisotropía y la existencia de puntos calientes en su estructura limita sus aplicaciones. En este punto, la funcionalización de las AuNS permite aumentar su estabilidad, y a la vez, acoplar especies que suman estrategias de direccionamiento específico en sistema vivos, permitiendo optimizar los procesos de terapia y diagnóstico. En este trabajo se estudió la síntesis, estabilización y funcionalización de AuNS, para potenciales aplicaciones biomédicas. Se logró la obtención de AuNS con cambios en morfología como erizadas y estrelladas. Las AuNS erizadas presentaron un máximo de absorción correspondiente a 640 nm, mientras que las AuNS estrelladas lo presentaron en 740 nm. Las AuNS erizadas fueron estabilizadas mediante dilución. La estabilidad de AuNS estrelladas fue evaluada cambiando el ligando de síntesis, observando su estabilidad a pH ácido. Las AuNS fueron funcionalizadas con (a) polímeros catiónicos de β-ciclodextrina (CCD/P) para la co-carga simultánea de los fármacos feniletilamina (PhEA) y piperina (PIP); (b) el péptido D1 para el reconocimiento y detección mejorada de fibras del péptido β-amiloide (Aβ) y, por otro lado, (c) fueron inmovilizadas sobre superficies con patrones nanométricos de óxido de estaño e indio (ITO) generadas por litografía química de cañón de electrones (cEBL) para la construcción de nanodispositivos. En el caso (a) los CCD/P fueron sintetizados y, una vez comprobada su unión a superficies de oro, se funcionalizó la superficie de las AuNS erizadas con ellos y en (b) las AuNS estrelladas fueron estabilizadas con PEG tiolado y, posteriormente, funcionalizadas mediante la unión covalente con el péptido D1. Finalmente, se evaluó la capacidad de carga de PhEA y PIP en el sistema AuNS-CCD/P, el efecto de fluorescencia aumentada por superficie (SEF) de tioflavina T y CRANAD2 para la detección de fibras de Aβ del sistema AuNS-PEG-D1 y la inmovilización de AuNS en sustratos patronados de ITO. La inclusión de PhEA y PIP en el sistema AuNS-CCD/P presentó una capacidad de carga simultánea de 95% lo que permitió construir el sistema AuNS-CCD/P-PhEA-PIP, que presenta una disposición particular de los fármacos en el nanosistema por SERS. Las AuNS-PEG-D1, presentaron un factor de aumento de la emisión de la sonda tioflavina T de 4,8 veces y de CRANAD2 de 1,64 veces, para la detección específica de agregados tóxicos de Aβ atribuible al efecto SEF. Por otra parte, el estudio de los distintos parámetros de la inmovilización de AuNS sobre las superficies con patrones nanométricos permitió obtener las mejores condiciones de inmovilización logrando superficies altamente ordenadas como plantilla para la construcción de nanodispositivos.

Gold nanostars (AuNS) are nanoparticles that have a spherical core and arms or spikes protruding from the center. They exhibit interesting optical and electronic properties centered in the region of light where living tissues have the lowest absorption. In particular, these anisotropic nanoparticles show the highest surface spectroscopic enhancement with respect to other morphologies. However, their low stability due to their high anisotropy and the existence of hot spots in their structure limits their applications. At this point, the functionalization of AuNS allows to increase their stability, and at the same time, to couple species that add specific targeting strategies in living systems, as well as to optimize therapy and diagnostic processes. In this work we studied the synthesis, stabilization, and functionalization of AuNS for potential biomedical applications. The obtention of urchin and bristly AuNS was achived. The urchin AuNS presented a maximum corresponding to the plasmonic band at 640 nm, while the bristly AuNS presented a maximum corresponding to the plasmonic band at 740 nm. The urchin AuNS were stabilized by dilution. The stability of bristly AuNS was evaluated by changing the synthesis ligand, observing its stability at acidic pH. AuNS were functionalized with cationic β-cyclodextrin polymers (CCD/P) for simultaneous co-loading of the drugs phenylethylamine (PhEA) and piperine (PIP); (b) D1 peptide for enhanced recognition and detection of β-amyloid (Aβ) peptide fibers, and (c) were immobilized on nanopatterned indium tin oxide (ITO) surfaces generated by chemical electron beam lithography (cEBL) for the construction of nanodevices. In scenario (a) CCD/P were synthesized and, once their binding to gold surfaces was verified, the surface of urchin AuNS were functionalized with them. In (b) The bristly AuNS were stabilized with thiolated PEG and subsequently functionalized by covalent binding with D1 peptide. Finally, the loading capacity of PhEA and PIP in the AuNS-CCD/P system, the surface-enhanced fluorescence (SEF) effect of thioflavin T and CRANAD2 for Aβ-fiber detection of the AuNS-PEG-D1 system, and the immobilization of AuNS on ITO-patterned substrates were evaluated. The inclusion of PhEA and PIP in the AuNS-CCD/P system presented a simultaneous loading capacity of 95% which allowed the construction of the AuNS-CCD/P-PhEA-PIP system, which presents a particular arrangement of the drugs in the nanosystem by SERS. The AuNS-PEG-D1, presented a 4.8-fold increase factor in the emission of the thioflavin T probe and of CRANAD2 by 1.64-fold, for the specific detection of toxic Aβ aggregates attributable to the SEF effect. On the other hand, the study of the different parameters of AuNS immobilization on the surfaces with nanopatterns allowed to obtain the best immobilization conditions achieving highly ordered surfaces as scaffolds for the construction of nanodevices.