High Speed Sterilization of Water using Cellulose Grafted Membranes with Metallic Nanoparticles

The removal of bacteria and other organisms from water is an extremely important process, not only for drinking and sanitation but also industrially as bio-fouling is a commonplace and serious problem. This project presents a cellulose membrane filter grafted with silver nanoparticles for the high speed sterilization of water. In order to study the antimicrobial effects of silver nanoparticles, silver nano wires and nano spheres were synthesized , dispersed in water and characterized by Scanning Electron Microscopy (SEM) and Transmission Electron Microscopy (TEM) to reveal their formation and corresponding morphologies, dynamic light scattering (DLS) particle size analyser for particle size distribution, RadWag for concentration and finally Ultraviolet visible (UV-vis) scanning spectrophotoscopy to detect the distinct spectrum of the silver nanoparticles produced. These nanoparticles were then covalently bonded to commercially available cellulose filters, and functionalized by either thiol or amine groups. Followed by characterization by HR(S)-TEM, FE-SEM, energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDXS), inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy (ICP-AES), Attenuated total reflection Fourier-transform infrared (ATR FT-IR) to reveal that the cellulose membranes were effectively modified by the thiol or amine groups and highly loaded with well dispersed nanoparticles. As well as X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis was used showed that the nanoparticles were immobilized in the membrane by a stable covalent bond with the respective functional groups. The resulting cellulose-metal membranes were subjected to mechanical release testing, thus proving their robustness and suppression to release of the nanoparticles from their cellulose backbone. The metal cellulose filters showed high antimicrobial activity in excess of 99.9% growth inhibition against E. coli a member of the total coliform group. Thus we anticipate our filters with their high antibacterial property and durability can be produced in a cost effective manner and if developed is capable of producing affordable, clean and safe drinking water

Desarrollo de recubrimientos antimicrobianos sobre dispositivos médicos

Se conocen numerosos casos en los que una amplia variedad de dispositivos médicos como catéteres, stents, prótesis, reservorios de acceso venoso, etc, se infectan tras su implantación en el cuerpo del paciente. Esto se debe a que durante este proceso, los microorganismos que habitan de forma habitual en el interior del cuerpo del paciente o en su epidermis o en la del personal médico sin las debidas medidas de prevención o que proceden de otras fuentes como material quirúrgico y equipos o líquidos de infusión contaminados, colonizan el tejido interno alrededor del dispositivo. Esta colonización puede provocar una infección localizada que en muchas ocasiones deriva en problemas más graves como bacteriemia en la que la infección se transloca al torrente sanguíneo, generando así complicaciones más severas que en la mayoría de los casos conllevan a la retirada del dispositivo médico infectado y a la reimplantación de un nuevo dispositivo con el consiguiente perjuicio para el paciente tras el sometimiento a una nueva cirugía y el consecuente elevado coste terapéutico. Como posible solución a este extendido problema, se plantea el desarrollo de una película polimérica que recubra el dispositivo en cuestión y que presente la capacidad de almacenar un antibiótico que será liberado localmente tras la implantación. De esta manera, junto con el tratamiento vía oral que se administra al paciente, se conseguiría reducir o evitar el riesgo de infección del dispositivo y se conseguirá una liberación local del antimicrobiano deseado

Terapia fototérmica mediante un fotosensibilizador intracelular: La Croconaina

El mundo de la nanomedicina aplicada en el tratamiento de cáncer está creciendo muy rápidamente. De hecho, a lo largo de las últimas décadas se han diseñado muchas nanoterapias como alternativa o mejora de las terapias ya existentes contra el cáncer y contra las enfermedades infecciosas principalmente. Una de ellas, la terapia fototérmica, tiene como finalidad el aprovechar el calor emitido por algunos agentes fototérmicos al absorber luz en el infrarrojo cercano (NIR), para poder así destruir células cancerígenas por ablación térmica. Por otro lado, la croconaina es una molécula ya estudiada como agente fotosensibilizante por su dualidad estructural y de absorbancia frente a cambios de pH, presentando una importante absorción en 800 nm cuando se encuentra en medio ácido (pH 5). Esta característica resulta interesante para una terapia fototérmica más segura y efectiva que solo permite la inactivación de las células cuando se encuentra en su interior (ya que algunos compartimentos intracelulares, endosomas, son ácidos) pues el medio extracelular es ligeramente alcalino. En este trabajo se presenta la compleja síntesis de la croconaina incluida en un macrociclo para evitar su posterior agregación y posible quenching de absorbancia. Asimismo, se muestran nuevas encapsulaciones de croconaina que se han llevado a cabo tanto en nanopartículas poliméricas, mediante nanoprecipitación o doble emulsión, como en niosomas. Estas innovadoras encapsulaciones exhiben beneficios frente a los liposomas ya utilizados para encapsular dicha molécula, pues tienen una mayor estabilidad y reducidos costes. También se resalta la dificultad de lograr el comportamiento dual en medio ácido y alcalino de las nanopartículas cargadas de croconaina, debido a la baja difusión del medio en la nanopartícula, impidiendo su cambio de estructura, o bien de la posible baja concentración de molécula encapsulada dentro de las nanopartículas. Todas las síntesis químicas se han caracterizado mediante resonancia magnética nuclear (RMN), y todas las síntesis de nanopartículas se han caracterizado mediante técnicas de visualización ya sea mediante microscopía electrónica de barrido (SEM) o mediante microscopía electrónica de transmisión (TEM). Por otro lado, el comportamiento fototérmico de la croconaina y las nanopartículas se ha evaluado mediante ensayo espectroscópico de absorción UV/VIS y mediante la monitorización de la temperatura al irradiar las muestras con un láser de 808 nm. Finalmente, se ha comprobado la baja citotoxicidad de la molécula en cultivos celulares de monocitos, y su imposible aplicación, a las dosis estudiadas y con las irradiancias usadas, como agente de terapia fototérmica para la ablación de Estafilococos Aureus en infecciones a causa de la alta resistencia térmica de dicha cepa bacteriana

Desarrollo de sistemas híbridos para la liberación bajo demanda de fármacos y su aplicación en el tratamiento del dolor

La principal limitación de la aplicación de anestésicos locales en el tratamiento del dolor es su duración limitada en el tiempo. Los anestésicos de corta duración, como la lidocaína, tienen un efecto que puede durar entre unos pocos minutos y una hora, mientras que los de larga duración suelen tener un efecto de entre dos y cuatro horas, como la bupivacaína o la ropivacaína. Esta limitación implica la necesidad de realizar la administración de forma continua mediante un gotero o la aplicación periódica de dosis, lo que supone un inconveniente importante para el paciente. Existen también algunas formulaciones comerciales de anestésicos desarrolladas para prolongar el efecto en el tiempo, como por ejemplo Exparel® (Pacira Biosciences), una formulación liposomal de bupivacaína que extiende la duración entre 24 y 72 h. Estas formulaciones suponen un avance importante para tratar el dolor basal prolongado en el tiempo, sin embargo, la percepción del dolor es un fenómeno subjetivo y no constante en el tiempo. La aparición de episodios de dolor irruptivo, es decir, exacerbaciones del dolor crónico de forma súbita y transitoria, hacen necesaria la administración de nuevas dosis para paliar la sensación de dolor.El objetivo fundamental del presente trabajo consistió en el desarrollo de un sistema de liberación controlada de anestésicos locales para el tratamiento del dolor crónico considerando también episodios puntuales de intenso dolor. Este sistema debía permitir controlar la dosis suministrada proporcionando dos perfiles de liberación simultáneos: una liberación sostenida para tratar el dolor basal y una liberación a demanda para tratar episodios de dolor irruptivo, permitiendo modular la dosis en el tiempo en función de la percepción de dolor del paciente. Es por esto por lo que se planteó el uso de sistemas híbridos compuestos por nanogeles termosensibles cargados con bupivacaína, un anestésico local de larga duración, y combinados con nanopartículas plasmónicas. Las nanopartículas plasmónicas pueden ser activadas mediante luz, generando un incremento local de temperatura suficiente para activar los nanogeles termosensibles y provocar un aumento de la liberación respecto de la liberación basal. El sistema es reversible de manera que cuando cesa el efecto térmico, la liberación rápida se detiene y se continúa la liberación sostenida basal. Por este motivo se combinaron nanogeles con una temperatura crítica de solubilidad inferior (LCST) ligeramente superior a la temperatura biológica, junto con nanopartículas plasmónicas con absorbancia en el infrarrojo cercano. El ajuste preciso de las propiedades de los diferentes materiales que constituyen el sistema es crucial para el funcionamiento del mismo. Se sintetizaron nanogeles con una LCST ligeramente superior a la temperatura corporal, de forma que no colapsasen (es decir, lleven a cabo la transición hidrófilo-hidrofóbico) al introducirlos en el organismo, pero no tan elevada como para que la temperatura de activación pudiese causar daño en los tejidos. Por otro lado, se seleccionaron nanopartículas plasmónicas con absorbancia dentro de la primera ventana del infrarrojo cercano. La primera ventana del infrarrojo cercano, también llamada ¿ventana del agua¿ o ¿ventana terapéutica¿, es un rango de longitudes de onda comprendido entre 700 y 900 nm en el cual la absorbancia y dispersión de la luz por los tejidos biológicos son mínimas. Esto provoca una mayor penetración de la luz y un menor calentamiento de los tejidos, facilitando la activación no invasiva de las nanopartículas plasmónicas. Dentro de este rango, se ha observado que las longitudes de onda próximas a 800 nm muestran una mayor penetración, variable según el tejido, de hasta 5 mm. El fármaco empleado fue la bupivacaína ((RS)-1-butil-N-(2,6-dimetilfenil)piperidin-2-carboxamida), un anestésico empleado mediante infiltración local en el bloqueo de nervios periféricos, del nervio simpático y bloqueos epidurales y caudales. La bupivacaína actúa sobre los canales de sodio, bloqueando su entrada y evitando la depolarización, lo que impide la conducción de señales nerviosas produciendo el bloqueo sensorial.<br /

Fabricación de fármacos mediante impresión 3D: el futuro de la medicina personalizada

El surgimiento de la medicina personalizada abrió una puerta en la búsqueda de mejorar la eficiencia de los tratamientos de los pacientes y eliminar o disminuir los efectos secundarios de los medicamentos. Como era de esperar, en pleno auge de la impresión tridimensional, dicha tecnología se está introduciendo poco a poco en el ámbito farmacéutico. El surgimiento de nuevas formas de fabricación más rápidas yeconómicas y el desarrollo de nuevos fármacos ha provocado un antes y un después en la medicina personalizada obteniendo medicamentos que superan a los convencionales.Un objetivo concreto de esta revisión es dar una visión general sobre los avances de los medicamentos personalizados fabricados a través de impresoras 3D, que permiten la combinación de distintos fármacos, con la dosis exacta del principio activo y seleccionando los excipientes, geometría y forma farmacéutica más adecuados según sean las características y exigencias del paciente. Del mismo modo, se da una visión global sobre las ventajas, desventajas y exigencias que demanda esta tecnología. <br /

Ordered mesoporous silica monoliths: synthesis, preparation and potential applications

The work carried out was focused on the preparation of rigid porous silica monoliths, in order to investigate applications as controlled drug release matrices. All work was based on the hexagonally-ordered mesoporous SBA-15 materials, and monoliths were obtained by gel-casting procedures. SBA-15 powder was successfully synthesized and characterized using SEM and TEM imaging, nitrogen adsorption and small-angle X-ray diffraction. Synthesis yielded fibrous SBA-15 particles with diameters between 4,5 and 7,5µm and lengths between 75 and 105µm, and highly ordered cylindrical pores arranged in a hexagonal fashion with a diameter between 5,6 and 6,9 nm. Functionalization of SBA-15 powder was carried out using (3-Aminopropyl)triethoxysilane as a functionalizing agent, in order to test functionalization effects on drug release, and to prepare more stable monoliths. Monoliths were prepared using gel-casting procedures; a suspension of polyacrylamide precursors and powder SBA-15 was centrifuged in a glass mold, and polymer hardening and further removal of the polymer template yielded stable monoliths exhibiting a bimodal pore structure confirmed by intrusion characterization. Macroscopic dimensions of the monoliths were 3mm in diameter and approximately 6 mm in length, with macropores around 3 µm and the characteristic mesopores of SBA-15. Monoliths were also functionalized using (3-Aminopropyl)triethoxysilane. Drug loading for drug delivery experiments was carried out by placing as-synthesized and functionalized SBA-15 powders and monoliths in direct contact with a solution of a model antibiotic, namely cefuroxime sodium salt. Functionalized powders yielded the highest loads, followed by unmodified powders, modified monoliths and with as-synthesized monoliths exhibiting the lowest loads. Drug release experiments were focused on release of cefuroxime from as-synthesized and amino-functionalized SBA-15 powders and monoliths. Monoliths exhibit an initial burst release that was attributed to antibiotic loaded in the macroporous reservoirs, while a more controlled release was obtained from the powder counterparts

On the synthesis of polymeric, inorganic and hybrid nanoparticles for controlled drug delivery applications. From a molecular level to a whole-body distribution

En esta tesis doctoral, se han desarrollado vectores de liberación de fármacos basados en materiales híbridos para demostrar que es posible una liberación pulsada de fármacos mediante activación externa, haciéndolas potencialmente atractivas para aquellas patologías que necesitan la liberación puntual de una cantidad determinada de fármaco (como por ejemplo tratamientos contra el dolor o desajustes hormonales). Se ha tomado como punto de partida polímeros termosensibles ya conocidos y bien estudiados combinándolos con nanopartículas plasmónicas sensibles a la radiación en el rango del infrarrojo cercano (NIR). Además, se ha considerado la Bupivacaina como fármaco modelo debido a su uso habitual para el tratamiento del dolor crónico asociado a enfermedades del nervio ciático actuando como bloqueo del nervio. En el desarrollo de este trabajo, se han seguido numerosos pasos: desde la síntesis y la caracterización de las nanopartículas plasmónicas y poliméricas hasta el desarrollo de nano y micropartículas híbridas cargadas de fármaco con la habilidad de liberar el fármaco a demanda de manera reversible cuando son activadas externamente con luz. Para conseguir este objetivo, se ha aprovechado la combinación de nuevos métodos de síntesis, como el uso de plataformas de microfluídica, junto con métodos convencionales de síntesis en discontinuo.Por otro lado, se han tenido en cuenta diferentes puntos de vista en el desarrollo de estos vectores de liberación de fármacos. Se han llevado a cabo simulaciones basadas en dinámica molecular para entender las interacciones fármaco-polímero a escala molecular y con ello conseguir mejores y optimizadas cargas de fármaco. Para ello, se ha realizado el análisis de sistemas sencillos formados por cadenas poliméricas basadas en los polímeros termosensibles usados experimentalmente y la bupivacaina como fármaco modelo. Finalmente, el estudio de la persistencia in vivo de algunos de estos vectores de liberación de fármacos ha acercado el estudio de los mismos a su aplicación final para evaluar su comportamiento y destino final en modelos animales.Drug delivery vectors based on hybrid materials were developed to demonstrate that an externally activated pulsatile drug release is possible, making it potentially attractive for those pathologies that need the release of a specific drug amount at a specific time point (i.e., pain, hormonal disorders, etc.). The starting point were well-known thermoresponsive polymers combined with Near Infrared (NIR) sensitive plasmonic nanoparticles and a selected model drug (i.e., Bupivacaine), normally used for the treatment of chronic pain associated to sciatic nerve disease acting as a peripherial nerve blocker. Different steps were needed to follow to fulfill the aim of the research: from the synthesis and characterization of those polymeric and plasmonic inorganic nanoparticles, to the development of drug-loaded hybrid nano- and micro- drug delivery vectors with reversible ability to release a drug on-demand when externally activated with light. In order to achieve this aim, it was considered the combination of new synthesis methodologies such as the use of microfluidic continuous platforms together with conventional batch approaches. On the other hand, different points of view in the development of those drug delivery vectors were taken into account. Molecular dynamics simulations were carried out to understand drug-polymer interactions at molecular level and achieve large drug loadings. These analysis involved simple systems containing polymeric chains, based on those thermoresponsive materials, and the model drug chosen, bupivacaine. Additionally, in vivo persistence study brought some of these drug delivery vectors close to their final purpose in order to evaluate their in vivo persistence and fate.<br /

Microencapsulación de células mediante tecnología de microfluídos para su aplicación en biomedicina

La encapsulación celular permite crear vectores terapéuticos para tratar diferentes patologías, como la diabetes, el Alzheimer o múltiples tipos de cáncer mediante la liberación controlada de materiales terapéuticos. Estos vectores se basan en unas microcápsulas que permiten almacenar células, favorecer el intercambio de nutrientes y evitar ser reconocidas y eliminadas por el sistema inmune. El uso de hidrogeles en aplicaciones biomédicas ha supuesto un avance ya que estos polímeros otorgan muy buenas propiedades en cuanto a biocompatibilidad y son capaces de absorber, retener y liberar materiales de forma muy controlada. Uno de los materiales más usados es el alginato de sodio, el cual, al entrar en contacto con un catión divalente, como el calcio, produce un fenómeno físico llamado reticulación encapsulando moléculas/células de interés en su interior. Por otro lado, la tecnología de microfluídos permite la formación de microcápsulas con un mayor control del tamaño y morfología y de manera rápida y simple comparada con la síntesis tradicional. El uso de sistemas de flujo en continuo para la encapsulación celular mediante tecnología microfluídica favorece que la carga a encapsular sea más controlada, obtener mayor reproducibilidad en los ensayos y la utilización de pequeñas cantidades de materiales, así como de un menor número de etapas de purificación. La investigación llevada a cabo en este trabajo se basa en tres fases: realizar una síntesis controlada mediante tecnología de microfluídos en continuo con los parámetros óptimos considerados, realizar un estudio de permeabilidad de las microcápsulas para analizar qué tamaños de metabolitos se pueden encapsular en su interior y llevar a cabo un experimento de citotoxicidad inicial para una posterior encapsulación celular.<br /

Síntesis de nanopartículas de PLGA con verde de indocianina para terapia fotodinámica antimicrobiana

Debido al aumento en el número de especies bacterianas resistentes a antibióticos debido al uso inapropiado de los mismos, es necesario el desarrollo de terapias alternativas antimicrobianas, como la terapia fotodinámica antimicrobiana. En este trabajo se aplicó esta terapia in vitro para el tratamiento de infecciones tópicas causadas por Staphylococcus Aureus. Esta terapia se basa en la aplicación de un compuesto no tóxico llamado fotosensibilizador. En este caso se utilizó verde de indocianina (ICG). Al irradiar con luz en el infrarrojo cercano, este compuesto es capaz de generar especies reactivas de oxígeno (ROS), responsables de inactivar microorganismos. El objetivo de este trabajo es encapsular ICG en NPs de PLGA para superar las limitaciones que tiene el ICG libre, como su inestabilidad en disolución acuosa o su rápida degradación óptica inducida por la luz y la temperatura. Se compararon dos técnicas de síntesis para la encapsulación de ICG en NPs de PLGA: emulsión-evaporación del disolvente en discontinuo con el uso de ultrasonidos y emulsión-evaporación del disolvente en continuo mediante el micromezclado de fases por tecnología microfluídica. Se evaluó la actividad fototérmica (inactivación de los microorganismos debido al aumento de temperatura tras la irradiación) y fotodinámica (inactivación de microorganismos debido a la generación de ROS) de las NPs obtenidas por la técnica más adecuada. <br /

Diseño de apósitos liberadores de fármacos, mediante impresión 3D, que contienen anestésicos tópicos para su liberación sostenida en aplicaciones dérmicas

El presente Trabajo de Fin de Máster describe un método novedoso de fabricación de apósitos tópicos para el suministro de anestésicos locales en el tratamiento del dolor neuropático, mediante la técnica de impresión 3D de modelado por deposición fundida. Se pretende demostrar que estos apósitos aventajan a los fabricados con el método convencional en dos aspectos: liberan una cantidad mayor de fármaco y son capaces de liberarlo de forma sostenida y controlada, en vez de forma abrupta. La diferencia entre ambos métodos radica en que, en el propuesto, los filamentos del material con el que se imprimen los apósitos son extruidos a partir de una mezcla física de biopolímero con el principio activo; es decir, que el fármaco forma parte de la estructura constitutiva del dispositivo; mientras que en el método convencional el apósito es imprimido a partir de un biomaterial, y después, se le impregna con el principio activo. El estudio desarrollado consiste en la impresión de dos tipos de apósitos aplicando los dos procedimientos ya mencionados. A su vez, mediante el método propuesto se fabrican otros dos tipos de apósitos con biomateriales diferentes con el fin de estudiar cómo influye el biomaterial en la funcionalidad final del apósito: cantidad de fármaco que libera y perfil de liberación. Los polímeros seleccionados fueron el Eudragit® RS100 (EuRS100), y la policaprolactona (PCL), siguiendo criterios de selección de fármacos adecuados para fabricación apósitos. El Eudragit® RS100 fue seleccionado por ser imprimible, no tóxico, mucoadhesivo, pH-independiente, y degradarse lentamente por erosión. El PCL se escoge por ser biocompatible y de los más utilizados en la impresión 3D. Respecto al fármaco, en el estudio, se trabaja con la bupivacaína hidrosoluble como principio activo anestésico.Con las técnicas de termogravimetría y análisis por transformada de Fourier infrarroja se valora la compatibilidad del fármaco elegido con los distintos polímeros. La cuantificación del fármaco presente en los apósitos se realiza mediante la espectrofotometría ultravioleta/visible (UV-Vis), ya que la bupivacaína hidrosoluble, presenta una importante absorción a 261 nm de longitud de onda. Uno de los problemas abordados ha sido la eliminación del EuRS100 en las muestras utilizadas el cálculo de la cantidad de materia presente en el apósito ya que también ese polímero tiene absorbancia en ese rango. Los resultados del estudio muestran que mediante el método propuesto es posible elaborar apósitos con una mayor carga de principio activo y un perfil de liberación sostenida del fármaco; mientras que, con el método convencional por impregnación, la liberación es repentina. También muestran que el tipo de biomaterial seleccionado para la fabricación de los filamentos con los que se imprime el apósito en 3D, sí influye tanto en la cantidad de fármaco liberada, como el perfil de liberación. En el caso del EuRS100, el perfil de liberación es relativamente similar al de la policaprolactona, pero la cantidad de fármaco liberado es mayor. Con lo que se concluye que el EuRS100 es el polímero más eficiente de los dos utilizados en las pruebas de fabricación de apósitos según el método propuesto en el estudio.<br /