Nanoestruturas à base de silício como sistemas de libertação de fármacos para aplicações biológicas e médicas

Tese de doutoramento em Ciências da SaúdeRecentemente, a nanomedicina tem oferecido vantagens promissoras para os desafios colocados pelas abordagens convencionais utilizadas na terapia e diagnóstico do cancro. Um design cuidadoso pode facilitar o desenvolvimento de nanopartículas versáteis, com múltiplos atributos terapêuticos e/ou diagnósticos numa única estrutura. Entre os nanomateriais disponíveis, as nanopartículas à base de silício apresentam vários benefícios, como evidenciado nas diversas aplicações biomédicas documentadas na literatura. Assim, este projeto teve como objetivo desenvolver nanopartículas à base de silício com especial destaque para o seu potencial no campo da terapia do cancro. Resultados recentes sugerem que bactérias intratumorais podem desempenhar um papel na resistência às drogas anticancerígenas frequentemente utilizadas, contribuindo para a complexidade do tratamento. Por isso, a exploração das propriedades das nanopartículas culminou na criação de diferentes nanossistemas com dupla ação anticancerígena e antibacteriana. Mais especificamente, este trabalho de doutoramento incluiu o uso de materiais baseados em silício como zeólitos, nanopartículas de silício poroso e sílica mesoporosa. O estudo começou com o desenvolvimento de zeólitos com corantes fluorescentes, como potenciais agentes de bioimagem, económicos e estáveis, em células de cancro da mama, que revelaram propriedades luminescentes multicoloridas. Além disso, explorou-se a incorporação de 5-fluorouracilo e prata na estrutura de zeólitos faujasite para aplicações anticancerígenas e antibacterianas. Foram usadas ferramentas de aprendizagem automática para determinar combinações ótimas de sistemas de zeólitos, posteriormente validadas por resultados experimentais, num modelo de cancro de pele. O projeto também envolveu o desenvolvimento de um nanosistema duplo com propriedades antibacterianas e antitumorais, usando nanopartículas de silício poroso para a entrega simultânea de doxorrubicina e prata. Finalmente, explorou-se o uso de nanopartículas de sílica mesoporosa em combinação com outros materiais para criar uma plataforma híbrida e teranóstica, com propriedades magnéticas. O design foi desenvolvido para obter propriedades anticancerígenas e antibacterianas, através da combinação de doxorrubicina e ciprofloxacina, respetivamente. Em resumo, os nanossistemas à base de silício desenvolvidos neste trabalho, representam uma contribuição valiosa para uma melhor compreensão das suas potenciais aplicações biomédicas.In recent years, nanomedicine has been offering promising solutions to the challenges posed by conventional approaches used in cancer diagnosis and therapy. Achieving an optimal balance between the nanoparticle's advantages and disadvantages is an ongoing challenge. The creation of nanoparticles containing multiple therapeutic and/or diagnostic attributes within a single structure requires a careful design. Among available nanomaterials, silicon-based nanoparticles provide several advantages, evident by the extensive research and diverse biomedical applications documented in the literature. Thus, this dissertation aimed to develop silicon-based nanoparticles tailored for biomedical applications, with a particular focus on their potential in the field of cancer therapy. Emerging evidence suggests that intratumor bacteria have a role in the resistance to commonly used anticancer drugs, contributing to the treatment's complexity. Thus, the nanoparticle properties were explored to create dual-action systems with both anticancer and antibacterial activities. More specifically, this work included the use of materials based on silicon such as zeolites, porous silicon, and mesoporous materials. The study of zeolites started with the development of fluorescent dye-containing zeolites as potential cost-effective and stable bioimaging agents in breast cancer cells, revealing multicolor luminescent properties. Additionally, the incorporation of 5-fluorouracil and silver into a faujasite zeolite structure was explored for anticancer and antibacterial applications. Machine learning tools were used to determine optimal zeolite system combinations, further validated by experimental data in a skin cancer cell model. The project also involved the development of a dual nanocarrier with antibacterial and anticancer properties using porous silicon nanoparticles for targeted delivery of doxorubicin and silver. Finally, the use of mesoporous silica nanoparticles was explored in combination with other materials to yield a hybrid theranostic platform with magnetic properties. The nanoparticles were tailored to display dual anticancer and antibacterial properties, by the combination of doxorubicin with ciprofloxacin, respectively. In summary, the silicon-based nanosystems developed within this thesis present a valuable contribution to unveiling their potential for applications in the biomedical field.I would like to thank the European Union, Portuguese Government, and Portuguese Foundation for Science and Technology for the funding (SFRH/BD/141058/2018 and COVID/BD/152997/2022) and the opportunity to work on my PhD thesis, in the scope of the Portugal 2020 and Norte 2020 programs. I would like to express my appreciation to the Luso-American Development Foundation (FLAD) for the FLAD Grant R&D@PhD 2021

On-site and rapid optical assay to test biological samples

Dissertação de mestrado em Técnicas de Caracterização e Análise QuímicaCurrently there is a need for diagnosis processes, which uses urine samples and offer quick, easy, and accurate results, since most of the traditional systems require time, material, facilities, and specialized personnel, which can affect the efficiency of the therapy chosen for the patient. In this context, this work reports two different strategies to improve the stability and latency of the results provided by a device specifically developed for the analysis of urine samples on diapers and early medical condition assessment. The main goal was to obtain stable, rapid, and easily interpretable results, by employing colorimetric detection, without the need of electricity to analyze several urine biomarkers. The device design already comprises components to provide the conditions for the results stability, such as a self-locking system and a cover layer. These same conditions were tested, and the outcomes suggest that the device has great potential to keep valid results for long periods. The encapsulation of the dye molecules, normally used in the bioassays, into hosts like zeolites nanostructures, which were used to enhance color stability, was also studied in order to have a chemical approach to this issue. These obtained dye nanomaterials were characterized by employing several techniques (Room Temperature Fourier Transform Infrared (FTIR), N2 adsorption isotherms, scanning electron microscopy (SEM/EDX), thermogravimetric analysis (TGA) and powder X-ray diffraction (XRD)) and, the results show that the encapsulation of the dyes was successfully achieved, preserving both the guest and host structures. Regarding the colorimetric results, a long-time stability of the dye colors was achieved due to their encapsulation into the zeolite nanostructures. The choice of the type of paper for the μPAD and the zeolite nanostructures properties influences the colorimetric response. The results obtained in this work were promising for the studied assays, and the strategy could also be extended to other biomarkers.Atualmente, existe uma necessidade de processos de diagnóstico que utilizem amostras de urina e ofereçam resultados rápidos, fáceis e precisos, uma vez que a maioria dos métodos tradicionais requerem tempo, material, instalações e pessoas especializadas, o que pode afetar a eficiência da terapia escolhida para o paciente. Neste contexto, este trabalho explora duas estratégias diferentes para melhorar a estabilidade e latência dos resultados obtidos por um dispositivo especificamente desenvolvido para a análise de urina em fraldas e avaliação médica prévia (monitorização da saúde). O objetivo principal foi obter resultados estáveis, rápidos e fáceis de interpretar, ao utilizar a deteção colorimétrica, sem necessidade de eletricidade para analisar vários biomarcadores da urina. O design do dispositivo já contém componentes para fornecer as condições para a estabilidade dos resultados, tal como um sistema de fecho automático e uma camada de cobertura. Estas mesmas condições foram testadas e os resultados sugerem que o dispositivo tem grande potencial para manter a validade dos resultados por longos períodos de tempo. O encapsulamento de moléculas de corantes, normalmente utilizadas em ensaios biológicos, em hospedeiros como zeólitos, no sentido de aumentar a estabilidade das cores das moléculas, foi também estudado com o objetivo de explorar uma abordagem química ao problema. Os nanomateriais obtidos foram caracterizados por várias técnicas (Espetroscopia de infravermelhos (FTIR), isotérmicas de adsorção de N2, microscopia eletrónica de varrimento (SEM/EDX), análise termogravimétrica (TGA) e difração de raio-X (XRD)) e os resultados confirmam que o encapsulamento das moléculas, com a preservação das estruturas dos corantes e dos respetivos hospedeiros. Em relação aos resultados colorimétricos, foi alcançada uma estabilidade das cores dos corantes por um longo período de tempo devido ao seu encapsulamento nas estruturas dos zeólitos. A escolha do tipo de papel para os μPADs e as propriedades dos zeólitos demostraram ter influência na resposta colorimétrica. Os resultados obtidos neste trabalho são promissores para os ensaios estudados, e o método pode também ser estendido a outros biomarcadores