New functional ligands for the preparation of photoactive nanoparticle-based materials

La nanociència i la nanotecnologia han esdevingut les noves disciplines del nou mil·leni. Els processos desenvolupats per molts científics arreu del món, com per exemple el disseny, la fabricació i la manipulació a escala nanomètrica, han revolucionat la física, la química, la biologia i la tecnologia. La present tesi doctoral s'emmarca dins aquests camps. Més concretament, s'han dissenyat, sintetitzat i caracteritzat diferents lligands orgànics per (i) introduir-los en nanopartícul·les de polímers de coordinació (CPPs) i estudiar processos d'alliberament de fàrmacs, o (ii) estabilitzar nanopartícul·les semiconductores, o quantum dots (QDs), per enllaçarlos ordenada i controladament. Les CPPs són partícules metal·lorgàniques capaces de nanoestructurar-se que s'han proposat com a potencials materials en el camp de la medicina, com a novedosos agents portadors de fàrmacs o d'agents de contrast. Encara que s'ha demostrat la seva capacitat portadora i la seva eficiència d'alliberament, a dia d'avui no existeix cap estudi del mecanisme d'alliberament dels compostos encapsulats. És per això que s'ha proposat com a primer objectiu d'aquesta tesi doctoral l'estudi racional dels mecanismes implicats quan un compost és alliberat per aquests sistemes. Així, s'han dissenyat i sintetitzat diferents compostos orgànics fluorescents per introduir-los dins de les nanopartícul·les de polímers de coordinació, atrapades físicament i enllaçades covalentment a la matriu polimèrica, i estudiar-ne els mecanismes d'alliberament mitjançant mesures de fluorescència. L'anàlisi dels resultats obtinguts demostra una ràpida difusió del fàrmac (durant les primeres hores) i, només després d'un cert temps, un procés de degradació amb una cinètica més lenta. Aquest treball demostra que futurs sistemes portadors de fàrmacs poden ser racionalment dissenyats depenent de la cinètica d'alliberament desitjada en cada cas particular. Per altra banda, els QDs són nanopartícules col·loïdals cristal·lines semiconductores amb propietats opto-electròniques extraordinàries i fàcilment modulables variant-ne la composició, la mida o la forma que s'han aplicat en la construcció de light emitting diodes (LEDs) i de cel·les solars. La present tesi doctoral té per objectiu la construcció de nous cables fotònics d'escala nanomètrica basats en QDs on processos de transferència energètica entre QDs conduiran l'energia lumínica unidireccionalment. L'estratègia dissenyada es basa en la reacció de cicloaddició alquí-azida promoguda per tensió anular (Strain-Promoted Alkyne-Azide Cycloadditon, SPAAC) entre ambdós compostos que han estat prèviament ancorats a la superfície de QDs amb propietats òptiques diferents. Amb aquest objectiu, s'han sintetitzat i caracteritzat diferents estabilitzants orgànics amb grups funcionals lliures (ciclooctí i azida) que són capaços de reaccionar selectivament entre ells. Els resultats obtinguts han demostrat la viabilitat de l'estratègia plantejada ja que s'han obtingut agregats discrets de diferents quantum dots amb altes eficiències de transferència d'energia.Nanoscience and nanotechnology are the novel disciplines emerged at the new millennium. The abilities for designing, fabricating and applying nanostructures and nanomaterials have revolutionized physics, chemistry, technology and biology. The present PhD thesis is focused on these fields. In particular, the design, synthesis and characterization of different organic ligands have been the main goal of the current work for (i) introducing them into coordination polymer particles (CPPs) and studying drug delivery processes, or (ii) stabilizing semiconductor nanoparticles, or quantum dots (QDs), and linking them in an ordered and controlled manner. CPPs are metaloorganic nanoparticles that have been proposed as potential drug carriers or contrast agents in the field of medicine. Even though many scientists have demonstrated CPPs are efficient carriers and delivers, to date no rational study exists for the drug delivery mechanisms. In view of this, the main objective of the first project of this PhD thesis is to rationally establish the release mechanisms of a drug from those systems. In this way, different fluorescent organic ligands have been designed, synthesized and characterized for introducing them into the CPPs and studying the delivery mechanisms by means of fluorescence measurements. Analysis of the obtained results demonstrates a fast diffusion of the drug (during the first hours of release) and slower degradation processes. By selectively monitoring the release kinetics of those fluorophores, we have not only demonstrated the occurrence of such mechanisms, but also assessed for the first time their individual efficiencies in view of the rational design of future systems with tailored drug delivery profiles. On the other hand, QDs are crystalline and colloidal semiconductor nanoparticles with unique optoelectronic properties, which can be modulated by finely tuning their composition, size or shape. QDs have been applied in the preparation of light emitting diodes (LEDs) and of solar cells. The present PhD thesis aims to the formation of new QD-based photonic nanowires for the efficient and unidirectional transport of excitation energy between the different QDs. Our approach relies on the functionalization of the semiconductor nanoparticles with ligands bearing azide and cyclooctyne groups, which can undergo Cu-free, strain-promoted azide-alkyne cycloaddition (SPAAC) under standard ambient conditions. As a first step towards the fabrication of future nanophotonic devices, we aimed herein to demonstrate the viability and potential of this synthetic strategy to conduct the controlled assembly of quantum dots. The obtained results demonstrated SPAAC-induced formation of QD heteroaggregates, which showed high energy transfer efficiences. This work opens up the door for future application of this methodology to the construction of 1D assemblies of well-ordered QDs

Coordination polymer nanoparticles in medicine

Coordination polymer particles (CPPs) have recently emerged as a new family of nanoparticles. The potential multifunctionality of these nanosystems and the flexibility of their coordination chemistry open new perspectives in different fields, including medicine. This review outlines the most recent advances in this field, from CPP synthesis to their use as smart drug delivery systems, bioimaging probes or a combination of both

Estudis dirigits a la síntesi d'interruptors moleculars fluorescents basats en tautòmers de valència

Aquest treball de recerca està encaminat a la síntesi de lligands tipus catecol fluorescents, els quals, un cop units a un ió metàl·lic adient, podran presentar tautomerisme de valència, i així permetre la síntesi d'interruptors moleculars fluorescents basats en tautòmers de valència. La síntesi d'aquests lligands parteix del 4-metil-2-metoxifenol com a esquelet catecol que, mitjançant una sèrie de reaccions, ha conduït a l'intermedi 1, intermedi clau per a la preparació de diferents lligands tipus catecol. A partir d'aquest intermedi 1 s'han sintetitzat dos lligands tipus catecol diferents: el lligand model 2, que servirà per assajar reaccions de complexació, i un de fluorescent. Després d'explorar diferents rutes sintètiques encaminades a la preparació d'aquest segon tipus de lligand, s'ha obtingut el compost 20

Encapsulation and release mechanisms in coordination polymer nanoparticles

The interplay of guest encapsulation and release mechanisms in nanoscale metal-organic vehicles and its effect on the drug-delivery kinetics of these materials were investigated through a new multidisciplinary approach. Two rationally-designed molecular guests were synthesized, which consist of a red-fluorescent benzophenoxazine dye covalently tethered to a coordinating catechol group and a protected, non-coordinating catechol moiety. This allowed loading of the guests into compositionally and structurally equivalent coordination polymer particles through distinct encapsulation mechanisms: coordination and mechanical entrapment. The two types of particles delivered their fluorescent cargo with remarkably different kinetic profiles, which could be satisfactorily modeled considering degradation- and diffusion-controlled release processes. This demonstrates that careful selection of the method of guest incorporation into coordination polymer nanoparticles allows selective tuning of the rate of drug delivery from these materials and, therefore, of the time window of action of the encapsulated therapeutic agents. Drug-release mechanisms uncovered! Coordination polymer nanoparticles loaded with coordinated and mechanically entrapped fluorescent guests were prepared as benchmark systems to investigate diffusion- and degradation-controlled drug delivery from these materials (see figure)

New functional ligands for the preparation of photoactive nanoparticle‐based materials

La nanociència i la nanotecnologia han esdevingut les noves disciplines del nou mil·leni. Els processos desenvolupats per molts científics arreu del món, com per exemple el disseny, la fabricació i la manipulació a escala nanomètrica, han revolucionat la física, la química, la biologia i la tecnologia. La present tesi doctoral s'emmarca dins aquests camps. Més concretament, s'han dissenyat, sintetitzat i caracteritzat diferents lligands orgànics per (i) introduir-los en nanopartícul·les de polímers de coordinació (CPPs) i estudiar processos d'alliberament de fàrmacs, o (ii) estabilitzar nanopartícul·les semiconductores, o quantum dots (QDs), per enllaçarlos ordenada i controladament. Les CPPs són partícules metal·lorgàniques capaces de nanoestructurar-se que s’han proposat com a potencials materials en el camp de la medicina, com a novedosos agents portadors de fàrmacs o d’agents de contrast. Encara que s'ha demostrat la seva capacitat portadora i la seva eficiència d'alliberament, a dia d'avui no existeix cap estudi del mecanisme d'alliberament dels compostos encapsulats. És per això que s'ha proposat com a primer objectiu d'aquesta tesi doctoral l'estudi racional dels mecanismes implicats quan un compost és alliberat per aquests sistemes. Així, s'han dissenyat i sintetitzat diferents compostos orgànics fluorescents per introduir-los dins de les nanopartícul·les de polímers de coordinació, atrapades físicament i enllaçades covalentment a la matriu polimèrica, i estudiar-ne els mecanismes d'alliberament mitjançant mesures de fluorescència. L'anàlisi dels resultats obtinguts demostra una ràpida difusió del fàrmac (durant les primeres hores) i, només després d’un cert temps, un procés de degradació amb una cinètica més lenta. Aquest treball demostra que futurs sistemes portadors de fàrmacs poden ser racionalment dissenyats depenent de la cinètica d'alliberament desitjada en cada cas particular. Per altra banda, els QDs són nanopartícules col·loïdals cristal·lines semiconductores amb propietats opto-electròniques extraordinàries i fàcilment modulables variant-ne la composició, la mida o la forma que s'han aplicat en la construcció de light emitting diodes (LEDs) i de cel·les solars. La present tesi doctoral té per objectiu la construcció de nous cables fotònics d’escala nanomètrica basats en QDs on processos de transferència energètica entre QDs conduiran l’energia lumínica unidireccionalment. L'estratègia dissenyada es basa en la reacció de cicloaddició alquí-azida promoguda per tensió anular (Strain-Promoted Alkyne-Azide Cycloadditon, SPAAC) entre ambdós compostos que han estat prèviament ancorats a la superfície de QDs amb propietats òptiques diferents. Amb aquest objectiu, s'han sintetitzat i caracteritzat diferents estabilitzants orgànics amb grups funcionals lliures (ciclooctí i azida) que són capaços de reaccionar selectivament entre ells. Els resultats obtinguts han demostrat la viabilitat de l'estratègia plantejada ja que s'han obtingut agregats discrets de diferents quantum dots amb altes eficiències de transferència d'energia.Nanoscience and nanotechnology are the novel disciplines emerged at the new millennium. The abilities for designing, fabricating and applying nanostructures and nanomaterials have revolutionized physics, chemistry, technology and biology. The present PhD thesis is focused on these fields. In particular, the design, synthesis and characterization of different organic ligands have been the main goal of the current work for (i) introducing them into coordination polymer particles (CPPs) and studying drug delivery processes, or (ii) stabilizing semiconductor nanoparticles, or quantum dots (QDs), and linking them in an ordered and controlled manner. CPPs are metaloorganic nanoparticles that have been proposed as potential drug carriers or contrast agents in the field of medicine. Even though many scientists have demonstrated CPPs are efficient carriers and delivers, to date no rational study exists for the drug delivery mechanisms. In view of this, the main objective of the first project of this PhD thesis is to rationally establish the release mechanisms of a drug from those systems. In this way, different fluorescent organic ligands have been designed, synthesized and characterized for introducing them into the CPPs and studying the delivery mechanisms by means of fluorescence measurements. Analysis of the obtained results demonstrates a fast diffusion of the drug (during the first hours of release) and slower degradation processes. By selectively monitoring the release kinetics of those fluorophores, we have not only demonstrated the occurrence of such mechanisms, but also assessed for the first time their individual efficiencies in view of the rational design of future systems with tailored drug delivery profiles. On the other hand, QDs are crystalline and colloidal semiconductor nanoparticles with unique optoelectronic properties, which can be modulated by finely tuning their composition, size or shape. QDs have been applied in the preparation of light emitting diodes (LEDs) and of solar cells. The present PhD thesis aims to the formation of new QD-based photonic nanowires for the efficient and unidirectional transport of excitation energy between the different QDs. Our approach relies on the functionalization of the semiconductor nanoparticles with ligands bearing azide and cyclooctyne groups, which can undergo Cu-free, strain-promoted azide-alkyne cycloaddition (SPAAC) under standard ambient conditions. As a first step towards the fabrication of future nanophotonic devices, we aimed herein to demonstrate the viability and potential of this synthetic strategy to conduct the controlled assembly of quantum dots. The obtained results demonstrated SPAAC-induced formation of QD heteroaggregates, which showed high energy transfer efficiences. This work opens up the door for future application of this methodology to the construction of 1D assemblies of well-ordered QDs

Estudis dirigits a la síntesi d'interruptors moleculars fluorescents basats en tautòmers de valència

Aquest treball de recerca està encaminat a la síntesi de lligands tipus catecol fluorescents, els quals, un cop units a un ió metàl·lic adient, podran presentar tautomerisme de valència, i així permetre la síntesi d’interruptors moleculars fluorescents basats en tautòmers de valència. La síntesi d’aquests lligands parteix del 4-metil-2-metoxifenol com a esquelet catecol que, mitjançant una sèrie de reaccions, ha conduït a l’intermedi 1, intermedi clau per a la preparació de diferents lligands tipus catecol. A partir d’aquest intermedi 1 s’han sintetitzat dos lligands tipus catecol diferents: el lligand model 2, que servirà per assajar reaccions de complexació, i un de fluorescent. Després d’explorar diferents rutes sintètiques encaminades a la preparació d’aquest segon tipus de lligand, s’ha obtingut el compost 20

Encapsulation and release mechanisms in coordination polymer nanoparticles

The interplay of guest encapsulation and release mechanisms in nanoscale metal-organic vehicles and its effect on the drug-delivery kinetics of these materials were investigated through a new multidisciplinary approach. Two rationally-designed molecular guests were synthesized, which consist of a red-fluorescent benzophenoxazine dye covalently tethered to a coordinating catechol group and a protected, non-coordinating catechol moiety. This allowed loading of the guests into compositionally and structurally equivalent coordination polymer particles through distinct encapsulation mechanisms: coordination and mechanical entrapment. The two types of particles delivered their fluorescent cargo with remarkably different kinetic profiles, which could be satisfactorily modeled considering degradation- and diffusion-controlled release processes. This demonstrates that careful selection of the method of guest incorporation into coordination polymer nanoparticles allows selective tuning of the rate of drug delivery from these materials and, therefore, of the time window of action of the encapsulated therapeutic agents.We acknowledge the financial support of the “Ministerio de Economía y Competividad” (MINECO) through projects MAT2012–38318-C03–02, MAT2012–38319-C02–01, CTQ2012–30853 and CTQ2010–15380. L.A.-F. thanks the “Universitat Autónoma de Barcelona” for a pre-doctoral grant. F.N. thanks the “Ministerio de Economía y Competitividad” for a JdC (JCI-2011–09239) post-doctoral grant.Peer Reviewe

Coordination polymer nanoparticles in medicine

Coordination polymer particles (CPPs) have recently emerged as a new family of nanoparticles. The potential multifunctionality of these nanosystems and the flexibility of their coordination chemistry open new perspectives in different fields, including medicine. This review outlines the most recent advances in this field, from CPP synthesis to their use as smart drug delivery systems, bioimaging probes or a combination of both. © 2013 Elsevier B.V.We would like to thank the Spanish Government (grant MAT2012-38318-C03-02 to D.R.-M., JdC grant to F.N. and FPU grant to N.V.-M), Universitat Autònoma de Barcelona (pre-doctoral grant to L.A.-F.) and CSIC (JAEDoc grant to J.S.) for financial support.Peer Reviewe

Coordination polymer nanoparticles in medicine

Coordination polymer particles (CPPs) have recently emerged as a new family of nanoparticles. The potential multifunctionality of these nanosystems and the flexibility of their coordination chemistry open new perspectives in different fields, including medicine. This review outlines the most recent advances in this field, from CPP synthesis to their use as smart drug delivery systems, bioimaging probes or a combination of both

Encapsulation and release mechanisms in coordination polymer nanoparticles

The interplay of guest encapsulation and release mechanisms in nanoscale metal-organic vehicles and its effect on the drug-delivery kinetics of these materials were investigated through a new multidisciplinary approach. Two rationally-designed molecular guests were synthesized, which consist of a red-fluorescent benzophenoxazine dye covalently tethered to a coordinating catechol group and a protected, non-coordinating catechol moiety. This allowed loading of the guests into compositionally and structurally equivalent coordination polymer particles through distinct encapsulation mechanisms: coordination and mechanical entrapment. The two types of particles delivered their fluorescent cargo with remarkably different kinetic profiles, which could be satisfactorily modeled considering degradation- and diffusion-controlled release processes. This demonstrates that careful selection of the method of guest incorporation into coordination polymer nanoparticles allows selective tuning of the rate of drug delivery from these materials and, therefore, of the time window of action of the encapsulated therapeutic agents. Drug-release mechanisms uncovered! Coordination polymer nanoparticles loaded with coordinated and mechanically entrapped fluorescent guests were prepared as benchmark systems to investigate diffusion- and degradation-controlled drug delivery from these materials (see figure)