Síntesis, estructura y caracterización en entornos biológicos de nanopartículas de AU y heterodímeros PT-AU

Abstract

Las nanopartículas metálicas se encuentran dentro de la categoría de materiales claves para diversas tecnologías actuales y prometedoras, con relevancia en salud, medio ambiente y energías alternativas, entre otros campos.Un desarrollo racional de las aplicaciones de nanopartículas hace necesario una comprensión detallada de sus propiedades estructurales y morfológicas.En esta Tesis doctoral se han investigado dos sistemas de gran interés actual que presentan desafíos importantes en cuanto a la caracterización en la nanoescala. Por un lado se han sintetizado y desarrollado una serie de nanopartículas binarias “heterodímeros” de Pt-Au con microstructuras definidas. La literatura concerniente a su estructura de intercaras y modos de crecimiento cristalino se consideraba bastante limitada al inicio de los estudios aquí recopilados. Por tanto, se ha buscado a través del análisis microestructural avanzado comprender los mecanismos de crecimiento y formación de los heterodímeros. Por otro lado, en la evaluación de la ecotoxicidad de nanomateriales, la premisa general de la comunidad científica es la posibilidad de identificar efectos adversos potenciales de un determinado contaminante a partir de ensayos de exposición de un modelo físico o biológico concreto a dosis controladas del contaminante. Sin embargo, las concentraciones de relevancia en estos estudios suelen ser tan bajas que el posterior estudio físico-químico y localización de las nanopartículas asociadas a compartimentos celulares del organismo en cuestión resulta un reto de gran interés actual. En este sentido se han sintetizado y estudiado nanopartículas de Au en experimentos de ecotoxicidad. Para hacer frente a los desafíos mencionados destaca en esta tesis doctoral el uso de un conjunto amplio de técnicas avanzadas de microscopía electrónica,tanto en la caracterización de los heterodimeros Pt-Au. como en el análisis denanopartículas de Au asociadas a compartimentos celulares de un modelo biológico concreto. Es así que la tesis pivota alrededor de dos ejes: i) Se aborda la síntesis de NPs de Pt de forma y tamaño controlado, siguiendo procedimientos de la literatura con algunas modificaciones, a fin de disponer de nanopartículas semilla para proceder al estudio de los procesos de síntesis de heterodímeros con oro. Se demuestra un enfoque para la construcción de heterodímeros Pt-Au basado en el crecimiento heterogéneo de Au sobre superficies de nanocristales poliédricos de Pt. Este enfoque permitió el control de la distribución espacial de los componentes, siendo posible la variación de la forma de los dominios mediante selección de la semilla de Pt de partida y las condiciones de crecimiento. Tras una caracterización detallada de los heterodimeros Pt-Au mediante el empleo de diversas técnicas de microscopía electrónica se identificó la diversidad cristalográfica de las hetero-uniones formadas y aspectos fundamentales de su formación. Se concluye que las intercaras formadas fueron principalmente de tres tipos: {111} + {111}, {200} + {200} y {220} + {220}. Además, se encontró que la nucleación y el desarrollo del crecimiento heterogéneo del Au estarían favorecidos en los sitios/caras de la semilla de Pt con mayor energía libre de superficie.Adicionalmente, se identificaron procesos de acumulación y relajación de tensiones en heterodímeros Pt-Au que son pertinentes con un modo de crecimiento Stranski-Krastanov. Estos procesos de acumulación y relajación de tensiones confieren estabilidad a los heterodímeros Pt-Au pese a la existencia de desajuste de red. ii) Por otro lado, se síntetizaronnanopartículas de oro-citrato como representativas de nanomateriales de origen antropogénico para su caracterización físico-química en medio marino. Se concluye que a concentraciones ecotoxicológicamente relevantes se forman aglomerados, pero poca o ninguna coalescencia entre partículas, demonstrándose la disponibilidad de las nanopartículas para su internalización en organismos del medio marino. Tras poner a punto dos metodologías, una para la exposiciónin vivo y otra para la exposición in vitro de un modelo biológico (R.philippinarum) a nanopartículas de oro-citrato,fue posibleel análisis de efectos a nivel tisular y sub-celular a concentraciones de relevancia toxicológica (30 y 750 ppb de Au) y ambiental (6 ppb de Au). Tras la realización del experimento in vivo, la caracterización ultraestructural llevada a cabo mediante microscopía electrónica permitió la identificación y localización de nanopartículas de oroen el interior de lisosomas de células digestivas. Adicionalmente, se optimizaron las condiciones de observación en la técnica “STEM-in-SEM”(microscopía electrónica de transmisión en un microscopio electrónico de barrido a bajo voltaje) para el empleo de espesores de muestra gruesos “200-300” y la obtención de imágenes de alta resolución de nanopartículas de alto Z (número atómico) en matrices de bajo Z. Se ha demostrado el papel fundamental del análisis EDX (fluorescencia de rayos X), acoplado a la microscopía electrónica, como herramienta fundamental para la identificación y localización de nanopartículas en los entornos biológicos. Tras la realización del experimento in vitro, la aplicación de la técnica “STEM-in-SEM” optimizada permitió el análisis de la distribución de las NPs-Au acumuladas a nivel tisular y sub-celular. Se identificaron NPs-Au en el ápice de células epiteliales y en la superficie de microvellosidades. A nivel sub-celular, se localizaron NPs-Au asociadas a gránulos de secreción, en el citoplasma de células ciliadas, en la membrana mitocondrial y en el ápice del núcleo de células epiteliales. Las siguientes publicaciones avalan la presente tesis: C.A. García-Negrete, T.C. Rojas, B.R. Knappett, D.A. Jefferson, A.E.H. Wheatley, A. Fernández. Shape-Defined Nanodimers by Tailored Heterometallic Epitaxy,Nanoscale, 6 (2014) 11090-11097 C.A. García-Negrete, B. R. Knappett, F. P. Schmidt, T. C. Rojas, A.E.H. Wheatley, F. Hofer, A. Fernández.Island-type growth of Au-Pt heterodimers: Direct visualization of misfit dislocations and strain-relief mechanisms, RSC Advances, 5 (2015), 55262-55268 C.A. García-Negrete, M.C. Jiménez de Haro, J. Blasco, M. Soto, A. Fernández. STEM-in-SEM high resolution imaging of gold nanoparticles and bivalve tissues in bioaccumulation experiments, Analyst, 140 (2015), 3082-3089 C.A. García-Negrete, J. Blasco, M. Volland, T.C Rojas, M. Hampel, A. Lapresta-Fernández, M.C. Jimenez de Haro, M. Soto, A. Fernández. Behaviour of Au-citrate nanoparticles in seawater and accumulation in bivalves at environmentally relevant concentrations,Environmental Pollution,174 (2013) 134-141