Photoactive coordination polymer nanoparticles for biological and device applications

Abstract

Les nanopartícules de polímers de coordinació (CPNs) han despertat l'interès dels investigadors degut a la seva versatilitat i capacitat d'ajust mitjançant la combinació infinita de nodes metàl·lics i lligands orgànics com a precursors de materials autoassemblats. A causa d'aquestes possibilitats il·limitades que permeten aconseguir noves propietats, la química de coordinació a la nanoescala es considera una de les metodologies més versàtils i escalables per a l'obtenció de nous materials nanoestructurats funcionals. Les propietats i característiques dels CPNs es poden ajustar gràcies a la flexibilitat sintètica de la química de coordinació, cosa que els converteix en excel·lents materials per a diferents aplicacions. A més, la combinació de diferents unitats orgàniques i metall-orgàniques permet construir sistemes complexos amb potencial interès en diferents aplicacions: emmagatzematge d'energia, fotocatàlisi, electrònica molecular, sensors o nanomedicina. A més, l'ús de monòmers que responguin a la llum permet obtenir CPNs fotoactives, que permeten un control espacial i temporal de les seves propietats. En el treball realitzat en aquesta tesi es va centrar l'atenció en la síntesi de nous compostos orgànics fotoactius com a precursors de CPNs, la fabricació de nanomaterials funcionals i la investigació de potencials aplicacions d'aquestes nanopartícules sobre la base de les propietats intrínseques i la interacció amb la llum. Així, la investigació realitzada en aquesta tesi doctoral es pot dividir en tres temàtiques diferenciades, descrites als Capítols 3, 4 i 5: Al Capítol 3, es descriu el disseny i la síntesi d'una nova família de CPNs fotoactives basades en Ruteni. Aquestes es van obtenir mitjançant la polimerització d'un monòmer de Ru (II) fotoactiu conegut per ser el precursor d'un fàrmac amb activitat anticancerígena. La irradiació amb llum visible de les CPN obtingudes va resultar en l'alliberament controlat d'un complex de Ru amb citotoxicitat significativament superior al precursor. Un estudi in vitro d'aquestes CPNs va demostrar el potencial per a la quimioteràpia fotoactivada (PACT-CPN). Al Capítol 4, es detalla la síntesi d'una nova família de CPNs, amb propietats de conversió ascendent de radiació (UC) i se'n va explorar l'aplicació potencial en diferents camps tecnològics. A la primera part d'aquest capítol, es reporta la síntesi de dos parells de molècules fotosensibles (sensibilitzadors i emissors), capaços de produir UC de la radiació d'una regió del visible a una altra de més alta energia, i d'infraroig proper a visible. A la segona part, es va optimitzar la síntesi de les CPNs capaces de produir UC (UC-CPNs), fetes per molècules de sensibilitzador i emissor com a unitats constitutives del polímer de coordinació. A banda de l'anàlisi de les propietats fisicoquímiques i fotofísiques, les UC-CPNs es van integrar en un material polimèric amb l'objectiu d'obtenir tintes aquoses d'UC i pel·lícules transparents que preserven la UC en atmosfera d'aire. Finalment, al Capítol 5, es van obtenir CPNs basades en difenilantracè que es van recobrir amb nanoestructures d'or. Aquestes CPNs es van sintetitzar amb l'objectiu d'i) atrapar i emmagatzemar una gran quantitat d'oxigen molecular per partícula, després de la irradiació de l'antracè, mitjançant la formació de l'endoperòxid corresponent com a procés previ per, ii) alliberar de manera controlada l'oxigen singlet (1O2) després d'escalfar les nanopartícules per via tèrmica o fototèrmica. Aquestes CPNs dissenyades per a l'alliberament tèrmic o fototèrmic sobtat de 1O2 tenen aplicació potencial a la teràpia fotodinàmica (PDT-CPN).

Las nanopartículas de polímeros de coordinación (CPNs) han despertado el interés de los investigadores debido a su versatilidad y capacidad de ajuste mediante la combinación infinita de nodos metálicos y ligandos orgánicos como precursores de materiales autoensamblados. Debido a estas posibilidades ilimitadas que permiten lograr novedosas propiedades, la química de coordinación a la nanoescala se considera una de las metodologías más versátiles y escalables para la obtención de nuevos materiales nanoestructurados funcionales. Las propiedades y características de los CPNs se pueden ajustar gracias a la flexibilidad sintética de la química de coordinación, lo que los convierte en excelentes materiales para diferentes aplicaciones. Además, la combinación de diferentes unidades orgánicas y metal-orgánicas, permite construir sistemas complejos con potencial interés en diferentes aplicaciones: almacenamiento de energía, fotocatálisis, electrónica molecular, sensores o nanomedicina. Además, el uso de monómeros que respondan a la luz permite obtener CPNs fotoactivas, que permiten un control espacial y temporal de sus propiedades. En el trabajo realizado en esta tesis se centró la atención en la síntesis de nuevos compuestos orgánicos fotoactivos como precursores de CPNs, la fabricación de nanomateriales funcionales y la investigación de potenciales aplicaciones de estas nanopartículas en base a sus propiedades intrínsecas y su interacción con la luz. Así, la investigación realizada en esta tesis doctoral se puede dividir en tres temáticas diferenciadas, descritas en los Capítulos 3, 4 y 5: En el Capítulo 3, se describe el diseño y la síntesis de una nueva familia de CPNs fotoactivas basadas en Rutenio. Estas se obtuvieron mediante la polimerización de un monómero de Ru (II) fotoactivo, conocido por ser el precursor de un fármaco con actividad anticancerígena. La irradiación con luz visible de las CPNs obtenidas, resultó en la liberación controlada de un complejo de Ru con citotoxicidad significativamente superior al precursor. Un estudio in vitro de estas CPNs demostró su potencial para la quimioterapia fotoactivada (PACT-CPN). En el Capítulo 4, se detalla la síntesis de una nueva familia de CPNs, con propiedades de conversión ascendente de radiación (UC) y se exploró su aplicación potencial en distintos campos tecnológicos. En la primera parte de este capítulo, se reporta la síntesis de dos pares de moléculas fotosensibles (sensibilizadores y emisores), capaces de producir UC de la radiación de una región del visible a otra de más alta energía, y de infrarrojo cercano a visible. En la segunda parte, se optimizó la síntesis de las CPNs capaces de producir UC (UC-CPNs), hechas por moléculas de sensibilizador y emisor como unidades constitutivas del polímero de coordinación. Aparte del análisis de sus propiedades fisicoquímicas y fotofísicas, las UC-CPNs se integraron en un material polimérico con el objetivo de obtener tintas acuosas de UC y películas transparentes que preservan la UC en atmósfera de aire. Finalmente, en el Capítulo 5, se obtuvieron CPNs basadas en difenilantraceno que se recubrieron con nanoestructuras de oro. Estas CPNs se sintetizaron con el objetivo de i) atrapar y almacenar una gran cantidad de oxígeno molecular por partícula, tras la irradiación del antraceno, mediante la formación del endoperóxido correspondiente como proceso previo para, ii) liberar de forma controlada el oxígeno singlete (1O2) tras calentar las nanopartículas por vía térmica o fototérmica. Estas CPNs diseñadas para la liberación térmica o fototérmica repentina de 1O2 tienen aplicación potencial en la terapia fotodinámica (PDT-CPN).

Coordination polymer nanoparticles (CPNs), as a new growing family of nanoparticles have piqued the interest of researchers because of their intriguing properties. For decades, scientists have been attracted by the versatility and tunability of the infinite combination of metal nodes and organic linkers as precursors of self-assembled materials. Because of such unlimited possibilities that allow achieving novel properties, nanoscale coordination chemistry is regarded as one of the most adaptable methodologies for the preparation of new nanostructured materials. The CPNs properties and characteristics can be fine-tuned thanks to the synthetic flexibility of coordination chemistry making them excellent materials for different applications. Moreover, their chemical versatility allows constructing sophisticated systems combining different organic or metal-organic units that can offer new properties with interesting applications in energy storage, photocatalysis, molecular electronics, sensors, or nanomedicine. Interestingly, the use of light-responsive building blocks allows obtaining photoactive CPNs, which activate remotely their properties under spatial and temporal control. In this thesis work the attention was focused on the synthesis of photoactive new organic compounds as CPNs precursors, the manufacture of functional nanomaterials and the investigation of potential applications of these nanoparticles, based on their intrinsic properties and their interaction with light. Thus, the research carried out in this PhD thesis work can be classified in three main topics, described in the Chapters 3, 4 and 5: In Chapter 3, it is described the design and the synthesis of a novel family of photoactive Ru-based CPNs. These were obtained through the polymerization of a photoactive Ru(II) monomer, known to be a prodrug of anticancer drug. The visible light irradiation of the obtained CPNs resulted on the controlled release of an aquated Ru complex, of significantly higher cytotoxicity of the precursor. An extensive in vitro study of thse CPNs, demonstrated their potential use in photoactivated chemotherapy (PACT-CPNs). In Chapter 4, a new family of CPNs capable to undergo photons upconversion (UC) was designed and synthesized and their potential application in various technological fields was explored. In the first part of this chapter, it is reported the synthesis of two pairs of dyes, acting as sensitizers and emitters, able to produce visible-to-visible and near-infrared-to-visible UC. In the second part, the synthesis of the upconverting CPNs (UC-CPNs), hosting both sensitizer and emitter molecules as constitutive building blocks, was optimized. Apart from the analysis of their physicochemical and photophysical properties, the CPNs were integrated into a polymeric matrix to obtain UC water-borne inks and transparent films where UC is preserved in air atmosphere. Finally, in Chapter 5, CPNs made by carboxylic acid-terminated diphenylanthracene were obtained and coated with gold nanostructures. These CPNs are synthesized to i) trap and store high amount per particle of molecular oxygen upon irradiation of the anthracene, through the formation of the corresponding endoperoxide, ii) release the singlet oxygen (1O2) at will, upon thermal or photothermal heating. The sudden thermal or photothermal release of 1O2 has potential application for photodynamic therapy (PDT-CPNs).