SYNTHESIS AND CHARACTERIZATION OF STIMULI-RESPONSIVE MESOPOROUS SILICA NANOPARTICLES

Abstract

Mesoporous silica nanoparticles (MSNs) are among the most widely used materials in biomedicine, due to their high biocompatibility and easy functionalization that allow the development of promising nanocarriers able to react to different stimuli. This thesis focused on the synthesis and characterization of Spiropyran (SP) derivatives, a class of light-sensitive molecules that exhibit thermal stability and undergo reversible switching between two spectrally well-separated states. One model compound and its heterogeneous counterpart based on functionalized MSNs (MSN-SP) were prepared and studied. Their interaction with cucurbit[7]uril (CB7) was also investigated to create a nanovalve system regulated by light-activated protonation and deprotonation processes. Spiropyran exhibits higher stability at pH=4, when in its protonated merocyanine form, and its pKa values are near 7, even in the presence of CB7. However, when in suspension, the MSN-SP complex barely remains stable, although CB7 and an acidic pH seem to enhance it. ITC calorimetry tests enabled the determination of the SP-CB7 complex binding affinity (KA) values, which were found to be 1.445x107 M-1, at pH=4.2, and in the order of 105 M- 1, for pH=7.5. Another system based on ammonium functionalized MSNs (MSN-TESPAI) was prepared, and its DNA adsorption capacity or desorption in the presence of CB7 were studied by UV-Vis spectroscopy and DLS analysis. All compounds and materials prepared were characterized by several techniques (1H NMR, FTIR, N2 adsorption, Elemental analysis, XRD and TGA) that confirm their successful synthesis and functionalization, with loadings of ≈0.55mmol/g and ≈3.6mmol/g for MSN-SP and MSN-TESPAI, respectively.

As Nanopartículas de silica mesoporosa (MSNs) são dos materiais mais utilizados na biomedicina por serem biocompatíveis e de fácil funcionalização, o que lhes permite desempenhar o papel de transportadores, responsivos a diversos estímulos. Esta tese teve como foco a síntese e caracterização de derivados de Espiropirano (SP), uma classe de moléculas sensíveis à luz, estável termicamente e com propriedades reversíveis. Preparou-se um composto modelo e o seu heterogéneo correspondente baseado em MSNs funcionalizadas (MSN-SP) para a realização dos estudos em solução e suspensão, assim como a sua interação com o cucurbit[7]urilo (CB7) de modo a se criar um sistema de nanoválvula. Este sistema seria regulado por processos de protonação e desprotonação ativados por luz. Os SP mostraram maior estabilidade a pH=4, quando na sua forma de merocianina protonada, e possuem valores de pKa proximos de 7, mesmo na presença de CB7. No entanto, o complexo MSN-SP dificilmente permanece estável em suspensão, mesmo que tanto o CB7 como a criação de um meio acídico o pareçam potenciar. Testes de calorimetria por ITC permitiram averiguar que o complexo SP-CB7 possui uma constante de afinidade (KA) de 1.445x107 M-1, a pH=4.2, e na ordem dos 105 M-1, a pH=7.5. Foi também preparado outro sistema baseado em MSN funcionalizadas com amónios (MSN- TESPAI), para que testes por espectroscopia UV-Vis e DLS permitissem explorar a capacidade de adsorção e desadsorção de DNA na presença de CB7. Todos os compostos e materiais produzidos foram caracterizados recorrendo a várias técnicas (1H NMR, FTIR, N2 adsorption, Elemental analysis, XRD and TGA) que permitiram confirmar o sucesso da síntese e da funcionalização, apresentando valores a rondar os 0.55 e os 3.6 mmol/g para MSN-SP e MSN- TESPAI, respetivamente.