“Síntesis por Sol-Gel de Bioaerogeles ZrO2-Y2O3:Nd3+, Er3+, Yb3+/mSiO2/rGO para Liberación Controlada de Fármacos”

publicaciones

M. T. A. Esquivel Castro Tzipatly Angélica

 

RESUMEN

En el presente trabajo de investigación se propuso el diseño y desarrollo de los bioaerogeles ZrO2-Y2O3:Nd3+, Er3+, Yb3+/mSiO2/rGO mediante el método sol-gel asistido por epóxido, para su posible uso como nanovehículos para la liberación de fármacos, así como posibles candidatos para terapia fototérmica.

Para poder llegar a la estructura deseada de los bioaerogeles ZrO2-Y2O3:Nd3+, Er3+, Yb3+/mSiO2/GO, se partió de aerogeles de ZrO2-Y2O3 dopados con Nd, Er e Yb, que fueron obtenidos variando la relación [epóxido]/ [sal metálica], % mol de la tierra rara, así como la concentración de bromuro de cetiltrimetilamonio (CTAB). Después de optimizar y encontrar las mejores condiciones para la síntesis de estos bioaerogeles, se les aplicó un recubrimiento de mSiO2 por los métodos de difusión y Stöber, con un contenido de sílice del 10 % en peso. Posteriormente, se les aplicó el recubrimiento de óxido de grafeno reducido (rGO). Una vez que los bioaerogeles compuestos fueron caracterizados química y estructuralmente, se seleccionaron aquellos que presentaron las mejores características en cuanto a su morfología y textura, para evaluarlos como posibles vehículos para la carga y liberación de fármacos y como biomateriales fototérmicos, utilizando irradiación infrarroja (láser de 808 nm, con una densidad de potencia de 16 W/cm2). Los fármacos seleccionados para estudiar su carga y liberación por estos bioaerogeles fueron la doxorrubicina y el diclofenaco de sodio (DOX y DF, respectivamente).

Todos los bioaerogeles obtenidos (ZrO2, Y2O3, compositos de ZrO2-Y2O3, ZrO2-Y2O3:Nd3+, Er3+, Yb3+ y compositos de ZrO2-Y2O3:Nd3+, Er3+, Yb3+/mSiO2/rGO) se caracterizaron químicamente por espectroscopia infrarrojo (FTIR-ATR). A la gran mayoría de estas muestras se les realizó un análisis morfológico microestructural por Microscopía Electrónica de Barrido (MEB) y Microscopía Electrónica de Transmisión (MET). El análisis de las propiedades de textura se les realizó por adsorción-desorción de nitrógeno (técnica BET). El análisis estructural se hizo por las técnicas de Difracción de Rayos X (DRX) y Difracción de Electrones de Área Seleccionada (SAED, por sus siglas en inglés); la estructura de algunas muestras también se evaluó por la técnica de Dispersión de rayos X de Ángulo Bajo (SAXS, por sus siglas en inglés). A la gran mayoría de los bioaerogeles se les evaluó su biocompatibilidad in vitro mediante el ensayo de hemólisis directa.

Los resultados de la síntesis y caracterización de las muestras de ZrO2, Y2O3, ZrO2-Y2O3, ZrO2-Y2O3: Nd3+, Er3+, Yb3+ y de ZrO2-Y2O3:Nd3+, Er3+, Yb3+/mSiO2/rGO, indican que todas tienen la estructura de un aerogel, todos estos aerogeles tienen una superficie compuesta por aglomerados de partículas primarias y secundarias, uniéndose para formar la red tridimensional interconectada. El tipo y concentración de ion dopante afecta en el tamaño del aglomerado y en la textura de los aerogeles. El uso del surfactante CTAB favorece la formación de mesoporos y el área superficial específica aumenta con su concentración. El uso del secado supercrítico con CO2 favorece la obtención de aerogeles mesoporosos, con alta área superficial específica, en comparación con el secado por liofilización, el cual conduce a la obtención de criogeles microporosos, con baja área superficial específica. El recubrimiento de mSiO2 sobre los aerogeles compuestos permite un incremento significativo del área superficial específica. Por medio del ensayo de hemólisis directa, según la Norma ASTM-F756-13, se determinó que todos los aerogeles son considerados no hemolíticos, es decir, todos los aerogeles aquí obtenidos son candidatos potenciales para aplicaciones biomédicas.

Del análisis de los resultados de las pruebas de carga y liberación de DOX y DF, se obtuvo que los aerogeles ZrO2-Y2O3:Nd3+, Er3+, Yb3+/mSiO2/rGO tienen baja carga de DOX. Por otra parte, la capacidad de carga por el DF fue de 37.24 %, 42.46 % y 44.29 %, y la eficiencia de carga fue de 23.35 %, 20.05 % y 23.77 %, para los aerogeles dopados con Er3+, Nd3+ e Yb3+, respectivamente. En cuanto a la liberación, estos aerogeles permitieron liberar de manera sostenida al DF; la liberación de DOX fue limitada por su estabilidad/reactividad sobre los aerogeles. Finalmente, los resultados del estudio de estos aerogeles para inducir el aumento de temperatura en un medio fisiológico, bajo irradiación con un láser de 808 nm, indican que se pueden considerar como candidatos potenciales para su uso en terapia fototérmica.

 

ABSTRACT

In the present research, the design and development of the bioaerogels ZrO2-Y2O3:Nd3+, Er3+, Yb3+/mSiO2/rGO was proposed by the epoxide-assisted sol-gel method, for their possible use as nanovehicles for drug release, as well as possible candidates for photothermal therapy.

In order to arrive at the desired structure of the bioaerogels ZrO2-Y2O3:Nd3+, Er3+, Yb3+/mSiO2/rGO, we started with aerogels of ZrO2-Y2O3 doped with Nd, Er and Yb, which were obtained by varying the [epoxide]/[metal salt], mol% of rare earth, as well as the concentration of cetyltrimethylammonium bromide (CTAB). After optimizing and finding the best conditions for the synthesis of these bioaerogels, a mSiO2 coating was applied to them by diffusion and Stöber methods, with a silica content of 10% w/w.

Subsequently, the reduced graphene oxide (rGO) coating was applied. Once the composite bioaerogels were chemically and structurally characterized, those that presented the best characteristics in terms of their morphology and texture were selected to evaluate them as possible vehicles for the loading and release of drugs and as photothermal biomaterials, using infrared irradiation (laser 808 nm, with a power density of 16 W/cm2). The drugs selected to study their loading and release by these bioaerogels were doxorubicin and diclofenac sodium (DOX and DF, respectively).

All the bioaerogels obtained (ZrO2, Y2O3, composites of ZrO2-Y2O3, ZrO2-Y2O3: Nd3+, Er3+, Yb3+ and composites of ZrO2-Y2O3:Nd3+, Er3+, Yb3+/mSiO2/rGO) were chemically characterized by infrared spectroscopy (FTIR-ATR). Most of these samples underwent a microstructural morphological analysis by Scanning Electron Microscopy (SEM) and Transmission Electron Microscopy (TEM). The analysis of the texture properties was carried out by nitrogen adsorption-desorption (BET technique). The structural analysis was done by X-Ray Diffraction and Selected Area Electron Diffraction techniques (XRD and SAED, respectively); the structure of some samples was also evaluated by the Small Angle X-ray Scattering technique (SAXS). A study of in vitro biocompatibility by direct hemolysis for all bioaerogels was performed.

The results of the synthesis and characterization of the samples of ZrO2, Y2O3, ZrO2-Y2O3, ZrO2-Y2O3: Nd3+, Er3+, Yb3+ and ZrO2-Y2O3:Nd3+, Er3+, Yb3+/mSiO2/rGO, indicate that all have the structure of an aerogel, all of these aerogels have a surface composed of agglomerates of primary and secondary particles, joining together to form the interconnected three-dimensional network. The type and concentration of doping ion affects the size of the agglomerate and the texture of the aerogels. The use of the surfactant CTAB favours the formation of mesopores and the specific surface area increases with its concentration. The use of supercritical drying with CO2 favours the obtaining of mesoporous aerogels, with a high specific surface area, compared to freeze-drying, which leads to the obtaining of microporous cryogels, with a low specific surface area. The mSiO2 coating on the composite aerogels allows a significant increase in specific surface area. By means of the direct hemolysis test, it was determined that all the aerogels have a % hemolysis <2%; according to the ASTM-F756-13 standard, these materials are considered as non-hemolytic, this means that these materials are potential candidates for biomedical applications.

The aerogels ZrO2-Y2O3:Nd3+, Er3+, Yb3+/mSiO2/rGO have a low DOX load. On the other hand, the loading capacity by DF was 37.24 %, 42.46 % and 44.29%, and the loading efficiency was 23.35 %, 20.05 % and 23.77 %, for the aerogels doped with Er3+, Nd3+ and Yb3+, respectively. Regarding the drug release, these aerogels allowed the DF to be released in a sustained manner; DOX release was limited by its stability/reactivity on aerogels. Finally, the study of these aerogels to induce the temperature increase in a physiological medium under irradiation with an 808 nm laser, the results indicate that they can be considered as potential candidates for their use in photothermal therapy.

 

“Síntesis por Sol-Gel de Bioaerogeles ZrO2-Y2O3:Nd3+, Er3+, Yb3+/mSiO2/rGO para Liberación Controlada de Fármacos”

 


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