Diseño de superficies poliméricas porosas bioinspiradas mediante la técnica de breath figures

Resumen

A lo largo de esta Tesis, titulada “Diseño de películas poliméricas porosas bioinspiradas mediante la técnica de breath figures” se ha pretendido exponer la versatilidad y potencial aplicabilidad de las películas porosas formadas mediante esta técnica. Tal y como se ha indicado a lo largo de la introducción, esta técnica es rápida, sencilla, simple y no requiere de ninguna plantilla, presentando una interesante alternativa a otras técnicas, como las litográficas que suelen ser complejas y costosas. Así, controlando una serie de sencillos parámetros experimentales, pueden obtenerse en un solo paso películas porosas con un tamaño de poro controlado en la escala micrométrica. Si además se utilizan compuestos (polímeros) con una funcionalidad determinada, puede controlarse la composición en superficie, de forma que en el interior de los poros tenderán a localizarse los grupos con mayor carácter hidrófilo mientras que en el resto de la superficie la composición estará mayormente compuesta por grupos hidrófobos. En esta Tesis se pretende ir más allá, combinando estos procesos de autoorganización, característicos de breath figures, con otros tales como el autoensamblaje de copolímeros de bloque, la macro/microseparación controlada de fases o el efecto coffee stain. De esta forma, se han logrado obtener nuevos materiales complejos con estructuras jerárquicas no descritas anteriormente. Asimismo, estas superficies han sido bien caracterizadas por una gran variedad de técnicas, de entre las que podemos destacar el ángulo de contacto (CA), la microscopía electrónica de barrido (SEM), la microscopía de fuerzas atómicas (AFM), la microscopía de fluorescencia (FM) o la microscopía Raman confocal (CRM). Finalmente, se ponen de manifiesto las posibles aplicaciones de estos materiales en diversos campos como el de reconocimiento de biomoléculas o la catálisis. En particular, los principales resultados de esta Tesis se han dividido en 3 secciones: En una primera sección (Sección III), titulada “Uso de mezclas en breath figures: Obtención de nuevas estructuras con topografía y funcionalidad controladas”, se describen las potenciales ventajas de emplear mezclas poliméricas. La topografía y composición de las películas formadas son rigurosamente caracterizadas mediante diversas técnicas. Primeramente se utilizan mezclas ternarias, en particular, poliestireno (PS) de alto peso molecular, un copolímero anfifílico (poliestireno-b-poli(metacrilato de polietilenglicol300), PS-b-P(PEGMA300)) y un copolímero doblemente hidrófobo (poliestireno pentafluorado-b-poliestireno, P5FS-b-PS). Se demuestra la presencia del efecto de coffee stain en el interior de los poros debido al uso de PS-b- P(PEGMA300), que es soluble en agua. Asimismo se muestra que los bloques de ambos copolímeros logran autoorganizarse en superficie a escala nanométrica en forma de lamelas, por lo que en un solo paso se obtienen estructuras jerárquicas controladas. En esta misma sección se expone posteriormente la posibilidad de modificar químicamente y controlar la composición en la superficie fuera de los poros empleando otro sistema polimérico. Concretamente, se usan mezclas binarias de P5FS-b-PS y PS y se modifica la superficie utilizando el novedoso concepto conocido como “química click”, de forma que se logra obtener una superficie porosa con carácter hidrófobo en el interior de los poros e hidrófilo en el exterior. Es interesante destacar que esta composición es la diametralmente opuesta a lo que espontáneamente se obtiene por breath figures, es decir, poros con carácter hidrófilo mientras que el resto de la superficie es hidrófoba. Esto evidencia la versatilidad de la técnica y la posibilidad de diseñar superficies con diferentes propiedades. La importancia de la presencia de un bloque de la misma naturaleza que la matriz cuando se usan copolímeros de bloque en mezclas también ha sido objeto de estudio. En particular, se emplean mezclas ternarias con PS, PS-b-P(PEGMA300) y P5FS y se comprueba que la ausencia del bloque de PS en el caso de P5FS conduce a procesos de macroseparación de fases. En determinadas condiciones experimentales esta macroseparación se logra controlar, de forma que se obtienen unas nuevas e interesantes estructuras jerárquicas en forma de partículas submicrométricas confinadas alrededor de los poros. Dentro de esta sección también se exploró más en detalle el curioso efecto de coffee stain que da lugar a recubrimientos heterogéneos en el interior de los poros cuando se emplean compuestos solubles en agua. Para ello, primeramente se usan mezclas con PS empleando dos aditivos (PS-b- P(PEGMA300)) con la misma estructura molecular, pero distinta longitud de bloques de forma que uno era soluble en agua y el otro no. Se comprueba que este efecto solo sucede cuando el aditivo es soluble y se tiene un gradiente en la tensión superficial en el interior de la gota relativamente pequeño durante el proceso de formación de la película por breath figures. Por el contrario, cuando se emplea como aditivo un surfactante con capacidad para disminuir drásticamente la tensión superficial, se observa que el efecto coffee stain es invertido, de forma que esta vez se obtienen recubrimientos irregulares en el interior de los poros centrados en el fondo de los mismos. De esta forma, demostramos que, en función de si el aditivo es insoluble o soluble en agua, se pueden tener, respectivamente, recubrimientos homogéneos o heterogéneos en el interior del poro. En este último caso, hemos comprobado la importancia de la capacidad de este aditivo para modificar la tensión superficial, ya que en función de esto, el recubrimiento del poro presentará un aspecto u otro. Por último, dentro de esta primera sección, se profundiza aún más en las propiedades tensoactivas y estructurales de los compuestos empleados en el proceso de breath figures, estudiándose la influencia en el tamaño y forma de poro cuando se usan moléculas pequeñas con propiedades surfactantes. En particular, se estudia la influencia en la ramificación de los grupos hidrófilos, comparando un surfactante lineal (polietileno-b-polióxido de etileno, PE12-b-PEO4) con un dendrón con estructura similar pero ramificada con 4 grupos hidroxilo (-OH) terminales. Se ve una clara variación en el tamaño y forma de poro, obteniéndose morfologías más aplanadas, tamaños de poro mucho mayores, y separación entre poros drásticamente menor cuando se emplean las estructuras dendríticas, evidenciando la importancia en la morfología de las moléculas empleadas en su uso como aditivo en breath figures. Esta diferencia en topografía se pone de manifiesto en la diferente mojabilidad de las superficies, llegándose a tener materiales altamente hidrófobos cuando se emplea el dendrón como aditivo. Además, al ser estos aditivos solubles en agua, presentan la ventaja de poder lavarse para volver a ser reutilizados, lo que permite su reutilización en la fabricación de nuevas estructuras. En la siguiente sección (Sección IV), titulada “Diseño de plataformas porosas por breath figures para reconocimiento selectivo de biomoléculas y/o células” se engloban las diferentes aplicaciones potenciales de las superficies porosas preparadas por breath figures en el campo de los biomateriales. Esta sección se subdivide en tres capítulos. En el primer capítulo, se sintetizan copolímeros estadísticos y de bloque a partir de metacrilato de metilo (MMA), y un monómero previamente sintetizado que contiene una unidad glucosa (HEMAGl). Se forman tanto películas porosas como micropartículas poliméricas empleando mezclas de estos copolímeros con una matriz de alto peso molecular de PMMA. Debido a la propia autoorganización de los copolímeros en la superficie durante el proceso de formación de películas mediante breath figures, el interior de los poros de estas películas o la superficie de las partículas se encuentra enriquecido en las unidades glucosa del HEMAGl presentes en los copolímeros. Estos azúcares son capaces de reconocer selectivamente diferentes proteínas, en particular la Concanavalina ensiformis (Con A), a través de interacciones específicas carbohidrato-proteína. De esta forma, pueden formarse micropatrones de proteína en superficie, que pueden usarse en futuros trabajos como base para biosensores, adhesión celular, purificación de proteínas, etc. Posteriormente, se realizan películas a partir de mezclas de copolímero de bloque (poliestiernob- poliácido acrílico, PS-b-PAA) y PS de alto peso molecular como matriz. Se demuestra primeramente que el interior de los poros está enriquecido en grupos carboxilos (-COOH) procedentes del copolímero PS-b-PAA. A continuación, estos grupos se modifican químicamente, a través de un agente entrecruzante, que permite que reaccione con los grupos amino pertenecientes a las unidades lisina de distintas secuencias oligopéptidas. Se demuestra que en función de la secuencia oligopéptida empleada, se puede reconocer específicamente diferentes proteínas (TPR-VFP) o bacterias (E. Coli). Interesantemente, en el caso de las bacterias, se comprueba que éstas están vivas y disponibles, ya que se aprecian procesos de división celular. Este trabajo demuestra la versatilidad de estas superficies porosas, ya que permite, en función de la secuencia oligopéptida usada, reconocer prácticamente cualquier biomolécula objetivo de forma selectiva. Por último, dentro de esta sección, se presenta una novedosa e interesante variante de la técnica de breath figures, en la que usando diferentes mezclas poliméricas y THF como disolvente, es posible obtener unas distribuciones de tamaño de poro en forma de gradiente radial. Este método presenta una nueva alternativa a la optimización de superficies por breath figures, ya que normalmente se pretende tener un tamaño de poro fijo y controlado. La posibilidad de tener en un solo paso, un gradiente de tamaño de poro controlado que, en determinadas condiciones puede ir desde las 7 μm hasta los 400 nm, permite usar estas plantillas como microtamices para separar, por ejemplo, bacterias exclusivamente por tamaño. Estas nuevas superficies pueden ser utilizadas en un gran rango de aplicaciones, no solo separando bacterias, sino también otros microorganismos, biomoléculas o nanopartículas de diferente naturaleza. Finalmente, se incluye una última sección (Sección V) de aplicaciones donde se recogen las potenciales aplicaciones catalíticas de estas superficies, “Diseño de plataformas porosas por breath figures con propiedades catalíticas y potencial uso como microrreactores”. En particular, se combinan las técnicas de breath figures y layer-by-layer de forma que se obtienen una serie de capas de espesor nanométrico selectivamente dentro de los poros, o en toda la película (tanto dentro como fuera de los poros) dependiendo de la superficie utilizada. Como última capa, se emplea una enzima, fosfatasa alcalina (ALP), con propiedades catalíticas. De forma análoga, se realiza este mismo proceso sobre superficies planas. De esta forma, se comprueba que las superficies porosas presentan una mayor área superficial, demostrándose una mayor velocidad catalítica por unidad de superficie. Además, en las superficies con la enzima confinada en el interior de los poros, la reacción transcurre específicamente solo dentro de los poros.