Resumen de la tesis que presenta Lisandra Victoria Lozano Barajas como requisito parcial para la obtención
del grado de Maestra en Ciencias en Nanociencias
Diseño y caracterización de nanopartículas luminiscentes para su aplicación en regeneración ósea y angiogénesis
Resumen aprobado por:
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Dra. Patricia Juárez Camacho
Codirectora de tesis
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Dr. Gustavo Alonso Hirata Flores
Codirector de tesis
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Resumen en español
El desarrollo de biomateriales funcionales representa una estrategia prometedora para la ingeniería y regeneración de tejidos óseos. En este trabajo se diseñaron y caracterizaron nanomateriales luminiscentes de hidroxiapatita (HAp) dopados con iones de Europio (Eu3+), con el objetivo de evaluar su potencial aplicación en procesos de regeneración ósea y angiogénesis tanto in vitro como in vivo. Los nanomateriales fueron sintetizados mediante los métodos de combustión e hidrotermal variando los parámetros de tipo de combustible, temperatura de reacción y temperatura de tratamiento térmico. En consiguiente, fueron caracterizados fisicoquímicamente por Microscopía Electrónica de Barrido (MEB) y Microscopía Electrónica de transmisión (MET), Difracción de Rayos-X (XRD), Espectroscopía de Dispersión de Energía (EDS), Espectroscopía Infrarroja por Transformada de Fourier (FTIR), análisis BET de área superficial y estudios ópticos de fotoluminiscencia (PL) y catodoluminiscencia (CL). Para evaluar la viabilidad celular y la biotoxicidad de los nanomateriales sintetizados, se realizaron ensayos in vitro incluyendo pruebas de viabilidad celular y detección de especies reactivas de oxígeno (ROS) mediante microscopia confocal de fluorescencia. Adicionalmente, se realizaron estudios in vivo en embriones y larvas de pez cebra (Danio rerio), utilizando exposición oral y microinyección. Los resultados demostraron que los nanomateriales de HAp:Eu3+ presentaron morfología cuasi-esférica y de nanorods, consistente con el método de síntesis, con tamaño nanométrico y homogéneo de 125.06 nm en promedio, fase cristalina predominante de hidroxiapatita y propiedades luminiscentes estables con emisión en el rojo (620 nm), lo que favorece su aplicación en bioimagen. En las pruebas in vitro, los nanomateriales mostraron adecuada biocompatibilidad y generación controlada de ROS, resultados prometedores para posibles aplicaciones asociadas a la angiogénesis. Los estudios en pez cebra revelaron que los nanomateriales son de uso seguro y su efecto en embriones y larvas es dosis dependiente. En conclusión, los nanomateriales luminiscentes de hidroxiapatita dopados con europio constituyen una plataforma prometedora para estrategias de regeneración ósea y angiogénesis, con ventajas adicionales para la bioimagen al obtener emisiones dentro de la primer ventana biológica del organismo.
El desarrollo de biomateriales funcionales representa una estrategia prometedora para la ingeniería y regeneración de tejidos óseos. En este trabajo se diseñaron y caracterizaron nanomateriales luminiscentes de hidroxiapatita (HAp) dopados con iones de Europio (Eu3+), con el objetivo de evaluar su potencial aplicación en procesos de regeneración ósea y angiogénesis tanto in vitro como in vivo. Los nanomateriales fueron sintetizados mediante los métodos de combustión e hidrotermal variando los parámetros de tipo de combustible, temperatura de reacción y temperatura de tratamiento térmico. En consiguiente, fueron caracterizados fisicoquímicamente por Microscopía Electrónica de Barrido (MEB) y Microscopía Electrónica de transmisión (MET), Difracción de Rayos-X (XRD), Espectroscopía de Dispersión de Energía (EDS), Espectroscopía Infrarroja por Transformada de Fourier (FTIR), análisis BET de área superficial y estudios ópticos de fotoluminiscencia (PL) y catodoluminiscencia (CL). Para evaluar la viabilidad celular y la biotoxicidad de los nanomateriales sintetizados, se realizaron ensayos in vitro incluyendo pruebas de viabilidad celular y detección de especies reactivas de oxígeno (ROS) mediante microscopia confocal de fluorescencia. Adicionalmente, se realizaron estudios in vivo en embriones y larvas de pez cebra (Danio rerio), utilizando exposición oral y microinyección. Los resultados demostraron que los nanomateriales de HAp:Eu3+ presentaron morfología cuasi-esférica y de nanorods, consistente con el método de síntesis, con tamaño nanométrico y homogéneo de 125.06 nm en promedio, fase cristalina predominante de hidroxiapatita y propiedades luminiscentes estables con emisión en el rojo (620 nm), lo que favorece su aplicación en bioimagen. En las pruebas in vitro, los nanomateriales mostraron adecuada biocompatibilidad y generación controlada de ROS, resultados prometedores para posibles aplicaciones asociadas a la angiogénesis. Los estudios en pez cebra revelaron que los nanomateriales son de uso seguro y su efecto en embriones y larvas es dosis dependiente. En conclusión, los nanomateriales luminiscentes de hidroxiapatita dopados con europio constituyen una plataforma prometedora para estrategias de regeneración ósea y angiogénesis, con ventajas adicionales para la bioimagen al obtener emisiones dentro de la primer ventana biológica del organismo.
Palabras clave: teragnosis, hueso, vasculatura, luminiscencia, materiales luminiscentes, bioimagen, pez cebra
Resumen en inglés
The development of functional biomaterials represents a promising strategy for bone tissue engineering and regeneration. In this work, luminescent hydroxyapatite (HAp) nanomaterials doped with europium ions (Eu³⁺) were designed and characterized with the aim of evaluating their potential application in bone regeneration and angiogenesis, both in vitro and in vivo. The nanomaterials were synthesized using combustion and hydrothermal methods, varying parameters such as fuel type, reaction temperature, and annealing temperature. The obtained samples were physicochemically characterized by scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), X-ray diffraction (XRD), energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS), Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), Brunauer–Emmett–Teller (BET) surface area analysis, and optical studies of photoluminescence (PL) and cathodoluminescence (CL). To assess cellular viability and the biotoxicity of the synthesizes nanomaterials, in vitro assays were performed, including viability tests and detection of reactive oxygen species (ROS) by confocal fluorescence microscopy. Additionally, in vivo studies were conducted in zebrafish (Danio rerio) embryos and larvae, employing both oral exposure and microinjection. The results demonstrated that HAp:Eu³⁺ nanomaterials exhibited quasi-spherical and nanorod morphologies, consistent with the synthesis method, with homogeneous nanometric size averaging 125.06 nm, a predominant hydroxyapatite crystalline phase, and stable luminescent properties with red emission at 620 nm, favoring their application in bioimaging. In in vitro assays, the nanomaterials showed suitable biocompatibility and controlled ROS generation, which are promising for potential applications related to angiogenesis. Zebrafish studies revealed that the nanomaterials are safe for use, with effects on embryos and larvae being dependent on concentration treatment. In conclusion, europium-doped luminescent hydroxyapatite nanomaterials constitute a promising platform for bone regeneration and angiogenesis strategies, with additional advantages for bioimaging due to their emission within the first biological window of the organism.
The development of functional biomaterials represents a promising strategy for bone tissue engineering and regeneration. In this work, luminescent hydroxyapatite (HAp) nanomaterials doped with europium ions (Eu³⁺) were designed and characterized with the aim of evaluating their potential application in bone regeneration and angiogenesis, both in vitro and in vivo. The nanomaterials were synthesized using combustion and hydrothermal methods, varying parameters such as fuel type, reaction temperature, and annealing temperature. The obtained samples were physicochemically characterized by scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), X-ray diffraction (XRD), energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS), Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), Brunauer–Emmett–Teller (BET) surface area analysis, and optical studies of photoluminescence (PL) and cathodoluminescence (CL). To assess cellular viability and the biotoxicity of the synthesizes nanomaterials, in vitro assays were performed, including viability tests and detection of reactive oxygen species (ROS) by confocal fluorescence microscopy. Additionally, in vivo studies were conducted in zebrafish (Danio rerio) embryos and larvae, employing both oral exposure and microinjection. The results demonstrated that HAp:Eu³⁺ nanomaterials exhibited quasi-spherical and nanorod morphologies, consistent with the synthesis method, with homogeneous nanometric size averaging 125.06 nm, a predominant hydroxyapatite crystalline phase, and stable luminescent properties with red emission at 620 nm, favoring their application in bioimaging. In in vitro assays, the nanomaterials showed suitable biocompatibility and controlled ROS generation, which are promising for potential applications related to angiogenesis. Zebrafish studies revealed that the nanomaterials are safe for use, with effects on embryos and larvae being dependent on concentration treatment. In conclusion, europium-doped luminescent hydroxyapatite nanomaterials constitute a promising platform for bone regeneration and angiogenesis strategies, with additional advantages for bioimaging due to their emission within the first biological window of the organism.
Palabras clave: theranostics, bone, vasculature, luminescence, luminescent materials, bioimage, zebrafish