Modificações de superfícies para o desenvolvimento de biomateriais e biodispositivos: um estudo teórico-experimental.
Carregando...
Data
Autores
Título da Revista
ISSN da Revista
Título de Volume
Editor
Universidade Estadual Paulista (Unesp)
Resumo
Neste trabalho foram desenvolvidas estratégias de simulação computacional, baseadas na teoria do funcional da densidade (DFT), para complementar e expandir o entendimento de resultados experimentais que abordam métodos de funcionalização de superfícies de sistemas na nanoescala para o desenvolvimento de biomateriais e biodispositivos. Mais especificamente, quatro problemas foram estudados e discutidos a partir dessa ótica: i) o uso de descritores eletrônicos simples para a compreensão da ancoragem e comportamento de moléculas zwitteriônicas, tipicamente utilizadas como monocamadas de recobrimento superfícies de dispositivos biológicos de contato direto com o sangue; ii) estudo dos aspectos da interação entre moléculas de água e o SiO2 na formação dos grupos hidroxilas (hidroxilação), geralmente utilizados em processos de catálise ou como sítios de ligação para modificação de superfícies desse óxido; iii) demonstração um método de imobilização fácil e versátil de quimiossensores derivativos do xanteno em nanoestruturas plasmônicas para detecção de íons em organismos vivos; iv) demonstração de um método otimizado de imobilização de nanopartículas de ouro via ligação covalente em superfícies de sílica modificadas por um ligante silano-tiol para quimiossensores baseados em espectroscopia Raman amplificada por superfície (SERS). Dos quatro problemas examinados, os dois primeiros foram abordados integralmente utilizando estratégias computacionais, onde os grupos ancoradores, zwitteriônicos e o modelo simplificado de substrato foram selecionados com base em revisão literária. Como critério, foram adotados grupos promissores em relação às suas funções, cuja eficiência foi comprovada experimentalmente. Desta forma, esses problemas envolveram a proposição de um estudo aprofundado sobre o comportamento desses grupos em termos de descritores eletrônicos, visando a formulação de rotas otimizadas e estáveis para a sua imobilização. Complementarmente, os dois últimos problemas foram abordados por meio de uma abordagem teórico-experimental. As simulações foram inicialmente empregadas para a proposta de rotas eficientes no desenvolvimento de sensores químicos baseados em SERS. Com o avanço dos estudos, as simulações também foram utilizadas para complementar a compreensão dos resultados experimentais obtidos. Métodos computacionais foram adotados tanto para a seleção e rota de imobilização dos indicadores SERS em nanoestruturas plasmônicas quanto para a definição de estratégias de imobilização dessas nanoestruturas plasmônicas, resultando em um sistema de detecção amplificada com alta estabilidade química.
In this work, computational simulation strategies based on the density functional theory (DFT) were developed to complement and expand the understanding of experimental results addressing surface functionalization methods for nano-scale systems in the development of biomaterials and biodispositives. Specifically, four problems were studied and discussed from this perspective: i) The use of simple electronic descriptors to understand the anchoring process and behavior of zwitterionic molecules, commonly employed as monolayer coatings on surfaces of biological devices that are directly interfacing with blood; ii) The study of aspects of the interaction between water molecules and SiO2 in the formation of hydroxyl groups (hydroxylation), commonly used in catalysis processes or as binding sites for surface modification of this oxide; iii) Demonstration of an easy and versatile immobilization method for anthene derivative chemosensors on plasmonic nanostructures for ion detection in living organisms; iv) Demonstration of an optimized method for immobilizing gold nanoparticles via covalent bonding on silica surfaces modified by a silane-thiol ligand for chemosensors based on surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS). Of the four examined problems, the first two were fully addressed using computational strategies, where anchoring groups, zwitterionic groups, and the simplified substrate model were selected based on a literature review. Promising groups were adopted as criteria for their functions, whose efficiency was experimentally proven. Thus, these problems involved proposing an in-depth study of the behavior of these groups in terms of electronic descriptors, aiming for the formulation of optimized and stable routes for their immobilization. Additionally, the last two problems were approached through a theoretical-experimental approach. Simulations were initially employed to propose efficient routes in the development of chemical sensors based on SERS. As the studies progressed, simulations were also used to complement the understanding of the experimental results obtained. Computational methods were adopted for both the selection and immobilization route of SERS indicators on plasmonic nanostructures and for defining immobilization strategies for these plasmonic nanostructures, resulting in an amplified detection system with high chemical stability
In this work, computational simulation strategies based on the density functional theory (DFT) were developed to complement and expand the understanding of experimental results addressing surface functionalization methods for nano-scale systems in the development of biomaterials and biodispositives. Specifically, four problems were studied and discussed from this perspective: i) The use of simple electronic descriptors to understand the anchoring process and behavior of zwitterionic molecules, commonly employed as monolayer coatings on surfaces of biological devices that are directly interfacing with blood; ii) The study of aspects of the interaction between water molecules and SiO2 in the formation of hydroxyl groups (hydroxylation), commonly used in catalysis processes or as binding sites for surface modification of this oxide; iii) Demonstration of an easy and versatile immobilization method for anthene derivative chemosensors on plasmonic nanostructures for ion detection in living organisms; iv) Demonstration of an optimized method for immobilizing gold nanoparticles via covalent bonding on silica surfaces modified by a silane-thiol ligand for chemosensors based on surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS). Of the four examined problems, the first two were fully addressed using computational strategies, where anchoring groups, zwitterionic groups, and the simplified substrate model were selected based on a literature review. Promising groups were adopted as criteria for their functions, whose efficiency was experimentally proven. Thus, these problems involved proposing an in-depth study of the behavior of these groups in terms of electronic descriptors, aiming for the formulation of optimized and stable routes for their immobilization. Additionally, the last two problems were approached through a theoretical-experimental approach. Simulations were initially employed to propose efficient routes in the development of chemical sensors based on SERS. As the studies progressed, simulations were also used to complement the understanding of the experimental results obtained. Computational methods were adopted for both the selection and immobilization route of SERS indicators on plasmonic nanostructures and for defining immobilization strategies for these plasmonic nanostructures, resulting in an amplified detection system with high chemical stability
Descrição
Palavras-chave
Modelagem molecular, Teoria do funcional da densidade, Biomateriais, Modificação de superfícies
Como citar
GOMES, O. P. Modificações de superfícies para o desenvolvimento de biomateriais e biodispositivos: um estudo teórico-experimental. Orientador: Paulo Noronha Lisboa Filho. 2023. 172 f. Tese (Doutorado em Ciência e Tecnologia de Materiais) - Faculdade de Ciências, Universidade Estadual Paulista "Júlio de Mesquita Filho", Bauru, 2023. Disponível em:
https://hdl.handle.net/11449/252929. Acesso em: 22 jan. de 2024