Hidrogeles supramoleculares peptídicos para la obtención de materiales multicomponente con aplicaciones tecnológicas

Abstract

Los hidrogeles supramoleculares formados por péptidos cortos han ido ganado un creciente interés en la comunidad científica desde hace unos 20 años. Este hecho se debe, principalmente a que, al estar formados por moléculas presentes en los organismos vivos, presentan unas grandes características de biocompatibilidad y biodegradabilidad, siendo adecuados para uso con fines terapéuticos y biomédicos. Sin embargo, si hay una característica que los hace aún más interesantes es su versatilidad desde el punto de vista químico, dado que pueden adaptarse sus propiedades seleccionando diferentes aminoácidos que incorporen al esqueleto peptídico todas las propiedades deseadas para el material final, desde interacciones hidrofóbicas (aminoácidos aromáticos) a totalmente hidrofílicas (aminoácidos polares), así como la introducción de grupos de anclaje para distintos componentes, como las nanopartículas metálicas (metionina o cisteína). Esta gran variedad y adaptabilidad ha hecho que sus campos de aplicación se amplíen también hacía otros menos intuitivos como la electrónica molecular. Así, este trabajo emplea la versatilidad de estos hidrogeles para desarrollar nuevos materiales multicomponente, abriendo nuevas fronteras de aplicación. El capítulo 3 desarrolla la aplicación de hidrogeles peptídicos en el recubrimiento de nanotubos de carbono y nanoláminas de grafeno para estudiar las propiedades del efecto de filtrado de espín inducido por quiralidad (CISS, por sus siglas en inglés) en estos sistemas. Así, se logran resultados muy prometedores para la aplicación de estos materiales híbridos en el campo de la espintrónica. El capítulo 4 estudia la posibilidad de utilizar estos hidrogeles como plantilla de crecimiento de cristales inorgánicos, en este caso metal-organic frameworks (MOFs), con el objetivo de desarrollar nuevas familias de MOFs integrados con biomateriales o bio-MOFs. Así, se han conseguido desarrollar dos nuevas familias de bio-MOFs, una basada en ZIF-8 y la otra en MOF-808. Además, como prueba de concepto se ha utilizado esta última en la eliminación de fosfatos de ambientes acuosos, donde pueden provocar graves problemas medioambientales como la eutrofización. Así como en la degradación de un pesticida de fósforo, el metilparaoxón, que es altamente tóxico, consiguiendo transformarlo en dos componentes menos dañinos, el 4-nitrofenol y el dimetilfosfato, con un mayor rendimiento que la contraparte sin biopolímero. El capítulo 5 emplea la capacidad de estos hidrogeles para coordinarse con distintos cationes metálicos y poder utilizarlos como plantilla para la formación de nanopartículas plasmónicas de plata y oro. Se sigue un protocolo de química verde en el que no se usan reductores externos, sino que el hidrogel actúa como agente protector y reductor de las nanopartículas. También se ha desarrollado un material compuesto de varios geladores que consigue una mayor biocompatibilidad. Estos hidrogeles han demostrado tener además una gran capacidad antimicrobiana, siendo activos ante bacterias Gram-positivas, Gram-negativas y hongos. Además, han demostrado tener bastante eficacia frente a biofilms polimicrobianos. Habiéndose probado también en sistemas in vivo y habiendo conseguido buenos resultados de cicatrización y tratamiento de heridas infectadas con Staphylococcus aureus. Por último, el capítulo 6 emplea algunos de los hidrogeles híbridos desarrollados en los tres capítulos anteriores como medio de crecimiento de cristales de proteína compuestos. Así, se ha conseguido un material sólido de estudio de efecto CISS por la obtención de cristales de lisozima en hidrogeles dopados con nanotubos de carbono. También se han desarrollado cristales de lisozima dopados con nanopartículas de plata y oro en un hidrogel diseñado para proteger las nanopartículas durante el crecimiento de los cristales proteicos, abriendo la puerta al empleo de estos sistemas en aplicaciones de antibacterianas de amplio espectro. Por último, se han obtenido cristales de proteína de tamaño controlado para su dopaje con paladio y su empleo como catalizadores en química bioortogonal, con resultados prometedores para su uso como implantes en sistemas in vivo.

Supramolecular hydrogels formed by short peptides have garnered increasing interest in the scientific community over the past 20 years. This is primarily due to their composition of molecules found in living organisms, which grants them significant biocompatibility and biodegradability, making them suitable for therapeutic and biomedical applications. However, one of their most compelling characteristics is their chemical versatility. By selecting different amino acids, the properties of these hydrogels can be adapted, incorporating desired features into the peptide backbone. These properties can range from hydrophobic interactions (aromatic amino acids) to entirely hydrophilic ones (polar amino acids), as well as the introduction of anchoring groups for various components, such as metal nanoparticles (methionine or cysteine). This wide range of adaptability has expanded their potential applications to less intuitive fields, such as molecular electronics. Accordingly, this work harnesses the versatility of these hydrogels to develop new multi-component materials, further broadening their application scope. Chapter 3 explores the use of peptide hydrogels in coating carbon nanotubes and graphene nanosheets to study the properties of chirality-induced spin selectivity (CISS) effect in these systems. Promising results were obtained for the application of these hybrid materials in the field of spintronics. Chapter 4 investigates the potential of using these hydrogels as templates for the growth of inorganic crystals, specifically metal-organic frameworks (MOFs), with the aim of developing new families of MOFs integrated with biomaterials, or bio-MOFs. As a result, two new families of bio-MOFs were developed, one based on ZIF-8 and the other on MOF-808. Furthermore, as a proof of concept, the latter was used for the removal of phosphates from aqueous environments, where they can cause severe environmental issues such as eutrophication. The material was also applied in the degradation of a highly toxic phosphorus-based pesticide, methyl paraoxon, transforming it into two less harmful compounds, 4- nitrophenol and dimethyl phosphate, with higher efficiency than its counterpart without biopolymer. Chapter 5 utilizes the capacity of these hydrogels to coordinate with various metal cations, employing them as templates for the formation of plasmonic silver and gold nanoparticles. A green chemistry protocol was followed, where no external reducing agents were used; instead, the hydrogel acted as both a protective and reducing agent for the nanoparticles. A composite material of multiple gelators was also developed, achieving greater biocompatibility. These hydrogels have demonstrated strong antimicrobial activity, showing efficacy against Gram-positive and Gram-negative bacteria, as well as fungi. Additionally, they were found to be effective against polymicrobial biofilms. In vivo systems also showed promising results in wound healing and the treatment of infections caused by Staphylococcus aureus. Finally, Chapter 6 employs some of the hybrid hydrogels developed in the previous chapters as growth media for composite protein crystals. A solid-state material was achieved for studying the CISS effect by obtaining lysozyme crystals in hydrogels doped with carbon nanotubes. Lysozyme crystals doped with silver and gold plasmonic nanoparticles were also developed within a hydrogel designed to protect the nanoparticles during protein crystal growth, paving the way for the use of these systems in broad-spectrum antibacterial applications. Additionally, size-controlled protein crystals were obtained for doping with palladium and their use as catalysts in bioorthogonal chemistry, showing promising results for potential in vivo implant applications.