Application of conducting polymers in nanobiotechnology
Authors:   , Dias Bruno José da Cruz Teixeira 
Published: September 2023

Esta tesis describe diferentes aplicaciones en el ámbito de la nanobiotecnología de los polímeros conductores generados electroquímicamente. El objetivo principal de la Tesis, que además es el nexo común de los diferentes estudios que se presentan en los Capítulos 4 al 6, es el análisis de las interacciones entre los polímeros conductores sintéticos y diversas entidades biológicas (ADN, proteínas, polisacáridos, pequeños péptidos, drogas, y células).
Uno de los retos más importantes de esta Tesis ha sido la caracterización de las interacciones entre los polímeros conductores y el ADN. Los estudios descritos a lo largo del Capítulo 4 ponen en evidencia la existencia de interacciones específicas por puentes de hidrógeno entre plásmidos de ADN y polímeros conductores con sustituyentes polares. Estas interacciones específicas actúan reforzando las interacciones electrostáticas convencionales
intrínsecas a la naturaleza cargada de ambos sistemas. Con la intención de obtener la máxima información acerca de estas interacciones, los estudios se han centrado esencialmente en el poli(3,4-etilendioxitiofeno), un polímero conductor con excelentes propiedades y un amplio número de aplicaciones tecnológicas. Los cambios estructurales que se producen en el ADN como consecuencia de la formación de interacciones específicas, las preferencias del polímero conductor por secuencias nucleotídicas bien definidas, así como por con algunas bases nitrogenadas, han permitido proponer un mecanismo que explica la interacción entre las dos sistemas. Este mecanismo, que también se apoya en cálculos teóricos, es totalmente consistente con todos los datos experimentales descritos en esta Tesis. El Capítulo 5 está dedicado al análisis de la interacción entre las moléculas de morfina y los polímeros conductores. Dentro de este contexto general, este el proposito general de este bloque de resultados ha sido optimizar las condiciones necesarias para la detección de esta droga con poli(N-metilpirrol) y con poli(3,4-etilendioxitiofeno). Los estudios se han realizado teniendo en cuenta el efecto de: la morfología del polímero (es decir, se han examinado las tanto películas planas como películas formadas por microestructuras huecas con morfología tipo rosquilla), el tiempo de incubación con la morfina, y el pH del entono. En todos los casos la detección se ha realizado mediante técnicas electroquímicas, que incluyen tanto la espectroscopia de impedancia electroquímica, como la voltametría cíclica. Los resultados reflejan que, en condiciones controladas, los polímeros estudiados muestran no solo una elevada capacidad para capturar las moléculas de morfina, sino también para retenerlas por un período de tiempo largo. Se ha propuesto la fabricación de un dispositivo portátil para la detección de drogas basado en polímeros conductores.
El Capítulo 6 es dedicado a la preparación y caracterización de nuevos biocomposites conductores híbridos para aplicaciones en nanobiotecnología y biomedicina. Concretamente, este bloque de resultados presenta la electropolimerización del poli(3,4-etilendioxitiofeno) con diferentes biomoléculas (es decir, un enzima, poli- y oligosacáridos, y un péptido) y la interacción de estos nuevos materiales híbridos con células. Se ha descubierto que, estos
biocomposites conservan las propiedades electroquímicas del polímero conductor y que, además, muestran una prominente actividad celular. Los biocomposites que contienen lisozima, forman películas compactas y estables, muestran una elevada actividad bactericida contra las bacterias Gram (+), la cual es debida a que el enzima se libera de forma controlada. La actividad celular observada en los materiales que contienen dextrinas, sugiere que estos biocomposites son candidatos potenciales para la fabricación de soportes celulares. La incorporación de una baja concentración del CREKA en el polímero, tiene un efecto muy positivo en las propiedades electroquímicas del polímero conductor, mejorandolas.
This Thesis reports different nanobiotechnological applications of electrochemically and electrically conducting polymers. The central, and also common, focus of all the studies and experiments described in Chapters 4 to 6 is the interaction between synthetic conducting polymers and bioentities (DNA, proteins, polysaccharides, small peptides, drugs and cells).
One of the major challenges of this Thesis consisted on the characterization of the interactions between conducting polymers and DNA. The studies described in Chapter 4 evidenced that specific hydrogen bonding interactions, in addition to conventional electrostatic interactions, are formed between conducting polymers bearing polar groups and plasmid DNA. In order to get more information about such interactions, studies were essentially focused on poly(3,4-ethylenedioxythiophene), a conducting polymer with excellent technological properties. On the basis of both the structural changes undergone by the DNA upon the formation of specific interactions with the conducting polymer and the preferences of the latter towards well-defined nucleotide sequences and bases, a mechanism has been proposed to explain the interaction between the two macromolecules. This mechanism, which
is supported by theoretical calculations, is consistent with all the experimental data reported in this Thesis.
Chapter 5 is devoted to examine the interaction between morphine molecules and conducting polymers. Within this general context, this block of results is essentially focused on the optimization of the conditions necessary for the detection of this drug using poly(Nmethylpyrrole) and poly(3,4- ehylenedioxythiophene). Studies have been performed considering the effect of: the polymer morphology (i.e. both flat films and films containing hollow microstructures with doughnut-like morphologies have been examined), the time of incubation with morphine, and the pH of the environment. In all cases detection was carried out using electrochemical techniques, which include electrochemical impedance spectroscopy and cyclic voltammetry. Results reflect that, under controlled conditions, the investigated conducting polymers exhibit a high ability to capture morphine molecules, retaining them for a
long period of time. In addition, the fabrication of a portable drug detector device based on conducting polymers has been proposed.
Finally, Chapter 6 is devoted to the preparation and characterization of new hybrid conducting biocomposites for nanobiotechnological and biomedical purposes. More specifically, this block of the work presents the electropolymerization of poly(3,4-ethylenedioxythiophene) with different biomolecules (i.e. an enzyme, poly- and oligosaccharides, and a small peptide) and the interaction of these new hybrid materials with cells. It was found that, in general, the prepared biocomposites retain the electrical and electrochemical properties of the individual conducting polymer and, in addition, show a
prominent cellular activity. Lysozyme-containing biocomposites, which form compact and stable films, exhibit a high bactericidal activity against Gram (+) bacteria, which is promoted by a controlled release of the enzyme. The remarkable cellular activity of dextrins-containing materials suggests that they are potential candidates for the fabrication of cellular scaffolds.
Finally, the incorporation of a low concentration of CREKA peptide into the polymer matrix resulted in a very positive effect on the electrochemical properties of the conducting polymer, which were considerably enhanced.