Diseño y optimización de metodologías para la síntesis, ensamblado y funcionalización de nanopartículas mediante fluidodinámica computacional y microfluídica

Resumo

La utilización de nanomateriales se ha extendido considerablemente en las últimas décadas debido a sus propiedades ópticas, electrónicas, magnéticas, catalíticas, adsorbentes, mecánicas y biológicas. Las propiedades de los materiales macroscópicos cambian a medida que su tamaño se acerca a la nanoescala debido a que las propiedades de los átomos de la superficie frente al número total de átomos del material juegan un papel considerable y, dichas propiedades son dependientes del tamaño y de la forma de los nanomateriales. El escalado de las síntesis es una cuestión importante en el campo de los nanomateriales, debido a la elevada demanda de éstos en algunas aplicaciones. Además, la síntesis en discontinuo (batch) de nanopartículas presenta serios inconvenientes como la heterogeneidad en la distribución de los reactivos y las temperaturas durante la reacción, que junto con una mezcla insuficiente dan lugar a variaciones en las características fisicoquímicas de los diferentes lotes producidos. Con el objetivo de evitar estos problemas y aumentar el volumen de producción, se buscan procedimientos de síntesis en continuo utilizando sistemas microfluídicos (microreactores, micromezcladores, capilares, etc…) que permiten controlar con mayor precisión las temperaturas de reacción y los tiempos de residencia, obteniéndose nanopartículas con estrechas distribuciones de tamaño y gran homogeneidad de propiedades entre distintos lotes de síntesis. Además de los gradientes de concentración y temperatura, son críticos para la síntesis de nanopartículas el pH, la cristalinidad y la estabilidad frente a la oxidación de los productos resultantes. Los microreactores han demostrado ser un potente sistema para controlar estas variables. Además permiten incorporar fácilmente un sistema de medida de la propiedad/es físicas características del nanomaterial producido en la plataforma microfluídica utilizada y emplearlo en modificar las variables a la entrada del reactir para adecuar la producción a múltiples productos con las características físico-químicas deseadas. La velocidad de nucleación y crecimiento de las nanopartículas depende de las concentraciones locales de reactivos. Las condiciones de transporte y mezclado dependen, en gran medida, de la velocidad de flujo y las condiciones geométricas del sistema. Por ello, numerosos estudios han demostrado las ventajas que los microreactores presentan frente a las síntesis en batch, principalmente en tres áreas: control de la forma y la estructura de las nanopartículas, reducción de la distribución de tamaños y el escalado de los procesos. Para lograr un buen control de estos parámetros es importante conocer cómo son los flujos de los reactivos y la mezcla de los mismos. Para predecir su evolución, la fluidodinámica computacional (CFD), nos permite resolver numéricamente las ecuaciones de flujo. Mediante el software comercial, en particular ANSYS Fluent, se puede realizar un análisis de las características de los reactores (mezcla, temperatura, tiempo de residencia, tiempos de contacto, etc.) con el fin de obtener en continuo nanopartículas con características controladas y estrechas distribuciones de tamaño. Es decir, la simulación nos permite elegir el microreactor más adecuado para llevar a cabo una determinada reacción y también para explicar las características de los materiales producidos. Este programa permite validar modelos numéricos aplicados a la síntesis de nanopartículas en reactores continuos y discontinuos, pudiéndose identificar los principales parámetros que controlan la síntesis. Proporcionando tiempos de mezcla, perfiles de velocidad o presión, flujos de calor, etc. La comparación de estos resultados permite elegir las mejores condiciones para lograr nanopartículas con las propiedades deseadas. Además, este análisis permite proponer nuevos experimentos y realizar mejoras en el diseño de reactores para lograr una mejor mezcla o una menor polidispersidad de los nanomateriales. El objetivo general de la tesis será optimizar métodos de síntesis y funcionalización de diversas partículas metálicas y poliméricas, gracias a la microfluídica, la fluidodinámica computacional o a ambas. Se estudiará la síntesis de los nanorods de Au (NRs), nanopartículas ampliamente utilizadas en biomedicina y en óptica debido a sus propiedades óptoelectrónicas. Se tratará de mejorar la polidispersidad de esta síntesis y aumentar su reproducibilidad mediante el desarrollo de una síntesis en continuo utilizando microfluídica. Para mejorar su biocompatibilidad, estas partículas son generalmente recubiertas con Tiol-PEG, por lo que se adaptará la síntesis en continuo para que incluya también la pegilación del material, consiguiéndose reducir la cantidad de recubrimiento mientras se mantiene la estabilidad del material. Otro tipo de partículas a estudiar son las nanopartículas “ultra-small” (USNPs), que son aquellas que presentan tamaños inferiores a los 3 nm. Este tipo de material tiene un creciente interés en la nanotecnología debido a sus interesantes y particulares propiedades principalmente aplicadas en catálisis. Los métodos de síntesis actuales convencionales son, generalmente, específicos para cada metal y presentan problemas para lograr partículas homogéneas. Por ello se buscará en esta tesis doctoral un método de síntesis, utilizando cloruro de tetrakis(hidroximetil)fosfonio (THPC) como agente reductor y estabilizador, que nos permita la síntesis de nanopartículas de gran variedad de metales nobles, con composiciones mono, bi y trimetálicas. Así mismo, se estudiará el ensamblado de estas partículas en soportes catalíticos y su aplicabilidad en la oxidación catalítica de compuestos orgánicos volátiles (VOCs) y en la oxidación electroquímica de metanol. Una vez optimizada dicha síntesis se trabajará en su escalado, mediante microfluídica, tratando de reducir el tiempo de operación y manteniendo la homogeneidad de tamaños. Las partículas magnéticas también presentan un creciente interés en aplicaciones de grabación magnética, sensores y biomédicas. Uno de los métodos desarrollados para la síntesis en continuo de estas partículas es la pirolisis inducida por láser, si bien el dispositivo experimental utilizado en nuestro grupo (NFP) presenta problemas de ensuciamiento y pérdida de material, se tratarán de ser solucionados mediante el estudio del sistema por CFD. Este análisis fluidodinámico nos permitirá proponer mejoras en el diseño que permitan mejorar el rendimiento de la síntesis. Así mismo, se tratará de proponer otro método de síntesis en continuo para este tipo de nanomateriales magnéticos. Mediante microfluídica se propondrá un sistema solvotermal de descomposición de precursores metálicos a elevada temperatura, que resulte eficiente, versátil y que dé lugar a nanopartículas de tamaños y propiedades homogéneas. Por último, se tratará de entender el proceso de mezclado en los micromezcladores utilizados en este trabajo mediante CFD. Este estudio aplicado a la síntesis de nanopartículas poliméricas biodegradables de ácido poliláctico-co-glicólico (PLGA) nos permitirá determinar cuáles serán los elementos óptimos a utilizar para lograr nanopartículas con distribuciones de tamaño homogéneas. Dichas nanopartículas son ampliamente utilizadas como sistemas de liberación sostenida de fármacos.