Funcionalización de partículas magnéticas mediante sustitución nucleofilica de haluros orgánicos.

Funcionalización de partículas magnéticas mediante sustitución nucleofílica de haluros orgánicos.

La presente invención desarrolla un método para la funcionalización de partículas magnéticas (tamaños entre 0.001 - 100μm) como por ejemplo: partículas de magnetita Fe3O4, o de maghemita γ-Fe2O3, mediante la sustitución nucleofílica de derivados halogenados. Estos derivados son compuestos orgánicos que contienen uno o más halógenos en su molécula. Algunos ejemplos de haluros orgánicos capaces de reaccionar con las partículas magnéticas son epiclorhidrina, cloruro de triazina, cloruro y bromuro de cianógeno, cloruro de tosilo u otros mono/di/poli haluros orgánicos capaces de reaccionar con grupos OH. Mediante la aplicación de este método las partículas quedan modificadas con grupos reactivos, como son grupos epóxido, ciano, cloruro o tosilo que permiten unir covalentemente moléculas biológicas tales como proteínas, enzimas, ADN, ARN y anticuerpos.

Funcionalización de partículas magnéticas mediante sustitución nucleofílica de haluros orgánicos.

Sector de la técnica La presente invención se enmarca dentro del campo de nuevos materiales, y en particular dentro de los sistemas de partículas con propiedades magnéticas. Concretamente, se dirige a sistemas que comprenden partículas magnéticas que se funcionalizan para su mejor y mayor reactividad, para incrementar su estabilidad y dispersión en disolventes, respetando su tamaño y sus propiedades magnéticas iniciales, y a procedimientos para su obtención y sus aplicaciones.

Estado de la técnica

Las partículas magnéticas se aplican en muchas áreas en la industria, debido a sus ventajas respecto a otros materiales. Se aplican en la fabricación de materiales estructurales, como cerámicas y composites, para mejorar sus prestaciones mecánicas. También se emplean en impresión magnética, tintas magnéticas, sellado en sistemas de vacío, sistemas de amortiguación, altavoces, sensores magnéticos, actuadores, catálisis, recuperación de metales y purificación de aguas, inductores y antenas. Las partículas se presentan en forma de películas, en polvo, dispersas en fluidos o formando aerosoles.

Una de las primeras aplicaciones de las partículas magnéticas se produjo en el campo de la biotecnología en los años 70, empleándose estas partículas como transportadores de enzimas, en procesos de separación, purificación y análisis de proteínas, en biocatálisis y bioprocesos (Magnogel, Dynabeads y Estapor) . Ya en los años 80 empezaron a usarse en biomedicina como agentes de contraste en imagen por resonancia magnética (MRI) . Recientemente, se ha descrito una gran variedad de utilidades tales como administración dirigida de fármacos,

inmunoensayos, biología molecular, purificación de ácidos nucleicos (DNA, RNA) ,

separación celular, terapia mediante hipertermia, y otras.

Las aplicaciones industriales de las partículas magnéticas, señaladas anteriormente, se basan en su alta superficie específica, en su capacidad para atravesar barreras biológicas, capacidad de adsorción de iones y, principalmente, en sus exclusivas propiedades magnéticas, ópticas y eléctricas.

Se han desarrollado diferentes suspensiones de estas partículas magnéticas con recubrimientos orgánicos e inorgánicos con aplicaciones tecnológicas y biomédicas [Laurent, S.Chem. Rev. 2008, 108, 2064]. El primer requisito en la fabricación de estas suspensiones es lograr la estabilidad de las mismas. Un segundo punto es la incorporación de una o varias funcionalidades en la superficie de las partículas. Para lograr ambas cosas es habitual recubrir las partículas con un material orgánico o inorgánico que actúa como protección para la partícula, mejora su estabilidad, evita su oxidación y permite incorporar grupos funcionales sobre la superficie del material orgánico o inorgánico de recubrimiento. Existen varias estrategias para el recubrimiento o estabilización de partículas, que se pueden clasificar según el tipo de compuesto usado en el recubrimiento o según el método de estabilización:

1) Estabilización por interacción electrostática: Es la primera estrategia que se desarrolló para estabilizar las partículas en medio disolvente; las partículas se rodean de compuestos de bajo peso molecular con grupos capaces de interaccionar con la superficie de la partícula unidos a residuos con afinidad por la partícula y por el solvente, como pueden ser surfactantes, ácidos orgánicos e inorgánicos (cítrico, aspártico, glutámico, oleico) y otro tipo de moléculas como la dopamina. Las primeras patentes que se desarrollaron en la NASA sobre los años 60, añadían a las partículas ácido oleico [US3215572, US2971916], para estabilizarlas en disolventes orgánicos: Las moléculas de ácido se colocan con el grupo carboxilo orientado hacia la superficie de la partícula dejando la cadena alifática hacia el medio disolvente orgánico logrando la estabilización de la partícula. En la patente W003/016217 se recubren nanopartículas metálicas y en particular de óxidos metálicos con derivados de ácido fosfórico, ácido fosfónico o fosfinas. Sin embargo es más habitual utilizar como recubrimiento moléculas anfifílicas que pueden disponerse en forma de capas sencillas o dobles, como por ejemplo en [Shen et al. Langmuir, 2000, 16, 9907] aunque en este caso las suspensiones sólo son estables con pH superior a 7, 4. Esta tecnología respeta el tamaño de la partícula pero las interacciones electrostáticas son débiles y fácilmente sustituibles.

2) Recubrimientos poliméricos. En esta técnica el recubrimiento se realiza bien por combinación de las partículas magnéticas con polímeros solubles en medio líquido, y sintetizados previamente, que contienen grupos funcionales capaces de interaccionar (interacciones hidrofóbicas, electrostáticas, fuerzas de Van der Waals) con la superficie de las partículas de forma que éstas quedan encapsuladas en el interior del polímero, bien por adsorción de monómeros o de iniciadores de polimerización y posterior polimerización in situ, normalmente en el seno de sistemas micelares. Polímeros ampliamente usados en recubrimiento de partículas magnéticas son el dextrano [US4452773], proteínas [US2010/0029902], alginatos y polímeros sintéticos como poliestirenos, funcionalizados, polipirrol, polímeros fenólicos, polímeros de ácidos carboxílicos [W02005/112758], copolímeros bloque [Sohnet al. J. Appl. Polym. Sci. 2004, 91, 3549], polietileniminas [W02009/135937] y otros. Una de las técnicas preferidas para aumentar la estabilidad del recubrimiento consiste en el entrecruzamiento de las cadenas poliméricas [W02003/005029]. También se han descrito procedimientos para recubrir nanopartículas con una doble capa orgánica en los que la unión entre las dos capas se realiza mediante enlaces amida [US2008/0226895]. La funcionalización se puede llevar a cabo por absorción física de un segundo polímero como en [US2003/185757], en un primer polímero, el carboxidextrano, se utiliza como estabilizador y un segundo polímero, carboxidextranofuncionalizado con enzimas, se usa para añadir la funcionalidad. Un procedimiento que permite el recubrimiento biocompatible y la funcionalización de nanopartículas consiste en el uso de proteínas barnase y barstar, pero su alto coste puede limitar su aplicación [Nikitin et al. Proc. Nat. Acad. Sci. USA 2010 (/doi/10.1073/pnas.1001142107) ]. También se han descrito procedimientos de recubrimientos de nanopartículas con polímeros en aerosoles [US2009/0252965] y en fluidos supercríticos [W02004/091571]. Los recubrimientos poliméricos presentan la ventaja de formar una coraza maciza o esponjosa sobre la superficie de la partícula magnética, son recubrimientos estables, funcionalizables, pero presentan la desventaja de que en la mayoría de los casos magnifican el tamaño de la partícula y debido a la coraza maciza polimérica la magnetización disminuye por apantallamiento de la misma.

3) Recubrimientos de silicio. Es la técnica más utilizada, normalmente se realiza de dos maneras diferentes:

a) Haciendo uso de precursores organo-silanos como tetraetoxisilano; consiste en la adsorción de estos compuestos en la superficie de la partícula, su posterior hidrólisis y condensación para formar caparazones de silicio, que a su vez se pueden activar por reacción con compuestos alcoxisilanos funcionalizados [W02008/058678]. En [US6514481, Prasad] se describe nanopartículas de óxido de hierro recubiertas de sílice a la que se une un péptido mediante un espaciador y en la solicitud de patente W02006/055447 se describe un procedimiento similar para realizar recubrimientos de órgano-sílice funcionalizados con oligonucleótidos. Un sistema muy utilizado en el recubrimiento de partículas que consiste en realizar la hidrólisis de los precursores organosilanos en el seno de micelas [US2007/110816].

b) Mediante la deposición en la superficie de la partícula de óxido de silicio y su posterior condensación, a partir del metasilicato de sodio [US 2010/0063263], [US 8 323 899].

Al igual que los recubrimientos poliméricos los recubrimientos de silicio presentan la ventaja de formar una coraza maciza o esponjosa sobre la superficie de la partícula magnética y son fácilmente funcionalizables aunque no tan estables como los poliméricos, ya que se degradan con facilidad en medios muy ácidos o muy alcalinos, también presentan la desventaja de magnificación del tamaño y de apantallamiento de la magnetización.

4) Por otra parte, también se han descrito métodos mecánicos para recubrir nanopartículas [W02008/074087], aunque el control de la estructura y espesor del recubrimiento...

1. Procedimiento para funcionalizar partículas magnéticas mediante reacciones de sustitución nucleofílica entre los grupos hidroxilo de la superficie de la partícula magnética y haluros orgánicos, que comprende las siguientes etapas:

a. la reacción de al menos un grupo hidroxilo de la superficie de la partícula magnética con una molécula del haluro orgánico, estando la razón molar entre los grupos hidroxilo de las partículas magnéticas y el haluro orgánico en el intervalo de 1-1000, en un medio disolvente y

b. la formación de un enlace covalente entre el residuo orgánico del haluro y el oxígeno de la superficie de la partícula magnética.

2. Procedimiento según la reivindicación 1 caracterizado porque la partícula se selecciona entre un metal, un oxido de metal, una aleación metálica o una combinación de óxidos metálicos.

3. Procedimiento según la reivindicación 2 caracterizado porque el óxido de metal es un óxido de hierro.

4. Procedimiento según la reivindicación 3 caracterizado porque el óxido de hierro es preferentemente magnetita (Fe304) o maghemita (y-Fe203) .

5. Procedimiento según las reivindicaciones 1-4 caracterizado porque el tamaño de la partícula se selecciona en un rango entre 0.001-100~m.

6. Procedimiento según las reivindicaciones 1-5 caracterizado porque la partícula metálica tiene capacidad magnética.

7. Procedimiento según las reivindicaciones 1-6 caracterizado porque el tipo de magnetización de la partícula magnética es superparamagnetismo o ferromagnetismo.

8. Procedimiento según las reivindicaciones 1-7 caracterizado porque la partícula magnética se obtiene mediante co-precipitación, microemulsión, descomposición térmica, ruta solvotérmica, ruta sonoquímica, proceso asistido por microondas, proceso Laux, tratamiento de minerales de óxido de hierro, pirolisis laser, deposición de vapor, descarga en arco, síntesis en fase gaseosa, síntesis en fase sólida, reducción química u otros.

9. Procedimiento según la reivindicación 8, caracterizado porque el proceso de obtención de las partículas magnéticas es preferentemente co-precipitación.

10. Procedimiento según las reivindicaciones 1-9 caracterizado porque el haluro orgánico es una molécula que contiene uno o más grupos haluro, capaces de reaccionar con grupos hidroxilo mediante sustitución nucleofila, y además contiene un residuo orgánico que queda covalentemente unido a la partícula magnética una vez acabada la reacción.

11. Procedimiento según las reivindicaciones 1-10 caracterizado porque el haluro se selecciona entre cloro, bromo, iodo, flúor o combinaciones de estos, preferentemente cloro o bromo.

12. Procedimiento según las reivindicaciones 1-11 caracterizado porque el residuo orgánico del haluro se selecciona con grupos funcionales epóxido, haluro, tosilo, ciano, tiol, sulfonilo, hidroxilo, carboxilo o carboxilato, amino, cadenas alifáticas saturadas o insaturadas lineales ramificadas o cíclicas, cadenas aromáticas y combinaciones de ellos.

13. Procedimiento según las reivindicaciones 1-12 caracterizado porque el residuo orgánico del haluro queda covalentemente unido a la partícula magnética y la funcionaliza.

14. Procedimiento según las reivindicaciones 1-13 caracterizado porque el residuo orgánico de la partícula magnética la protege de los agentes ambientales y evita su oxidación.

15.Procedimiento según las reivindicaciones 1-14 caracterizado porque el

residuo orgánico de la partícula magnética, mejora su dispersión y estabilidad en disolventes.

16. Procedimiento según la reivindicación 15 caracterizado porque el disolvente en el que se dispersan las partículas magnéticas funcionalizadas se selecciona entre agua, THF, DMSO, diclorometano, hexano, acetona, etanol, metanol, isopropanol, cloroformo, líquidos iónicos, fluidos supercríticos o cualquiera de sus combinaciones.

17. Procedimiento según las reivindicaciones 1-14 caracterizado porque las partículas magnéticas covalentemente funcional izadas se encuentran secas, en forma de polvo o composite.

18.Procedimiento según las reivindicaciones 1-17 caracterizado porque la reacción de sustitución nucleofílica entre las partículas magnéticas y los haluros orgánicos se realiza en medio disolvente.

19. Procedimiento según la reivindicación 18 caracterizado porque el medio disolvente para la reacción de sustitución nucleofílica se selecciona entre agua, THF, DMSO, diclorometano, hexano, acetona, etanol, metanol, isopropanol, cloroformo, líquidos iónicos, fluidos supercríticos o cualquiera de sus combinaciones.

20. Procedimiento según la reivindicación 17 caracterizado porque el medio disolvente para la reacción de sustitución nucleofílica se mantiene a temperatura y pH adecuado para que la reacción transcurra.

21. Procedimiento según la reivindicación 13 caracterizado porque el residuo orgánico que funcionaliza a la partícula magnética está activo para seguir reaccionando.

22. Procedimiento según la reivindicación 21 caracterizado porque el residuo orgánico que funcionaliza a la partícula magnética se hace reaccionar con un

compuesto orgánico o inorgánico con interés físico, químico, biológico y médico, que queda unido a la partícula magnética mediante enlace covalente.

23. Procedimiento según la reivindicación 22 caracterizado porque el compuesto con interés físico se selecciona entre compuestos colorantes o fluorescentes.

24. Procedimiento según la reivindicación 22 caracterizado porque el compuesto con interés químico se selecciona entre fármacos, catalizadores, absorbentes, precursores de polimerización o cualquiera de sus combinaciones.

25. Procedimiento según la reivindicación 22 caracterizado porque el compuesto con interés biológico y medico se selecciona entre proteínas, chaperonas, enzimas, anticuerpos, ácidos nucleicos de cadena sencilla o doble, monosacáridos, polisacáridos, glucoproteínas, ácidos grasos, terpenos, esteroides, lipoproteínas, hormonas, vitaminas, metabolitos, oligonucleótidos o cualquiera de sus combinaciones.

26. Partículas magnéticas caracterizadas porque son funcionalizadas covalentemente al hacer reaccionar sus grupos hidroxilo de su superficie con haluros orgánicos mediante la reacción de sustitución nucleófíla, por el procedimiento descrito en cualquiera de las reivindicaciones 1-25.

27.Aplicación de las partículas magnéticas funcionalizadas descritas según la reivindicación 26 para refrigeración magnética, impresión magnética, tintas magnéticas, lubricación de rotores, transformadores eléctricos, solenoides de bajo nivel de ruido, conmutadores, fluidos magnetoreológicos, fibras magnéticamente activas, composites poliméricos reforzados, sellado en sistemas de vacío, sistemas de amortiguación, altavoces, sensores magnéticos, actuadores, catálisis, recuperación de metales y purificación de aguas, inductores y antenas en tecnología de la comunicación, escudos magnéticos y absorción de microondas, curado de polímeros, endurecimiento de resinas epoxy, calentamiento libre de contactos, preparación de pigmentos, pinturas y colorantes, usos cosméticos y aplicaciones biotecnológicas, biológicas o médicas y captación separación y purificación de moléculas biológicas, veterinarias y médicas.