Menú Cerrar

Materia Blanda y Biofísica

La materia blanda podría definirse como aquella disciplina incluida en la física de la materia condensada que se ocupa de sistemas fácilmente deformables mediante esfuerzos o fluctuaciones térmicas. Desde el punto de vista formal, se emplean técnicas y procedimientos de mecánica estadística, sistemas complejos, termodinámica, y otros campos afines. Desde el punto de vista material, se consideran materia blanda: los líquidos, especialmente los líquidos complejos (por ejemplo, viscoelásticos, soluciones, etc.); gran parte de la materia viva; los medios compuestos de un gran número de partículas que muestran comportamientos colectivos (como los medios granulares); y toda una serie de sustancias que sería difícil clasificar estrictamente como sólidos, líquidos o gases. A estas escalas la cuántica es irrelevante, por lo que se habla a veces de estructuras mesoscópicas, opuestas tanto a lo microscópico como a lo macroscópico.

Por su parte, la biofísica es la ciencia que estudia la biología con los principios y métodos de la física. La biología estudia la vida en su gran variedad y complejidad. Describe como los organismos obtienen su alimento, se comunican, sienten el medio ambiente y se reproducen. Por otro lado, la física busca leyes matemáticas en la naturaleza y hace predicciones detalladas acerca de las fuerzas que dirigen los sistemas físicos. El acortar la distancia entre la complejidad de la vida y la simplicidad de las leyes físicas es el reto de los biofísicos. La búsqueda de patrones en la vida y su análisis con matemáticas y física es una poderosa manera para conocer las bases de nuestra propia existencia. La biofísica busca principios que describan patrones. Si los principios son poderosos, podrían generar predicciones detalladas y precisas que podrían probarse en los sistemas biológicos.

En concreto, en este línea de investigación se han estudiado:

Los nano/microgeles son partículas de materia blanda de tamaño nano/micrométrico  que poseen la propiedad de poder hincharse por absorción de grandes cantidades de disolvente, pero que no se disuelven debido a la estructura de la red polimérica física o químicamente entrecruzada que los constituye. Su comportamiento está regido por la termodinámica de las disoluciones de las cadenas poliméricas entrecruzadas que los constituyen y por lo tanto su hinchamiento/deshinchamiento depende de los componentes que los constituyen y con quien interactúan. El uso de nanogeles como partículas encapsuladoras y transportadoras de solutos ofrece muchas ventajas, que incluyen la encapsulación y protección de fármacos frente a la degradación química y enzimática, liberación controlada, reducción de la toxicidad y biocompatibilidad. El comportamiento físico de nano/microgeles ha sido el objetivo del  proyecto “Interacciones y propiedades colectivas de sistemas de materia blanda basados en nanogeles/microgeles de interés en nanotecnología” (FIS2016-80087-C2-1-P)”. Se trata de un  proyecto de Investigación coordinado entre las universidades de Jaén y Granada, y que está financiado por el Ministerio de Economía y Competitividad. Está línea de investigación sigue vigente merced a los proyectos de investigación “Litografía coloidal blanda: recubrimientos superhidrófobos de nano-hilos verticalmente alineados (PID2020-116615RA-I00) financiado por el Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades y por el proyecto “Dinámica Browniana de la administración de fármacos mediante geles y nanogeles” (PY20_00138), financiado por la Consejería de Transformación Económica, Industria, Conocimiento y Universidades de la Junta de Andalucía. A continuación se muestra el listado de publicaciones relacionadas con esta línea de investigación:

Publicaciones:

22.- Complexation of DNA with Thermoresponsive Charged Microgels: Role of Swelling State and Electrostatics. Gels 8, 184 (2022).

21.- Coarse-Grained Simulations of Solute Diffusion in Crosslinked Flexible  Hydrogels. Macromolecules 55, 1495-1504 (2022).

20.- Universal description of steric hindrance in flexible polymer gels. Phys. Chem. Chem. Phys. 23 (28), 14997-15002 (2021).

19.- Microgels at interfaces, from mickering emulsions to flat interfaces and back. Advances in Colloid and Interface Science 288, 102350 (2021).

18.- Solute diffusion in gels: Thirty years of simulations. Advances in Colloid and Interface Science 287, 102320 (2021).

17.- Temperature and electrostatics effects on charged poly(N-isopropylacrylamide) microgels at the interface. Journal of Molecular Liquids 303, 112678 (2020).

16.- Coarse-grained Monte Carlo simulations of nanogel–polyelectrolyte complexes: electrostatic effects. Soft Matter 16, 3022-3028 (2020).

15.- Effect of dispersion forces on the behavior of thermosensitive nanogels: A coarse-grained simulation study. Journal of Molecular Liquids 288, 111101 (2019).

14.- A review of coarse-grained simulations of nanogel and microgel particles. Journal of Molecular Liquids 280, 374-381 (2019).

13.- Direct determination of forces between charged nanogels through coarse-grained simulations. Physical Review E 97 (4), 042608 (2018).

12.- Maximizing the absorption of small cosolutes inside neutral hydrogels: steric exclusion versus hydrophobic adhesion. Physical Chemistry Chemical Physics 20 (4), 2814-2825 (2018).

11.- Interaction between Ideal Neutral Nanogels: A Monte Carlo Simulation Study. Macromolecules 50 (5), 2229-2238 (2017).

10.- Competition between excluded-volume and electrostatic interactions in nanogels swelling: Effect of the counterion valence and nanogel charge. Phys. Chem. Chem. Phys. 19 (9), 838-6848 (2017).

9.- Thermoresponsive microgels at the air-water interface: impact of swelling state on interfacial conformation. Soft Matter 13 (1), 230-238 (2017).

8.- Role of Steric Interactions on the Ionic Permeation Inside Charged Microgels: Theory and Simulations. Macromolecules 48, 4645-4656 (2015).

7.- Excluded volume effects on ionic partitioning in gels and microgels: A simulation study. Phys Chem Chem Phys 16, 25483-25491 (2014).

6.- Temperature-sensitive nanogels in the presence of salt: Explicit coarse-grained simulations. J Chem Phys. 141, 124903 (2014).

5.- Thermo‐responsive gels in the presence of monovalent salt at physiological concentrations: A Monte Carlo simulation study. Journal of Polymer Science Part B: Polymer Physics. 52, 1403–1411 (2014).

4.-Monte Carlo simulation of thermo-responsive charged nanogels in salt-free solutions. Soft Matter 9, 7086-7094 (2013).

3.-Effect of the Counterion Valence on the Behavior of Thermo-Sensitive Gels and Microgels: A Monte Carlo Simulation Study. Macromolecules 45, 8872-8879 (2012).

2.-Computer simulations of thermo-sensitive microgels: quantitative comparison with experimental swelling data. J Chem Phys. 136, 136, 244903 (2012).bb

1.-Computer simulations of thermo-shrinking polyelectrolyte gels. J Chem Phys. 135, 094109 (2011).

 

Los fosfolípidos son moléculas anfifílicas que están formados por dos partes químicamente diferentes: una cabeza polar hidrófila y una o dos cadenas hidrocarbonadas hidrófobas. De acuerdo con la naturaleza de la cabeza polar de los lípidos, éstos se clasifican en: iónicos (catiónicos y aniónicos) y no-iónicos (zwitteriónicos). Los lípidos iónicos normalmente son sales orgánicas (e inorgánicas) que poseen grupos que al disolverse en el agua se disocian adquiriendo una carga neta en la cabeza polar (positiva o negativa) liberando un contraión. Por otro lado, los lípidos zwitteriónicos tienen grupos que pueden adquirir carga en función del pH de la solución en que se encuentren y se comportan de dos maneras, ya sea como lípidos iónicos o no-iónicos.

Los lípidos pueden organizarse formando de bicapas (o membranas). Las bicapas consisten en dos monocapas de lípidos orientados paralelamente, de la misma forma que las membranas celulares biológica. Las bicapas pueden dar lugar también a diferentes estructuras en la escala mesoscópica. La más frecuente es la llamada vesícula o liposoma, que son estructuras esféricas que encierran un volumen de disolvente y que pueden estar formadas por una sola bicapa  o por varias capas lipídicas (multilamelares).

De acuerdo, con esto, se han elaborado diferentes investigaciones con sistemas lipídicos que se agruparían del siguiente modo:

Interacción lípido-ion

[7] A. Martín-Molina, T. Del Castillo-Santaella, Y. Yang, J. Maldonado-Valderrama. Condensation of Model Lipid Films by Cholesterol:
Specific Ion Effects.  Coatings 9 (2019) 474.

[6] A. Martín-Molina, L. Lue, M. Quesada-Perez, K. Bohinc. Interaction between charged lipid vesicles and point-or rod-like trivalent ions. Colloids Surf. B 178 (2019) 525-529.

[5]     T. Del Castillo-Santaella, J. Maldonado-Valderrama, J. Faraudo and A. Martín-Molina. Specific ion effects in Cholesterol monolayers. Materials 9 (2016) 340-356.

[4]     A. Martín-Molina, C. Rodríguez-Beas, J. Faraudo. Effect of calcium and magnesium on phosphatidylserine membranes: Experiments and all-atomic simulations, Biophys. J. 102 (2012) 2095–2103.

[3]     A. Martín-Molina, C. Rodríguez-Beas, J. Faraudo. Charge reversal in anionic liposomes: experimental demonstration and molecular origin., Phys. Rev. Lett. 104 (2010)

[2]     S. Roldán-Vargas, R. Barnadas-Rodríguez, A. Martín-Molina, M. Quesada-Pérez, J. Estelrich, J. Callejas-Fernández. Growth of lipid vesicle structures: from surface fractals to mass fractals, Phys. Rev. E. 78 (2008) 10902

[1]      S. Roldán-Vargas, A. Martín-Molina, M. Quesada-Pérez, R. Barnadas-Rodríguez, J. Estelrich, J. Callejas-Fernández. Aggregation of liposomes induced by calcium: A structural and kinetic study, Phys. Rev. E. 75 (2007) 21912.

Lipoplejos catiónicos

Los liposomas catiónicos forman complejos espontáneamente con el ADN denominados lipoplejos catiónicos. Estos complejos representan los vehículos de transfección no víricos más usados en terapia génica. El estudio de los lipoplejos catiónicos como sistema de portadores de genes fue implantado a finales de los años 80 por Felgner y col. El mecanismo de interacción del ADN con los liposomas catiónicos condiciona sus aplicaciones clínicas y biológicas. Este proceso de formación de complejos, formados por liposomas catiónicos y ADN, se debe esencialmente a la atracción electrostática entre las cargas opuestas de ambas componentes. La morfología óptima de los lipoplejos catiónicos depende de la elasticidad y de la carga superficial de la membrana o bicapa del liposoma, la cual está relacionada a su vez con la naturaleza de su carga, concentración y composición lipídica (mezcla de lípidos catiónicos y zwitteriónicos), el pH, la temperatura, y la fuerza iónica del medio.

PUBLICACIONES

[6]      D. Paiva, A. Martín-Molina, I. Cardoso, M. Quesada-Pérez, M. do Carmo Pereira, S. Rocha, The effect of a fluorinated cholesterol derivative on the stability and physical properties of cationic DNA vectors, Soft Matter. 9 (2013) 401–409.

[5]       A.L. Barrán-Berdón, M. Muñoz-Úbeda, C. Aicart-Ramos, L. Pérez, M.-R. Infante, P. Castro-Hartmann, et al., Ribbon-type and cluster-type lipoplexes constituted by a chiral lysine based cationic gemini lipid and plasmid DNA, Soft Matter. 8 (2012) 7368.

[4]      M. Muñoz-Ubeda, A.L. Barran, A. Rodriguez-Pulido, A. Martin-Molina, E. Junquera, E. Aicart, Cationic lipids as nonviral compacting agents of DNA, in: Abstr. Pap. Am. Chem. Soc., AMER CHEMICAL SOC 1155 16TH ST, NW, WASHINGTON, DC 20036 USA, 2011.

[3]       M. Muñoz-Úbeda, A. Rodríguez-Pulido, A. Nogales, O. Llorca, M. Quesada-Pérez, A. Martín-Molina, et al., Gene vectors based on DOEPC/DOPE mixed cationic liposomes: a physicochemical study, Soft Matter. 7 (2011) 5991.

[2]      M. Muñoz-Úbeda, A. Rodríguez-Pulido, A. Nogales, A. Martín-Molina, E. Aicart, E. Junquera, Effect of lipid composition on the structure and theoretical phase diagrams of DC-Chol/DOPE-DNA lipoplexes, Biomacromolecules. 11 (2010) 3332–3340.

[1]      A. Rodríguez-Pulido, A. Martín-Molina, C. Rodríguez-Beas, O. Llorca, E. Aicart, E. Junquera, A theoretical and experimental approach to the compaction process of DNA by dioctadecyldimethylammonium bromide/zwitterionic mixed liposomes, J. Phys. Chem. B. 113 (2009) 15648–15661.

 

 

COMPLEJOS TERNARIOS LÍPIDO ANIÓNICO-CATIÓN-ADN (lipoplejos aniónicos)

 

[4] L.G. Santiago, J. Maldonado-Valderrama, A. Martín-Molina, C. Haro-Pérez, J. García-Martínez, A. Martín-Rodríguez, M.A. Cabrerizo-Vílchez and  M.J. Gálvez-Ruiz, Adsorption of soy protein isolate at air–water and oil–water interfaces, Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 323 (2008) 155-162.

[3] J. Maldonado-Valderrama, A. Martín-Molina, A. Martín-Rodriguez, M.A. Cabrerizo-Vílchez, M.J. Gálvez-Ruiz and  D. Langevin, Surface properties and foam stability of protein/surfactant mixtures: theory and experiment, The Journal of Physical Chemistry C, 111 (2007) 2715-2723.

[2] A. Martín-Molina, S. Moreno-Flores, E. Perez, D. Pum, U.B. Sleytr, J.L. Toca-Herrera, Structure, surface interactions, and compressibility of bacterial S-layers through scanning force microscopy and the surface force apparatus., Biophys. J. 90 (2006) 1821–1829.

[1] J. Maldonado-Valderrama, A. Martín-Molina, M.J. Galvez-Ruiz, A. Martín-Rodríguez and  M.Á. Cabrerizo-Vílchez, β-casein adsorption at liquid interfaces: Theory and experiment, The Journal of Physical Chemistry B, 108 (2004) 12940-12945.

[3] M.S. Izquierdo, A. Martın-Molina, J. Ramos, A. Rus, L. Borque, J. Forcada and  F. Galisteo-González, Amino, chloromethyl and acetal-functionalized latex particles for immunoassays: a comparative study, Journal of immunological methods, 287 (2004) 159-167.

[2] J. Ramos, A. Martín‐Molina, M.P. Sanz‐Izquierdo, A. Rus, L. Borque, R. Hidalgo‐Álvarez, F. Galisteo‐González and  J. Forcada, Amino‐functionalized latex particles obtained by a multistep method: Development of a new immunoreagent, Journal of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry, 41 (2003) 2404-2411.

[1] I. Miraballes‐Martínez, A. Martín‐Molina, F. Galisteo‐González and  J. Forcada, Synthesis of amino‐functionalized latex particles by a multistep method, Journal of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry, 39 (2001) 2929-2936.