Estudio teórico-experimental de la funcionalización de sílice amorfa con grupos tioles para la captura de arsénico

Abstract

El dióxido de silicio, SiO2, conocido como “sílica o sílice” presenta ciertas propiedades que lo convierten en un biomaterial de elección: superficie lábil para ser funcionalizada, facilidad de síntesis y biocompatibilidad (Agotegaray y Lassalle, 2017). El diseño de la superficie de NPs de sílice implica impartir sitios específicos para que el nanomaterial adquiera una determinada funcionalidad, en este caso, orientada a que las nanopartículas de sílice interactúen con el As como potenciales agentes terapéuticos en la atenuación de los efectos neurotóxicos causados por este elemento en casos de exposición crónica. La química de los grupos tiol (-SH) emerge como un factor regulador importante en la distribución de arsénico inorgánico en el organismo, desempeñando un papel en la reducción inicial de arseniato a arsenito, la posterior metilación y, posiblemente en la afinidad y distribución de los tejidos. En este trabajo se sintetizaron y caracterizaron NPs de sílice amorfa funcionalizadas con 3-mercaptopropiltrimetoxisilano (3- MPTMS), a partir de la disolución del alcóxido de silicio (tetraetilortosilicato, TEOS) en solución hidroalcohólica en medio básico (NH4OH). Posteriormente, se procedió al agregado de 3-MPTMS y luego de 18h de reacción a temperatura ambiente, la muestra fue lavada y secada a 45 °C. Las NPs obtenidas presentaron un tamaño de 473,3 nm y un potencial zeta de -30,2 mV, ambos determinados mediante dispersión de luz dinámica (DLS). La incorporación del 3-MPTMS fue corroborada mediante espectroscopia FTIR (ʋ S-H 2800 cm-1; ʋ Si-OH 3440 cm1; ʋas Si-O 790 cm-1) y mediante análisis SEM-EDS, que reveló la presencia de azufre. La interacción entre 3-MPTMS y sílice fue modelada a nivel molecular mediante la teoría del funcional de la densidad (DFT) utilizando el funcional B3LYP tal como está implementado en el programa Gaussian09. Se empleó un modelo se sílice amorfa utilizando un agregado de Si13O16(OH)20. Se encontraron diferentes formas de interacción entre el 3-MPTMS y la sílice, siendo la más estable aquella en la cual existe una fuerte unión entre el S del grupo funcional y un O de la superficie de sílice. Con el agregado del arsenito al sistema 3-MPTMS/sílice, se observa una importante interacción entre el As y el S. La energía involucrada en el proceso de adsorción del arsenito fue exotérmica, calculada en -46 kJ/mol. También se modeló la situación con dos grupos funcionales 3-MPTMS vecinos. En este caso, se observaron enlaces entre el As y los dos átomos de S de los grupos 3-MPTMS. La reacción de adsorción en esta situación resultó ser endotérmica, en 95 kJ/mol. De acuerdo a los resultados obtenidos, existe una correlación entre las observaciones experimentales y el modelado mediante cálculo computacional, demostrando la funcionalización de la superficie de la sílice amorfa nanoparticulada con 3-MPTMS. Asimismo, se puso en evidencia la factibilidad de la interacción As-S con grupos -SH vecinos. Este trabajo sienta las bases para continuar el estudio experimental de la adsorción in vitro e in vivo de As sobre el nanosistema obtenido.