El objetivo general de este trabajo de tesis ha sido desarrollar nuevos
materiales con propiedades estructurales y funcionales optimizadas a través
del control de su nanoestructura, combinando la química sol-gel con
nanopartículas mesoporosas funcionalizadas y cargadas con plata.
La química sol-gel constituye una de las herramientas más versátiles
para el diseño de materiales avanzados debido a su capacidad para generar
matrices híbridas orgánico- inorgánicas con elevada homogeneidad, control
estructural a nivel nanométrico y adaptación a distintas funcionalidades. En este
contexto, la incorporación de nanopartículas mesoporosas y especies activas
metálicas dentro de matrices de sílice ha emergido como una estrategia
eficiente para desarrollar recubrimientos con propiedades mejoradas para
aplicaciones protectoras, antimicrobianas y funcionales. Sin embargo, alcanzar
una dispersión homogénea de nanopartículas, compatibilizar sus superficies
con matrices sol-gel y controlar el proceso de agregación de la plata dentro de
estos sistemas representan desafíos que requieren un estudio detallado. En
este sentido, la presente tesis plantea, como objetivo particular, la
implementación de nanopartículas de sílice mesoporosa como vía de control y
estabilización del proceso de agregación de la plata en sistemas de
recubrimientos con propiedades antibacterianas a largo plazo.
Con base en esta problemática, en este trabajo se partió de la síntesis
de nanopartículas de sílice mesoporosas (MSN), del tipo MCM-41, obtenidas
mediante la condensación hidrolítica del tetraetilortosilicato (TEOS) en una
disolución acuosa alcalina del surfactante bromuro de hexadeciltrimetilamonio
(CTAB). Dichas nanopartículas se trataron a 550 °C, para eliminar el
surfactante, y posteriormente se activaron en medio ácido para incrementar la
Idensidad de grupos –OH superficiales, los cuales constituyen los sitios activos
necesarios para reacciones de condensación subsecuentes. Se seleccionó el
(3-aminopropil)trietoxisilano (APTES) para modificar superficialmente las
nanopartículas con grupos –NH2, obteniendo nanopartículas denominadas
como MSN-NH2.
Una vez obtenidas, las MSN-NH2 fueron cargadas con plata iónica,
realizando un estudio detallado del proceso de adsorción de iones de plata
sobre su superficie, tanto en medio etanólico como acuoso, mediante estudios
de isotermas de adsorción. Complementariamente, el proceso de adsorción de
Ag+ en medio acuoso también se estudió mediante ensayos de conductimetría
en corriente continua. Finalmente, se estudió la estabilidad del sistema MSN-
NH2/Ag+ y el proceso de degradación orgánica y reducción térmica de los iones
de plata que lleva a un sistema inorgánico compuesto de nanopartículas MSN-
Ag0.
Subsiguientemente, se analizaron diferentes alternativas para la
obtención de recubrimientos delgados, de matriz híbrida orgánica-inorgánica
obtenidos por el método sol-gel, cargados con plata estabilizada mediante
nanopartículas mesoporosas. En esta línea, se estudió la compatibilidad e
interacción en sistemas compuestos constituidos por una matriz híbrida,
nanopartículas mesoporosas y iones Ag+. Para ello, se seleccionó un sistema
híbrido basado en la condensación hidrolítica de tetraetilortosilicato (TEOS) y
glicidoxipropiltrimetoxisilano (GPTMS), correspondiente al sol TG. Se
analizaron las alternativas que permitieran maximizar la carga estable de Ag +
en el recubrimiento, tanto mediante la incorporación vía el dopado de la matriz
como pre-adsorbida en las nanopartículas MSN-NH2. Alternativamente, se
estudiaron sistemas nanocompuestos en los que la plata fue incorporada en
forma de nanopartículas metálicas soportadas en sílice mesoporosa (MSN-
Ag0).
Finalmente, se estudió el desempeño funcional de los recubrimientos
nanocompuestos mediante estudios de impedancia electroquímica en celda de
4 hilos, evolución de la banda plasmónica (UV-visible) y determinación de
cinéticas de lixiviación de Ag+ en medio acuoso. Complementariamente, los
IIresultados obtenidos se cotejaron con resultados microbiológicos obtenidos
mediante ensayos de difusión en agar y de adhesión bacteriana frente a cultivos
de E. coli. Estos resultados permiten proponer que mediante la implementación
de nanopartículas mesoporosas es posible obtener recubrimientos con elevado
grado de estabilidad fisicoquímica de la plata, tanto en su forma iónica como de
nanopartículas metálicas, confiriendo un notable potencial biotecnológico a los
recubrimientos nanocompuestos con nanopartículas mesoporosas.
Abstract: The general objective of this doctoral thesis was to develop new materials
with optimized structural and functional properties through nanostructure
control,
combining
sol–gel
chemistry
with
functionalized
mesoporous
nanoparticles loaded with silver.
Sol–gel chemistry is one of the most versatile tools for designing
advanced materials, as it enables the generation of organic–inorganic hybrid
matrices with high homogeneity, nanometric structural control, and adaptability
to diverse functionalities. Within this framework, the incorporation of
mesoporous nanoparticles and active metallic species into silica matrices has
emerged as an efficient strategy for producing coatings with enhanced
protective, antimicrobial, and functional properties. However, achieving
homogeneous nanoparticle dispersion, ensuring surface compatibility with sol–
gel matrices, and controlling silver aggregation within these systems remain
challenges that require detailed investigation. Accordingly, the specific aim of
this thesis was to implement mesoporous silica nanoparticles as a means of
controlling and stabilizing silver aggregation in coating systems with long-term
antibacterial performance.
To address this, mesoporous silica nanoparticles (MSN) of the MCM-41
type were synthesized via hydrolytic condensation of tetraethyl orthosilicate
(TEOS) in an alkaline aqueous solution of hexadecyltrimethylammonium
bromide (CTAB). The nanoparticles were calcined at 550 °C to remove the
surfactant and subsequently activated in acidic medium to increase the density
of surface –OH groups, which serve as active sites for subsequent condensation
reactions. (3-aminopropyl)triethoxysilane (APTES) was selected to modify the
nanoparticle surface with –NH2 groups, yielding MSN-NH2.
IVThe MSN-NH2 were then loaded with silver ions (Ag+), and the adsorption
process was studied in detail in both ethanolic and aqueous media through
adsorption isotherms. Complementarily, Ag+ adsorption in aqueous medium
was investigated by direct-current conductimetry. The stability of the MSN-
NH2/Ag+ system was further examined, along with the organic decomposition
and thermal reduction of silver ions, leading to an inorganic MSN-Ag0
nanoparticle system.
Subsequently, different approaches were explored for producing thin
organic–inorganic hybrid sol–gel coatings loaded with silver stabilized by
mesoporous nanoparticles. The compatibility and interactions within composite
systems (hybrid matrix / mesoporous nanoparticles / Ag+ ions) were analyzed.
A hybrid matrix based on the hydrolytic condensation of tetraethyl orthosilicate
(TEOS) and glycidoxypropyltrimethoxysilane (GPTMS), corresponding to the
sol TG, was selected. Strategies were evaluated to maximize the stable
incorporation of Ag+ into the coatings, either through matrix doping or pre-
adsorption in amino-functionalized mesoporous silica (MSN-NH2). Alternatively,
nanocomposite systems were studied in which silver was incorporated as
metallic nanoparticles supported on mesoporous silica (MSN-Ag0).
Finally, the functional performance of the nanocomposite coatings was
assessed by electrochemical impedance spectroscopy in a four-electrode cell,
monitoring of the plasmonic band (UV–visible), and determination of Ag+
leaching kinetics in aqueous medium. These results were complemented by
microbiological assays, including agar diffusion and bacterial adhesion tests
against E. coli cultures. The findings demonstrate that the incorporation of
mesoporous nanoparticles enables the development of coatings with high
physicochemical stability of silver, both as ions and metallic nanoparticles,
thereby endowing the nanocomposite coatings with significant biotechnological
potential.
