Hierarchical PLA platforms for molecular sensing, biomimetic interfaces, and therapeutic delivery

Abstract

(English) At the intersection of materials science and biomedicine, this thesis explores the development of bioinspired and biodegradable polymeric systems capable of supporting lipid bilayers and enabling functional applications in biosensing and biomedical delivery. Conducted within the Marie Skłodowska-Curie Innovative Training Network BioInspireSensing, this research reflects a collaborative effort involving Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) in Spain, the University of Teramo in Italy and the University of Warsaw in Poland. At the heart of this thesis lies the use of polylactic acid (PLA), a biocompatible and bioresorbable polymer, to develop two distinct yet complementary material platforms: nanostructures for biosensing and microparticles for therapeutic delivery. The first part of the work focuses on the fabrication of PLA nanomembranes and thin films, functionalized with PEG-cholesterol and bioactive peptides for sensing and to facilitate the stable immobilization of lipid bilayers. These biomimetic membrane systems were subsequently integrated into electrochemical sensors capable of detecting biologically relevant molecules—such as antioxidants and cholesterol—offering enzyme-free, biocompatible detection platforms with high sensitivity and selectivity. The second part of the thesis shifts focus to the design of PLA-based microparticles as delivery vehicles. Porous PLA microparticles functionalized with PEG-cholesterol were developed for the targeted and controlled release of therapeutic agents, including the anticancer drugs curcumin and tamoxifen. These systems were evaluated through in vitro studies to evaluate drug release profiles, confirm cytocompatibility, and examine the antitumor efficacy of the microparticles in model cancer cell lines. Taken together, these two material systems highlight the remarkable versatility of PLA as a foundation for building hierarchical, multifunctional biointerfaces. By connecting advances in molecular sensing, biomimetic membrane design, and therapeutic delivery, this work pushes forward the development of next-generation biodegradable materials with real potential in areas like implantable sensors, smart drug delivery systems, and bioelectronic devices. Beyond its technical contributions, the thesis reflects the collaborative and interdisciplinary spirit of the BioInspireSensing network—bringing together insights from materials science, molecular engineering, and biomedical research.

(Català) A la intersecció entre la ciència de materials i la biomedicina, aquesta tesi explora el desenvolupament de sistemes polimèrics bioinspirats i biodegradables capaços de suportar bicapes lipídiques i permetre aplicacions funcionals en biosensat i administració biomèdica. Realitzada dins del marc de la Xarxa de Formació Innovadora Marie Skłodowska-Curie BioInspireSensing, aquesta recerca reflecteix un esforç col·laboratiu entre la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) a Espanya, la Universitat de Teramo a Itàlia i la Universitat de Varsòvia a Polònia. El nucli d’aquesta tesi rau en l’ús de l’àcid polilàctic (PLA), un polímer biocompatible i bioabsorbible, per desenvolupar dues plataformes materials diferents però complementàries: nanoestructures per al biosensat i micropartícules per a l’alliberament terapèutic. La primera part del treball se centra en la fabricació de nanomembranes i pel·lícules primes de PLA, funcionalitzades amb PEG-colesterol i pèptids bioactius per al sensat i la immobilització estable de bicapes lipídiques. Aquests sistemes biomimètics es van integrar en sensors electroquímics capaços de detectar molècules biològicament rellevants—com antioxidants i colesterol—oferint plataformes de detecció biocompatibles, sense enzims, amb alta sensibilitat i selectivitat. La segona part de la tesi es concentra en el disseny de micropartícules de PLA com a vehicles per a l’alliberament terapèutic. Es van desenvolupar micropartícules poroses de PLA funcionalitzades amb PEG-colesterol per a l’alliberament dirigit i controlat d’agents terapèutics, com els fàrmacs anticancerígens curcumina i tamoxifè. Aquests sistemes es van avaluar mitjançant estudis in vitro per analitzar els perfils d’alliberament, confirmar la citocompatibilitat i examinar l’eficàcia antitumoral de les micropartícules en línies cel·lulars model de càncer. En conjunt, aquests dos sistemes materials posen de manifest la notable versatilitat del PLA com a base per construir biointerfícies jeràrquiques i multifuncionals. Connectant els avenços en sensat molecular, disseny de membranes biomimètiques i administració terapèutica, aquest treball impulsa el desenvolupament de materials biodegradables de nova generació amb un potencial real en àrees com sensors implantables, sistemes intel·ligents d’alliberament de fàrmacs i dispositius bioelectrònics. Més enllà de les seves contribucions tècniques, la tesi reflecteix l’esperit col·laboratiu i interdisciplinari de la xarxa BioInspireSensing, reunint coneixements de la ciència de materials, l’enginyeria molecular i la recerca biomèdica

(Español) En la intersección entre la ciencia de materiales y la biomedicina, esta tesis explora el desarrollo de sistemas poliméricos bioinspirados y biodegradables capaces de soportar bicapas lipídicas y permitir aplicaciones funcionales en biosensado y administración biomédica. Realizada en el marco de la Red de Formación Innovadora Marie Skłodowska-Curie BioInspireSensing, esta investigación representa un esfuerzo colaborativo entre la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) en España, la Universidad de Teramo en Italia y la Universidad de Varsovia en Polonia. En el núcleo de esta tesis se encuentra el uso del ácido poliláctico (PLA), un polímero biocompatible y bioabsorbible, para desarrollar dos plataformas materiales distintas pero complementarias: nanoestructuras para biosensado y micropartículas para administración terapéutica. La primera parte del trabajo se centra en la fabricación de nanomembranas y películas delgadas de PLA, funcionalizadas con PEG-colesterol y péptidos bioactivos para el sensado y la inmovilización estable de bicapas lipídicas. Estos sistemas biomiméticos se integraron en sensores electroquímicos capaces de detectar moléculas biológicamente relevantes—como antioxidantes y colesterol—ofreciendo plataformas de detección biocompatibles, sin enzimas, con alta sensibilidad y selectividad. La segunda parte de la tesis se enfoca en el diseño de micropartículas de PLA como vehículos de liberación terapéutica. Se desarrollaron micropartículas porosas de PLA funcionalizadas con PEG-colesterol para la liberación dirigida y controlada de agentes terapéuticos, incluidos los fármacos anticancerígenos curcumina y tamoxifeno. Estos sistemas fueron evaluados mediante estudios in vitro para analizar los perfiles de liberación, confirmar su citocompatibilidad y examinar la eficacia antitumoral de las micropartículas en líneas celulares modelo de cáncer. En conjunto, estos dos sistemas materiales ponen de manifiesto la notable versatilidad del PLA como base para construir biointerfaces jerárquicas y multifuncionales. Al conectar los avances en sensado molecular, diseño de membranas biomiméticas y administración terapéutica, este trabajo impulsa el desarrollo de materiales biodegradables de próxima generación con verdadero potencial en áreas como sensores implantables, sistemas inteligentes de liberación de fármacos y dispositivos bioelectrónicos. Más allá de sus contribuciones técnicas, la tesis refleja el espíritu colaborativo e interdisciplinario de la red BioInspireSensing, integrando conocimientos de la ciencia de materiales, la ingeniería molecular y la investigación biomédica.