Pequeñas partículas de grandes efectos

La nanotecnología continúa su expansión

Redacción Interempresas14/10/2011

14 de octubre de 2011

Hoy en día, la mayoría de las innovaciones se centran en los materiales y superficies. De hecho, el progreso en estos campos ha hecho posible la aparición de infinidad de productos con novedosas funciones: desde los aditivos para barnices o plásticos hasta los catalizadores, pasando por las membranas, los agentes terapéuticos y las aplicaciones de diagnóstico. Este tipo de innovaciones beneficia a un amplio espectro de sectores donde la nanotecnología, que marca la pauta de estos nuevos desarrollos, está desempeñando un papel decisivo.

Durante las dos últimas décadas se ha producido una explosión de las actividades de investigación y desarrollo en el ámbito de la nanotecnología con una considerable inversión y esfuerzo por parte de universidades, empresas (desde pequeñas organizaciones de reciente creación hasta corporaciones líderes en todos los segmentos de la industria de los procesos químicos) y organizaciones de investigación gubernamentales y militares de todo el mundo.

En la actualidad, muchos creen que la nanotecnología es la tecnología clave del siglo XXI. Los materiales nanoescalados y las técnicas de producción nanotecnológicas ya se emplean en la producción de materiales compuestos que presentan una mejora de propiedades como la electroconductividad, la actividad catalítica, la dureza, la resistencia a los arañazos o la autolimpieza, y productos de consumo (como los cosméticos y los filtros solares) con una estética y eficiencia optimizadas.

También se están desarrollando aplicaciones nanotecnológicas para aumentar el rendimiento de los sensores de gas y otros dispositivos de control industriales, para potenciar la actividad de distintos catalizadores, y para producir células de combustible mejoradas y baterías más ligeras y duraderas. En el ámbito de la medicina, se está investigando un imaginativo conjunto de partículas nanoescaladas que permitirán aumentar la eficacia de potentes medicamentos contra el cáncer en el cuerpo humano. Dichas partículas pueden hacer que estos agentes se acumulen preferentemente dentro de los tumores y otras células cancerígenas, salvaguardando así el tejido sano circundante y minimizando los devastadores efectos colaterales que a menudo conllevan la quimioterapia y los tratamientos contra el cáncer que emplean radiaciones.

foto

La mejora en las propiedades de los materiales aumenta el rendimiento

Dada la relación inversa que existe entre el tamaño de la partícula y la superficie, las diminutas nanopartículas disponen de una superficie extraordinariamente amplia, haciendo que muchos materiales (incluidos los metales, los óxidos metálicos, varias formas de silicio, arcillas y nuevos compuestos del carbono) mejoren numerosas propiedades y características físicas con respecto a su formulación en partículas macroscópicas.

Nanotubos de carbono

Un tipo de estructura a escala nanométrica concreta que está suscitando bastante interés es el nanotubo de carbono. Aplicados por primera vez a principios de los noventa por los investigadores de ingeniería química de la Universidad Rice, Houston, los nanotubos de carbono son en la actualidad objeto de estudio en innumerable universidades y empresas: Hyperion Catalysis International, Carbon Nanotechnologies, Showa Denko K.K., Mitsui & Co., el Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología Industrial Avanzada de Japón, el Instituto de Tecnología de Tokio y un largo etcétera. Estas organizaciones están trabajando en el desarrollo y perfeccionamiento de formas comercialmente viables de producir nanotubos de carbono, y de nuevas aplicaciones que aprovechen sus propiedades estructurales, mecánicas y electrónicas únicas. No obstante, es una empresa alemana la que probablemente producirá por primera vez nanotubos de carbono (CNT) con fines comerciales a gran escala: Bayer MaterialScience y Bayer Technology Services han logrado una producción de CNT más rentable. Ahora se encuentran en proceso de escalamiento de este procedimiento (véase www.baytubes.com). Por su parte, el grupo francés Arkema produce aproximadamente 5 toneladas de nanotubos de carbono multipared al año.

Los nanotubos de carbono son cilindros perfectos, compuestos por átomos de carbono hexagonalmente dispuestos, cerrados en ambos extremos por cofias hemisféricas cuyo diámetro mide unas decenas de nanómetros. Se pueden producir nanotubos monopared (SWNT) o multipared (MWNT). En general, los nanotubos de carbono disponen de una superficie de hasta 1.500 m2/g y de una densidad de 1,33-1,40 g/cm3. En función de su estructura pueden funcionar como conductores o semiconductores de la electricidad y el calor. Presentan una estabilidad térmica y química extraordinariamente elevada, son extremadamente elásticos (con un módulo de elasticidad de aproximadamente 1.000 GPa) y pueden soportar una elongación del 10-30% antes de romperse.

Pero quizás su característica más valiosa es su fuerza tensil, que puede superar los 65 GPa (con un valor previsto de hasta 200 GPa). Para ilustrar su capacidad, se suele decir que los nanotubos de carbono tiene una fuerza tensil 100 veces superior a la del acero con tan solo una sexta parte de su peso. Este destacado conjunto de propiedades materiales abre la puerta a un sinfín de aplicaciones industriales.

Los investigadores también están estudiando nuevas formas de obtención, y desarrollando y escalando los procesos ya probados para que la producción de los nanotubos de carbono sea rentable (y pueda llevarse a cabo en masa). La clave radica en lograr producir nanotubos con dimensiones constantes y predecibles, niveles de pureza aceptables y defectos estructurales mínimos (dado que estos pueden modificar radicalmente el comportamiento previsto de las partículas nanoescaladas).

En la actualidad, los nanotubos de carbono se están integrando en distintas matrices, incluidos los fluoropolímeros, como el etileno-tetrafluoroetileno (ETFE) y el fluoruro de polivinilideno (PVDF). De este modo se busca producir compuestos ultraligeros con una fuerza excepcional y otras ventajas funcionales con respecto a los materiales convencionales, que permitan crear avanzadas membranas de película delgada, fibras, espumas y revestimientos. Estos innovadores compuestos ya se están utilizando en numerosas aplicaciones del sector del automóvil, la electrónica y la manipulación de materiales: concretamente en aquellas que requieren un control preciso de la electricidad estática, una mejora de la resistencia química, una barrera para la permeación química superior, propiedades de lubricación inherentes y una mayor resistencia frente al deslizamiento con respecto a los materiales convencionales que no están reforzados con nanotubos. Además se están estudiando como componentes clave en los avanzados sensores, dispositivos electrónicos y ópticos, catalizadores, baterías y células de combustible del futuro. En este último caso, por ejemplo, se ha demostrado que el uso de nanotubos de carbono mejora el rendimiento de las células de combustible industriales y al mismo tiempo reduce en gran medida la cantidad de catalizador de platino necesaria.

Los investigadores de la NASA también están desarrollando nanocompuestos de poliimida que incorporan SWNT para mejorar la resistencia a la radiación y la rotura, y la conductividad térmica y eléctrica, características estas importantes para la construcción de aviones y naves espaciales.

Aplicaciones comerciales de la nanotecnología

Compuestos poliméricos

Además de los nanotubos de carbono, las nanopartículas de otros muchos materiales se están utilizando como aditivos funcionales en la producción de varios compuestos avanzados. La mezcla de pequeñas cantidades de estas diminutas partículas en varias resinas poliméricas da lugar a innovadores compuestos que presentan importantes mejoras en sus características materiales: conductividad eléctrica, actividad catalítica, dureza y la resistencia a los arañazos, propiedades ignífugas, características de barrera de difusión, e incluso funciones de autolimpieza (o facilidad de limpiar) y propiedades antimicrobianas. DuPont, BASF, Degussa, Toyobo y otros se encuentran a la vanguardia en este campo.

El uso de partículas nanoescaladas como aditivos funcionales permite utilizar cargas mucho más bajas que con los aditivos convencionales. Por ejemplo, un nanocompuesto normalmente contiene un 3-5% de su peso en nanoarcilla u otras nanopartículas, mientras que los compuestos reforzados convencionales suelen requerir la adición de un 20-40% de su peso en relleno micrométrico, como el talco, la mica, el carbonato de calcio, el amianto, el grafito y varios óxidos. Estos índices de carga relativamente altos tiene algunas desventajas, como la reducción de la claridad del polímero (las inclusiones micrométricas hacen que se pierda transparencia porque dispersan la luz), el aumento de la fragilidad y una mayor densidad. En cambio, estos efectos no se producen cuando se utilizan proporciones de partículas nanoescaladas relativamente diminutas.

Cerámicas avanzadas

Las cerámicas de alto rendimiento tradicionales se producen con polvos cuyos constituyentes poseen un diámetro inferior a un micrómetro o 1.000 nanómetros. Sin embargo, si bien los productos cerámicos acabados suelen ser resistentes a las altas temperaturas y la corrosión, son frágiles y difíciles de trabajar. La producción de cerámicas con polvos compuestos por partículas mucho menores (de 100 nanómetros de diámetro o menos) ha demostrado mejoras notables.

Por ejemplo, los polvos nanoescalados de circonio (ZrO2) y aluminio (Al2O3) se utilizan como componente de cerámicas estructurales con una mayor dureza y resistencia a la fractura y el astillado. El uso de estas cerámicas optimizadas es cada vez más frecuente en equipos industriales que normalmente experimentan altas temperaturas, condiciones de funcionamiento duras y un desgaste excesivo, como por ejemplo los componentes de las bombas, las herramientas de corte y extrusoras, los cojinetes y juntas, los filtros y membranas de alta temperatura, los materiales refractarios, los catalizadores, los sensores avanzados, los componentes electrónicos, y los componentes del motor de los automóviles.

El uso de polvos cerámicos nanoescalados presenta una ventaja adicional. Dado que existe una fuerte relación entre la temperatura de sinterización y el tamaño de la partícula, se ha demostrado que la posibilidad de reducir el tamaño de la partícula del material inicial a aproximadamente 20 nanómetros reduce la temperatura de sinterización del circonio de 1.400 °C a 1.110 °C.

Degussa ha mejorado la seguridad de las baterías de ión de litio gracias a Separion. Cuando las baterías de ión de litio convencionales se rompen, pueden incendiarse. En cambio, Separion reduce en gran medida esta posibilidad, ya que de la batería solo puede salir una nube muy pequeña, bastante inofensiva, evitando que se genere un calor extensivo. Además, Degussa ha desarrollado un revestimiento cerámico para las paredes en su centro Nanotronics que saldrá al mercado dentro de poco.

Productos de consumo

Los fabricantes de filtros solares, cosméticos y otros productos de cuidado personal han descubierto que el uso de versiones a escala nanométrica de aditivos comunes puede mejorar la efectividad y aspecto de muchos productos en comparación con las fórmulas convencionales. Por ejemplo, existen nuevos métodos asequibles para producir y utilizar partículas nanoescaladas de las sustancias que comúnmente se utilizan para bloquear los rayos ultravioleta, el óxido de titanio (TiO2) y el óxido de cinc (ZnO), que permiten a los fabricantes de filtros solares emplear estos agentes de bloqueo de amplio espectro en la elaboración de lociones transparentes, estéticamente superiores a las cremas de óxido blancas y opacas que son la seña de identidad de surferos y socorristas. Del mismo modo, las nanopartículas de TiO2 se utilizan para añadir características de bloqueo de los rayos ultravioleta a los barnices, fibras textiles y películas de los envases. Merck produce nanopartículas que mejoran el aspecto de la piel arrugada. Estas reflejan la luz, y cuando se aplican a una arruga, iluminan su interior. De este modo da la sensación de que arruga no es tan profunda como antes (o incluso de que ha desaparecido).

Productos de pulido para semiconductores

Uno de los usos de las nanopartículas más consolidados es el que se hace durante la planarización mecánica química (CMP): un proceso de pulido extremadamente preciso que se utiliza durante la producción de circuitos integrados en chips semiconductores. Durante la CMP, las partículas nanoescaladas de materiales abrasivos (normalmente óxidos de aluminio y circonio, silicio coloidal o pirógeno, y cerio con diámetros de 20-300 nm) se formulan en un agente de pulido que se utiliza para alisar y perfeccionar las capas metálicas y dieléctricas de los circuitos integrados de silicio. Las superficies de pulido para aplicaciones ópticas con nanopartículas es uno de los campos de investigación del German Competence Center for Ultra Precise Surfaces, en Brunswick (www.upob.de).

Sensores de gas y otros dispositivos analíticos

La comunidad científica también trabaja con ahínco en el aprovechamiento de la extraordinaria superficie y aumento de las propiedades catalíticas y reactividad de muchos materiales nanoescalados para desarrollar sensores de gas altamente sensibles y otros dispositivos analíticos (por ejemplo, los que utilizan para comprobar la calidad de los alimentos, mejorar la detección de enfermedades, y controlar posibles riesgos químicos, biológicos, radiológicos y nucleares).

Los sensores de gas de óxido de metal resistivo (que utilizan, por ejemplo, óxidos de cinc, estaño, titanio e hierro) basan su funcionamiento en un cambio en la conductividad eléctrica en la superficie del sensor cuando este entra en contacto con el gas objetivo. El uso de partículas nanoescaladas de materiales clave puede aumentar en gran medida la sensibilidad para detectar el gas, la selectividad y el tiempo de respuesta, ya que aumenta considerablemente la superficie reactiva en la punta de la sonda.

En el campo de la cromatografía de gases se están logrando avances similares. Por ejemplo, hasta ahora los módulos de cromatografía de gases (GC) miniaturizados para los analizadores de gas se habían limitado a aplicaciones que implicaban la medición de compuestos orgánicos. Recientemente, SLS Microtechnology GmbH y los investigadores de la Universidad Técnica de Hamburgo-Harburgo han desarrollado columnas de GC en miniatura (del tamaño de una tarjeta de crédito) que están dotadas de nanotubos de carbono monopared en un circuito integrado de silicio. Según los investigadores, el nuevo sistema posibilita la descomposición de gases inorgánicos como el CO2, NOx y O2.

Aplicaciones catalíticas y fotocatalíticas

El desarrollo de catalizadores de alta eficiencia también aprovecha la enorme superficie que ofrecen las partículas nanoescaladas. Por ejemplo, las nanopartículas de oro se utilizan para mejorar los procesos de oxidación a baja temperatura, incluida la oxidación del monóxido de carbono en una corriente de hidrógeno, la oxidación selectiva del propeno en propileno, y la oxidación de sustancias químicas que contienen nitrógeno.

Del mismo modo, cuando se exponen a la luz ultravioleta (UV), las sustancias fotocatalíticas, como la forma anatasa del dióxido de titanio (TiO2), absorben en gran medida la radiación UV. En presencia del agua, el oxígeno y la luz UV, estas sustancias generan radicales libres que descomponen las sustancias químicas no deseadas y reducen las fuerzas adhesivas que unen la suciedad y las algas a distintas superficies. Este efecto fotocatalítico se está aprovechando en varias aplicaciones comerciales, como la purificación del agua y el aire, o para dotar distintas superficies de propiedades autolimpiables, antimicrobianas y antialgas. Por ejemplo, se ha aplicado para descomponer el hollín en las paredes de los túneles de las autovías en Japón.

Mecanismos para la administración de medicamentos y tratamientos

Hoy en día, los avances en nanotecnología aplicados a la medicina y la sanidad pueden revolucionar este campo. En la actualidad, se está buscando una gran variedad de nanomateriales biocompatibles que permitan desarrollar tejidos y órganos artificiales, y prótesis de cadera y de rodilla mejorados. Por ejemplo, los investigadores de GfE Medizintechnik GmbH, Núremberg, Alemania, han desarrollado un proceso de revestimiento basado en la nanotecnología que mejora la biocompatibilidad de los materiales de los implantes a base de polímeros convencionales (que tienden a las inflamaciones o rechazos) añadiendo una capa de titanio de tan solo 30-50 nm de espesor.

En esta misma línea, los investigadores de la Universidad Purdue han descubierto una forma de revestir las articulaciones artificiales de titanio con una espesa capa de nanotubos formados por anillos de ácido desoxirribonucleico (ADN) autoensamblados, que hace que los implantes médicos, como las prótesis de cadera, sean menos irritantes para el cuerpo humano. Estos nanotubos están compuestos de guanina y citosina, dos de las moléculas básicas de los genes.

Por otro lado, uno de los avances nanotecnológicos más prometedores del entorno médico es el uso de materiales y dispositivos nanoescalados para mejorar el diagnóstico del cáncer y crear nuevas formas de dirigir la administración de los potentes, y a menudo tóxicos, medicamentos quimioterapéuticos, reduciendo así sus efectos de limitación de la dosis.

En oncología se sabe que, cuando se detectan de forma temprana, muchos tipos de cáncer se pueden tratar, y una pronta intervención ofrece mejores resultados. En consecuencia, el diseño de estrategias más efectivas en la detección del cáncer (a escala molecular, antes de que se formen tumores en un estadio avanzado) también es un campo de interés para los investigadores de la nanomedicina en la actualidad.

Diagnóstico médico

Durante las dos últimas décadas, la evolución de los nanocristales semiconductores fluorescentes, conocidos como puntos cuánticos, ha marcado el comienzo de una nueva era en el diagnóstico médico y en el laboratorio. Estos nanocristales normalmente están compuestos por seleniuro de cadmio, sulfuro de cadmio o telururo de cadmio, y cuentan con un revestimiento de polímero inerte. Dicho revestimiento salvaguarda las células humanas de la toxicidad potencial del cadmio, y al mismo tiempo permite a los desarrolladores de los medicamentos unir distintas moléculas que facilitan la asimilación preferencial de puntos cuánticos (y otras nanopartículas) por parte de las células objetivo.

Al modificar el diámetro de los puntos cuánticos, estos pueden absorber y emitir luz con distintas longitudes de onda, pudiéndose así codificar mediante colores. En consecuencia, los puntos cuánticos se pueden utilizar para codificar con colores y seguir distintos procesos celulares, diferentes tipos de cáncer o distintas fases del mismo cáncer. Por ejemplo, los investigadores de la UCLA y la Universidad Stanford etiquetaron los puntos cuánticos con un isótopo que emite positrones y los inyectaron en ratones. Después, mediante el escáner de tomografía por emisión de positrones (TEP), los investigadores pudieron observar cómo los puntos cánticos avanzaban por el sistema vascular hasta el hígado con el tiempo. El Profesor Weiler, de la Universidad de Hamburgo, Alemania, ha sintetizado nanopartículas y está probando una amplia gama de aplicaciones.

Por otro lado, los investigadores de la Universidad de Texas, en Austin, y el MD Anderson Cancer Center de Houston han desarrollado una fórmula soluble en agua que contiene puntos cuánticos fluorescentes etiquetados con un anticuerpo monoclonal que se adhiere al receptor del factor de crecimiento epidérmico (RFCE). Este, según se cree, es un marcador predictivo precoz del cáncer de cuello de útero. Gracias a estos puntos cuánticos etiquetados, que se iluminan cuando reciben la luz, los investigadores de Texas pudieron distinguir las células cultivadas que producían un exceso de RFCE de aquellas que no lo hacían.

Los investigadores de la Universidad de Vanderbilt han descubierto una forma de modificar puntos cuánticos uniendo pequeños trozos del polietilén glicol (PEG) biocompatible para reducir considerablemente la vinculación no específica con varios tipos de células. Entre las empresas que participan en la producción y el uso de los puntos cuánticos se incluyen Evident Technologies e Invitrogen Corp. (que recientemente ha adquirido Quantum Dot Corp. y la unidad de negocio BioPixels de BioCrystal, Ltd.).

Cuando trataban de aumentar la eficiencia de la imagen por resonancia magnética (IRM), los investigadores de la Universidad Yonsei, en Seúl, Corea del Sur, descubrieron que inyectando una fórmula de nanocristales magnéticos etiquetados con un anticuerpo concreto (uno que se fija firmemente en las células del cáncer de mama) en ratones, esta viajaba rápidamente hasta la ubicación de los tumores, permitiendo detectar la células cancerígenas mediante un escáner IRM una hora después de la inyección. Alnis Biosciences también ha desarrollado una fórmula de nanopartículas magnéticas para mejorar la detección de tumores mediante IRM.

Los investigadores de la Universidad Purdue están utilizando diminutos “nanobastones” de oro, que son casi 200 veces más pequeños que un glóbulo rojo, para crear una técnica de imagen médica ultrasensible para las células. Al inyectar los bastones en el torrente sanguíneo de los ratones, e iluminarlos con láser a través de la piel, estos investigadores fueron capaces de producir imágenes casi 60 veces más brillantes que las que se obtienen con los tintes fluorescentes convencionales.

Por otro lado, los científicos de la Universidad Rice han insertado gadolinio en nanotubos de carbono para producir agentes de contraste mejorados para la IMR de alta resolución. Schering está comercializando su agente de contraste Gadomer, que contiene gadolinio complejado con dendrímeros (nanopartículas orgánicas con forma de árbol creadas de la nada).

foto

Administración de medicamentos dirigida

Los pioneros en nanotecnología trabajan en la actualidad para sintetizar y desplegar una variada gama de estructuras nanoescaladas cuyo objetivo es mejorar la forma de administración de agentes terapéuticos de alta eficacia. Estas incluyen nanopartículas poliméricas y dendrímeros biodegradables y biocompatibles, así como nanocápsulas de silicio-oro, que pueden pasar diminutas cargas de medicamentos contra el cáncer o agentes de imagen a las células cancerígenas. El Profesor Kreuter, de la Universidad de Frankfurt/Main, ha desarrollado un medicamente nanoencapsulado para el tratamiento de los glioblastomas, un tipo de cáncer cerebral. Los glioblastomas no se pueden eliminar mediante cirugía porque forman una especie de tela de araña en el cerebro. Por lo tanto, en la actualidad los glioblastomas son 100% letales. Dado que los productos farmacéuticos para el cáncer normales no pueden atravesar la barrera hematoencefálica, el tratamiento con estos medicamentos convencionales no funciona. En cambio, si se introduce el medicamento en una cápsula de “alimento para el cerebro”, el organismo cree que solo está transportando nutriente al cerebro cuando también lleva el agente terapéutico.

En la mayoría de las aplicaciones de administración de medicamentos a nanoescala, el encapsulado del tratamiento contra el cáncer o el agente de imagen tan solo permite ganar la mitad de la batalla. Para conseguir que las diminutas partículas se acumulen preferentemente en las células objetivo, los investigadores están intentando vincular distintos ligandos selectivos, como los péptidos, las proteínas o los anticuerpos, a la superficie de las nanopartículas.

También se están llevando a cabo estudios para diseñar mecanismos de activación eficaces que permitan a estos diminutos caballos de Troya, una vez acumulados en las células cancerígenas, liberar su carga en función de las necesidades, bien de una sola vez o de forma gradual.

Según su fabricante, los pacientes tratados con Abraxane asimilan de forma segura un 50% más de paclitaxel por dosis que aquellos que solo toman este medicamento. Además, un ensayo clínico llevado a cabo entre 454 pacientes con cáncer de mama metastásico demostró que aquellos que tomaban Abraxane lograban un índice de respuesta frente al tumor de casi el doble que aquellos que solo tomaban paclitaxel.

A diferencia del Abraxane, que emplea nanopartículas a base de albúminas, los investigadores de la Universidad de Rutgers, Insert Therapeutics, la Universidad Nacional de Singapur, la Universidad de Cardiff en Gales, el Centro Médico de la Universidad de Nebraska, Alnis Biosciences, Access Pharmaceuticals, pSivida, MIV Therapeutics Limited, Elan Corp. y EntreMed, entre otros, están desarrollando nanopartículas a base de polímeros biocompatibles para mejorar la administración de potentes medicamentos contra el cáncer.

Otro tipo de innovadora estructura nanoescalada aparecida durante la última década es la de los dendrímeros arborescentes, cuyo uso para la administración intracelular de medicamentos también está siendo objeto de una activa investigación. Sintetizados a partir de monómeros, los dendrímeros poseen una configuración arborescente tridimensional de tamaño aproximado de una proteína media, y sus múltiples ramas ofrecen una extraordinaria superficie que posibilita la adhesión de medicamentos para los tumores, agentes de imagen y moléculas selectivas.

Starpharma Holdings Ltd. ha desarrollado VivaGel: supuestamente la primera aplicación a base de dendrímeros que se ha presentado a la Administración de Alimentos y Medicamente (FDA) estadounidense para su autorización normativa. VivaGel es un microbicida tópico vaginal diseñado para prevenir la transmisión del VIH, el herpes genital y otras enfermedades de transmisión sexual. En la actualidad se han iniciado los ensayos clínicos de la Fase II del producto.

Hace algunos años, la FDA puso VivaGel en la “vía rápida”, una designación que permite superar el proceso de autorización normativa con mayor rapidez a los productos que tratan condiciones graves o que suponen una amenaza para la vida.

Los investigadores de Dendritic NanoTechnologies (DNT), la Universidad de Michigan y Avidimer Therapeutics también están desarrollando tratamientos contra el cáncer basados en dendrímeros.

Cómo conseguir que los nanoportadores liberen su carga

En la actualidad se está estudiando un imaginativo conjunto de mecanismos de activación que proporcionan mayor control sobre el momento y la forma en que un vehículo nanoescalado libera su carga de medicamento dentro de una célula. Los investigadores de la Universidad Northwestern, del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) y de la Universidad de Tokio, por ejemplo, han desarrollado nanopartículas sensibles al pH que se disuelven cuando entran en contacto con el pH ácido del interior de las células cancerígenas.

Los investigadores de la Universidad de Melbourne están utilizando revestimientos de oro para ayudar a sus nanopartículas de polímeros a liberar su carga de enzimas o medicamento en función de las necesidades. Mediante un impulso de luz láser de un nanosegundo (que las nanopartículas de oro absorben rápidamente), los investigadores pudieron romper sus paredes y liberar el contenido.

Por otro lado, los investigadores de la Facultad de Medicina de la Universidad de Washington han demostrado que, cuando se someten a ultrasonido durante cinco minutos, las células de melanoma cultivadas asimilan diez veces más nanopartículas de perfluorocarbono líquido que cuando no se aplica ultrasonido. Los investigadores creen que la exposición al ultrasonido mejora el intercambio de moléculas entre las nanopartículas solubles en la grasa y los lípidos (moléculas grasas) que conforman las membranas celulares.

Ablación térmica

Si bien las nuevas plataformas de administración de medicamentos resultan muy prometedoras, otro método para el tratamiento del cáncer basado en la nanotecnología que se está afianzando entre los investigadores es el tratamiento no invasivo de las células cancerígenas (no mediante medicamentos, sino con calor) para destruir las células malignas desde su interior. A pesar de que cada uno de los enfoques varía, todos se basan en un mismo concepto: en primer lugar, se introduce algún tipo de nanopartícula magnética en las células cancerígenas o tumores, y después, se aplica una fuente de energía externa (es decir, activación a través de luz láser o exposición a un campo magnético oscilante) para generar un calor que destruye las células enfermas. Los investigadores están evaluando el uso de nanotubos de carbono, nanopartículas de óxido de hierro magnético, nanocápsulas y nanoceldas de oro que actúan como “escalpelos térmicos”.

Las instituciones científicas y empresas que estudian estas aplicaciones incluyen, entre otras, la Universidad Rice, Nanospectra Biosciences, el MD Anderson Cancer Center, Oak Ridge National Laboratory, la Universidad de California - San Francisco (UCSF), el Instituto de Tecnología de Georgia, la Universidad de París, Triton Biosystems, MagForce Nanotechnologies GmbH, la Universidad de Stanford, la Universidad de Delaware y el Kimmel Cancer Center de la Universidad Thomas Jefferson.

En lo que respecta al cáncer, la nanotecnología no debería considerarse la panacea, ya que solo el tiempo dirá si los prometedores avances actuales en este campo pasarán con éxito las pruebas de concepto para llegar a los ensayos clínicos en seres humanos a gran escala y finalmente convertirse en prácticas clínicas y terapias autorizadas y comercialmente disponibles. No obstante, la ingeniosa aplicación de conceptos, materiales y sistemas nanotecnológicos constituye un soplo de aire fresco que está llevando mucha esperanza al campo del diagnóstico y el tratamiento oncológico.

Formas de producción

En la actualidad ya existen o se están desarrollando varios métodos para producir nanopartículas de distintos materiales. En general, son seis los métodos más utilizados para la producción de partículas nanoescaladas (de aproximadamente 1-100 nanómetros de diámetro) de distintos materiales:

  • Los métodos del arco de plasma y la hidrólisis de llama (incluida la ionización de llama) suponen el uso de plasma a alta temperatura o de un reactor de ionización de llama (ambos implican métodos de gas a partícula y de gotita a llama)
  • La deposición química de vapor (CVD), en la que el material de partida se vaporiza y después se condensa sobre una superficie, normalmente en vacío
  • Las técnicas de electrodeposición, por las que se aíslan especies con un control preciso a partir de una solución hasta formar un película de superficie nanoescalada
  • La síntesis sol-gel, un método húmedo-químico que permite sintetizar materiales nanoescalados de alta pureza y homogeneidad a bajas temperaturas y en condiciones más suaves que con métodos de alta temperatura similares (el método inorgánico o “coloidal“emplea sales metálicas en una solución acuosa, como el cloruro, oxicloruro o nitrato, como materias primas; el método metal-orgánico o”alcóxido” emplea alcóxidos de metal en disolventes orgánicos)
  • l aplastamiento mecánico mediante molino de bolas, que pulveriza materiales de partida convencionales (como los óxidos metálicos) a través de molinos de bolas de alta energía convencionales
  • El uso de nanomateriales que se producen de forma natural; algunos materiales que se producen de forma natural, como las ceolitas, se pueden sintetizar y modificar mediante la química convencional para generar partículas de dimensiones nanoescaladas

Además de las técnicas demostradas que se han mencionado anteriormente, existen otros métodos prometedores para producir partículas nanoescaladas de varios metales. Estos incluyen:

  • Los reactores de llama o llama de chorro, que introducen una llama adicional detrás de la zona de reacción para transformar los agregados en partículas esféricas de forma más eficaz
  • Procesos de plasma mejorados, diseñados para favorecer una refrigeración más rápida y producir menos aglomerados
  •  Los métodos de procesamiento sonoquímicos, en los que un proceso de cavitación acústica genera una zona caliente localizada transitoria con un gradiente de temperatura y presión extremadamente alto
  • Los procesos de cavitación hidrodinámica, en los que se generan nanopartículas mediante la creación y emisión de burbujas de gas dentro de una solución sol-gel
  • Las técnicas de microemulsión, que prometen sintetizar silicio semiconductor metálico, sulfato de bario, nanopartículas magnéticas y superconductoras
  • Tecnologías de perlado
  • Química molecular

Los sectores más críticos con la nanotecnología instan a la precaución

Los nanomateriales presentan propiedades modificadas como consecuencia del aumento de la relación superficie/volumen, una mayor energía superficial y un tamaño de la partícula reducido. La alteración de estas características podría dar lugar a distintas propiedades toxicológicas y ecotoxicológicas de la masa interior del material. Estos posibles cambios en las propiedades de la sustancia suscitan en la actualidad un debate a escala internacional sobre la idoneidad de las tecnologías y metodologías de medición de la exposición y estrategias de ensayo toxicológico existentes para valorar los posibles peligros, y en consecuencia analizar los riesgos potenciales de los nanomateriales. Los nanomateriales tienen que ser seguros para el ser humano y el medio ambiente. Para garantizar un uso responsable de estos, es preciso que las instituciones de investigación públicas y privadas de todo el mundo prosigan con el intenso estudio sobre su seguridad que están llevando a cabo en la actualidad.

VÍDEOS DESTACADOS

TOP PRODUCTS

ENLACES DESTACADOS

Smagua 2017Exposólidos

ÚLTIMAS NOTICIAS

OPINIÓN

OTRAS SECCIONES

SERVICIOS