TALLER DE NTICS Nombre: José Campos Nivel: 2A Electrónica Fecha: 01/06/16 NANOTECNOLOGÍA ¿QUÉ ES? La nanotecnología es la revolución tecnológica en curso. Se impondrá en uno o en cuatro decenios, pero todo indica que se impondrá. ¿Cuáles serán las consecuencias? Es algo imposible de prever, pero en los países desarrollados la preocupación pública busca adelantarse a los resultados imprevistos. Existen indicios sobre los posibles efectos de las nanopartículas en la salud, el medio ambiente y el poderío militar, así como sus consecuencias en los países menos desarrollados o aquellos que aún no se incorporan a la carrera de lo diminuto. Sin embargo, la mayor parte de los documentos sobre nanotecnología destaca que las consecuencias serán menores frente a las enormes ventajas para la sociedad 1. Ulrich Beck, Risk Society: Towards a New Modernity, Sage Pub., Londres, 1992. * Profesores del doctorado en Estudios del Desarrollo de la Universidad Autónoma de Zacatecas y COMERCIO EXTERIOR, ABRIL DE 2006 327 en términos de manipulación y control de los seres vivos (incluidos los humanos mismos), aumento de la productividad industrial y agropecuaria, descontaminación barata y rápida del aire y el agua, utilización de energías renovables limpias, etcétera. [ CITATION Fol06 \l 12298 ] HISTORIA La nanotecnología (deriva del griego nanno que significa enano) es el control de la materia a escalas de entre 1 y 100 nanómetros. Es la posibilidad de manejar las cosas a escala molecular, atómica y subatómica, lo que podría reportar beneficios increíbles a las sociedades presentes y futuras. Entre sus campos de aplicación se incluyen: medioambiente, exploración espacial, tecnologías de la comunicación e informática, sector energético, textil, construcción y arquitectura, agricultura, ganadería, electrónica, cosmética, industria militar, automovilística, seguridad personal y vial, higiene y salud pública, deportes, espionaje y reducción de la brecha digital, entre otras. El término fue acuñado en 1974 por el japonés Taniguchi Norio y fue Richard Feynman (premio Nobel de Física en 1965) con su famosa conferencia titulada "Hay mucho espacio en el fondo", quien marcó un hito para el desarrollo de la nanotecnología, haciendo ver la posibilidad de mover las cosas átomo por átomo. Se considera esta conferencia de Feynman, realizada en 1959, como uno de los referentes teóricos de lo que en la actualidad la comunidad científica internacional cataloga como uno de los proyectos más innovadores y ambiciosos de la ciencia moderna. El gran despertar de la nanotecnología comenzó a partir de los años 80, a partir del desarrollo de una amplia gama de microscopios de sonda de barrido, que logran imágenes a escala atómica.9 El descubrimiento de los nanotubos de carbono (NTC), nanobiosensores de exelentes propiedades mecánicas y eléctricas, realizado en Japón por Sumio Iijima en 1991. Hoy existen cerca de 3 mil productos generados con nanotecnología, la mayoría para usos industriales, aunque las investigaciones más avanzadas se registran en el campo de la medicina y la biología. [ CITATION Mej09 \l 12298 ]
MEDICINA
La nanomedicina es una rama de la de la nanotecnología con aplicaciones directas en Medicina, que podría permitir el abordaje de las enfermedades (diagnóstico, prevención y tratamiento) desde el interior del organismo. Además ésta capacidad mejoraría el conocimiento de de las vías de regulación y señalización que dirigen el comportamiento de las células normales y transformadas.
Dado el vertiginoso desarrollo de la ciencias, los profesionales de cualquier gremio debemos estar lo más actualizados posible sobre el acelerado avance de nuestras respectivas esferas; la nanotecnología es de las ciencias de avanzada que más está influenciando en todos los haberes del saber, y el campo de la Medicina no se queda fuera de esta nueva oleada científica-tecnológica.
Esta nueva ciencia ya esta influenciando en el gremio médico con prometedoras aplicaciones en dicho campo: La formación docente, de la carrera de Medicina en nuestro país se queda exenta de esta nueva revolución industrial que esta a las puertas de nuestra vida cotidiana. Para la formación de un futuro profesional de la Medicina es fundamental la nanotecnología, forma parte de su trabajo el mantenerse actualizado sobre los avances técnicos en su área tanto en su formación como estudiante así cuando pasa a la vida laboral como trabajador, máxime que tenemos que tener en cuenta que el perfil de graduado del estudiante de Medicina es muy amplio y es vital para estos alumnos puedan encontrar: técnicas que utilicen principios de nanotecnología. No hay referencia sobre el tema de nanotecnología en los planes de estudio sobre la importancia y los aportes que están haciendo.
Se presentaría una problemática que sería la falta de información (casi nula) para la formación académica del futuro médico de los aportes de la nanotecnología a las ciencias medicas que ya son más que palpables en esa área. [ CITATION Cua12 \l 12298 ] -
Nanosistemas El número de nanosistemas que se utilizan en Medicina está aumentando vertiginosamente; los más utilizados en la actualidad son los siguientes: • Liposomas: Liposomas: son vesículas en las que un volumen acuoso, que generalmente contiene el compuesto activo, es rodeado por una membrana fosfolipídica cuya estructura, composición y proporciones son prácticamente iguales a las de la membrana celular. Desde 1990 se los ha usado para la entrega de medicamentos. Estas vesículas pueden ser más pequeñas que los poros vasculares de los tumores sólidos, por lo que son excelentes transportadores de agentes quimioterapéuticos a los sitios blanco, en contraposición con los tejidos sanos en los que el tamaño de los poros vasculares impide el paso de sustancias unidas a un transportador cuyo tamaño sea superior a 2-4 nm. Generalmente se diseñan los liposomas con un diámetro inferior a 100 nm, pues los más grandes requieren técnicas especiales para evitar la opsonización y fagocitosis por parte del sistema fagocítico mononuclear. Además de su utilización con agentes anticancerosos4-7 y algunos antibióticos4,8 se los está utilizando para acarrear una gran variedad de agentes de contrastes y radiofármacos. Hay gran interés en la investigación de los liposomas acarreadores de Tc-99 unidos a un ligando para 299 IATREIA / VOL 20/No. 3 / SEPTIEMBRE / 2007 el péptido intestinal vasoactivo (VIP, por su sigla en inglés), los cuales se utilizan en tomografía computarizada con emisión de fotones. El VIP se sobreexpresa en las células neoplásicas, por cuya razón, a la luz de los ensayos, estos liposomas se concentran de manera preferencial en dichas células cancerosas y no en las normales. También se han utilizado liposomas con
gadolinio (Gd) para obtener imágenes en Resonancia Nuclear Magnética (RNM) de células tumorales. La ventaja de estos sistemas es que permiten un diagnóstico más temprano de este tipo de lesiones. • Gotas cuánticas: Gotas cuánticas: Gotas cuánticas: son agregados de cientos de átomos de los grupos de la tabla periódica II (por ejemplo: cadmio, tecnecio, zinc o tantalio), del grupo III (por ejemplo: indio) o del grupo VI (por ejemplo: selenio), cubiertos externamente por solventes no polares o solubles en medios acuosos a los que se les pueden añadir ligandos u otros componentes. Debido a su tamaño (2-8 nm), tienen propiedades ópticas y electrónicas que les permiten emitir fluorescencia. El interés de las investigaciones con gotas cuánticas radica en su inyección intravenosa (IV) para diagnóstico imaginológico, y en su utilización para el estudio de procesos celulares, tales como la dinámica de la membrana neuronal en células vivas, lo cual abre la posibilidad de nuevas alternativas terapéuticas. • Nanopartículas: Nanopartículas: Nanopartículas: son sistemas gel y coloidales, degradables o no, generalmente hechos de polímeros naturales, sintéticos o semisintéticos, que contienen una sustancia activa. Se han utilizado en acarreo de medicamentos en dos versiones: (a) nanoesferas, con una estructura tipo matriz, donde la sustancia activa es adsorbida en la superficie o disuelta en el interior de la partícula, y (b) nanocápsulas, que son sistemas vesiculares en donde la sustancia activa está confinada en un núcleo lipídico o acuoso y rodeada por una membrana polimérica.14 Las nanopartículas son transportadores superiores a los liposomas debido a su mayor estabilidad y a las propiedades relacionadas con el control en la liberación de los compuestos activos. Por esta razón se han utilizado para la administración de una gran variedad de medicamentos como antibióticos, antivirales, antiparasitarios, citostáticos, vitaminas, proteínas y péptidos, incluyendo hormonas y enzimas. Las nanopartículas pueden atravesar la barrera hematoencefálica y tienen un gran potencial en dermatología. También se han utilizado con agentes de contraste para imagen, como es el caso del óxido de hierro coloidal con dextrán en RNM.4,15 • Nanoemulsiones: Nanoemulsiones: son dispersiones de aceite y agua en las cuales la fase dispersa está formada por gotas de la sustancia activa en nanoescala (20- 200 nm), estabilizadas en la superficie con una cubierta de surfactante y cosurfactante. Resultan atractivas en formulaciones farmacológicas por su fácil preparación, estabilidad termodinámica y transparencia. Se han realizado investigaciones sobre la farmacocinética de nanoemulsiones inyectables que contienen agentes antineoplásicos, cuya citotoxicidad disminuyen por el incremento de su concentración en las células tumorales, comparadas con las sanas. • Dendrímeros: Dendrímeros: Dendrímeros: son moléculas esféricas poliméricas, compuestas por un núcleo central, por ejemplo el amoníaco (NH3), y capas alternantes de monómeros, generalmente ácido acrílico y etilendiamina, cuya alternancia continúa hasta que se construye la última generación deseada.1 Son estables a pesar de su peso molecular (1.000 a 800.000 Kd) y el número de generaciones es importante a la hora de atravesar los poros (o fenestras) vasculares y llegar a los tejidos diana; por ejemplo, en los dendrímeros de poliamidas y aminas (PAMAM dendrimers, por su sigla en inglés), el incremento de la generación cero (G0: núcleo central) a la G4, con un cambio consecuente en el tamaño de 1,5 a 4,5 nm, 300 IATREIA / VOL 20/No. 3 / SEPTIEMBRE / 2007 incrementa exponencialmente la extravasación a través de la microcirculación.15 Los extremos libres de las ramificaciones obtenidas en cada generación se constituyen en puntos de unión donde pueden añadirse más moléculas para formar nanodispositivos multifuncionales. [ CITATION Cla07 \l 12298 ] -
Formas de diagnóstico: Diagnóstico precoz
El diagnóstico precoz se considera una de las metas más importantes en medicina. Una vez que se dispone del diagnóstico médico completo, es preciso un tratamiento adecuado para el paciente. En oftalmología, la detección temprana de trastornos como la degeneración macular, la retinosis pigmentaria, el cáncer ocular y la retinitis por citomegalovirus (la causa más común de ceguera en los pacientes con SIDA) es muy importante para procurar el tratamiento no tóxico apropiado. Por tanto ¿cómo harán avanzar la nanotecnología y la nanomedicina el campo del diagnóstico y tratamiento de las enfermedades? Las enfermedades pueden ser identificadas utilizando biomarcadores, que interactúan con las moléculas relacionadas con la enfermedad presentes en la sangre, en los fluidos corporales o en los tejidos. Actualmente, se utilizan para el diagnóstico métodos comunes tales como el análisis genético y el análisis proteómico. Hay una creciente necesidad de mejorar la tecnología y la instrumentación relacionada con dichos métodos para realizar diagnósticos con mayor velocidad, resolución y sensibilidad. Esto requerirá el avance del bio-análisis en nano-escala y puede conseguirse sólo con la miniaturización de la instrumentación. Los micro- y nano-dispositivos fluídicos han hecho avanzar el campo gracias a su habilidad para llevar a cabo análisis de alto rendimiento en formato chip (1). Estos dispositivos fluídicos son capaces de incrementar el número de muestras procesadas y reducir el tiempo requerido para realizar un análisis con una alta sensibilidad y resolución. Además, un instrumento crítico de reconocimiento molecular, el espectrómetro de masa, puede ser integrado en un sistema de separación basado en un chip microfluídico (2). Otro abordaje para el reconocimiento biológico molecular selectivo es el uso de micro/nano-vigas funcionales. Ciertas moléculas relacionadas con la enfermedad pueden ser reconocidas mediante la monitorización de la deflexión o cambio en la masa de la viga debido a la interacción entre la entropía configuracional y la energética intermolecular inducida por reacciones biomoleculares específicas en la superficie de la viga funcional. Estas vigas funcionales proporcionan un medio de detectar fragmentos de virus, marcadores de enfermedad y células precancerosas. -
Por imagen Otra área interesante es el diagnóstico por imagen. En el pasado, la bio-imagen utilizaba sustancias fluoradas, que tienen ciertas desventajas como la auto-fluorescencia, el hecho de que se apagan y la fijación no específica. La nanotecnología ha ayudado a desarrollar las partículas cuánticas (ejemplos: los nanocristales semiconductores con un corazón hecho de cadmio selénico o cadmio telúrico), que son capaces de regular las longitudes de ondas de absorción y emisión de acuerdo con el tamaño de la partícula. Se utiliza un armazón aislante para proteger el material semiconductor del núcleo de los grupos funcionales de la superficie, que reconocerán las moléculas relacionadas con la enfermedad. Se considera esto una atractiva aproximación para observar patología tisular y puede ser utilizada para aplicaciones quirúrgicas para identificar tejido en diferentes estadios de la enfermedad. [ CITATION MDe07 \l 12298 ]
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Nanomedicina Regenerativa La nanomedicina regenerativa se ocupa de la reparación o sustitución de tejidos y órganos dañados mediante la aplicación de métodos procedentes de la terapia génica, la terapia celular, la dosificación de sustancias bio-regenerativas y la ingeniería de tejidos, para estimular los propios mecanismos reparadores del cuerpo humano. Precisamente es en la ingeniería de tejidos donde la nanotecnología puede ser más importante. La idea es diseñar estructuras adecuadas para favorecer el crecimiento de tejidos en las zonas dañadas al dirigir la proliferación y diferenciación celular, así como la producción y organización de la matriz
extracelular. La principal dificultad radica en encontrar materiales adecuados que permitan la fabricación de estructuras que mantengan activo el órgano afectado mientras se regenera la zona dañada. Entre los materiales que se están utilizando se destacan los nanotubos de carbono, las nanopartículas como hidroxiapatita o zirconio, las nanofibras de polímeros biodegradables, nanocompuestos y otros . También se pueden utilizar superficies estructuradas en la escala nanométrica, que pueden actuar como incubadoras de líneas celulares que favorecen el proceso de diferenciación celular. [ CITATION Ech13 \l 12298 ] ALIMENTOS Y PRODUCTOS FARMACÉUTICOS El área de nanomateriales destinados a la industria de alimentos y productos farmacéuticos es uno de los sectores de mayor potencialidad para aplicaciones industriales, además de las industrias de automoción y aeroespacial, entre otras. Muchas son las áreas del estudio de los alimentos y los productos farmacéuticos donde la nanotecnología puede realizar grandes contribuciones. Este trabajo estará enfocado principalmente en la alta utilización de embalajes para alimentos y productos farmacéuticos y en las grandes ventajas que se pueden obtener, tanto para el productor de embalajes como para el productor de alimentos, el productor de fármacos y el cliente final, el consumidor. Es así como mediante diferentes nanoestructuras, los polímeros (plásticos) pudieran presentar diferentes valores de permeabilidad al vapor de agua/gases, para atender los requisitos de preservación de fármacos, frutas, verduras, bebidas, etc. También pueden ser obtenidos materiales poliméricos con mayor resistencia a la luz, propiedades mecánicas y térmicas incrementadas. Estas modificaciones en los materiales pueden significar aumentos en el tiempo de almacenamiento del producto, menores pérdidas de las características químicas, físicas, organolépticas, además de facilitar el trasporte. Los materiales de embalajes para estos productos, específicamente los polímeros, son ampliamente utilizados en muchos de los alimentos y productos farmacéuticos consumidos hoy en día. Los polímeros son usados específicamente en filmes, botellas, cajas, canastas y muchos otros productos donde permiten gran versatilidad, comparada con los otros materiales de embalaje. Además, la facilidad que presentan los polímeros de modificar sus propiedades es amplia, pudiéndose obtener polímeros con nuevas propiedades y, así, nuevos usos. Entre las formas de modificar las propiedades de los polímeros se encuentran: reacciones de copolimerización, reacciones de funcionalización, blendas, compósitos y, en los últimos años, los nanocompósitos. Un nanocompósito es un material compuesto por dos o más componentes, de los cuales el de mayor porcentaje se denomina matriz (polímero) y el de menor porcentaje, carga (nanopartícula), la cual debe estar homogéneamente dispersa y en tamaño nanométrico. nanotecnología, aplicaciones en embalajes para alimentos y productos farmacéuticos 117 Una de las primeras investigaciones para la obtención de nanocompósitos fue realizada por la empresa TOYOTA a finales de los años 80 y comienzos de los 90 , con la exfoliación de arcillas en una matriz de nylon-6. Estos resultados mostraron significativos incrementos en un amplio rango de propiedades para el reforzamiento de polímeros. [ CITATION Mon07 \l 12298 ]
NANOMATERIALES a. Nanotubos de carbón Los nanotubos de carbón La investigación en nanotubos de carbono (1d) ha despertado gran interés científico (Rothschild et al., 2000). Éstos consisten en estructuras tubulares o cilindros de hojas de grafito. A los nanotubos de carbono (ntc) de una sola hoja se les llama nanotubos de carbono de pared simple (Figura 1a), mientras que cuando éstos están formados por más de dos hojas, se les denomina ntc de multipared (Figura 1b). Figura 1. ntc a) de una sola pared (swcnt), b) de multipared (mwcnt). Los ntc poseen varias propiedades superiores a otros materiales, por ejemplo: su resistencia a la tracción es de 45×109 pascales mientras que la del acero es de 2×109 pascales su capacidad de corriente se estima de
1×109 A/cm2 , mientras los hilos de cobre se funden a 1×106 A/cm2 . Debido a las propiedades electrónicas únicas de los nanotubos de carbono, éstos pueden ser usados como materiales de emisión de campo o “field-emission” (fe). Ésta es la capacidad de algunos materiales de emitir electrones bajo un intenso campo eléctrico. Una de las aplicaciones relacionadas con este efecto es la de su uso en las fed (fiel emission display) de las nuevas pantallas planas de tv (Figura 2) (Seraphin, 2006). El efecto fe también permite usar los ntc como puntas emisoras de electrones en los microscopios electrónicos de barrido y en los microscopios de fuerza atómica. [ CITATION Núñ08 \l 12298 ]
Bibliografía [1] G. Foladori y N. Invernizzi, «La nanotecnología: una solución en busca de problemas,» COMERCIO EXTERIOR, pp. 326-334, 2006. [2] Y. Mejias, N. Cabrera, A. Toledo y O. Duany, «La nanotecnología y sus posibilidades de aplicación en el campo científico-tecnológico,» Rev Cubana Salud Pública, 2009. [3] Cuadra y Jiménez, «Nanotecnologia y Medicina,» Otras Especialidades, 2012. [4] D. Clavijo, G. García, Ó. Mejía y A. Ruiz, «La frontera entre la Biología molecular y la Nanotecnología: impacto en la Medicina,» IATREIA, pp. 297-307, 2007. [5] D. S. M, «Nanotecnología y nanomedicina: un nuevo horizonte para el diagnóstico y tratamiento médico,» Arch Soc Esp Oftalmol, 2007. [6] F. Echevarría, «Retos de este siglo: nanotecnología y salud,» Rev Cubana Hematol Inmunol Hemoter, 2013. [7] E. Moncada, «NANOTECNOLOGÍA, APLICACIONES EN EMBALAJES PARA ALIMENTOS Y PRODUCTOS FARMACÉUTICOS,» VITAE, pp. 114-120, 2007. [8] G. Núñez, «Nanoquímica: Ingeniería de Nanomateriales,» Mundo Nano, 2008.