ARTICULO DE REVISIÓN
NANOMATERIALES, NANOPARTICULAS Y SINTESIS VERDE
Fecha recibido: abril 4 de 2018
Fecha aceptado: abril 13 de 2018
Marcela Gómez Garzón, MSc.a
Correo electrónico autora principal: mgomez@fucsalud.edu.co
a Universidad de los Andes, Pontificia Universidad Javeriana, Bogotá DC, Colombia.
Pertenece a los Grupos de Investigación Avalados por Colciencias: Medicina Interna y Ciencias Básicas en Salud. Bogotá DC, Colombia.
Resumen
La nanotecnología es una ciencia relativamente nueva, consiste en el estudio, análisis, estructuración, formación, diseño y operación de materiales a escalas moleculares, a los cuales llamamos nanomateriales. La nanotecnología tiene múltiples aplicaciones en otras ciencias y tecnologías, reúne distintas áreas científicas y se ve favorecida por los enfoques interdisciplinarios. Se pronostica que generará innovaciones que den respuesta a muchos de los problemas que enfrenta la sociedad en la actualidad. En universidades y centros de investigación se viene trabajando en la síntesis de nuevos nanomateriales y en el estudio de sus propiedades para aplicaciones en campos variados dentro de la medicina. Es importante que estudiantes y profesionales del área de la salud reciban conocimientos de estos procesos para entender los nuevos caminos de la ciencia.
Palabras clave: nanopartículas, síntesis verde.
© 2018 Fundación Universitaria de Ciencias de la Salud -
FUCS. Este es un artículo Open Access bajo la licencia CC BY-NC-ND (http://
creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).
ABSTRACT
Nanotechnology is a relatively new science, it consists in the study, analysis, structuring, formation, design and operation of materials at molecular scales, which we call nanomaterials. Nanotechnology has multiple applications in other sciences and technologies, brings together different scientific areas and is favored by interdisciplinary approaches. It is predicted to generate innovations that respond to many of the problems facing society today.
In universities and research centers it is working on the synthesis of new nanomaterials and the study of their properties for applications in fields as varied as medicine. It is important that students and professionals in the health area receive knowledge of these processes to understand the new ways of science.
KEY WORDS: Nanoparticles, Green synthesis
© 2018 Fundación Universitaria de Ciencias de
la Salud - FUCS. This is an open access article under the CC BY-NC- ND license
(http://creativecommons.org/licenses/by-nc- nd/4.0/).
Introducción
El prefijo griego “nano” significa “enano” y en el campo de la ciencia se refiere a estructuras que equivalen a la mil millonésima parte de algo.1,2 La nanotecnología podría definirse como la disciplina centrada en el estudio, diseño, síntesis, manipulación y aplicación de materiales, aparatos y sistemas funcionales, mediante el control de la materia a nanoescala y la explotación de fenómenos y propiedades de la materia a nanoescala.3
Son diversos los desarrollos actuales de la nanotecnología, sin embargo las nanopartículas (NPs) son las más conocidas y estudiadas. Las NPs son estructuras con tamaños inferiores a 100 nanómetros (es decir 1*10-7 metros), que pueden ser sintetizadas a partir de diferentes materiales, incluyendo metales. Para observarlas se requieren microscopios de alta resolución, como son el electrónico de barrido (SEM) o el electrónico de transmisión (TEM). En la actualidad es común encontrar las nanopartículas haciendo parte de la ropa deportiva para evitar malos olores, en las cremas bloqueadoras de rayos UV, así como en la industria de la construcción y la automotriz.4-7
En el campo clínico, las NPs se usan como vehículo para transportar fármacos que mejoran la selectividad del tratamiento, esto significa que permiten que se localice mejor el sitio de acción dónde se debe liberar el medicamento, con una eficacia de tan solo segundos, en comparación con fármacos que pueden hacer efecto después de 10 o 15 minutos.8,9
Además, gracias a su tamaño tan pequeño y forma pueden incorporar sustancias que faciliten el reconocimiento de las células y los tejidos, actuando como biosensores para detectar si se padece alguna anomalía en el cuerpo10-12 o también se pueden pegar a un agente antimicrobiano (antibiótico, antimicótico, antiparasitarios, antivirales o antisépticos) que actuará como el vehículo que transporte la NP.13,14 Las NPs tienen la capacidad de ser promotoras del crecimiento óseo al permitir la regeneración de huesos, se adicionan a resinas de implantes dentales y en los protectores solares estimulan la dermis de tal forma que la protegen contra los rayos solares.4,15
La Universidad Central y la Fundación Universitaria de Ciencias de la Salud trabajan en la creación de la maestría en bioingeniería y nanotecnología, por esta razón es importante que todos entremos en el mundo de las nanopartículas.
Historia
Las primeras ideas sobre nanotecnología fueron del físico Richard Feynman (premio Nobel de física 1965), expuestas durante la reunión anual de la Sociedad Americana de Física en 1959, durante su conferencia “Hay muchísimo espacio en el fondo”, al plantear: “La mayoría de las células son diminutas, pero están muy activas, fabrican sustancias, se mueven, se contorsionan y hacen multitud de cosas maravillosas, todo ello a pequeña escala. También almacenan información. Consideremos la posibilidad de que nosotros también pudiéramos fabricar entes tan pequeños que hicieran lo que quisiéramos, que pudiéramos fabricar un objeto que maniobrara a ese nivel”.16,17
La palabra nanotecnología fue usada por primera vez por Norio Taniguchi en 1974, para designar una técnica de producción a escala nanométrica, que involucra procesos de separación, consolidación y deformación de materiales con la ayuda de un solo átomo o una sola molécula. Pero realmente hasta 1986 fue difundida por Eric Drexler en su libro “Maquinas de creación”, en el que describió las bases para la construcción de materiales átomo por átomo que “abrirían las puertas a un desarrollo tecnológico sin precedentes en la historia de la humanidad, que haría posible vencer la enfermedad y la muerte, realizar viajes intergalácticos y tener recursos materiales casi infinitos”.18,19
Louis Brus trabajando en AT&T Bell Laboratories, descubrió unos nanocristales semiconductores coloidales, llamados puntos cuánticos, que lo llevaron a ser reconocido como uno de los principales investigadores en el campo de la nanociencia a principios de la década de 1980.
En el laboratorio de IMB de Zurich en 1981, Gerd Binnig y Heinrich Rohrer (premio Nobel de física 1986) inventaron el microscopio de efecto túnel (AFM), que permitió a Don Eigler en 1989 ver por primera vez los átomos individuales y empleando 35 átomos de xenón para escribir las letras del conocido logotipo de IBM.20
En 1985 sir Harold W. Kroto, Richard E. Smalley y Robert F. Curl, Jr. (premio Nobel de química 1996) al utilizar un láser para vaporizar varillas de grafito en una atmósfera de helio gaseoso obtuvieron moléculas huecas de carbono que formaron una jaula cerrada, la cápsula estaba compuesta de 60 átomos de carbono unidos por enlaces simples y dobles para formar una esfera hueca con 12 caras pentagonales y 20 hexagonales, este tipo de nanopartículas se denominan fullerenos.21
El físico japonés Sumio Iijima en 1991 descubrió y detalló la estructura atómica y la forma helicoidal de los nanotubos de carbono de paredes simples y múltiples.22
Moungi Bawendi y col. en el Instituto Tecnológico de Massachusetts, 1993, desarrollaron una síntesis de nanocristales obteniendo los puntos cuánticos coloidales semiconductores (quantum dots), siendo esta nanotecnología una de las primeras en integrarse con las ciencias biológicas.23,24
Desde 1998 el ingeniero químico Thomas Webster trabajó en el diseño, síntesis y evaluación de nanomateriales para diversas aplicaciones médicas. Esto incluyó químicas autoensambladas, nanopartículas, nanotubos y superficies nanoestructuradas. Las aplicaciones médicas incluyeron inhibir el crecimiento de bacterias, controlar la inflamación y promover el crecimiento del tejido.25,26
En el nuevo siglo se han generado múltiples aportes, entre ellos están las nanocápsulas de oro para tratamiento de cáncer creadas por N. Halas, J. West, R. Drezk, R. Pasqualin (2003); N. Seeman y col. crearon dispositivos ensamblados a nanoescala similares al ADN (2009) y la compañía IMB ideó una metodología para generar patrones a nonoescala y estructuras de solo 15 nanómetros (2010).27
Tipos de nanomateriales
La Agencia del Medioambiente de los EE.UU. ha clasificado los nanomateriales en cuatro tipos de acuerdo con su componente principal. Los basados en carbono con forma elipsoidal o esférica se conocen como fullerenos, mientras que los cilíndricos reciben el nombre de nanotubos. Los basados en metales incluyen los puntos cuánticos, nanopartículas de oro y plata y óxidos metálicos como el dióxido de titanio. Los dendrímetros son polímeros de tamaño nanométrico construidos a partir de unidades ramificadas, superficie con numerosos extremos de cadena y cavidades interiores en las que se pueden introducir otras moléculas como fármacos. Los compuestos combinan las nanopartículas con otras nanopartículas o con materiales de mayor tamaño. Las nanopartículas, como la arcilla a nanoescala, ya forma parte de piezas de automóviles y de materiales de empaquetado, para mejorar sus propiedades mecánicas, térmicas y protectoras (tabla 1).21,24,28-30
Síntesis de nanomateriales
De acuerdo con la procedencia de los nanomateriales se clasifican en origen natural, al ser producidos por árboles, plantas, volcanes o especies marinas. Incidental cuando surgen durante la combustión en vehículos y en procesos industriales. Y el más común es el artificial, producido por dos procesos de fabricación: descendentes/ascendentes. Las técnicas descendentes (top-down) consisten en la división de material macroscópico o grupo de materiales sólidos hasta llegar al tamaño nanométrico. Se usan métodos físicos como la molienda o el desgaste, métodos químicos y la volatilización de un sólido seguido por la condensación de los componentes volatilizados, hasta obtener una serie de ensambles que van siendo controlados con precisión hasta llegar al tamaño deseado. El ejemplo más conocido es la técnica de fotolitografía utilizada por la industria de los semiconductores para crear circuitos integrados. Las técnicas ascendentes (bottom-up) consisten en la fabricación de nanopartículas con capacidad de autoensamblarse o autoorganizarse a través de la condensación de átomos o entidades moleculares en una fase gaseosa o en solución. El reto es sintetizar moléculas que espontáneamente se autoensamblan sobre el cambio controlado de un disparador químico o físico específico, como un cambio en el pH, la concentración de un soluto específico o la aplicación de un campo eléctrico. Los mecanismos físicos que producen el autoensamblaje, es decir, las fuerzas que empujan a estas moléculas a autoensamblarse en estructuras organizadas, se deben a la termodinámica y las interacciones moleculares competitivas que incluyen hidrofóbicas/hidrofílicas, enlaces de hidrógeno y las interacciones de van der Waals que buscan minimizar los estados de energía para diferentes configuraciones moleculares. Este es el enfoque más utilizado en la síntesis de nanopartículas (figura 1).2,31,32
Las nanopartículas son producidas a partir de diferentes tipos de metales como el oro, hierro, platino o de óxidos metálicos; en la actualidad las nanopartículas más usadas y caracterizadas son las sintetizadas a partir de iones de plata (AgNPs), debido a sus propiedades físicas (conductividad), químicas (estabilidad) y biológicas (actividad catalítica y antibacterial).33
Muchos de los efectos adversos de la síntesis de nanopartículas han sido asociados con la toxicidad de los métodos físicos y químicos, debido a la presencia de sustancias tóxicas absorbidas en la superficie de la NP.2,6,34 Una alternativa ecoamigable son los métodos biológicos para la síntesis de nanopartículas utilizando microorganismos, enzimas, hongos y extractos de plantas. El desarrollo de estos métodos respetuosos con el ecosistema para la síntesis de nanopartículas se ha convertido en una importante rama de la nanotecnología: “síntesis verde”.35-37
Síntesis verde
La producción tradicional de nanopartículas utiliza materiales tóxicos como son los solventes y surfactantes que pueden afectar el medio ambiente. La síntesis verde es una técnica alternativa de bioproducción de material nanoparticulado junto con material metálico (oro, plata, hierro y óxidos metálicos), que busca ser amigable con el medioambiente.38
El proceso se basó al principio en la biorremediación, técnica en la cual las funciones naturales de las plantas son usadas para extraer y recuperar metales de suelos previamente contaminados con estos, ya que las plantas no solo acumulaban metales, sino que también los metales eran depositados como nanopartículas. Uno de los primeros reportes sobre el uso de la síntesis verde para producir nanopartículas de plata fue con plantas de alfalfa tratadas con nitrato de plata como fuente de iones de plata. El análisis de los tejidos reveló que las nanopartículas de plata que medían entre 2 a 20 nm de diámetro se habían acumulado en las raíces y brotes de las plantas.39
La síntesis verde se basa en la reducción de metales mediante especies naturales con poder antioxidante. Durante la última década se ha demostrado que muchos sistemas biológicos pueden reemplazar los agentes químicos reductores incluyendo40, plantas y algas41-43, diatomeas44, bacterias45, levaduras12, hongos46, virus47 y células humanas.48 Los microorganismos son capaces de transformar los iones inorgánicos metálicos en nanopartículas de metal por medio de las capacidades reductoras de los metabolitos y de las proteínas de estos mismos (figura 2). La síntesis de las nanopartículas puede llevarse a cabo a nivel intra o extracelular, es así como las plantas son capaces de reducir los mismos iones inorgánicos en nanopartículas metálicas tanto en su superficie vegetal, como en ciertos tejidos.49,50
Diferentes estrategias con plantas han sido desarrolladas para la síntesis de las nanopartículas, algunas usan sales de metales (ejemplo: nitrato de plata) u óxidos metálicos (ejemplo: óxido de titanio) durante el crecimiento de las plantas y después las nanopartículas son extraídas del material seco de las plantas. Otra manera para sintetizar directamente las nanopartículas es mediante el uso del extracto acuoso de plantas, los cuales contienen uno o más ingredientes activos de una planta específica. El uso de extractos de plantas para sintetizar nanopartículas es el método más rápido51, por ejemplo, extracto de té verde adicionado a dos soluciones acuosas de sales de oro y plata produjo simultáneamente nanopartículas de oro y plata.52 El Grupo BioMat de la Universidad Central ha utilizado extractos de plantas autóctonas colombianas como borojó, gualanday, calahuala, fresa y guayusa para sintetizar nanopartículas de plata con actividad antimicrobiana que hemos probado en la FUCS (figura 3).
Conclusiones
Es una gran idea convertir a las plantas en reactores biológicos capaces de crear nanopartículas personalizadas y contribuir con el medio ambiente. Todavía hay un largo camino por recorrer para reemplazar los métodos tradicionales de síntesis de las nanopartículas por la síntesis verde, la FUCS hace parte de este camino al crear junto con la Universidad Central la maestría en Bioingeniería y Nanotecnología.
CONFLICTO DE INTERESES
Los autores declaran no tener
ningún conflicto de intereses
Figura 1. Técnicas de síntesis de nanomateriales basados en carbono (Modificado de Habiba, Makarov et al. 2014).
Figura 2. Proceso de síntesis verde de nanopartículas de plata.
Figura 3. Nanopartículas de plata obtenidas por síntesis verde de borojó bajo microscopia TEM.
Cortesía Grupo BioMat Universidad Central.
Tabla 1. Clasificación de los nanomateriales de acuerdo con sus dimensiones (imágenes creadas por Michael Ströck. GNU
Free Documentation License)
Estructura |
Nanomateriales |
|
Cero dimensional (0D) |
· Fullerenos · Partículas coloidales · Puntos cuánticos (Qdots) · Nanoclusters · Nanopartículas de Au y Ag |
|
Uni Dimensional (1D) |
· Nanocables y nanofibras · Nanotubos · Nanovarillas · Fibras poliméricas |
|
Bi-dimensional (2D) |
· Monocapas · Nanorrecubrimientos · Películas poliméricas (nano) · Superficies espesor < 100nm · Películas multicapa |
|
Tri-dimensional (3D) |
·Materiales nanoestructurados · Policristales · Nanobolas · Nanobobinas · Nanoflores |
Referencias
1. Dos Santos CA, Seckler MM, Ingle AP, Gupta I, Galdiero S, Galdiero M, et al. Silver nanoparticles: therapeutical uses, toxicity, and safety issues. Journal of pharmaceutical sciences. 2014;103(7):1931-44. Epub 2014/05/16.
2. Calderon-Jimenez B, Johnson ME, Montoro Bustos AR, Murphy KE, Winchester MR, Vega Baudrit JR. Silver Nanoparticles: Technological Advances, Societal Impacts, and Metrological Challenges. Frontiers in chemistry. 2017;5:6. Epub 2017/03/09.
4. Chaloupka K, Malam Y, Seifalian AM. Nanosilver as a new generation of nanoproduct in biomedical applications. Trends in biotechnology. 2010;28(11):580-8. Epub 2010/08/21.
5. Hajipour MJ, Fromm KM, Ashkarran AA, Jimenez de Aberasturi D, de Larramendi IR, Rojo T, et al. Antibacterial properties of nanoparticles. Trends in biotechnology. 2012;30(10):499-511. Epub 2012/08/14.
17. Feynman R. There’s plenty of room at the bottom. Engineering and Science. 1960;23(5):22-36.
20. IBM. IBM and ETH Zurich open collaborative Nanotechnology Center. 2011; Available from: https://www.zurich.ibm.com/news/11/nanocenter.html.
22. Iijima S. A career in carbon. Sumio Iijima is interviewed by Adarsh Sandhu. Nature nanotechnology. 2007;2(10):590-1. Epub 2008/07/26.
29. Abbasi E, Aval SF, Akbarzadeh A, Milani M, Nasrabadi HT, Joo SW, et al. Dendrimers: synthesis, applications, and properties. Nanoscale research letters. 2014;9(1):247-.
30. Bhatia S. Natural Polymer Drug Delivery Systems Nanoparticles, Plants, and Algae Springer; 2016.
36. Ronavari A, Kovacs D, Igaz N, Vagvolgyi C, Boros IM, Konya Z, et al. Biological activity of green-synthesized silver nanoparticles depends on the applied natural extracts: a comprehensive study. International journal of nanomedicine. 2017;12:871-83. Epub 2017/02/12.
44. Greeshma N. DIATOMS FOR NANO-MANUFACTURING New Principles for Orientation and Immobilization. Gothenburg, Sweden CHALMERS UNIVERSITY OF TECHNOLOGY; 2011.
45. Santos A, Troncoso C, Lamilla C, Llanquinao V, Pavez M, Barrientos L. Nanopartículas Sintetizadas por Bacterias Antárticas y sus Posibles Mecanismos de Síntesis. International Journal of Morphology. 2017;35:26-33.
51. Tippayawat P, Phromviyo N, Boueroy P, Chompoosor A. Green synthesis of silver nanoparticles in aloe vera plant extract prepared by a hydrothermal method and their synergistic antibacterial activity. PeerJ. 2016;4:e2589. Epub 2016/10/27.
52. Vilchis-Nestor AR, Sánchez-Mendieta V, Camacho-López MA, Gómez-Espinosa RM, Camacho-López MA, Arenas-Alatorre JA. Solventless synthesis and optical properties of Au and Ag nanoparticles using Camellia sinensis extract. Materials Letters. 2008;62(17):3103-5.