El 11 de noviembre se celebra el Día Mundial del Origami en Japón. Esta palabra viene de los vocablos japoneses "oru" que es doblar y "kami" papel y el término define tanto al objeto resultante como a la acción de plegar.
Si, pero… ¿tiene algo que ver con Nanotecnología?
Pues resulta que sí, solo que no se trabaja con papel sino con ADN, estamos hablando del …
Origami de ADN con andamios
Consiste en plegar el ADN, usando ADN de una sola cadena (ssDNA) con una hebra larga como guía (hebra andamio) para que fragmentos de ADN más cortos (grapas) se unan a él, debido a la complementariedad de bases.
Gracias a este autoensamblaje molecular podemos construir objetos a escala nanométrica con formas personalizadas: estructuras de alambre, geometrías complejas en 2 y 3 dimensiones con límites irregulares y estructuras internas.
Una parte fundamental para diseñar y sintetizar objetos de ADN es el diseño asistido por computadora, que nos permite predecir la estructura de los objetos y obtener información sobre las condiciones con las cuales pueden mantener su estructura.
Fig.1 de DNA origami. Dey, S., Fan, C., Gothelf, K.V. et al
El trabajo pionero
En 2006 la revista Nature público el trabajo de Paul W. K. Rothemund: Doblando ADN para crear formas y patrones a nanoescala, donde con el enfoque bottom up (abajo hacia arriba) dobla moléculas de ADN monocatenarias en formas bidimensionales arbitrarias, obteniendo estructuras de aproximadamente 100 nm de diámetro.
Nos cuenta que las grapas y andamios se autoensamblan en un solo paso y que incluso estas estructuras se pueden programar para que formen patrones complejos como palabras e imágenes en sus superficies.
Te dejamos imágenes de su trabajo (Folding DNA to create nanoscale shapes and patterns).
¡Simplemente genial!
Y lo mejor es que esto no solo es con fines estéticos, con la modificación química adecuada, las estructuras de origami se pueden usar como plataforma de elementos a nanoescala, como colorantes de moléculas pequeñas, complejos de proteínas, nanocables inorgánicos y liposomas, de pudiendo manipularse de una manera altamente programable y teniendo aplicaciones en ciencia de materiales, física, ingeniería y biología.
Fig.1 de DNA origami. Dey, S., Fan, C., Gothelf, K.V. et al
Algunos ejemplos son:
Nanofabricación. Las estructuras de origami de ADN se utilizan como plantillas para el ensamblaje de materiales con precisión nanométrica, siendo muy útiles en la fabricación de patrones inorgánicos (metálicos o no metálicos), poliméricos y biomoleculares.
Nanofotónica y nanoelectrónica. Permiten el diseño preciso de estructuras nanométricas con propiedades ópticas o electrónicas adaptables, incluyendo conductividad sintonizable, acoplamiento de plasmón, resonancias Fano y quiralidad plasmónica.
Biocatálisis. Las nanoestructuras de ADN ofrecen una manera excelente para organizar enzimas, basados en la hipótesis de que la difusión de sustratos de moléculas pequeñas entre enzimas depende de la proximidad y a su vez afecta la velocidad de las cascadas de reacción, por eso la importancia de organizar espacialmente las enzimas.
Computación. El alto grado de programabilidad termodinámica y cinética del ADN permite el diseño de secuencias racionales donde se puede decidir cuándo y en qué orden ocurren los eventos de unión, lo que hace que el ADN sea popular en redes de señalización in vitro y computación molecular.
Entrega de medicamentos. Siendo el ADN biodegradable y con poca citotoxicidad, además de permitir la carga de diversas moléculas y materiales terapéuticos, como ácidos nucleicos inmunoestimuladores, ARN interferentes pequeños, anticuerpos, enzimas, etc., es una gran opción para el transporte de fármacos.
Fig.6 de DNA origami. Dey, S., Fan, C., Gothelf, K.V. et al
Las estructuras de origami pueden servir como contenedores con sitios de acoplamiento en su interior o dentro de cavidades, protegiendo al fármaco. Además, a estas nanoestructuras de ADN pueden tener un direccionamiento activo, si se incorporan moléculas ligando.
Fig.6 de DNA origami. Dey, S., Fan, C., Gothelf, K.V. et al
Bioimagen y biofísica. Las estructuras de origami de ADN sirven como estándares, marcadores o soporte estructural para moléculas de interés en estudios biofísicos. Por ejemplo, la colocación de fluoróforos en estructuras de origami genera estándares de calibración para microscopía de fluorescencia.
REFERENCIAS
Folding DNA to create nanoscale shapes and patterns. (2006). Paul W. K. Rothemund
Structure and conformational dynamics of scaffolded DNA origami nanoparticles. (2017)
Autonomously designed free-form 2D DNA origami. (2019)
DNA origami. Dey, S., Fan, C., Gothelf, K.V. et al. Nat Rev Methods Primers 1, 13 (2021).
Hoy te platicamos como la nanotecnología puede mejorar el pan, alargando su tiempo de vida y aumentando su
valor nutricional. Todo esto gracias a la incorporación de nanomateriales, como
ingredientes y en el material de envase.
El pan es un
alimento básico en todo el mundo y viene en muchos tipos, formas, tamaños y
texturas, según las tradiciones nacionales y regionales.
Lo podemos
encontrar como pan artesanal, recién preparado todos los días por los
panaderos, o se cómo pan de molde envasado comercialmente.
Actualmente la idea es que además de satisfacer el hambre
y el gusto, nos ayude a prevenir enfermedades y mejorar el bienestar físico y
mental. Esto se logra incorporando productos, como alimentos vegetales, fuente
de fibra dietética y fitoquímicos con propiedades antioxidantes,
antimutagénicas, antialérgicas, antiinflamatorias y antimicrobianas.
Por ejemplo, los polifenoles o subproductos alimentarios
ricos en polifenoles se han incorporado en la masa para preparar panes,
pasteles, magdalenas y galletas, para mejorar sus propiedades funcionales y
reducir el contenido de toxinas transmitidas por los alimentos.
Nanotecnología para aumentar el valor nutricional
La bioaccesibilidad estos compuestos puede ser limitada,
por eso se han usado pretratamientos como la fermentación y tratamientos
enzimáticos o térmicos para mejorar la accesibilidad.
Los métodos ultrafinos de molienda y separación
electrostática pueden mejorar la bioaccesibilidad de los ácidos fenólicos. Se
ha observado que cuanto más finas son las partículas de salvado, más
bioaccesibles son los ácidos fenólicos.
La reducción del tamaño de fibras crudas y fermentadas a
nanoescala cambia significativamente las propiedades funcionales y físicas en
comparación con las partículas gruesas.
La aplicación de nanopolvos en alimentos podría hacer que
dichos alimentos sean más atractivos, ya que se pueden usar en mayores
cantidades con menos implicaciones sensoriales y aumentando su valor
nutricional.
Obtención de nanopolvos funcionales
El salvado de trigo y el germen de trigo, el salvado de
arroz fermentado, el orujo de zanahoria fermentado y las cáscaras de granada
fermentadas son triturados con métodos de molienda ultrafina, como el molino
planetario de bolas.
Este método da como resultado nanopartículas menores a
100 nanómetros.
Producto
Tamaño
(nm)
Salvado
de trigo
10–21
Germen de
trigo
7–19
Salvado
de arroz
15–47
Orujo de
zanahoria
8–58
Cáscara
de granada
21–35
Estos polvos se mezclan con harina de trigo en
porcentajes del 5, 15 y 25. El pan resultante se compara con el pan hecho con
muestras de control: harina de trigo 72%, harina de trigo 82% y harina de trigo
integral.
¿Afectan la calidad
del pan?
La incorporación de los nanomateriales a la harina de
trigo disminuye el volumen de la barra de pan, mientras que el peso de la barra
aumenta.
El aumento del porcentaje de germen de trigo, orujo de
zanahoria y cascara de granada provoca un oscurecimiento en el pan. Las
muestras con salvado de arroz, orujo de zanahoria y cascara de granada al nivel
del 25% tuvieron el puntaje más bajo para romper y triturar, textura de miga y
sensación en la boca.
Para el color de la corteza, la rotura y trituración, la
textura de la miga y la sensación en la boca no hubo diferencias significativas
entre la muestra de control y las que contienen 5 y 15% de salvado de trigo y
5% de germen de trigo.
El sabor y aroma de todas las muestras fueron aceptables,
excepto la muestra que contenía 25% de cascara de granada.
El sabor, olor y otras propiedades, sin cambios
importantes
En resumen, podemos decir que podemos añadir de salvado
de trigo, germen de trigo y salvado de arroz en hasta un 15% en las
formulaciones sin que altere la aceptabilidad del pan, en cambio de orujo de
zanahoria y cascara de granada no podría agregar más del 5%.
Mayor durabilidad y frescura
Los resultados de la prueba de capacidad de retención de
agua alcalina, como indicador del envejecimiento del pan, mostraron que los
nanopolvos tienen un efecto positivo en el retraso del envejecimiento del pan,
durante el almacenamiento a temperatura ambiente hasta 72 horas y una mejora en
la frescura del pan.
Nanoencapsulación de lípidos bioactivos
El aceite de pescado encapsulado dentro de nanoliposomas para
incorporarse al pan, sin afectar negativamente la textura o la aceptabilidad
sensorial. Además los liposomas mejoraran estabilidad oxidativa del aceite.
El aceite de linaza (56% de ácido linolénico) se ha
encapsulado en nanocomplejos formulados de almidón de maíz con alto contenido
de amilosa, que se hicieron polvo posteriormente. Este polvo se usó para
fortalecer el pan con ácidos grasos omega-3. De esta manera el aceite de linaza
tuvo una mayor estabilidad oxidativa durante el horneado, lo que redujo el mal
sabor y la formación de acrilamida.
Nanotecnología en el envasado
El pan sufre cambios fisicoquímicos y microbiológicos que
perjudican su calidad y vida útil. El endurecimiento determina el deterioro
organoléptico, mientras que el deterioro microbiológico provoca el crecimiento
visible de moho y la producción invisible de micotoxinas.
El envasado activo tiene como objetivo evitar
envejecimiento del pan y el crecimiento microbiano. Se puede clasificar en
sistemas de absorción (eliminan compuestos no deseados, como oxígeno) y
sistemas que liberan compuestos, como antioxidantes, conservantes y
antimicrobianos.
Pueden presentarse en forma de sobre, etiqueta o
película.
Por lo general, los sobres se colocan en forma libre en
el espacio de la cabeza del paquete, mientras que las etiquetas se fijan en la
tapa. Debe evitarse cualquier contacto directo con los alimentos, ya que la
función del sistema podría verse afectada y podría producirse una migración.
En el pan se han utilizado envases activos que absorben
oxígeno y liberan antimicrobianos. El absorbente de oxígeno en el empaque se ha
utilizado en productos de panadería, como pan y pasteles, y en alimentos
preparados, sándwiches y pizza.
El oxígeno aumenta la tasa de envejecimiento del pan,
promueve la oxidación de lípidos, por lo que eliminarlo contribuirá a conservar
la textura y el sabor deseables del pan.
Nanocompositos
En el envasado se utilizan nanocompositos formados de polímeros (fase continua) con un nanomaterial
agregado, llamado relleno, puede ser orgánico o inorgánico.
Los rellenos más comunes son:
Metales y sus óxidos e hidróxidos, Nps Ag, TiO2, ZnO,
MgO, Ca(OH)2 Mg (OH)2
Nanopartículas de silice, arcilla, nanotubos de carbono,
quitosano, celulosa.
Mientras que en la fase continua se usan los polímeros tradicionales de empaque.
Los rellenos mejoran la fuerza y disminuyen el peso,
mejoran la barrera contra el oxígeno, humedad, dióxido de carbono y radiación
UV. Además, ayudan a utilizar menos conservadores
Nano encapsulación
Se aplica a aceites esenciales que pueden actuar como
antimicrobianos, antifúngicos o antioxidantes. La nanoencapsulación permite
agregarlos en pequeñas cantidades para evitar el deterioro de las propiedades
sensoriales de los alimentos.
Aumenta la protección del aceite, reduce la evaporación,
brinda un mejor manejo y controlan su liberación.
Se ha experimentado con la combinación de aceites
esenciales con papel, películas comestibles a base de proteínas de la leche,
quitosano o alginatos.
También se han colocado nanoemulsiones de aceites
esenciales de clavo de olor y orégano en películas de metilcelulosa, y aceite
esencial de canela en películas de almidón de yuca, glicerol y nanopartículas
de arcilla.
GLOSARIO
Salvado o cascarilla: es un producto derivado de la
molienda de los granos para obtener la harina. Proviene de las capas más
externas del grano y contiene celulosa, polisacáridos, proteínas, grasas,
minerales y proporciona fibra insoluble en agua. Se puede encontrar como
granulado o polvo.
Fitoquímicos: son sustancias químicas procedentes de
alimentos vegetales (frutas, verduras, granos y otros) que pueden proporcionar
beneficios más allá de la nutrición básica, como reducir el riesgo de
enfermedades crónicas importantes.
Orujo: subproducto que queda como residuo al extraer el
jugo de la zanahoria.
BIBLIOGRAFÍA
Yousif et al. Pan bread quality as affected by some
nano and fermented-nano food industries by-products. (2020)
Yousif et al. Egyptian Balady Bread Quality as
Affected by Functional Nano-Powders of Some Food Industry by-Products.
(2019)
David Julian McClements, Bengü Öztürk. Utilization
of Nanotechnology to Improve the Handling, Storage and Biocompatibility of
Bioactive Lipids in Food Applications. (2021)
La nanotecnología en medicina tiene múltiples aplicaciones, una de ellas es la reposición de hueso (injertos, rellenos) y la restauración de la dentina. Siendo la hidroxiapatita nanométrica un material muy usado para estos fines, debido a su similitud con la parte inorgánica del hueso humano, hoy te contamos sobre este cristal, el papel de la nanotecnología para sintetizar biomateriales y la estructura nanométrica del hueso humano.
🟢¿Qué es la hidroxiapatita y dónde se encuentra?
La hidroxiapatita es un biocristal, formado por átomos de calcio, fósforo, e hidrógeno, (fosfato de calcio cristalino) con fórmula molecular general Ca10(PO4)OH2. En la naturaleza se le encuentra formando parte de rocas sedimentarias y metamórficas; en seres vivos, la hidroxiapatita y sus precursores también está presente en exoesqueletos como el de la estrella de mar Mellita sp, en los corales marinos, en los esqueletos de los vertebrados, en el esmalte y dentina de los dientes, en especies de bovinos y porcinos.
Hidroxiapatita en el cuerpo humano
Es el principal componente inorgánico del hueso humano y representa alrededor del 65% al 70% de la masa ósea. La fase orgánica, constituida principalmente por colágeno tipo I, cuenta en cambio alrededor del 30% en peso de la masa ósea, mientras que la parte restante está constituida por agua. Estos materiales están dispuestos en una estructura muy ordenada que permite que el hueso tenga propiedades peculiares.
Estructura nanométrica del hueso humano🦴
Su formación in vivo ocurre por el proceso de biomineralización, donde cristales de hidroxiapatita, de tamaño nanométrico, se precipitan sobre fibrillas de colágeno en una estructura mineralizada, jerárquica, calcificada y autoensamblada. El colágeno de tipo I, es capaz de autoensamblarse en fibrillas que muestran un patrón de bandas típico formando espacios de 40 nm entre ellas. Los cristales de hidroxiapatita crecen en estos espacios en forma de placas con una longitud promedio de 50 nanómetros, un ancho de 25 nanómetros y un grosor de 2-3 nanómetros y orientando su eje c paralelo al eje largo de las fibrillas de colágeno. Aunque ese es el promedio, el espesor de los cristales de hidroxiapatita puede ir de 5 a 20 nanómetros y su longitud entre 15 hasta 200 nanómetros. Dicho tamaño y morfología dependerá del tejido donde se encuentre; de esta forma, los cristalitos de hidroxiapatita del tejido óseo tienen forma de varilla y dimensiones aproximadas de 50 x 25 x 4 nanómetros; en cambio, en el esmalte dental, los cristalitos prismáticos hexagonales más grandes tienen una dimensión de aproximadamente 100 × 70 × 25 nanómetros.
Estructura jerárquica del hueso humano.
Fosfatos de calcio en aplicaciones biomédicas e ingeniería de tejidos 🦴🦷
Debido a que los fosfatos de calcio son el principal componente mineral de los huesos y dientes humanos, los materiales sintéticos basados en calcio y fósforo son la familia de biomateriales idónea para usarse en aplicaciones biológicas e ingeniería de tejidos. Estos materiales presentan excelente biocompatibilidad, propiedades osteoconductoras, no generan toxicidad y tienen similitud química con el componente inorgánico del hueso natural.
Las aplicaciones biomédicas aprovechan su capacidad para inducir la formación y vascularización ósea y se pueden utilizar para diversos fines como aumentos óseos, injertos óseos artificiales, reconstrucción maxilofacial, fusión espinal, reparaciones de enfermedades periodontales y rellenos óseos.
De las diversas formas de fosfatos de calcio que existen en la naturaleza, mostrando diferentes características, como relaciones atómicas Ca / P, sistemas cristalinos y solubilidad, la hidroxiapatita es la forma más estable y la menos soluble.
La forma biológica de la hidroxiapatita es no estequiométrica, carbonatada y deficiente en calcio (su relación Ca/P es inferior a 1,67). Además, contiene cantidades de iones con carga positiva, como Mg2+, Na+ y K+, e iones con carga negativa, CO32-, Cl− y F−, sustituyendo a los iones Ca2+ o PO43−/OH−. En base a estas características se van seleccionando los materiales que sean más apropiados.
Los materiales de fosfato de calcio que tienen una relación atómica entre calcio y fósforo fuera del rango 1-2 no son adecuados para implantarse en el cuerpo, ya que pueden presentar alta acidez si la relación Ca/P es baja y una alta basicidad si la cantidad de Ca es alta en relación al P. Por lo que los fosfatos de calcio más útiles para aplicaciones biomédicas, como cirugía ortopédica y odontología, son el fosfato de octacalcio, el fosfato de tricalcio (α y β) y la hidroxiapatita (normal y deficiente en calcio).
De entre los compuestos mencionados, la hidroxiapatita es el más utilizado en medicina para la fabricación de implantes como alternativa al hueso humano; ya que es la fase termodinámicamente más estable en condiciones fisiológicas y posee la mayor similitud en la fase mineralógica y la composición química con la parte mineral del tejido óseo. Sin embargo, su comportamiento mecánico y biológico se ve afectado morfología, estequiometría, cristalinidad y pureza de fase, por esto las nuevas rutas y métodos de mejora buscan diseñar con precisión materiales con características más cercanas al hueso vivo. En particular, los compuestos de hidroxiapatita se emplean ampliamente en aplicaciones biomédicas por sus propiedades de biocompatibilidad, bioactividad y osteoconductividad.
El rendimiento in vivo e in vitro de los biomateriales hidroxiapatita depende considerablemente de propiedades como las características microscópicas (topografía del tamaño de grano, distribución del tamaño de partículas, nanoestructura), morfología (porosidad, tamaño de poro, arquitectura 3-D), composiciones químicas y estructura cristalográfica.
✔ Aplicaciones de la hidroxiapatita 🦷🦴
Las nanopartículas de hidroxiapatita se han investigado para aplicaciones en andamios antimicrobianos, membranas bioactivas, andamios magnéticos, sistemas de imágenes in vivo, hidrogeles y recubrimientos. La capacidad de enmascarar biomoléculas, cruzar barreras biológicas y administrar medicamentos en la diana farmacológica hacen que la nanohidroxiapatita tenga muchas aplicaciones potenciales.
Los bionanocompuestos de hidroxiapatita pueden tener propiedades antimicrobianas, ser dopados con biomarcadores para diagnóstico por imagen y médico, o encapsular y/o adsorber de agentes transfectantes, proteínas y fármacos.
Dentro de todos los usos destaca su utilización en andamios biocompuestos, constituidos por nanopartículas de hidroxiapatita y polímeros sintéticos o naturales con características biodegradables y biocompatibles, para implantes óseas. La hidroxiapatita en este campo se caracteriza por promover la diferenciación osteogénica y brindar una mayor eficiencia de la adhesión celular.
Fabricación de andamios impresos en 3D para aplicaciones de ingeniería de tejidos. La vista superior muestra el dibujo esquemático de Solidworks. La vista inferior muestra la imagen del microscopio electrónico de barrido.
🧐 Investigaciones sobre nanohidroxiapatita 👌
A continuación, te dejo 5 resúmenes de artículos científicos donde se trabajó con nanohidroxiapatita para tratar problemas del hueso humano.
Biomimetic cues from poly(lactic-co-glycolic acid)/hydroxyapatite nano-fibrous scaffolds drive osteogenic commitment in human mesenchymal stem cells in the absence of osteogenic factor supplements
Biomaterials Science, vol. 20, 2020, Mohammad Soheilmoghaddam, Harish Padmanabhana and Justin J. Cooper-White
Resumen. En este artículo se imitó la estructura nanométrica y composición del hueso, usando andamios de nanofibras ácido láctico-co-glicolico y nanopartículas de hidroxiapatita, que orientada perpendicular a las fibras de ácido láctico da mejores resultados. Las nanopartículas de nanohidroxiapatita se sintetizaron con Ca(NO3)2 y (NH4) 2HPO4, bajo constante agitación, pH básico y temperatura de 70 °C. Se lavaron por centrifugación, se secaron en horno y se pulverizaron. Las nanofibras de ácido láctico se hicieron con la técnica de electrohilado. El experimento se realizó in vitro y tuvo muy buenos resultados, logrando que células madre mesenquimales se diferenciaran en osteoblastos maduros sin la necesidad de suplementos, formando tejido similar al hueso.
Differential effect of hydroxyapatite nano-particle versus nano-rod decorated titanium micro-surface on osseointegration
Acta Biomaterialia, vol. 76, 2018, Long Bai, Yanlian Liu, Zhibin Du, Zeming Weng, Wei Yao, Xiangyu Zhang, Xiaobo Huang, Xiaohong Yao, Ross Crawford, Ruiqiang Hang, Di Huang, Bin Tang, Yin Xiao
Resumen. Este estudio habla de los efectos sobre la osteointegración de superficies microporosas de titanio recubiertas con hidroxiapatita, tanto en forma de nanopartículas como nanobarras. Para los estudios se usaron láminas cuadradas de Ti, in vitro, y barras de Ti, in vivo; cuya superficie se modificó por oxidación con microarco, usando como electrolitos C4H6CaO4 y C3H7Na2O6P·5H2O. Después se les dio un tratamiento hidrotermal de vapor, dependiendo de su duración genera nanopartículas o nanobarras de hidroxiapatita. Los resultados mostraron que las superficies de Ti recubiertas con nanopartículas generan una respuesta inmune favorable, reducen la inflamación y propician la formación de hueso nuevo; contrario a lo sucedido con la morfología de barra.
Chitosan/nano-hydroxyapatite/nano-zirconium dioxide scaffolds with miR-590-5p for bone regeneration
International Journal of Biological Macromolecules, vol. 111, 2018, K. Balagangadharan, S. Viji Chandran, B. Arumugama, S. Saravananb, G. Devanand Venkatasubbu, N. Selvamurugan
Resumen. En este artículo se evaluó el impacto sobre la diferenciación celular al añadir microARN a andamios de quitosano, nanohidroxiapatita y nano dióxido de circonio, hechos por liofilización. Para el estudio se usaron células madre mesenquimales de ratón. Los andamios solos tuvieron un buen efecto sobre la diferenciación en osteoblastos y al añadir el micro RNA se aumentó este efecto, lo que indica que esta combinación favorece la regeneración del tejido óseo.
Adsorption/desorption study of antibiotic and anti-inflammatory drugs onto bioactive hydroxyapatite nano-rods
Materials Science and Engineering, vol. 99, 2019, Luciano Benedini, Damián Placente, Juan Ruso, Paula Messina
Resumen. En este estudio se usaron nanopartículas de hidroxiapatita como portadoras de dos fármacos muy utilizados en enfermedades infecciosas óseas: la ciprofloxacina, como antimicrobiano y el ibuprofeno, como antinflamatorio. Se sintetizaron nanobarras con un diámetro de 8 nm y una longitud de 47 nm, con una estructura cristalina hexagonal. Los resultados farmacocinéticos fueron favorables, mostrando que se mejoran parámetros como la liberación, dependiente del pH, y la absorción del fármaco, permitiendo reducir dosis y con la posibilidad de disminuir los efectos secundarios.
Hydroxyapatite nano bioceramics optimized 3D printed poly lactic acid scaffold for bone tissue engineering application
Resumen. En este trabajo estudio la resistencia a la compresión de los andamios impresos en 3D dependiendo de la orientación de impresión. Además, se compararon andamios de ácido poli láctico solo y modificado con nanohidroxiapatita, que promueve la adsorción de proteínas, permite que las células se fijen al andamio y se reproduzcan. Las nanopartículas de hidroxiapatita se sintetizaron por precipitación usando Ca (NO3)2 · 4H2O y (NH4)2HPO4, a pH básico, se centrifugaron y se calcinaron. Para añadirlas uniformemente al andamio de ácido poli láctico, su hizo un calentamiento suave y sonicación; esto se comprobó con microscopía electrónica de barrido. El andamio mejorado con nanohidroxiapatita mostro mejoras muy importantes: mayor proliferación celular y mejor resistencia a la compresión.
REFERENCIAS
1.Nano-Hydroxyapatite as a Delivery System for Promoting Bone Regeneration In Vivo: A Systematic Review. Nanomaterials 2021, 11(10), 2569; https://doi.org/10.3390/nano11102569
2.Biomimetic and mesoporous nano-hydroxyapatite for bone tissue application: a short review. Biomedical Materials. Vol. 15. (2020). Giulia Molino et al
3.LA HIDROXIAPATITA, SU IMPORTANCIA EN LOS TEJIDOS MINERALIZADOS Y SU APLICACIÓN BIOMÉDICA. Revista Especializada en Ciencias Químico-Biológicas. Vol. 9. (2006). García-Garduño, M.V. & Reyes-Gasga, J.
Productos sacados de Nanotechnology Productcs Database: https://product.statnano.com/
GLOSARIO
INGERNIERÍA DE TEJIDOS: campo dedicado a restablecer la función de varios órganos al combinar células con biomateriales, para esto aplica principios de medicina regenerativa, y busca imitar las estructuras tridimensionales originales de los tejidos: tipos celulares apropiados, nutrientes de sostén y factores de crecimiento, para lograr el crecimiento, diferenciación y función celulares.
BIOMINERALIZACIÓN. Es el proceso mediante el cual un organismo vivo fabrica minerales para diferentes propósitos funcionales, como el endurecimiento mecánico de los tejidos, la detección magnética o gravitacional y el almacenamiento de elementos.
Las
partículas ultrafinas son partículas contaminantes del aire, que tienen un diámetro
igual o menor a 100 nm. También encontramos material particulado PM10
(partículas ≤10 µm de diámetro) y PM2,5 (partículas ≤2,5 µm de diámetro), que
se han clasificado en grupos separados por tamaño de partícula, ya que es un
factor importante en sus efectos sobre la salud.
A
pesar de su pequeña masa y tamaño, el número de partículas en el aire ambiente
es muy alto, tanto que son el contribuyente dominante al número total de
partículas en la atmósfera. Debido a
esto la concentración numérica es la mejor manera de cuantificarlas.
Se
pueden encontrar en incendios forestales, procesos de combustión, desde
emisiones vehiculares y de plantas eléctricas, hasta tabaquismo; y fuentes
sintéticas, como pigmentos de tóner y diversos productos de ingeniería
utilizados para microtecnología.
Las
partículas ultrafinas tienen capacidad para llegar a los alvéolos y eludir las
defensas primarias de las vías respiratorias. Cuando se inhalan, pueden
atravesar el tracto respiratorio con alta eficiencia, hasta llegar a los
alvéolos, debido a su pequeño tamaño y pueden ser distribuidas por todo el
cuerpo a través del sistema circulatorio.
Además,
las partículas ultrafinas tienen una gran área de superficie específica (área
de superficie total expuesta por unidad de masa) lo que las hace más
amenazadoras que el material particulado más grande. La gran superficie y la
alta reactividad de la superficie permiten que las partículas ultrafinas
adsorban mayores cantidades de metales peligrosos y compuestos orgánicos que
pueden generar estrés oxidativo.
Comparación del área superficial de partículas con diferentes diámetros y algunas de sus características dependientes del tamaño.
👉 Si te interesa saber más sobre la
relación superficie volumen y como es determinante en las propiedades nanométricas,
te dejo este vídeo, donde lo explicamos de una manera super sencilla y te
decimos como se relaciona con la nanotecnología.
Las partículas ultrafinas se
pueden distribuir de tres modos distintos: el modo de nucleación, el modo de
acumulación y el modo grueso. El modo de nucleación se refiere a partículas formadas
a partir de moléculas gaseosas, con tamaños <50 nm, y que luego crecen por
la condensación de otras moléculas gaseosas y la coagulación con otras
partículas nucleadas. El modo de acumulación abarca partículas entre 0,1 μm y 1
μm, también resultan de eventos como la condensación y la coagulación, sin
embargo, su nombre se debe a que son más difíciles de eliminar, se acumulan y tienen
una vida prolongada, de 7 a 30 días aproximadamente. Por último, el modo grueso
es para partículas grandes que son emitidas por procesos mecánicos.
El
modo de acumulación genera, por ejemplo, aglomerados de hollín. El hollín es el
principal contaminante de partículas sólidas generado por la combustión
incompleta de combustible orgánico. Consta de una parte grafítica (carbono
elemental) y otra fracción formada por compuestos orgánicos, principalmente HAP
(Hidrocarburos Aromáticos Policíclicos).
Daños
a la salud de las partículas ultrafinas
El
potencial de las partículas ultrafinas para causar daño a la salud es grande,
pero su función precisa en muchas enfermedades aún se desconoce y requiere más
investigación.
Es
sabido que causan más inflamación pulmonar y se retienen por más tiempo en el
pulmón que las partículas finas (PM 2,5), además de que se trasladan
esencialmente a todos los órganos.
Dentro
de sus efectos, encontramos que: Inducen tos y empeoran el asma, causan
inflamación sistémica, disfunción endotelial y cambios en la coagulación que
predisponen a los individuos a la enfermedad cardiovascular isquémica y la
hipertensión.
Además,
están relacionadas con la diabetes y el cáncer; y pueden viajar por los nervios
olfativos hasta el cerebro y causar disfunción cerebral y autónoma.
Las partículas ultrafinas ¿afectan
a la lluvia?
Aparte
de su impacto directo en la salud, tienen un impacto importante en las
precipitaciones. Aunque no necesariamente cambian la cantidad total de
precipitación, si cambian la distribución espacial y la intensidad de las
precipitaciones, lo que puede provocar lluvias menos constantes o períodos de
sequía más prolongados en algunas áreas, y fuertes lluvias torrenciales e
inundaciones intensas en otras áreas a miles de kilómetros de distancia.
¿Son
o no son nanopartículas? ¿Cuál es su nombre correcto?
Dado
que son generadas incidentalmente muchos científicos no están de acuerdo en
llamarlas nanopartículas, ya que opinan que deben ser diseñadas y sintetizadas
intencionalmente para ser consideradas nanopartículas. Sin embargo, como ya
vimos, su tamaño (menor a 100 nm) les otorga propiedades (propiedades
nanométricas) distintas al mismo material con mayores tamaños de partícula.
¿Tú
las llamarías nanopartículas? ¿Crees que ser un nanomaterial incidental les
quita la posibilidad de ser nombradas así?
¿Sabías
que…?
Las
secadoras para cabello también emiten material particulado. En el estudio Ultrafine
Particles Emitted through Routine Operation of a Hairdryer, publicado en junio
de este año, se analizaron 6 secadoras y se descubrió que todas emitían hierro,
carbono y cobre ultrafinos. Las emisiones de dos secadoras contenían
principalmente nanopartículas de plata <100 nm.
REFERENCIAS
Ultrafine
particles: unique physicochemical properties relevant to health and disease. Hyouk-Soo
Kwon, Min Hyung Ryu and Christopher Carlsten. Experimental & Molecular
Medicine. (2020)
The
health effects of ultrafine particles. Dean E. Schraufnagel. Experimental &
Molecular Medicine. (2020)
Ultrafine
particle emissions from modern Gasoline and Diesel vehicles: An electron
microscopic perspective. Anthi Liati, Daniel Schreiber, Yadira Arroyo Rojas
Dasilva, Panayotis Dimopoulos Eggenschwiler. Environmental Pollution. (2018)
Ultrafine
Particles Emitted through Routine Operation of a Hairdryer. American Chemical
Society. (2021)
Estos son los eventos más importantes para la nanotecnología a lo largo de la historia de la humanidad.
Para comenzar debes saber que el trabajo y el aprovechamiento de los nanomateriales a ocurrido desde hace muchísimo tiempo, sin embargo, han sido los avances tecnológicos los que han permitido un pleno conocimiento y control sobre estas estructuras nanométricas.
📜 Nanotecnología en las Civilizaciones Antiguas 🏺⏳
A lo largo de la historia de la nanotecnología vemos que distintas civilizaciones de la Antigüedad se beneficiaron de su uso en diversos campos. Todo apunta a que no tenían idea de lo que ocurría en los materiales a escala nanométrica, sin embargo, si observaban sus propiedades mejoradas y su mayor utilidad.
´´Nuestros antepasados fueron capaces de desarrollar por azar, sin comprender lo que estaban haciendo. Basándose en la experiencia acumulada a través de ensayos, con éxitos y fracasos”.
Podemos encontrar ejemplos en técnicas de orfebrería, cristalería y diseños de vitrales; en la medicina antigua, en armamento y en cosméticos.
⚔ Espadas de Damasco ⚔
El acero del que estaban hechas estas espadas se distinguía de los demás por su dureza y flexibilidad. Fue obtenido en la India en el 300 A.C. y exportado al Medio Oriente.
El acero es una aleación de hierro y carbono, pero este acero además de contener partículas de carburo de hierro (Fe3C) o cementita, presentaba nanotubos de carbono, esto fue comprobado en 2006.
Copa de Licurgo 🍷
Esta copa en jaula (diatretum) de vidrio romano es del siglo IV d.C. Es considerada el cristal más sofisticado antes de la Era Moderna y se encuentra exhibida en el Museo Británico, que la adquirió en 1958.
Ha maravillado porque tiene propiedades dicroicas, refleja la luz verde y transmite la luz roja. Lo que provoca que dependiendo del punto de vista del observador y la colocación de la fuente de luz se vea de color verde jade opaco o de un color rojo rubí translúcido.
Sus propiedades ópticas se deben a que el vidrio está impregnado con nanopartículas de oro y plata de entre 50 y 100 nanómetros, en una proporción de 7:3.
Vitrales de catedrales medievales
Entre el siglo IV y hasta XIII aprox. los vitrales de las catedrales se confeccionaban a partir de una matriz vítrea, que hoy es conocida como una solución coloidal de oro y plata.
Las tonalidades de los vidrios se obtenían dependiendo de los tamaños y formas de las nanopartículas de oro y plata dispersas en la matriz de vidrio, caso similar al de la copa de Licurgo.
Un color muy popular que pinto vitrales tanto de casas como de iglesias, fue el Púrpura de Cassius. Su nombre viene del químico Andreas Cassius, quien lo descubrió en la década de 1650. Fue el primer pigmento sintético de color púrpura, utilizado para colorear vidrio y porcelana, dando un color violeta muy hermoso. Se preparaba agregando cloruro de estaño a una solución de oro, provocando la formación de coloides de oro de tamaño nanométrico.
🏺Lustre 🏺
Es una técnica que fue usada por los ceramistas musulmanes entre los siglos IX-XVI. Se cree que la técnica se inventó en Egipto, para usarse sobre vidrio, y fue llevada por los trabajadores artesanos a Mesopotamia.
Esta técnica consiste en esmaltar con colores metálicos las cerámicas, gracias al uso de nanopartículas de metales como el oro, el estaño o la plata.
Azul maya
Es un pigmento inventado por los mayas en el año 800 D.C. aprox. Era ampliamente utilizado en pinturas murales, esculturas y decoraciones, no solo por los mayas, sino también por otras civilizaciones mesoamericanas.
Lo caracteriza un fuerte color azul turquesa, que se consigue mezclando arcilla palygorskita e índigo (obtenido de la planta Indigofera sufrutticosa) y calentado la mezcla a una temperatura de 100-110 °C durante algunas horas, este es un paso crucial para formar el azul maya.
Una de las peculiaridades que presenta es la resistencia a la degradación en condiciones ambientales muy adversas, esto se debe a que este material híbrido orgánico/inorgánico, es un nanocomposito.
El índigo o añil rellena los “surcos” de tamaño nanométrico que se encuentran en la superficie de los cristales de arcilla palygorskita. Se forman enlaces de hidrógeno entre la molécula del colorante y la arcilla, esto explica la estabilidad y el color del complejo.
*Surcos. Mitad de los canales cortados en la dirección del eje de las fibras.
Medicina de India Antigua
En el siglo VII d.C., Nāgārjuna (erudito y filósofo budista) describió la preparación de medicamentos herbo-minerales y herbo-metálicos mediante un calentamiento prolongado y pirólisis.
El proceso se basa en los mismos principios de la nanotecnología moderna, como el uso de hierbas como agente reductor para la síntesis de nanomateriales. Con este método, desarrolló medicamentos rejuvenecedores a partir de mercurio, azufre y oro.
El Ayurveda o «ciencia de la vida» es el sistema médico tradicional practicado en India desde hace más de 4 milenios. Utilizan medicamentos herbo-metálicos que son sometidos a un proceso conocido como "bhasmikaran", donde el metal es oxidado, mezclado con preparaciones de hierbas e incinerado.
Este proceso cambia la estructura, produciendo un polvo suave y ligero con partículas de tamaño nanométrico que varía de 10 a 50 nm.
Estas preparaciones de minerales metálico, se llaman Bhasma y se prescriben en medicamentos ayurvédicos desde el siglo VII d.C. Un ejemplo, es el Swarna bhasma (oro bhasma) recetado para el asma bronquial, artritis reumatoide, diabetes mellitus y enfermedades del sistema nervioso. Generalmente se administra por vía oral mezclado con miel, manteca o leche.
Cosméticos de India Antigua
El Kajal (similar al kohl) es un cosmético de color negro utilizado para decorar los ojos. Se preparaba con hollín, ya sea recogido de las lámparas que queman algodón con aceites vegetales (mostaza, coco) o alcanfor. Dicho hollín tiene una extensa red de nanotubos de carbono.
Vídeo: Historia de la Nanotecnología en la Antigüedad
Trabajos previos, cada vez más cerca…
Faraday y los coloides de oro
En 1857, Michael Faraday estudió la preparación y propiedades ópticas y electrónicas de las suspensiones coloidales de oro “Ruby”. La razón por la cual obtenía el color rubí es debido al tamaño de las nanopartículas de oro.
Las piezas grandes de oro que podemos ver a simple vista, como por ejemplo las pepitas, se ven brillantes y doradas, pero cuando el oro se hace muy, muy pequeño, interactúa de manera distinta con la luz y lo vemos de otro color. Dependiendo del tamaño nanométrico y la forma de las partículas es el color que presenta.
Primera vez que se usa el término nanómetro
El químico Richard Zsigmondy fue el primero en medir el tamaño de partículas como los coloides de oro. Para indicar el tamaño utilizo el término nanómetro, siendo el primero en usarlo. En 1925 recibió el Premio Nobel de Química por su trabajo sobre los coloides.
Irving Langmuir, ganador del Premio Nobel de Química de 1932, introdujo el concepto de monocapa, una capa de material de una molécula de espesor.
Ernst Ruska y Max Knoll usó varias bobinas en una serie para construir el primer microscopio electrónico en 1933. Gracias a su invento, superaron la barrera de resolución impuesta por las limitaciones de los instrumentos ópticos clásicos, permitiendo así la futura obtención de imágenes de nanopartículas.
Surge la idea de trabajar a escalas muy muy pequeñas
El físico Richard Feynman en 1959, en su discurso “Hay espacio de sobra aquí adentro”, hacía ver que no existe nada en las leyes físicas que impidan al hombre diseñar, manipular y controlar cosas a escala microscópica.
“ninguna ley física prohíbe que se puedan hacer cosas como miniaturizar las computadoras y escribir la información contenida en los 24 volúmenes de la Enciclopedia Británica en la cabeza de un alfiler”
Concepto de Nanotecnología
No sería hasta 1974 cuando el japones Norio Taniguchi, propusiera el término nanotecnología. Lo definió como “la nanotecnología consiste en el procedimiento de separación, consolidación y deformación de materiales átomo por átomo o molécula por molécula”.
En 1981 Gerd Binnig y Heinrich Rohrer, dos físicos vinculados a la empresa IBM, lograron diseñar el microscopio de Efecto Túnel, más tarde en 1986 serían reconocidos con el Premio Nobel de Física. Es capaz de mirar a los átomos individuales sobre una superficie metálica, también puede mover átomos individuales
Este instrumento fue fundamental en el desarrollo de la nanociencia y la nanotecnología, ya permitió múltiples descubrimientos.
Louis Brus trabajando en AT&T Bell Laboratories, descubrió unos nanocristales semiconductores coloidales, llamados puntos cuánticos. Esto ocurrió aproximadamente en 1982.
En 1985 los profesores Kroto y Smalley, realizando experimentos para convertir carbono gaseoso en hollín, fenómeno que se produce en las estrellas, descubrieron unas nuevas estructuras. Una de ellas una molécula de fórmula C60, que tiene una estructura similar a una pelota de fútbol, y se conocen como buckyballs o fullerenos (en honor del arquitecto Buckminster Fuller).
En 1986, K. Erik Drexler, publicó el libro “Máquinas de la Creación” donde imaginaba un mundo totalmente cambiado gracias a la nanotecnología.
Hablaba sobre la existencia de mini-robots, diminutos, llamados “ensambladores”, capaces de tomar moléculas individuales y ponerlas en sitios específicos, para formar cualquier estructura deseada, como armar un lego. Podían reproducirse a ellos mismos, haciendo posible construir cualquier cosa. También tenían la capacidad de hacer reparaciones a nivel molecular en medicina, estos nanorobots viajan al lugar indicado para destruir virus, células cancerosas o reparar el cuerpo y de esa manera alcanzar una virtual inmortalidad.
En 1987, se entregó una patente de EU a la compañía Hyperion Catalysis, por la producción de “fibrillas cilíndricas de carbono", con un diámetro de entre 3.5 y 70 nanómetros y una longitud 100 veces más grande que el diámetro.
En 1990, Don Eigler de IBM utilizaron un microscopio de efecto túnel para manipular 35 átomos de xenón individuales en una superficie de níquel y formaron las letras del logotipo de IBM.
En 1991, Drexler, Peterson y Pergamit, publican el libro titulado "Unbounding the Future: the Nanotechnology Revolution" en el que habla sobre las diversas posibilidades que presenta el ensamblaje molecular, donde destaca el uso que podría tener en la medicina, indicando que el cuerpo ya usa "máquinas moleculares naturales" como enzimas digestivas y hemoglobina.
Se dice que a partir de ahí se comienza a usar el famoso término "nanomedicina”.
En 1991, Sumio Iijima descubre los nanotubos de carbono por Microscopía Electrónica de Transmisión.
En 1999, Chad Mirkin de la Universidad de Northwestern inventó la nanolitografía por inmersión (DPN) que llevó a la fabricación de "escritura" reproducible de circuitos electrónicos, así como a la creación de patrones de biomateriales para la investigación de biología celular y nanoencriptación.
En 1999 se presenta la Iniciativa Nacional en Nanotecnología en EU durante el gobierno de Bill Clinton.
La nanotecnología entra al mercado
En el 2000 comenzaron a aparecer los primeros productos de consumo que utilizaban nanotecnología, como parachoques de automóviles resistían abolladuras y arañazos, pelotas de golf que vuelan más rectas, raquetas de tenis más rígidas, bates de béisbol con mejor flexión y golpeo, nanoplata antibacteriana en calcetines, protectores solares transparentes, ropa resistente a las arrugas y las manchas, cosméticos terapéuticos de penetración profunda, revestimientos de vidrio resistentes a los arañazos, baterías de recarga más rápida para herramientas eléctricas inalámbricas y pantallas mejoradas para televisores, teléfonos móviles y cámaras digitales.
En 2003 George Bush promulgó la Ley de Investigación y Desarrollo de Nanotecnología del siglo XXI. Convirtiendo la investigación en nanotecnología en una prioridad nacional.
En 2004, Xu mientras purificaba nanotubos de carbono descubre los puntos de carbono con un tamaño inferior a 10 nm.
En 2006, Paul Rothemund desarrolló el origami de ADN con andamios, mejorando la complejidad y el tamaño de las nanoestructuras de ADN autoensambladas. Este método permitió la creación de muchas estructuras largas que antes no podían construirse mediante una forma menos demandante en niveles de diseño y síntesis.
👉 Te invitamos a leer nuestro artículo que habla exclusivamente del Origami de ADN.
En 2013, IBM lanzó "Un niño y su átomo: la película más pequeña del mundo" en la que los átomos se mueven utilizando un microscopio de efecto túnel. Esta grabación buscaba promover aún más la investigación de IBM en el campo de la memoria a escala atómica y revelar lo último desarrollos y nuevas posibilidades en nanotecnología.
Vídeo Historia de la Nanotecnología en la Era Moderna
REFERENCIAS
Sharon M. History of Nanotechnology: From Pre-Historic to Modern Times. (2019).
La nanotecnología a 40 años de su aparición: Logros y tendencias. (2015).
Javier Gamo-Aranday, Joaquín Tutor-Sanchez. ENSEÑAR NANOTECNOLOGÍA A TRAVÉS DE NUESTROS ANTEPASADOS. (2015).
Mario I. Molina. NANOTECNOLOGIA, CIENCIA DE LO DIMINUTO. (2002).
José M. Oliva M. COPA DE LICURGO: CUANDO CIENCIA Y ARTE SE DAN LA MANO PARA HACER HISTORIA.
AZUL MAYA una maravillosa nanotecnología precolombina. (2008).
Sandra M. Aragón R. RETOS NANO-DIDÁCTICOS: UNA APROXIMACIÓN EN BÁSICA PRIMARIA A LOS CONCEPTOS DE NANOCIENCIA Y NANOTECNOLOGÍA. (2020).
