Nanopartícula

Una nanopartícula (nanopolvo, nanoracimo, o nanocristal) es una partícula que posee las tres dimensiones menores que 100 nm. Actualmente las nanopartículas son un área de intensa investigación científica, debido a una amplia variedad de aplicaciones potenciales en campos tales como biomédicos, ópticos, electrónicos, nanoquímica, o agricultura.[1][2][3][4][5] Las partículas están calificadas por su diámetro.[6] Las partículas ultrafinas son las mismas que las nanopartículas entre 1 y 100 nanómetros en tamaño. Las partículas finas están entre los 100 y 2,500 nanómetros. Las partículas gruesas cubren un rango de entre 2,500 y 10,000 nanómetros.

MET (a, b, y c) imágenes de silica mesoporosa preparada con diámetros de: (a) 20nm, (b) 45nm, and (c) 80nm. SEM (d) imagen de (b). Los recuadros son aumentos de partículas de silica

Definición
Partículas de cualquier forma con dimensiones en el rango 1 × 10−9 and 1 × 10−7 m.

Nota 1: Modificado de las definiciones de nanopartícula y nanogel en [refs.,[7][8]].

Nota 2: La base del límite de 100-nm es el hecho que las propiedades diferencias partículas del material de granel típicamente desarrollado en una escala crítica abajo de los 100nm. Nota 3: Por otros fenómenos (transparencia o turbiedad, ultrafiltración, dispersión estable, etc) que extienden el límite superior son ocasionalmente considerados.

Nota 4: Tubos y fibras con solo dos dimension abajo de 100 nm son también

.[9]

La razón de la definición sinónima de nanopartículas y partículas ultrafinas es que durante los años 1970-80, cuando el primer estudio con “nanopartículas” estaba liderado con Estados Unidos (Por Grangvist y Buhrman)[10] y Japón (Con un proyecto de ERATO)[11] Les llamaban partículas ultrafinas. Sin embargo, durante los años 1990s antes de que se lanzara la Iniciativa Nacional de Nanotecnología en los Estados Unidos, el nombre de “nanopartícula” se había puesto de moda (ver, por ejemplo, el mismo escrito del autor hablando veinte años más tarde de los tamaños de nanopartículas [12]). Las nanopartículas pueden exhibir propiedades de tamaño que puedan diferir significativamente con aquellas observadas en partículas finas o materiales amontonados.[13][14] Aunque el tamaño de la mayor parte de las moléculas entra en los lineamientos ya mencionados, las moléculas individualmente no se les considera nanopartículas.

Los nanoclusters tienen al menos una dimensión de entre 1 y 10 nanómetros y una distribución estrecha. Los Nanopolvos[15] son aglomerados de partículas ultrafinas, nanopartículas o nanoclusters. Los cristales con medidas nanométricas, se les llama nanocristales.

Antecedentes

En general, las nanopartículas son consideradas un descubrimiento de la ciencia moderna, pero en realidad tienen una larga historia. Las nanopartículas fueron utilizadas por artesanos desde el siglo IX en Mesopotamia para generar un efecto resplandeciente en la cerámica.[16][17]

Incluso en esos días, la cerámica de la Edad Media y el Renacimiento solían tener un brillo metálico de oro o cobre. Este lustre es causado por una capa metálica que se aplicaba a la superficie transparente de un acristalamiento. El lustre aun es visible si la capa ha resistido la oxidación atmosférica y demás desgastes.[16][17]

El lustre originado por la capa misma, que contenía nanopartículas de plata y cobre dispersadas homogéneamente en la matriz vidriosa del acristalamiento cerámico. Estas nanopartículas fueron creadas por los artesanos mezclando sales de cobre y plata con óxidos y vinagre, ocre y arcilla en la superficie de la cerámica previamente acristalada. El objeto era posteriormente puesto en un horno y calentado a 600 °C en una atmósfera reductora.[17]

En el calor, se suaviza el vidriado, provocando que los iones de cobre y plata migraran a las capas externas del objeto. En ese momento, la atmósfera reducida torna de regreso a los iones en metales, las cuales forman finalmente a las nanopartículas que dan color y efectos ópticos.[17]

Esta técnica demostró que los antiguos artesanos tenían un conocimiento empírico sofisticado de materiales. La técnica se originó en el mundo Musulmán. Puesto que los musulmanes tenían prohibido usar oro en representaciones artísticas, encontraron una forma de crear un efecto similar sin usar oro real. Su solución fue utilizar lustre.[17][18]

Michael Faraday dio la primera descripción, en términos científicos, de las propiedades ópticas de metales en escala nanométrica en su ensayo clásico de 1857. En un ensayo posterior, el autor Turner señala que: “Es bien conocido que cuando delgadas hojas de oro o plata son amontonadas en un cristal y calentadas en una temperatura que está debajo de un calor rojo (500 °C aproximadamente), un cambio notorio de las propiedades se vuelve visible, donde la continuidad de la capa metálica se destruye. El resultado es que la luz blanca es ahora libremente transmitida, siendo su reflejo correspondientemente disminuido, mientras la resistividad eléctrica aumenta enormemente."[19][20][21]

Descubrimiento
Polvo de silicio.

Recientemente se ha desarrollado una nanopartícula que utiliza la luz y el calor para destruir tumores. Además es orgánica y biodegradable.

Este descubrimiento se ha realizado por investigadores del Hospital Princesa Margarita en Ontario (Canadá) y de otras instituciones también de otros países que han constituido un equipo numeroso y de diversas especialidades. Gang Zheng ha sido el coordinador general de este estudio. Los resultados se han publicado en la revista Nature Materials.[22]

Gang Zheng explica que: “combinamos elementos que se producen de forma natural (clorofila y lípidos) para crear una nanopartícula que muestra potencial para numerosos tipos de aplicaciones basadas en la luz. Permite que pueda llenarse de fármacos para tratar el tumor al que se dirige”.

Los investigadores explican que la terapia fototérmica utiliza luz y calor para destruir los tumores. La partícula absorbe mucha luz para acumularla en los tumores. Una vez que la nanopartícula alcanza su tumor objetivo se vuelve fluorescente para indicar “misión cumplida”.

Concluye Zheng: “La seguridad sin precedentes de esta nonapartícula en el organismo es la guinda del pastel".[23]

La novedad de este estudio es que utiliza elementos orgánicos, pues otros equipos experimentan calentando nanopartículas de oro con luz para eliminar las células tumorales.[24][25]

Uniformidad

El proceso químico y síntesis de alto rendimiento para los sectores privados, industriales y militares requieren el uso de cerámicos, polímeros, cristales cerámicos y materiales compuestos de alta pureza. En cuerpos condensados formados de polvos finos, las partículas irregulares y formas en polvo normal suelen conllevar morfologías no uniformes que resultan en empaquetados de varias densidades compactas en el polvo.

La aglomeración incontrolada de polvos por fuerzas de van der Waals puede aumentar la falta de homogeneidad en la microestructura. Las tensiones diferenciales que se desarrollan como resultado del encogimiento no-uniforme del secado están directamente relacionados al cambio con el cual el solvente puede ser removido, y dependiente de la distribución de la porosidad. Dichas tensiones se han asociado con una transición de plástico forma quebradiza consolidándose en cuerpos, y pueden llegar a una propagación quebrada en el cuerpo crudo si no se libera.[26][27][28]

Además, cualquier fluctuación en la densidad de empaquetamiento del horno compacto es frecuentemente amplificada durante el proceso de sinterización, dando como resultado una densidad no homogénea. Algunos poros y otros defectos estructurales asociados a la densidad han mostrado un papel fundamental en el proceso de sinterización aumentando y delimitando la densidades. Las tensiones diferenciales provenientes de densificaciones no homogéneas han demostrado resultar en la propagación de quiebres internos, convirtiéndose en la fortaleza del control de defectos.[29][30][31]

La evaporación y deposición de gases inertes[10][11] son libres de muchos de estos defectos por destilación (purificación) del proceso y teniendo suficiente tiempo en forma de partículas de cristal, no obstante, incluso sus depósitos no agregados tienen tamaños log-normales, lo cual es común en nanopartículas.[11] La razón por la cual las técnicas modernas de evaporación de gases pueden producir relativamente una distribución estrecha es que la agregación puede ser evitada.[11] Como sea, incluso en este caso, en tiempo aleatorios en el crecimiento de la zona, debido a su combinación de deriva y difusión, resulta en tamaño de distribución siendo lognormal.[12]

Entonces, es deseable procesar un material en tal forma que sea físicamente uniforme con respecto a la distribución de los componentes y su porosidad, que con la distribución del tamaño de partículas que maximicen la densidad verde. El contenido de un ensamble de partículas fuertemente dispersadas interactuando y en suspensión requiere control total sobre fuerzas entre partículas. Las nanopartículas monodisperas y coloides proveen este potencial.[32]

Los polvos monodispersado de silica, por ejemplo, puede estabilizarse suficientemente para asegurar un alto nivel de orden en el cristal coloide que resulta de la agregación. El grado de orden es limitado por el tiempo y espacio permitido para relaciones de un rango más largo para ser establecidas. Las estructuras coloidales cristalinas defectuosas son elementos básicos de la ciencia de los materiales coloidales y, entonces, proveen el primer paso en el desarrollo de una compresión más rigorosa de los mecanismos relacionados con la evolución microestructural en materiales y componentes de alto rendimiento.[33][34]

Propiedades
1 kg de partículas de 1 mm³ tiene la misma área de superficie que 1mg de partículas de 1 nm³

Las nanopartículas son de gran interés científico, de hecho, son un puente entre los materiales a granel y las estructuras atómicas o moleculares. Un material de granel debe tener propiedades físicas constantes, sin importar su tamaño, pero en una nano escala, sus propiedades son observadas. Así, las propiedades de los materiales cambian mientras su talla se aproxima a la nano escala y conforme el porcentaje de átomos en la superficie de un material se vuelve significativa. Para los materiales de granel más largos de un micrómetro, el porcentaje de átomo en la superficie es insignificante en relación con el número de átomo en el material de granel. Las propiedades interesantes y a veces inesperadas de las nanopartículas están ahí por la larga área de superficie del material, el cual domina las contribuciones hechas por los pequeños gruesos del material.

Las nanopartículas poseen frecuentemente propiedades ópticas inesperadas en tanto sean suficientemente pequeñas a confinar sus electrones y producir efectos cuánticos. [4] Por ejemplo, nanopartículas de oro aparecen de color rojo oscuro en solución. Las nanopartículas de oro amarillo y silicón gris son rojos. Las nanopartículas de oro ebullen en temperaturas más bajas (~300 °C para 2.5 nm) que las losas de oro (1064 °C);[35] La absorción de radiación solar es mayor en los materiales compuestos de nanopartículas que en sus capas finas de varias capas del material. En las aplicaciones de energía solar fotovoltaica y solar termales, controlando el tamaño, forma y material de las partículas, haciendo posible el control de la absorción solar.[3][5][36]

Otra propiedad dependiente de su tamaño es el confinamiento cuántico partículas semiconductoras, la resonancia en el plasmón superficial en algunas partículas de metales y superparamagnetismo[4] en materiales magnéticos. Lo cual es irónico es que los cambios en propiedades físicas no son deseables. Los materiales ferromagnéticos que son más pequeños que 10 nm pueden cambiar su dirección de magnetización usando la energía termal de la temperatura ambiente, provocando que no sean almacenables.[37]

Las suspensiones de nanopartículas son posibles puesto que la interacción de la superficie de la partícula con el solvente es suficientemente fuerte para superar las diferencias de densidad, lo cual de otra manera resultaría en un material hundiéndose o flotando e un líquido.

El radio del volumen del área de superficie de las nanopartículas proveen una tremenda fuerza que conduce a la difusión, especialmente en temperaturas elevadas. La sinterización puede llevarse a cabo en temperaturas más bajas, en escalas de tiempos más cortos para partículas más largas. En teorías, esto no afecta la densidad del producto final, aunque dificultades con el flujo y la tendencia de las nanopartículas a aglomerarse lo complica. Por otra parte, las nanopartículas han resultado presentar propiedades adicionales a varios productos del día a día. Por ejemplo, la presencia de las nanopartículas del dióxido de titanio imparte lo que se conoce como el efecto de autolimpieza, y el tamaño siendo de un nano-rango, las partículas no pueden ser observadas. Se ha encontrado que las partículas del óxido de zinc tienen propiedades para bloquear rayos ultravioleta, comparado con su sustituto de granel. Esta es una de las razones por las cual se suele usar en la preparación de protectores solares,[38] y es completamente fotoestable.[39]

Cuando se incorporan nanopartículas de arcilla en matrices de polímeros, incrementa el refuerzo, produciendo plásticos más fuertes, verificables por una temperatura de transición vítrea más alta y otros exámenes de propiedades mecánicas. Estas nanopartículas son duras, e imparten sus propiedades al polímero. Las nanopartículas se han aunado a fibras textiles par crear ropa inteligente y funcional.[40]

Las partículas metálicas, dieléctricas y semiconductoras han sido formadas, así como estructuras híbridas (nanopartículas core-shell).[2] Las nanopartículas hechas de material semiconductor puede también ser etiquetado como puntos cuánticos si son suficientemente pequeños (10 nm aprox.) para que la cuantificación de la energía eléctrica ocurra. Dichas nanopartículas se utilizan en aplicaciones biomédicas como acarreadores de medicamentos y agentes de imagen.

Nanopartícula semiconductora(quantum dot) de sulfuro de plomo con pasivación completa por ácido oléico, oleyl e hidroxilo (tamaño~5nm)

Nanopartículas suaves y semi-sólidas se han manufacturado. Un prototipo de nanopartícula de naturaleza semi-sólida es el liposoma. Varios tipos de liposomas se usan actualmente clínicamente como sistemas de entrega para médicamente y vacunas contra el cáncer.

Nanopartículas con una mitad hidrofílica y la otra mitad homofóbica se les nombra partículas Janus y son particularmente efectivas para estabilizar emulsiones. Pueden acomodarse por sí solas en interfaces de agua/aceite y actúan como surfactantes sólidos.

Igualmente, se han identificado algunos tipos de nanopartículas con propiedades antioxidantes.[41]

Principales tipos de nanopartículas

Cuatro son las principales clases en las que en general son clasificados los nanomateriales:

  1. Materiales de base de carbón: con formas esféricas, elipsoidales o tubulares. Sus propiedades fundamentales son su reducido peso y su mayor dureza, elasticidad y conductividad eléctrica.
  2. Materiales de base metálica: pueden ser quantum dots(puntos cuánticos o transistores de un solo electrón) o nanopartículas de oro, plata[42] o de metales reactivos como el dióxido de titanio, entre otras.
  3. Dendrímeros: polímeros nanométricos construidos a modo de árbol en el que las ramas crecen a partir de otras y así sucesivamente; las terminaciones de cada cadena de ramas pueden diseñarse para ejecutar funciones químicas específicas(una propiedad útil para los procesos catalíticos).
  4. Composites: combinan ciertas nanopartículas con otras o con materiales de mayor dimensión; el caso de arcillas nanoestructuradas es un ejemplo de uso extendido.

Síntesis

Hay diversos métodos para crear nanopartículas, incluyendo la atrición, pirólisis y síntesis hidrotermal. En la atrición, partículas macro- o micro-escala son molidas en un molino de bola, un molino de bola planetario, u otro mecanismo reductor de tallas. Las partículas resultantes son clasificadas por aire en un elutriador para recuperar nanopartículas. En pirólisis, un vapor precursor es forzado a través de un orificio en alta presión y quemado. El sólido resultante es clasificado de aire para recuperar partículas de óxido de los gases del producto. La pirólisis tradicional suele resultar en agregados y aglomerados, que en partículas primarias individuales. La pirólisis por boquilla ultrasónica apoya en la prevención de la formación de aglomerados.

Un plasma termal puede deliberar la energía necesaria para causar la vaporización de pequeña partículas micrométricas. Las temperaturas del plasma termal se encuentran en 10,000 K, para que el polvo sólido se evapore fácilmente. Las nanopartículas se forman al enfriarse mientras salen de la región del plasma. Los principales tipos de antorcha del plasma termal usados para producir nanopartículas son “dc plasma jet”, “arc plasma” y plasmas de inducción de radio frecuencia (RF). En los reactores de “arc plasma”, la energía necesaria para la evaporación y reacción viene de un arco eléctrico formado por el ánodo y el cátodo. Por ejemplo, la arena de sílice puede ser vaporizada con “arc plasma” en presión atmosférica, o delgados alambre de aluminio pueden ser vaporizados el método de explosión de alambre. La mezcla resultante de gas plasma y vapor se sílice puede ser rápidamente enfriado si se sopla con oxígeno, para asegurar la calidad del sílice ahumado producido

En la inducción RF, la energía enganchada el plasma se genera con un campo electromagnético de la bobina inductora. El gas plasma no entra en contacto con electrodos , aunque eliminando posibles fuentes de contaminación y permitiendo la operación de antorchas de plasma con un amplio rango de gases, incluyendo inertes, reductores, oxidantes y otros gases corrosivos. La frecuencia de trabajo corte a niveles de potencia de entre 200 kHz y 40 MHz. Unidades de laboratorio corren con una potencia de entre 30 y 50 kW, donde las unidades industriales a larga escala se han probado con más de 1 MW. Mientras el tiempo de residencia de la alimentación gotea en el plasma, es importante que el tamaño de las gotas sean suficientemente pequeñas para llegar a una evaporación completa. El método RF ha sido usado para sintetizar diferentes materiales de nanopartículas, por ejemplo, varias nanopartículas para cerámica como óxidos, carburos y nitratos de titanio y silicio.

Injertos de condensación de gas son frecuentemente usados para producir nanopartículas de metales con bajos puntos de ebullición. El metal es vaporizado en una cámara vacía y después enfriada con un flujo de gas inerte. El vapor del metal enfriado se condensa en nanopartículas, las cuales pueden ser arrastradas en el flujo del gas.


Sol-gel

El proceso de sol-gel es una técnica química húmeda usada ampliamente en las área de la ciencia de materiales e ingeniería cerámica. Esto métodos son usas principalmente para la fabricación de materiales (óxidos de metales) empezando de una solución química, que actúa como el precursor de una red integrara (gel) de partículas discretas o redes de polímeros.[43]

Los precursores típicos son alcóxidos de metales y cloruros de metales, los cuales pueden pasar por hidrólisis y reacciones de policondensación para formar una red de un “sólido elástico” o una suspensión coloidal (dispersión) . un sistema compuesto de partículas discretas submicrométricas dispersados en varios grados en un fluido hospedero. La formación de un óxido de metal involucra la conexión los centros de los metales con oxo (M-O-M) o puentes (M-OH-M) de hidróxido, entonces generar metales-oxo o polímeros de hidróxidos de metales en una solución. Así, la solución cambia hacia la formación de una estructura similar a un sistema de gel difásico que contiene la fase sólida y líquida cuyas morfologías van desde partículas discretas a redes de continuos polímeros..[44]

En caso de que la fracción de volumen de partículas de un coloide es tan bajo que una porción significativa del fluido puede necesitar ser removida inicialmente para que las propiedad del “gel” sean reconocidas. Esto se puede lograr de muchas maneras. El método más simple es dando tiempo para que ocurra la sedimentación, y después vaciar el líquido sobrante. La centrifugación también puede ser utilizada para acelerar el proceso de la separación de fases.

Quitar el líquido sobrante requiere un proceso de secado, que es comúnmente acompañado por una porción de encogimiento y densificación. El ritmo al cual el solvente pueda ser removido es determinado por la distribución de la porosidad en el gel. La microestructura final del componente será fuertemente influenciada por los cambios implementados durante esta fase del proceso. Subsecuente a esto, un tratamiento termal es casi siempre necesario para favorecer la policondensación y mejorar sus propiedades mecánicas y estabilidad estructural con la sinterización, densificación y el crecimiento del grano. Una de las diferentes ventajas de usar esta metodología es que la densificación se obtiene con temperaturas más bajas.

La solución precursora puede ser depositada en un sustrato para formar una capa de inmersión recubridora, puesta en un contenedor adecuado con la forma deseada, o usada para sintetizar polvos. El costo de producir la solución-gel es económico y la técnica de baja temperatura permiten tener un control de la composición química del producto. Incluso en pequeña cantidades de dopantes, como colorantes orgánicos y raros metales de tierra, pueden ser introducidos en la solución y terminar dispersados uniformemente en el producto final. Puede ser usado en el procesado de cerámicos y manufactura como un material de inversión, o como materia para producir cintas muy delgadas de óxidos de metales para varios propósitos. Los materiales derivados de solución-gel tienen diversas aplicaciones en optometrías, electrónica, energía, espacio, sensores, medicinas y tecnologías de separación.[45][46]

Coloides

El término coloide es usado principalmente para describir un amplio rango de sólidos y/o líquidos, todas conteniendo distintas partículas de líquidos y/o sólidos que están dispersadas en varios grados en un medio líquido. El término es específico al tamaño de la partícula, las cuales son más largas que las dimensiones atómicas pero suficientemente pequeño para exhibir el movimiento browniano. Si las partículas son suficientemente largas para su conducta dinámica en cualquier periodo de tiempo en suspensión, sería gobernado por fuerzas de gravedad y sedimentación. Pero, si son suficientemente pequeños para ser coloides, entonces su movimiento irregular en suspensión pueden ser atribuidos al bombardeo colectivo de una miríada de moléculas termalmente agitadas en el medio líquido de suspensión , como se describió por Albert Einstein en su disertación. Einstein proveyó la existencia de moléculas de agua concluyendo que esta conducta errática de la partícula puede ser descrita adecuadamente usando la teoría del movimiento Browniano, con la sedimentación siendo un posible resultado a largo plazo. El rango del tamaño crítico normalmente va de (10−9 m) micrómetros (10−6 m).[47]

Morfología
Nano estrellas de óxido de vanadio.

Los científicos han nombrado sus partículas por formas de la vida real que puedan representar. Nanosferas,[48] nanoarrecifes,[49] nanocajas [50] estas morfologías a veces surgen espontáneamente como un efecto que da direcciones en la síntesis de emulsiones de micelas o poros de alúmina anodizado, o de los patrones cristalográficos de crecimiento de los materiales.[51] Algunas de estas morfologías pueden servir a propósitos como nanotubos largos de carbono usados para conectar una unión eléctrica.

Las partículas sin forma generalmente adoptan una forma esférica. En el fin del rango de tamaños, las nanopartículas suelen ser llamadas racimos. Esferas, báculos, fibras y tazas son algunas de las formas que han crecido. El estudio de las partículas finas es la micrometría.

Caracterización

La caracterización de las nanopartículas es necesaria para establecer el entendimiento y control de la síntesis y aplicaciones de nanopartículas. La caracterización se lleva a cabo usando diferentes técnicas, principalmente de la ciencia de materiales. Entre las técnicas más comunes está la microscopía de electrones (TEM, SEM), fuera atómica de microscopía (AFM), dispersión de luz dinámica (DLS), espectroscopia de fotoelectrones de rayos x (XPS), polvo de difracción de Rayos X (XRD), espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FTIR), desorción láser asistida por matriz / espectrometría de ionización de masas de tiempo de vuelo (MALDI-TOF), espectroscopia visible ultravioleta, espectrometría de retro-dispersión de Rutherford (RBS), dual interferometría polarización y de resonancia magnética nuclear (NMR).

Mientras la teoría ha sido conocida por un siglo, la tecnología para el análisis y rastreo de nanopartículas (NTA) permite el rastreo directo al movimiento Browniano; este método permite tomar la medida de nanopartículas individuales en una solución.

La mayoría de las técnicas de caracterización de estas nanopartículas son basadas en luz, pero una técnica de caracterización no óptica llamada “Tunable Resistive Pulse Sensing” (Detección de pulso sintonizable resistivo) ha sido desarrollada con el fin de medir simultáneamente el tamaño, concentración y superficie de una gran variedad de nanopartículas.[52]

Esta técnica que aplica el Principio de Coulter, permite la cuantificación de estas tres características de cada partícula con una alta resolución.

Funcionalización

El revestimiento de la superficie de las nanopartículas es crucial para determinar sus propiedades. En particular, el revestimiento de la superficie puede regular la estabilidad, solubilidad y focalización. Un revestimiento que es polimérico o multivalente, da una buena estabilidad. Los catalizadores basados en nanomateriales funcionalizados pueden ser utilizados para la catálisis de muchas reacciones orgánicas conocidas.

El revestimiento de la superficie para aplicaciones biológicas

Para las aplicaciones biológicas, el revestimiento de la superficie debería ser polar para dar una alta solubilidad acuosa y prevenir la agregación de nanopartículas. En suero o en la superficie de la célula, recubrimientos altamente cargados promueven la unión no específica, mientras que el polietilenglicol vinculado a grupos hidroxilo o metoxi terminales repelen las interacciones no específicas.[53][54] Las nanopartículas pueden estar vinculadas a las moléculas biológicas que pueden actuar como etiquetas de direcciones, para dirigir las nanopartículas a sitios específicos dentro del cuerpo,[55] organelos específicos dentro de la célula,[56] o seguir específicamente el movimiento de proteínas o de las moléculas de ARN en las células vivas.[57] Etiquetas de direcciones comunes son anticuerpos monoclonales, aptámeros, estreptavidina o péptidos. Estos agentes de direccionamiento idealmente deben estar unidos covalentemente a la nanopartícula y deben estar presentes en un número controlado por nanopartículas. Las nanopartículas polivalentes, teniendo múltiples grupos de orientación, pueden agruparse los receptores, que puede activar vías de señalización celular, y dar anclaje más fuerte. Las nanopartículas monovalentes, teniendo un único sitio de unión,[58][59][60] evitar la agrupación y así son preferibles para el seguimiento del comportamiento de las proteínas individuales.

Los revestimientos de células rojas de la sangre pueden ayudar a las nanopartículas a evadir el sistema inmunológico.[61]

Seguridad

Las nanopartículas presentan posibles peligros, tanto riesgos médicos como para el medio ambiente.[62][63] La mayoría de estos son debido a la alta relación de superficie con el volumen, lo que puede hacer que las partículas sean muy reactivas o catalíticas.[64] También son capaces de pasar a través de las membranas celulares en organismos, y sus interacciones con los sistemas biológicos son relativamente desconocidas.[65] Un reciente estudio que analiza los efectos de las nanopartículas de ZnO sobre las células inmunes humanas y se ha encontrado diferentes niveles de susceptibilidad a la citotoxicidad.[66] Existe la preocupación de que las empresas farmacéuticas, que buscan la aprobación regulatoria para nano-reformulaciones de los medicamentos existentes, están confiando en los datos de seguridad producidos durante los estudios clínicos de las versiones anteriores de la reformulación de la medicina. Esto podría causar que a los organismos reguladores, como la FDA, pasen por desapercibido nuevos efectos secundarios que son específicos de la nano-reformulación.[67]

Ya sea que los cosméticos y filtros solares que contienen nanomateriales plantean riesgos para la salud, sigue siendo desconocido sus daños actualmente.[68] Sin embargo, una considerable investigación ha demostrado que las nanopartículas de zinc no se absorben en el torrente sanguíneo in vivo.[69] Se ha encontrado que las nanopartículas de diésel pueden dañar el sistema cardiovascular en un modelo de ratones.[70]

También se ha levantado preocupación sobre los efectos en la salud de las nanopartículas respirables de determinados procesos de combustión. [71] A partir de 2013 la Agencia de Protección Ambiental estaba investigando la seguridad de las nanopartículas siguientes:[72]

  • Nanotubos de Carbono: Los materiales de carbono tienen una amplia gama de usos, que van desde materiales compuestos para su uso en vehículos y material deportivo a los circuitos integrados para los componentes electrónicos. Las interacciones entre los nanomateriales como los nanotubos de carbono y materia orgánica natural, influyen fuertemente en su agregación y deposición, que afecta fuertemente su transporte, transformación, y la exposición en ambientes acuáticos. En investigaciones anteriores, los nanotubos de carbono exhiben algunos impactos toxicológicos que serán evaluados en diversos entornos ambientales en la investigación actual sobre la seguridad química de la EPA. La investigación de la EPA proporcionará datos, modelos, métodos de prueba y las mejores prácticas para descubrir los efectos agudos sobre la salud de los nanotubos de carbono e identificar métodos para predecirlos.[72]
  • Óxido de cerio: El óxido de cerio a nanoescala se utiliza en electrónica, equipos biomédicos, la energía y los aditivos de combustible. Muchas aplicaciones de las nanopartículas de óxido de cerio en aplicación de ingeniería, naturalmente, provoca que se dispersen en el medio ambiente, lo que aumenta el riesgo de exposición. Hay una exposición continua a las nuevas emisiones de diésel que utilizan aditivos de combustible que contienen nanopartículas de CeO2, y los impactos ambientales y de salud pública de esta nueva tecnología son desconocidos. La investigación de la seguridad química de la EPA está evaluando las implicaciones, ecológicas y de salud ambiental de los aditivos de combustible diésel.[72]
  • Titanium dioxide: Dióxido de titanio: El nano dióxido de titanio se utiliza actualmente en muchos productos. Dependiendo del tipo de partícula, puede encontrarse en los protectores solares, cosméticos, pinturas y recubrimientos. También está siendo investigado para su uso en la eliminación de contaminantes del agua potable.[72]
  • Nano Plata: La nano plata se está incorporando a los productos textiles y otros materiales para eliminar las bacterias y el mal olor de la ropa, envases de alimentos y otros artículos donde las propiedades antimicrobianas son deseables. En colaboración con la “Consumer Product Safety Commission” de EE. UU., la EPA está estudiando determinados productos para ver si se transfieren las partículas de plata nano-tamaño en escenarios del mundo real.[72]
  • Hierro: Aunque el hierro nano-escala está siendo investigado para muchos usos, entre ellos "fluidos inteligentes" para usos tales como la óptica de pulido y como un suplemento nutricional de hierro se absorbe mejor, uno de sus usos actuales más destacados es para eliminar la contaminación de las aguas subterráneas. Este uso, apoyado por la investigación de la EPA, se está poniendo a prueba en una serie de sitios en todo el país de EE. UU.[72]

Implicaciones ambientales

Se ha señalado que las propiedades que se están aprovechando de las nanoestructuras y nanomateriales mencionados (por ejemplo: su superficie altamente reactiva y su habilidad de atravesar membranas) podrían significar importantes peligros en especial por su grado potencialmente elevado de toxicidad. Las implicaciones ambientales en relación con tal toxicidad y con la biodegradabilidad de las nanopartículas y los efectos de éstas en la salud de la diversidad de especies(incluyendo la humana), en el corto y en el medio plazo, son de consideración puesto que se estima que podrían interferir en las funciones vitales. La bioacumulación y persistencia de las nanopartículas a lo largo de la cadena alimentaria es también un factor a tener en cuenta.

El asunto es complejo dado que en la nanociencia hay notables vacíos de conocimiento, entre los que se identifica como más importantes:

  • (a) la insuficiente definición del punto en el que de hecho las propiedades cambian en relación con el tamaño.
  • (b) la limitada claridad acerca de esas propiedades de la nanoescala.
  • (c) el casi nulo conocimiento de las implicaciones de la interacción de las nanoestructuras con el medio natural.

Para ello es necesario determinar de modo general y particular las características de los nanomateriales en interacción con el medio natural(y consecuencias de sus posibles transformaciones). Esto es, por tanto, aspectos como: sus mecanismos de transporte o movimiento en aire, tierra y agua y su capacidad de difusión, de aglomeración, de deposición húmeda y seca, de sus propiedades gravitacionales; de su reactividad con moléculas o nanopartículas naturales(no diseñadas o nanoestructuradas) y cómo ello afecta sus características generales, incluyendo su toxicidad, o de cambios inducidos por reacciones fotocatalizadoras o inducidas por condiciones anaeróbicas.

La Royal Society suscribía en 2004 que "la evidencia sugiere que por lo menos algunas nanopartículas manufacturadas serán más tóxicas por unidad de masa que aquellas de la misma naturaleza pero de mayor dimensión. Esta toxicidad está relacionada con el área de superficie de las nanopartículas y con su reactividad química".

Tal reactividad química de la superficie de las nanopartículas es de mayor consideración ambiental, pues se piensa que las enzimas naturales presentes en el ambiente pueden cambiar las propiedades de la superficie de las nanopartículas, y convertirse en coloides. Estas nanopartículas con características coloidales podrían ser ideales para la transportación a larga distancia de material tóxico, como contaminantes hidrofóbicos y metales pesados, por ejemplo al reaccionar con moléculas mayores pero de menos movilidad, como las contenidas en fertilizantes y pesticidas.

Aplicaciones Láser

El uso de nanopartículas en tinte dopado con láser de poli (metacrilato de metilo) (PMMA) los medios de ganancia del láser se demostraron en 2003 y se ha demostrado que mejoran la eficiencia de conversión y para disminuir la divergencia del haz láser.[73] Los investigadores atribuyen la reducción de la divergencia del haz a la mejora de dn / dt de la características del tinte dopado orgánico-inorgánico nanocompuesto. La composición óptima reportado por estos investigadores es 30% w / w de SiO2 (~ 12 nm) en PMMA tinte dopado.

Aplicaciones Médicas

Referencias
  1. C. Lárez-Velásquez; S. Koteich-Khatib; F. López-González, Ed. (2015). Nanopartículas: Fundamentos y Aplicaciones. Universidad de Los Andes, Mérida, Venezuela.
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