Nanotecnología

  Probablemente cualquier químico soñaría con la posibilidad de aislar una especie química diluida en una mezcla sin la molestia de la tediosa labor de manipular líquidos durante horas. El problema radica en que hoy por hoy, la separación de productos y postprocesamiento de compuestos orgánicos (proteínas, ácidos nucleídos, y productos naturales procedentes de reacciones complejas, es una labor muy intensa y muy costosa. Los procesos catalíticos en la fase líquida son de suma importancia en muchas áreas,  especialmente en la industria química. El uso de catalizadores sólidos permite facilitar la separación y reciclaje de dicho catalizador facilitando su reutilización. Usualmente una pequeña partícula de catalizador supone una alta actividad, por lo que el uso de nanopartículas son atractivas debido a que no reducen significativamente su tamaño tras el proceso de catálisis. El problema del uso de nanopartículas radica en el problema que presentan para su posterior separación a partir de métodos convencionales ya que bloquean los filtros convencionales. Una posible solución a este problema puede ser la "separación magnética" de los productos presentes en la mezclas como pueden ser las mezclas que se producen en los procesos rutinarios en el campo de la bioquímica. Desafortunadamente el alto precio de las "micropartículas magnéticas" y su baja  capacidad de unión limita su uso a la síntesis orgánica. Investigadores suizos del laboratorio Functional Materials Laboratory (FML), liderados por Dr. Robert Grass, acaban de encontrar el camino adecuado para unir moléculas orgánicas determinadas nanopartículas magnéticas. Esto permite la separación de las moléculas elegidas u obtenidas tras la síntesis en unos pocos segundos. La tecnología está siendo explorada en el campo de la química orgánica y biotecnología como una posible alternativa a la cromatografía o cristalización. Combinado la síntesis orgánica clásica o producción de polímeros con separación magnética podría potencialmente revolucionar procesos clave en la industria química.

    La demanda de biomateriales sintéticos ha aumentado considerablemente durante los últimos años debido fundamentalmente a sus múltiples e interesantes aplicaciones en el campo de la regeneración de tejidos. En la actualidad, el cristal bioactivo (formado en su mayor parte por fosfosilicato de calcio y sodio) está considerado como el material de mayor biocompatibilidad para la regeneración ósea, debido en gran parte a su bioactividad y su demostrada capacidad de soportar el ensamblaje celular durante la formación de la matriz ósea. De este modo se facilita el crecimiento de nuevo tejido. Sin embargo, hasta hace poco tan sólo se había conseguido fabricar cristal bioactivo en forma de polvo o fibras microscópicas. Por primera vez, un equipo de científicos de la Universidad de Dankook en Korea del Sur (Department of Dental Biomaterials), dirigidos por el profesor Hae-Won-Kim, han conseguido fabricar nanofibras unidimensionales mediante un proceso de electrospinning. Mediante el control de las condiciones del proceso de síntesis, el grupo de investigación del profesor Kim ha conseguido fabricar nanofibras bioactivas con unas dimensiones y morfología variables, ampliando de este modo su versatilidad. Los resultados de estas investigaciones han sido publicados en diversas revistas científicas de reconocido prestigio, como Advanced Functional Materials o Journal of Biomedical Research.

    La mayoría de los estudios realizados con estas nanofibras han demostrado su excelente bioactividad y biocompatibilidad tanto con tejidos duros como blandos, lo que confirma el papel primordial que en un futuro ostentarán estas nanofibras activas en campos como la ortopedia, odontología, regeneración ósea o ingeniería de tejidos.

Las micro- y nanoestructuras ordenadas poseen numerosas aplicaciones en el campo de la electrónica, de la óptica, de la química e incluso de la biología. Los métodos tradicionalmente utilizados para fabricar estos ordenamientos periódicos han sido los haces de electrones o de iones y el uso de procedimientos mecánicos com el uso de una punta. Pero estos métodos están limitados a áreas poco extensas. El uso de litrografía de interferencia puede conseguir solventar este hecho y conseguir áreas más extensas pero limita la periodicidad de la red.

Científicos de la Universidad de Princeton han desarrollado un nuevo método  sin máscara y de bajo coste para "auto-generar" micro y nanoestructuras ordenadas a partir de una lámina delgada de material polimérico situado entre dos láminas completamente planas y rígidas. El primer paso consiste en la deposición de una película delgada de polímero  sobre una superficie rígida y completamente plana, como puede ser una oblea de silicio. Sobre esta lámina depositada se coloca una segunda oblea con las mismas características creando un "sandwich" de polímero que se calienta hasta una adhesión correcta con las dos obleas. Finalmente, se separan dichas obleas y como resultado la película de polímero se fractura creando automáticamente un conjunto de estructuras poliméricas de tamaño nanométrico y con un ordenamiento de largo alcance. Ambas estructuras, una en cada oblea son complementarias. Este método tan sencillo permite la formación de líneas periódicas o redes, separadas por tan solo 60 nanómetros. Dichas estructuras de material polimérico pueden crecerse sobre microchips lo cual permite que estructuras de este tamaño tengan aplicación en óptica, biología y dispositivos electrónicos, incluyendo el alineamiento de cristales líquidos para la formación de "displays".

"Es de remarcable, y poco intuitivo, que los procesos de fractura puedan crear estas ordenamientos regulares", ha indicado Willian Russel (professor de ingeniería química y decano de Princeton's Graduate School) director del grupo de investigación que ha presentado este trabajo y que ha sido publicado recientemente en la revista "Nature Nanotechnology".

  ¿Qué obtendríamos cuando al papel se le añade nanotubos de carbono?. En principio podemos pensar que se produce un endurecimiento del papel pero por contra, la mezcla sigue siendo flexible que incluso puede ser preparada en láminas ultra delgadas. Esto permite la posibilidad de crear baterías flexibles y supercondensadores tal y como se ha publicado recientemente en un trabajo del Instituto Politécnico Rensselaer de Nueva York mientras los investigadores estudiaban la creación de una nueva generación de membranas para la diálisis.   El hecho de que se puedan fabricar acumuladores de energía con el papel es un gran logro debido a que podremos disponer de baterías enrollables o en forma de hojas de papel sin ninguna pérdida de eficacia. Robert J. Linhardt, uno de los investigadores de este proyecto ha comentado:  "La flexibilidad de este tipo de baterías es muy superior a la flexibilidad de las baterías flexibles que hoy en día existen en el mercado las cuales son más parecidas a un CD.  Esto permitirá "moldear" la batería en cualquier forma para adaptarla al espacio disponible. "

   Como cualquier otro dispositivo acumulador, la batería en la versión de papel comprende electrodos, electrolitos y  un separador. La alineación vertical de los nanohilos de carbono constituyen el primer electrodo y son depositados sobre un sustrato de Silicio usando un método de deposición vapor. Estos nanotubos dan al papel un aspecto oscuro. La celulosa vegetal es depositada entonces sobre esta distribución de nanotubos, solidificándose al secarse formando el separador. Esta hoja de papel así preparada es impregnada con un líquido iónico (una sal orgánica líquida a temperatura ambiente) que proporciona el electrolito. Puesto que el líquido orgánico no contiene agua, no hay nada en la batería que pueda congelarse o evaporarse por lo cual permite ser utilizada en zonas con temperaturas extremas dentro del rango de los 195-450K ( -200 ºC  hasta 180 ºC).

   Para construir una batería sólo hay que depositar un pequeño recubrimiento de óxido de litio como segundo electrodo. Sin embargo para construir un supercondensador sólo hay que depositar dos electrodos de carbono a ambos lados del papel. El equipo de investigadores ha diseñado un dispositivo de "almacenamiento dual" contenido tres electrodos que actúan como supercondensadores y baterías a la misma vez.  La capacidad de generar electricidad es alta ya que una batería   del tamaño de un sello de correos es capaz de generar un voltaje de aproximadamente 2.5V. Debido a que la celulosa es extremadamente biocompatible, este tipo de dispositivos se convierte en una gran alternativa como fuentes de energía para dispositivos implantados en el cuerpo. Los investigadores han demostrado que las propias sustancias del cuerpo humano como la sangre, la orina o el azúcar pueden actuar como electrolito en este dispositivo evitando la falta de  biocompatibilidad  del electrolito original.

     La nanotecnología va a constituir una de las armas más eficaces en la lucha contra las enfermedades en un futuro mucho más cercano de lo que imaginamos.

    El doctor John Park y su equipo han observado como el uso de nanopartículas transportadoras de fármacos antitumorales en pacientes con cáncer constituye un método con un potencial increíble en la lucha contra la enfermedad. Según J. Park, los anticuerpos (proteínas fabricadas por las células del sistema inmunitario) favorecen la absorción de las nanopartículas por las células tumorales y de este modo se liberan en su interior las drogas antitumorales. Pero ahora la investigación se centra en desarrollar unos anticuerpos más específicos que sirvan para guiar de forma más eficaz a las nanopartículas hasta las células cancerosas. Para ello se usan anticuerpos dirigidos contra Her2. Her2 es una proteína transmembrana que aparece en todas las células del organismo y que funciona como receptor de señales que inducen la división celular, pero en las células tumorales se encuentra en exceso (es por esto por lo que se dividen anormalmente rápido). De este modo se conseguiría un tratamiento mucho más eficaz.

    Otra característica de los tumores es que para desarrollarse necesitan angiogénesis, esto es, lograr la proliferación de una serie de capilares sanguíneos para que les lleguen los nutrientes necesarios para la proliferación. Uno grupo de científicos españoles ha demostrado como al cargar partículas de óxido de hierro en células dendríticas (las responsables de la vascularización del tumor) y aplicar a continuación un campo magnético, se logra la destrucción de estas células ya que se consigue elevar la temperatura de dichas partículas, matando de este modo a las células. Pero la idea de “quemar” células tumorales o implicadas en el desarrollo de los mismos tiene muchos frentes abiertos. Otra posibilidad es la que han desarrollado científicos estadounidenses, comentada anteriormente en este mismo blog. Lo que hicieron fue introducir nanotubos de carbono en células tumorales y luego se aplicaba radiación infrarroja al paciente de modo que los nanotubos se calentaban hasta alcanzar 70 ºC y dichas células se destruían. Así se consigue atacar selectivamente a las células tumorales sin dañar el resto de los tejidos.

    No obstante y para ilustrar el potencial de la nanotecnología en la medicina vamos a ver ahora como los nanotubos de carbono podrían utilizarse en traumatología para tratar los huesos rotos. Según científicos del instituto de ciencia a nanoescala e ingeniería de la universidad de California los nanotubos se pueden usar para sustituir al colágeno. El colágeno es una proteína que confiere resistencia y en el hueso se dispone de modo que se forma una red o malla sobre la que se depositan los cristales de hidroxiapatita (Ca²⁺) que son los que confieren la dureza al hueso. Pues la idea de estos científicos es la de sustituir el colágeno por nanotubos de carbono, mucho más resistentes, tratados químicamente para que puedan atraer dichos cristales. Quizás los problemas más importantes de esta idea sean cómo introducir los nanotubos (se cree que en forma de solución acuosa en el hueso dañado), el modo en que se ensamblarán los mismos en el hueso y la respuesta orgánica ante dichas estructuras.

    Así pues las aplicaciones de la nanotecnología en el campo de la medicina suponen casi un giro copernicano en la forma de tratar enfermedades. Sin duda que durante los próximos años seguiremos asistiendo al desarrollo de nuevas aplicaciones que permitirán una mejora en la calidad de vida de las personas.

   El pasado día 30 de Agosto, la empresa IBM ha anunciado los dos mayores logros en el campo de la nanotecnología que hoy en día podrían llevarnos a una nueva generación de dispositivos y estructuras constituidas por tan sólo unos cuantos átomos o moléculas. Sin embargo, todavía estamos lejos de llevar estos logros dentro de la vida cotidiana, pero sí que permitirán a los científicos avanzar aún más en el campo de la nanotecnología que se dedica básicamente a la exploración de formas de construir y diseñar nuevas estructuras y dispositivos ultra-delgados basados en componentes de escala atómica. Tales dispositivos podrán ser utilizados en futuros chips, dispositivos de almacenamiento, sensores y otras aplicaciones que aún no podemos ni imaginar.   El trabajo será publicado próximamente en la revista Science a través de dos artículos. En el primero de ellos los científicos de IBM describirán los resultados alcanzados en probar una propiedad llamada anisotropía magnética en átomos individuales. Este tipo de medidas fundamentales tienden una gran importancia tecnológica ya que determina la posibilidad de almacenar información en un único átomo. Hasta el momento parece ser que nadie ha conseguido medir la anisotropía magnética en un solo átomo. Veremos sus resultados.