Nanotecnología

     Muchos autores e investigadores aseguran que es más preciso tratar la nanotecnología más como una amplía tecnología que afecta a muchos campos, análogamente a los plásticos o la electricidad por ejemplo,  que  como una única tecnología.

     Uno de los campos que más se verán beneficiados es, tanto por su crucial importancia como por el capital puesto en juego, el mundo de la alimentación. Los objetivos de la nanotecnología en este campo son varios: por un lado se pretende mejorar el producto de partida, y por el otro el transporte y la posterior transformación de éste. No obstante, como suele ocurrir ante los nuevos productos, la población se muestra recelosa y reclama una regulación estricta y protectora.

     La nanotecnología alimentaria está todavía en fase de "despegue". Aún así, ya se han alcanzado numerosos éxitos en la fase experimental que auguran un enorme futuro a este sector.

     El uso de esta tecnología se inicia en la misma obtención de los productos: nanosensores localizados en distintos puntos del cultivo son capaces de informar sobre las carencias o necesidades de éstos; existen nanochips identificadores de animales y nanopartículas medicamentales que administradas a los animales les permite encontrarse en perfecto estado de salud. Igualmente, se han conseguido progresos en los cambios morfológicos de los alimentos y en sus propiedades físico-químicas. Por ejemplo, estudios en soluciones de biopolímeros, geles y filmes usando nanotecnología pueden incorporar moléculas individuales y ello puede tener impacto en nanosensores, notablemente en azúcares naturales y proteínas de cadena larga.

     Por otra parte, parte de las investigaciones están siendo orientadas a la creación de nuevos agregados a los alimentos en términos de remedios, vitaminas, antibacterias,… En África por ejemplo se ha usado la nanotecnología para mejorar los problemas nutricionales de la población mediante la microencapsulación de nutrientes. Se agregó a la sal común vitamina A, hierro y yodo sin alterar las características organolépticas del cloruro sódico, mediante técnicas de manipulación atómica. El color, olor y sabores son idénticos a la sal no tratada. Los resultados son esperanzadores: se redujo significativamente la anemia y el bocio en niños marroquíes en edad escolar.

     La nanotecnología afecta también al agua, fundamental para la vida tal y como la concebimos. Se han desarrollado nuevos materiales a partir de nanopartículas que actúan como catalizadores hiper-eficientes en la desinfección de las aguas. Además, se han desarrollado una nueva gama de nanofiltros con una eficacia casi del 100% para los contaminantes más comunes. Ambos avances van a afectar de manera considerable tanto al uso del agua como a su reutilización.

     Una vez obtenido el producto, nos interesa su conservación. Tenemos dos campos de acción: tratar el producto en sí o desarrollar envases protectores. La primera opción es la que han puesto en marcha, por ejemplo, las industrias chocolateras. Para prevenir la oxidación del producto debido a la recristalización de la mantequilla del cacao el suizo Windab desarrolló en 1990 una técnica innovadora llamada semilla pre-cristalizada. Estudiando la estructura de los cristales de grasa del cacao, fue capaz de crear una estructura más densa y cristalina que permite una reducción considerable del proceso de oxidación del chocolate, alargando su duración sin afectar a la calidad, consistencia, sabor, olor u otras propiedades. La nanotecnología interviene de manera indispensable en el proceso de cristalización.

     Por otro lado, la empresa inglesa Científica ha descrito la nanotecnología como una nueva alternativa para crear envases de gran calidad y de mejor uso por parte de los consumidores. Éstos interactúan con los productos que contienen preservando la calidad, pudiendo detectar contaminante peligrosos cambiando de color, intercambiando alimentos difíciles de digerir por otros de fácil digestión o introduciendo nano-aditivos al producto final. Empresas como Nestlé, Kraft o Heinz ya invierten en investigación siendo 150 el número de productos nuevos con posibilidad de ser lanzados al mercado próximamente. El hecho de que grandes multinacionales se interesen en invertir en un campo nuevo muestra que se trata de un terreno rentable y próspero.

     Pero la nanotecnología no se restringe únicamente al mundo de los alimentos y sus envases sino que también tiene cabida en el mundo de la cocina. Como indica Jack Uldrich en su artículo Nanotechnology and the Kitchen & Bath of Tomorrow, esta nueva tecnología pretende tener grandes aplicaciones en el mundo de los electrodomésticos. Así pues, no es tan disparatado imaginar una cocina dónde cartones de leche con sensores incorporados nos comunican a través del frigorífico que está próxima la fecha de caducidad y que es necesario comprar un nuevo cartón. Pero no se avanza únicamente en desarrollar electrodomésticos innovadores por el confort que proporcionan: se investigan otros campos como frigoríficos con mayores propiedades antibacterianas por ejemplo.

     Como siempre, ante avances tan revolucionarios existe resistencia por parte de algunos sectores conservadores de la sociedad. Uno de los mayores retos para las empresas es realizar una campaña de concienciación que evite comparaciones como las que actualmente se llevan a cabo entre la nanotecnología y los productos transgénicos. Un estudio realizado en Alemania por el Instituto de Estimación de Riesgos en 2006 confirmó que los consumidores rechazan nuevas tecnologías y exigen más información sobre definiciones, procesos y más investigación. La EFSA (Autoridad Europea para la Seguridad Alimentaria) propondrá en julio un código básico de conducta para las investigaciones. Para algunos es una medida justa aunque de nuevo sectores conservadores reclaman aún más rigidez y control.

Para ampliar la información puede visitar:

http://www.euroresidentes.com/Blogs/noticias/2005/11/nanotecnologa-en-la-cocina-y-el-bao.html

http://www.gastronomiaycia.com/2008/02/14/nanotecnologia-en-la-alimentacion-es-necesaria-una-regularizacion/

http://www.dimarkin.com/

Algunos ejemplos de Nanobiotecnología: 

• Poder celular: Ya existe una nano máquina sumamente compleja y que opera con un motor, construida por Carlo Montemagno (de la Universidad de California en Los Ángeles). En ella una proteína que actúa como motor giratorio de la célula de una bacteria y la conectó a un “nano propulsor”, un cilindro metálico de 750 nm de largo y 150 nm de ancho. El motor biomolecular fue alimentado por el trifosfato de adenosina de la bacteria, (conocido como ATP, la fuente de energía química de las células) y pudo rotar el nano propulsor a una velocidad promedio de ocho revoluciones por segundo. 

• Plástico vivo: Investigadores de materiales en varias partes del mundo están tratando de perfeccionar la manufactura de nuevos tipos de plásticos, produciéndolos por biosíntesis en vez de síntesis química: los nuevos materiales son “cultivados” por bacterias en vez de que los científicos los mezclen en batidoras en sus laboratorios. Pueden conducir hacia el desarrollo de plásticos a partir de fuentes no petroquímicas, revolucionando una importante industria multinacional.

• Glóbulo olímpico: el investigador Robert Freitas está desarrollando un glóbulo rojo artificial capaz de transportar 236 veces más oxígeno hacia los tejidos de lo transportan los glóbulos rojos naturales.24 El glóbulo artificial, llamado “respirocito” mide un micrón (1000 nanómetros) de diámetro y cuenta con una nano computadora integrada, que puede ser reprogramada a control remoto mediante señales acústicas externas.  

Nanobiotecnología: ¿Cuáles son sus implicaciones?  Parece claro que la nanobiotecnología tiene la posibilidad de mejorarar el ambiente y contribuirá al bienestar de la humanidad —especialmente en los sectores alimentario y farmacéutico. Ejemplo de ello es la empresa subsidiaria de Kraft, Philip-Morris, con valor de 34 mil millones de dólares, que ya en 1999 estableció el primer laboratorio de nanotecnología alimentaria de esa industria. En el 2000, Kraft lanzó el consorcio NanoteK, involucrando a 15 universidades y laboratorios de investigación pública, para que se ocuparan de la investigación básica para la tecnología alimentaria. Lista o no, la nanotecnología está en camino. La revolución nanotecnológica está evolucionando silenciosamente más allá del espectro de las regulaciones gubernamentales debido a que las tecnologías nanoescalares pueden aplicarse a prácticamente todos los sectores industriales, ningún organismo regulador tiene directrices sobre ésta. Es necesario, ante todo este avance plantearnos preguntas tales como ¿qué impactos podrían tener las nanopartículas flotando en el ecosistema, o en nuestros alimentos o nuestros cuerpos? ¿Qué pasa si las nanopartículas creadas por humanos son lo suficientemente pequeñas como para que burlen nuestro sistema inmunológico y se introduzcan en las células vivas? ¿Quién las controlará? ¿Los gobiernos no deberían aplicar el Principio Precautorio?.  En este sentido el Grupo de Acción sobre Erosión, Tecnología y Concentración, Grupo ETC, que se dedica a la conservación y desarrollo sustentable de la diversidad cultural y ecológica y a la promoción de los derechos humanos, ha mostrado su preocupación.

Es el otro lado de la ciencia, al igual que la nanobiotecnología es capaz de proporcionar soluciones a enfermedades y facilitarnos la vida, nos puede llevar por el camino armamentístico, esperemos que en el futuro (ya el presente) seamos capaces de orientar esta enorme fuerza por el camino del bienestar.    

El impacto más importante de las tecnologías a nano escala podría resultar de la fusión de la nanotecnología y la biotecnología: una nueva disciplina apenas reconocida, llamada nanobiotecnología, que ya tiene su impacto, como por ejemplo en Estados unidos donde una quinta parte de los negocios nanotecnológicos en los Estados Unidos (el 21%), usa nanobiotecnología para desarrollar productos farmacéuticos, sistemas de administración de medicamentos dentro del cuerpo y otros productos relacionados con la atención de la salud, teniendo en cuenta la creciente inversión en nanotecnología (La NSF predice que el mercado de los productos nanoescalares alcanzará un billón de dólares por año para el 2015), la inversión en esta nueva disciplina es considerable.

Nanobiotecnología: nanotecnología + biotecnología

La nanotecnología es la manipulación de átomos y moléculas para crear nuevos productos. En la nano escala, donde los objetos se miden en millonésimas de milímetro, se difumina la frontera entre lo vivo y lo no vivo. A nano escala, el comportamiento de átomos individuales está regido por la física cuántica. Aunque la composición química de los materiales permanece igual, las partículas nanométricas frecuentemente presentan propiedades muy diferentes e inesperadas. Características fundamentales de la fabricación, tales como el color, la resistencia, la conductividad eléctrica, el punto de fusión, —propiedades que usualmente consideramos en los materiales— pueden cambiar por completo a nano escala.

En sus inicios, los entusiastas de la biotecnología prometieron cultivos con enorme resistencia a enfermedades, con tolerancia a la sequía y cultivos autofertilizables. Los primeros productos genéticamente modificados aparecieron a mediados de 1990, fueron variedades de plantas tolerantes a herbicidas —semillas transgénicas capaces de sobrevivir a los baños de agrotóxicos de alguna corporación. La industria agroquímica reconoció que es mejor negocio adaptar las plantas a los químicos que adaptar los químicos a las plantas (Se deben invertir cientos de millones para lograr que un nuevo agrotóxico pase el laberinto regulatorio y pueda ser comercializado). La industria biotecnológica descubrió recientemente que los cultivos transgénicos pueden ser “fábricas vivientes” para la producción de proteínas terapéuticas, vacunas y plásticos, de una forma más barata y eficiente que construir costosas instalaciones fabriles. Sin embargo no resuelven un grave y persistente problema: que los organismos transgénicos vivos son difíciles de controlar o contener. Un ejemplo de ello ocurrio en Iowa, conde se descubrió que residuos del maíz farmacéutico diseñado para producir una vacuna para cerdos, había contaminado 35 327 litros de frijoles de soja.

Los investigadores de la nanotecnología acuden cada vez más al mundo biomolecular para aprender sus estrategias y para obtener materias primas. La maquinaria de la naturaleza puede brindar el camino para la tecnología de construcción atómica precisamente porque los organismos vivos son capaces de autoensamblarse y en ese sentido son máquinas autorreplicantes ya listas. A la manipulación a nivel nanoescalar que busca fusionar a nano y bio para que la materia inerte y la materia viva sean compatibles y/o intercambiables, se le denomina nanobiotecnología.

Fusiones y adquisiciones: Cuando los ámbitos de lo viviente y lo inerte se fusionen en la nanotecnolgía, ocurrirá de dos formas. La materia biológica será extraída y manipulada para desempeñar funciones de máquina como por ejemplo adaptando partes de virus y bacterias. Y viceversa, se utilizará material no biológico dentro de los organismos vivos para desempeñar funciones biológicas. Los investigadores esperan mezclar lo mejor de ambos mundos, buscan combinar las capacidades de la materia no biológica (como la conductividad eléctrica, por ejemplo) con las capacidades de ciertos tipos de material biológico (autoensamblaje, autorreparación y adaptabilidad, por ejemplo). En la macroescala, los investigadores están ensamblando organismos biológicos para funciones industriales miniaturizadas. Por ejemplo en la Universidad de Tokio cuentan con cucarachas que se pueden controlar por control remoto mediante microchips implantados para localizar víctimas en los desastres.

Los entusiastas de la nanotecnología tienen grandes esperanzas en que esta traerá nuevos tratamientos de gran efectividad contra las enfermedades. La razón es simple: la nanotecnología opera  a la misma escala que la biología. Una molécula de ADN tiene una anchura de unos 2.5 nm, y una proteína como la hemoglobina tiene un diámetro de unos 5 nm. Las células humanas son mucho mas grandes, del orden de entre 10 y 20 micras, lo que significa que los materiales y dispositivos nanométricos pueden entrar fácilmente en la mayoría de las células, e incluso sin activar ninguna respuesta inmunitaria. La esperanza es que las partículas, materiales y dispositivos nanométricos puedan ser diseñados para interaccionar con los materiales biológicos de una manera más directa, eficiente e incluso precisa. Y debido a su pequeño tamaño, serán capaces de acceder a áreas del cuerpo, tales como el cerebro y células individuales, a las cuales ha sido difícil acceder con las tecnologías actuales.

Por ejemplo, el National Cancer Institute en Estados Unidos dice sobre las promesas de la nanotecnología: “acceder al interior de las células vivas ofrece la oportunidad de avances sin precedentes en los campos tanto clínico como de investigación. Poder insertar sondas nanométricas dentro de células individuales avanzará el conocimiento sobre las formas complejas en que la célula opera y permitirá la rápida detección de células aberrantes que dan lugar a la enfermedad”.

Algunos futuros desarrollos incluyen:

-Nanosensores circulando por el torrente sanguineo para controlar el nivel de colesterol, glucosa y otras hormonas.

-Nanoestructuras de oro que apunten a células cancerígenas. Una vez localizadas, pueden ser destruidas mediante láser no invasivo.

-Nanopartículas inteligentes que buscan una localización específica en el cuerpo humano y después liberan la medicina al objetivo preciso.

-Puntos cuánticos luminiscentes que puedan reconocer selectivamente una determinada proteína en una célula viva.

-Nanopartículas de plata que maten bacterias resistentes a los antibióticos.

-Andamios nanoestructurales 3D para crecer tejidos y órganos humanos.

Además, algunos materiales nanométricos para aplicaciones en biomedicina exhibirán propiedades inusuales que pueden incrementar su funcionalidad. Particulas que son más pequeñas de unos 100 nm se pueden comportar de manera diferente a partículas más grandes de la misma substancia. Pueden tener diferente resistencia, color, elasticidad, toxicidad, conductividad eléctrica, una mayor reactividad etc. Estas propiedades estructurales, ópticas y eléctricas únicas en la escala nanométrica se deben a efectos cuánticos. Además, las propiedades cuánticas cambian también dentro del a escala nanométrica, por ejemplo, algunas nanopartículas de oro son reactivas, y otras diferentes son inertes, por lo que también influye la forma. Es posible que nanopartículas esféricas de 20 nm de una determinada substancia sean inocuas para las células, y que otras nanopartículas de 60 nm de la misma substancia con forma de hilos sean toxicas para esas células.

La nanotecnología ya ha cambiado la forma en que algunas medicinas son formuladas, y en ciertos casos, reformuladas. Cuando un componente farmacéutico es formulado como una nanopartícula, su nivel de biodisponibilidad aumenta, es decir, el cuerpo puede absorber ese componente más rápida y fácilmente, y de este modo, utilizarlo con mayor efectividad. Como ejemplo, algunas de las múltiples medicinas y/o recursos ya aprobadas por la FDA son:

-Abraxane®: nanopartículas que contienen paclitaxel usadas para aumentar la cantidad de medicina anticancer disponible para matar células de cáncer de mama.

-Doxil®: sistema de dosificación nanoestructural basado en liposomas recubiertos de polímeros para el tratamiento del cáncer de ovarios.

-Emend®: versión con partículas nanométricas del fármaco Aprepitant® (con el fin de aumentar su nivel de disponibilidad) para prevenir nauseas en pacientes enfermos de cáncer sometidos a quimioterapia.

-Silcryst®: nanopartículas de plata incorporadas en vendas debido a sus propiedades antimicrobióticas.

-Silvagard®: catéter recubierto de nanopartículas de plata antimicrobióticas para uso en el interior del cuerpo humano.

Por último, cabe mencionar que, al mismo tiempo que la nanomedicina es y puede ser beneficiosa, hay muchas preguntas sin contestar acerca del impacto de esta tecnología en la salud y en el medio ambiente. Algunos nanoproductos podrían entrar en el cuerpo de forma no deseada a través del medio ambiente y/o la cadena alimenticia y provocar enfermedades. Todavía nadie está seguro de cómo distinguir entre nanoproductos benignos y peligrosos, y el naciente campo de la nanotoxicología esta inundado de incertidumbre.

Imagen de STM de nanopartículas de oro de 5 nm de diámetro

     Para eliminar los efectos secundarios de la quimioterapia al tratar diversas enfermedades, las aplicaciones médicas de nano-robots son enormes y ambiciosas. En la década pasada, los investigadores consiguieron muchas mejoras sobre los distintos sistemas requeridos en el desarrollo práctico de los nano-robots, tales como sensores, suministro de energía y transmisión de datos o información.

   Pero hay todavía mucho trabajo que hacer antes de que las diminutas “máquinas moleculares” puedan comenzar a viajar por nuestras arterias para diagnosticar o tratar nuestras dolencias. Un grupo de investigadores  ha desarrollado recientemente una innovadora aproximación de ayuda a la investigación y desarrollo de nano-robots  a la realidad virtual. Adriano Cavalcanti, Bijan Shirinzadeh, Robert Freitas Jr., y Tad Hogg, representando instituciones en Melbourne, Australia, y EE UU, han publicado su procedimiento de simulación en una reciente publicación en Nanotechnology. Tal como anteriormente, simulaciones en 3D ayudaron enormemente a ingenieros a acelerar la investigación del desarrollo en la industria de semiconductor, Cavalcanti y sus compañeros esperan, del mismo modo, que nano-robots virtuales, biomoleculas virtuales y arterias virtuales aceleren el progreso en el  desarrollo de  nano-robots. “El software NCD (diseño de control del nano-robot) es un sistema puesto en práctica para servir a modo de prueba para el prototipo de nanorobot 3D” afirmó Cavalcanti, presidente del Centro para la Automatización en Nanobiotecnología e investigador en la Universidad Monash en Melbourne. Es un avanzado simulador que proporciona la información física y numérica para el modelado de las tareas del nano-robot; sirviendo como una plataforma de  rápido desarrollo para la investigación médica con nano-robots. Las simulaciones NCD muestran cómo controlar un nano-robot dentro del cuerpo.

   En una demostración de la simulación a tiempo real, los nano-robots tenían la tarea de buscar proteínas en un ambiente dinámico virtual, e identificar y traer aquellas proteínas “a una entrada de órgano” específica para la entrega de medicina. Los investigadores analizaron como los nano-robots usaban estrategias diferentes para alcanzar este objetivo. Por ejemplo, los nanorobots podrían emplear capacidades sensoriales diferentes, tales como sensores químicos y térmicos, así como también, el movimiento aleatorio.   

    Para los nano-robots, una de las partes más difíciles era maniobrar lo suficientemente cerca de una biomolécula debido a la incapacidad de sentirla, por causa de otras fuerzas y movimientos de cuerpos diferentes. A diferencia que a macroescala, la viscosidad domina en el movimiento en arterias, afectando al trayecto de los nanorobots el encuentro de obstáculos y proteínas que se mueven pasivamente por el fluido. 
    Los investigadores probaron varios casos donde los  nano-robots usaban estrategias diferentes para detectar  proteínas, y en vasos sanguíneos de diversos diámetros. Como era de esperar, sus resultados mostraron que los nano-robots tienen una mejor posibilidad de encontrar un objetivo en los vasos más pequeños. También, el empleo tanto de biosensores químicos como térmicos mejoró enormemente la eficacia de los nano-robots en comparación con el movimiento aleatorio.

     Además, la simulación proporcionará instrumentos interactivos para muchos aspectos  del diseño de nano-robots, como métodos de control, diseño del motor… Los investigadores actualmente usan la simulación para pruebas en la cirugía laparoscópica, la diabetes, el cáncer, aneurismas cerebrales, cardiología, y suministro de medicación. El desarrollo es sumamente de colaboración, con avances dependiendo de futuras mejoras en nanoelectrónica, nuevos materiales, e investigaciones del genoma humano.    Por tanto uno de los factores principales para el satisfactorio desarrollo de los nano-robots debe consistir en reconciliar a profesionales con opiniones interdisciplinarias en ciencia y tecnología. Es necesario mantener los ojos abiertos para la química, la ingeniería de materiales, la electrónica, la informática, la física, la mecánica, fotónica, farmacología, y tecnologías de medicina.     Por otro lado, debido a la amplia variedad de usos, los nano-robots casi seguramente ofrecerán incentivos económicos. Además de usos en medicina, los nano-robots también presentan una importante estratégia militar para la defensa contra la contaminación biológica. Quizás todas estas razones pongan a nuestro alcance en un corto futuro (podríamos hablar del 2015) estos “diminutos personajes”.

  Son muchos los trabajos publicado en relación con la posibilidad de utilizar nanotubos de carbono como portadores de fármacos pero hasta ahora los informes relacionados con su posible toxicidad son contradictorios. Recientemente se ha publicado un trabajo en la revista Nature Nanotechnology en el cual se ha investigado, de manera directa la toxicidad de estos nanotubos en células linfáticas que como se sabe son las responsables de la primera defensa inmune del cuerpo humano frete a agresiones externas.

            En el trabajo, dirigido por Alexandra Porter de la Universidad de Cambridge en el Reino Unido, se muestra que los nanotubos de carbono tienen la capacidad de cruzar el citoplasma y el núcleo de una célula linfática llevándola a la muerte celular tras un determinado intervalo de tiempo. Hasta ahora existía gran dificultad en demostrar la toxicidad mediante observación directa. Porter y su equipo del Laboratorio Daresbury, usaron dos tipos de microscopía para obtener imágenes directas de los nanotubos de carbono entrando en los macrófagos (células del sistema inmunológico humano).  Se usaron dos técnicas diferentes, por un lado la microscopía electrónica de transmisión y por otro la microscopía confocal.

            La elección de los macrófagos como células a estudiar no es casual ya que este tipo de células es la primera línea de defensa del cuerpo humano contra los cuerpos extraños o ajenos incluyendo el tejido pulmonar. Los nanotubos de carbono se introducen en el cuerpo a través de inhalaciones en forma de polvo. Dichos nanotubos deberían ser ingeridas por las células macrófagas. Se recogieron muestras de dichas células y analizadas a través de un proceso de tinción comparando las células tintadas con células no tintadas y calibrando la "salud" de dichas células usando diferentes marcadores. La muerte celular era evidente ya que se observaban claros cambios estructurales y por tanto tales cambios estructurales podían ser utilizados como complemento esencial a la hora de ensayar la toxicidad de los nanotubos de carbono.

            Las células analizadas fueron tratadas con diferentes disoluciones de nanotubos en periodos de tiempo de dos a cuatro días en concentraciones comprendidas entre 0 y 10 microgramos por mililitro de concentración. Las imágenes directas revelaron que, incluso las células expuestas a las concentraciones más elevadas permanecían relativamente sanas incluso después de dos días ( no se observaron grandes diferencias entre las células de control no tratadas y las expuestas a nanotubos de carbono). Sin embargo y tras cuatro días de la exposición, si que pudo observarse una disminución significativa en la viabilidad de las células incluso en aquellas expuestas a bajas concentraciones. Después de dos días los nanotubos habían alcanzado los lisosomas de las células y tras cuatro, los nanotubos habían entrado en el citoplasma y cruzado dentro del núcleo celular.

            La explicación a este comportamiento, implicaría que los nanotubos de carbono pueden actuar como proteínas intracelulares, orgánulos o incluso como ADN, lo cual realzaría su potencial toxicidad. En la fotografía puede verse la imagen obtenida mediante la técnica TEM, que muestra los nanotubos de carbono (zonas oscuras) dentro de un núcleo celular.

Para más información puede visitar los siguientes sítios:

http://meneame.net/

 http://www.physorg.com/

http://www.amazings.com/ciencia/

http://www.portaciencia.net/nanotecno/nanotubos.html

http://ncem.lbl.gov/frames/links.htm

http://scsie.uv.es/1004/uci_medicina/confocal.html

Lo primero para abordar este tema es saber hasta donde puede llegar nuestro cuerpo humano , en este caso refiriéndonos a los huesos, por eso lo mejor para comenzar es saber lo que nuestros huesos son capaces de hacer:

Los huesos contienen calcio y fósforo. Dentro de los huesos largos hay una sustancia blanda, que es la médula ósea, conectada con el aparato circulatorio, y que produce glóbulos rojos y blancos. La parte más fuerte es la de afuera. Un trocito de hueso puede soportar un peso de 9 toneladas sin romperse, el mismo peso destrozaría un trozo de cemento del mismo tamaño. El hueso más largo es el fémur (46 cm), y el más pequeño el estribo del oído (2,6 mm = la punta de un lápiz). Los huesos de cada persona crecen hasta aproximadamente los 25 años. Algunas personas tienen un par de costillas extra (decimoterceras). El cuello de una jirafa tiene el mismo número de huesos que el cuello humano. Los huesos de la cabeza del bebé no están soldados, sino que se solapan ligeramente para facilitar el alumbramiento. Los bebés tienen más de 300 huesos (una persona mayor 206), y se sueldan entre sí posteriormente. Estos huesos del bebé son muy blandos, como cartílagos, y se van endureciendo con el tiempo. Cuando somos mayores, se hacen más frágiles, y por eso, una persona mayor cuando se cae se puede romper un hueso con más facilidad que un niño.

Investigadores de la Universidad de Cambridge, el Animal Health Trust de Newmarket y el BAM Federal Institute of Materials Research and Testing de Berlin, han descubierto que la estructura de los huesos es muy diferente de lo que se creía, abriendo nuevas posibilidades para el tratamiento de la osteoporosis. Se ha sostenido durante mucho tiempo que el colágeno y otras proteínas son las moléculas clave en la estabilización de la estructura ósea, y en consecuencia esa creencia ha sido la base para algunos de los tratamientos en los trastornos de los huesos. Hasta ahora, no se había prestado atención a las funciones de los azúcares (hidratos de carbono) en el complejo proceso del crecimiento óseo.

Parece ser que estos azúcares tienen un importante papel en la estructura ósea. Los investigadores estudiaron la mineralización en los huesos de caballos utilizando el análisis por resonancia magnética nuclear (RMN), descubriendo que los azúcares, en particular los proteoglicanos (PGs) y glicosaminoglicanos (GAGs), parecen desempeñar un papel tan importante como el de las proteínas en el control de la mineralización ósea, un proceso mediante el cual el hueso recién formado se endurece con minerales como el fosfato de calcio.

                                       Nanotubos y medicina

En este post se describen los resultados de una investigación llevada a cabo por un equipo de científicos de la Universidad de California, la fuerza, flexibilidad y poco peso de nanotubos de carbón hace que podrían servir como andamios capaces de soportar a los huesos y ayudar a víctimas de osteoporosis y huesos rotos.

Los científicos describen su descubrimiento en un artículo publicado por la revista Chemistry of Materials de la American Chemical Society. Los resultados podrían suponer mayor flexibilidad y fuerza de huesos artificiales y prótesis, además de avances en el tratamiento de la enfermedad osteoporosis.

Según el director de la revista, la investigación es importante porque indica un posible camino para la aplicación de nanotubos de carbón en el tratamiento médico de huesos rotos.

Actualmente, las estructuras de hueso artificial se fabrican utilizando una gran variedad de materiales, tales como polímeros o fibras de péptido, pero tienen la desventaja de carecer de fuerza y el riesgo de ser rechazados por el cuerpo humano. Sin embargo, los nanotubos de carbón son excepcionalmente fuertes, y existe menos posibilidad de rechazo por su carácter orgánico.

El tejido óseo es un compuesto natural de fibras de colágeno y hidroxiapatita cristalina , un mineral basado en fosfato de calcio. Los investigadores han demostrado que los nanotubos de carbón pueden imitar la función de colágeno y actuar como un andamio para inducir el crecimiento de cristales de hidroxiapatita. Al tratar los nanotubos químicamente, es posible atraer iones de calcio lo que fomenta el proceso de cristalización y mejora la biocompatibilidad de los nanotubos al aumentar su hidrosolubilidad.

 Un nuevo análisis de los productos emitidos al medio ambiente durante la producción de nanotubos de carbono (CNTs), ha identificado compuestos cancerígenos, contaminantes, y otras sustancias alarmantes, tal y como afirmaron algunos investigadores durante el 234º encuentro de la American Chemical Society

Según un estudio llevado a cabo por Desirée L. Plata, del MIT,  los estudios anteriores a cerca del impacto medioambiental de la industria de los nanomateriales, se han basado principalmente en la toxicidad de los ingredientes utilizados, más que en los contaminantes producidos durante la manufactura de los CNTs. Los resultados obtenidos podrían ser cruciales puesto que la industria de la nanotecnología desea evitar los problemas medioambientales y de salud  que han acompañado a la aparición de otras nuevas tecnologías.  

Los investigadores desean desarrollar, en colaboración con la industria de los CNT, sistemas de filtración y reacciones basadas en una química verde como posibles sustitutos a los productos potencialmente peligrosos, a la vez que otras vías de  manufacturación de  nanotubos de carbono que minimicen el impacto. Experiencias recientes con otros contaminantes industriales subrayan la necesidad de intentar mejorar los métodos de manufacturación de nanotubos antes de que surjan serios problemas.

Los nanotubos de carbono, cilindros de carbono cuyo diámetro es mil veces menor que el grosor de un cabello humano, poseen una conductividad eléctrica alta a la vez que una mayor resistencia.

Estudios llevados a cabo por otros científicos, han demostrado que los nanotubos de carbono, que aparecen bajo muchas formas y tamaños, pueden dañar los pulmones de ratones, pero se desconoce aún su riesgo sobre la salud humana. El desconocimiento sobre los efectos de los otros productos emitidos durante la producción de nanotubos es aún mayor.

Para evaluar dicha emisión, el equipo de Plata, usó un dispositivo a pequeña escala que simulaba la deposición química por vapor, uno de los principales métodos para la fabricación de los CNTs. Usando una fuente de vapor de carbono, los investigadores produjeron nanotubos y analizaron los otros productos químicos obtenidos durante la reacción: se encontraron al menos 15 hidrocarburos aromáticos, incluyendo cuatro tipos distintos de hidrocarburos aromáticos tóxicos (PAHs) similares a los que se encuentran en el humo de cigarrillos y en la emisión de los automóviles. El PAH más dañino que se identificó fue el benzopireno, un hidrocarburo cancerígeno muy conocido. También se observó  la emisión de otros hidrocarburos que pueden contribuir a la formación de smog, y  desencadenar la formación de ozono en la baja atmósfera, lo que puede generar problemas respiratorios en las personas.

Se señaló que quizás la solución clave al problema sea el empleo de filtros especiales en el proceso de producción para que se reduzca la formación de productos  peligrosos.

Otra posible solución es el desarrollo de un nuevo proceso de manufacturación de nanotubos, que produzca menos toxinas. El equipo de Plata trabaja actualmente con cuatro de los mayores productores de nanotubos de Estados Unidos.

Como los CNTs se producen actualmente a una escala industrial pequeña, los investigadores planean medir las emisiones actuales de varias empresas para tener una mayor perspectiva de las emisiones contaminantes.

 

   Nanotubos de carbono vistos con un microscopio electrónico 

 

 

 

 La célula es un universo dinámico donde interactúan una multitud de componentes a escala nanométrica. Con el fin de estudiar la estructura subcelular, se ha convertido necesario disponer de una instrumentación que permita la manipulación directa, extremadamente precisa y no invasiva. La llegada, de los láseres en los años 60, dio lugar al nacimiento de la cirugía láser. Hoy en día, la reducción del impulso láser por debajo del nanosegundo permite comprender mejor su interacción con los tejidos biológicos y controlar las intervenciones quirúrgicas con una resolución del orden de algunas centenas de nanómetros. Mediante la ionización de la materia por luz, la nanocirugía láser permite efectuar intervenciones quirúrgicas intracelulares tales como el corte de microtúbulos o de fibras sin dañar las estructuras de alrededor o comprometer la viabilidad celular. Así, el uso de láseres de pulsos ultracortos, más precisos y potentes, ofrece un nuevo acercamiento al estudio de las fuerzas biológicas o de la dinámica citoesquelética.

Las funciones celulares complejas tales como la mitosis, el crecimiento, o la diferenciación tienen lugar en dominios celulares distintos. Para estudiar la dinámica de dichos fenómenos, un acercamiento experimental clásico consiste en perturbar al sistema para estudiar los mecanismos de reacción y de regeneración a corto y largo plazo. La instrumentación convencional, como las microagujas, tienen una resolución espacial limitada al orden de las décimas de milímetro y destruyen a menudo la integridad física de la célula. A lo largo de los últimos años, ha sido pues necesario el desarrollo de nuevas herramientas que permitan un acercamiento celular preciso y no invasivo, de ahí, el reciente interés por los sistemas de cirugía láser que permiten una resolución submicrométrica y un radio de acción restringido al entorno celular directo.

Comprimiendo la duración de los pulsos luminosos a tiempos extremadamente cortos, desde los nanosegundos hasta algunas decenas de femtosegundos para los láseres más modernos, la potencia máxima de cada impulso puede aumentar en varios órdenes de magnitud conservando una energía razonablemente baja. Así se pueden inducir efectos no lineales en el medio irradiado, desde la degradación fotoquímica a la explosión mecánica y termal. Al focalizar sobre un punto del interior de un tejido o sobre la membrana de una célula, es posible vaporizar localmente el material intracelular sin que el efecto fotodestructor se extienda más allá de algunos cientos de nanómetros entorno al punto irradiado. Así, se pueden recortar de modo muy preciso citoesqueletos, u orgánulos como las mitocondrias. Esta técnica no invasiva permite una manipulación directa de la maquinaria celular con una resolución inferior al micrómetro, de ahí el término nanocirugía.

La formación del plasma de dimensiones nanométricas tiene lugar al focalizar pulsos muy cortos a través de objetivos con una gran apertura numérica (>0,9) que provocan la ionización de la materia. Este fenómeno que comienza con la liberación de un electrón por la absorción de varios fotones, se produce en cascada durante toda la duración del pulso láser, provocando una avalancha de electrones libres y descomponiendo así la materia generando un plasma. Tan pronto como ha sido formado, el plasma absorbe una parte de la luz y puede provocar ciertos efectos secundarios que contribuyen a amplificar la extensión espacial y temporal del efecto quirúrgico. Los recientes desarrollos tecnológicos de los láseres han permitido una reducción de la extensión espacial y temporal. Si bien no existe el láser perfecto en nanocirugía, hay que tener en cuenta distintos parámetros ópticos, como la calidad del haz o la extensión del foco, que determina la intensidad del haz, y por ende, la apertura numérica. En términos de longitud de onda, el uso de rayos UV-A (próximos al visible) es el mejor compromiso para reducir la extensión del haz, proporcional a la longitud de onda. Sin embargo, la penetración óptica del UV en los tejidos biológicos no supera el centenar de micras y es por ello que el uso de los láseres que emiten en el IR o visible es más eficaz para los tejidos profundos.

La nanocirugía, puede por lo tanto ser optimizada utilizando trenes de pulsos ultracortos, por debajo del nanosegundo. Ello explica el reciente éxito de los laseres de femtosegundos en cirugía con láser, porque el uso de pulsos por debajo del picosegundo, permite un mejor control del efecto deseado y de su extensión espacial. La nanocirugía se centra en el estudio y modificación de los elementos subcelulares sin afectar la viabilidad celular lo que presenta múltiples aplicaciones en biología celular, en la comprensión de las distintas etapas del desarrollo, en las interacciones funcionales entre diferentes orgánulos, o en los intercambios célula-célula.