NANOTECNOLOGÍA Y NANOPARTÍCULAS MAGNÉTICAS:

“LA FÌSICA ACTUAL EN LUCHA CONTRA LA ENFERMEDAD”

Autor: Antonio Hernando GrandeRev. R. Acad. Ciencia Exact. Fis. Nat. (España)

Vol. 101, N° 2, pp. 331-327, 207

Expositor: Jesús N. Agreda Paredes

Trujillo, 15 de Junio del 2012

INTRODUCCIÓN

Cuando las dimensiones de las partículas de un sólido son del orden del nanómetro (10-9 m), el número de átomos que la constituyen es del orden de centenas y la mayoría de ellos se encuentran situados en la superficie de las partículas.

Las propiedades físicas de estas partículas son muy distintas de las que se observan en un sólido de tamaño normal o macroscópico con la misma composición química.

La utilización de nanopartículas magnéticas puede tener importante incidencia en fenómenos como la hipertermia y el transporte de fármacos, en la terapia del cáncer.

OBJETIVOS

Revisar las características básicas de la física asociada a la nanoescala.

Describir el método de reacción redox para la obtención de nanopartículas de paladio.

Explicar el transporte de fármacos y la hipertermia utilizando como portadores nanopartículas magnéticas.

I. ASPECTOS BÁSICOS DE LA FÍSICA DE NANOPARTÍCULAS

Las nanopartículas del tamaño de un nanómetro presentan dos características relacionadas con las propiedades magnéticas:

a) La enorme fracción de átomos de superficie que presentan una simetría local distinta y, por tanto, una anisotropía magnética de distinto valor que el volumen.

b) Una estructura del espectro de energía electrónica caracterizada por un mayor espaciado entre niveles. Esta modificación conlleva a variaciones de sus propiedades magnéticas.

a. VISIÓN HIPOTÉTICA DE UNA NANOESTRUCTURA

En la figura 1, se da una visión hipotética de una nanoestructura de espesor igual a 1nm.

Un espesor de 1nm es aproximadamente equivalente a 10 monocapas de átomos.

Figura 1.

b. Visión hipotética de los niveles de energía para una nanoestructura

En la figura 2, se da una visión hipotética de la estructura del espectro de energía electrónica para un material semiconductor macroscópico y para una nanoestructura del mismo material semiconductor. En el material macroscópico los niveles de energía están tan unidos que forman bandas de energía ( banda de valencia y banda de conducción); en una nanoestructura los niveles de energía están mas espaciados, llegando a tener entre dos niveles una diferencia de energía en algunos casos de aproximadamente 1eV.

Material Macroscópico Nanoestructura

Figura 2.

Experimento realizado:

En un artículo publicado en el 2003, Gambardella y colaboradores, llevaron a cabo un experimento y observaron mediante dicroísmo magnético [técnica de dicroísmo magnético circular en la absorción de rayos x (XMCD: x ray Magnetic Circular Dichroism ); para estudios de estructura magnética] que a 5K (-268˚c) un átomo aislado de cobalto depositado en una superficie de Pt <111> presentaba una curva de imanación con marcada anisotropía (ciclo de histéresis ancho), siendo el eje de fácil imanación la dirección perpendicular a la película de platino. Este experimento indica que un átomo aislado puede constituir un imán atómico. Ello sugiere que puede reducirse los tamaños de los bits (20x80nm).

II. TÉCNICAS DE FABRICACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE NANOPARTÍCULAS

1. TÉCNICA DE FABRICACIÓN:Una descripción del método de fabricación para obtener nanopartículas de paladio por reacción redox es la siguiente:

Para mejorar las condiciones para que se produzca la reacción redox se utiliza como surfactante el R4N+X- en tetrahidrofurano. Como precursor del paladio se usa el nitrato de paladio [Pd(NO3)2] en un exceso de acetato tetrabutiamonio [(n-C4H9)4N+

(CH3CO-2)]. El acetato desplaza al ión nitrato, seguido de una reducción del Pd +2 a Pd0

en forma de clusters estabilizados. Las reacciones químicas deben llevarse a cabo en atmósfera inerte para

evitar contaminación de oxígeno.Reacción química:

[Pd(NO3)2]+[(n-C4H9)4N+(CH3CO-2)] Pd (CH3CO-

2)2 + otros productos

Reducción de paladio:Pd+2 Pd° (disminuye el número de oxidación)

II. TÉCNICAS DE FABRICACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE NANOPARTÍCULAS

2. TÉCNICAS DE CARACTERIZACIÓN:

Entre las diversas técnicas para caracterizar nanopartículas se tienen:

Microscopia de transmisión y la de alta resolución: permite el estudio del

tamaño de las nanopartículas y de su dispersión, y su estructura. Difractómetro de rayos X (XRD) Espectros XANES y EXAFS (estructura fina de absorción de rayos X. Magnetometria SQUID (“Superconducting Quantum Interference

Device”: dispositivo de interferencia cuántica macroscópica): es a

técnica habitual empleada para la obtención de curvas de imanación y

para el estudio de la dependencia térmica con la temperatura, de l as

nanopartículas magnéticas utilizadas en aplicaciones biomédicas.

2. TÉCNICAS DE CARACTERIZACIÓN:

• En la Figura 3. se muestra imágenes obtenidas mediante microscopía electrónica de transmisión de dos tipos de nanopartículas de Au:

a) Nanopartículas de Au dispersadas mediante un surfactante; b) Nanopartículas de Au estabilizadas mediante dodecanotioles. Se muestra también un esquema de las nanopartículas y las cadenas estabilizadoras.

FIGURA 3

II. TÉCNICAS DE FABRICACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE NANOPARTÍCULAS

2. TÉCNICAS DE CARACTERIZACIÓN:

La Figura 4 corresponde a una imagen de microscopia electrónica de transmisión de alta resolución obtenida en una nanopartírcula aislada de Au de 1,8 nm de tamaño. Se aprecian los planos atómicos <111> de la nanopartícula y se observa que solo existen ocho.

FIGURA 4

II. TÉCNICAS DE FABRICACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE NANOPARTÍCULAS

II. TÉCNICAS DE FABRICACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE NANOPARTÍCULAS

FIGURA 5

2. TÉCNICAS DE CARACTERIZACIÓN:

En la Figura 5 se muestra nanopartículas de paladio:a) Imágenes obtenidas mediante microscopia

electrónica de transmisión de nanopartículas de Pd dispersadas mediante un sulfatante;

b) Imagen obtenida mediante microscopia electrónica de transmisión de alta resolución de una nanopartícula de Pd de 2 nm.

c) Transformada de Fourier (filtrada) de la imagen de microscopia electrónica de transmisión alta resolución de una nanopartícula de Pd de 2 nm.

d) Transformada de Fourier (filtrada) de la imagen de microscopia electrónica de transmisión alta resolución de una nanopartícula de Pd de 4 nm.

Las flechas indican las maclas o faltas de apilamiento.

Las nanopartículas magnéticas en el campo de la biomedicina, tienen diversas aplicaciones:

a) Transporte de drogas terapéuticas o de radioisótopos.b) Catabolismo de tumores vía hipertermia.c) Agentes de contraste en aplicaciones de resonancia magnética.

El hecho de que puedan fabricarse con un tamaño homogéneo que va desde unos pocos nanómetros hasta decenas, las coloca en una dimensión comparable a una entidad biológica como una célula (10-100m), un virus (20-450nm), una proteína (5-50nm), o un gen (2nm de ancho por 10-100nm de largo).

III. APLICACIONES BIOMEDICAS

1. Transporte de Fármacos.Las drogas terapéuticas se administran en forma intravenosa y se distribuyen en el torrente sanguíneo, con el efecto no deseado de que atacan todo tipo de célula, incluidas las sanas.En una terapia dirigida magnéticamente, una droga citotóxica se enlaza a una nanopartícula magnética y biocompatible que funciona como portador. Este complejo droga-portador se inyecta al sistema sanguineo del paciente, en forma de ferrofluido biocompatible. Cuando las partículas han entrado en el torrente sanguíneo se aplica un campo magnético externo para concentrar el ferrofluido en algún sitio especifico de l cuerpo. La droga puede liberarse por medio de alguna actividad enzimática o por alguna variación de temperatura y ser absorbido por el órgano o células afectadas,

III. APLICACIONES BIOMEDICAS

• Caso de Aplicación en el Transporte de Fármacos.

Por primera vez se usaron portadores magnéticos para concentrar dexorubicin en un sarcoma implantado en una rata. Los resultados iniciales fueron muy alentadores, mostrando la remision total del sarcoma; en cambio en otro grupo de ratas donde la dexorubicin fue aplicada en una dosis 10 veces mayor pero sin usar el transporte magnético los sarcomas no remitieron.

III. APLICACIONES BIOMEDICAS

• Desventajas de Aplicación en el Transporte de Fármacos.i. La posibilidad de embolia debido a la acumulación de

portadores magnéticos.ii. La toxicidad de los portadores magnéticos.

Sin embargo, resultados pre-clinicos y experimentales recientes indican que es posible vencer estas limitaciones.

III. APLICACIONES BIOMEDICAS

2. HipertermiaLa hipertermia se usa en la medicina como un proceso terapéutico basado en la elevación de la temperatura de región del cuerpo, afectada por un proceso maligno, con el fin eliminar dicho proceso. Se ha reportado el uso de la hipertermia en el tratamiento de tumores cerebrales, prostáticos, pélvicos, cáncer de mama, carcinomas escamosos de cabeza y de cuello, etc. La temperatura en la masa tumoral debe ser alrededor de 42-43°C, aunque existe una línea alternativa, denominada termoablación magnética basada en le empleo de temperatura de hasta 55°C. Para alcanzar la temperatura deseada dentro de la masa tumoral se han utilizado, nanopartículas magnéticas de oxido hierro (Fe2O3 o Fe3O4 ), compuestos metálicos (FeC, SmCo) y metales (Fe, Au, etc.), con diámetros entre 10 y 500nm. Estas nanopartículas pueden ser bien toleradas por el organismo (dextran-magnetita, Fe) o precisar un recubrimiento para ser biocompatibles.

III. APLICACIONES BIOMEDICAS

Conclusiones

• Las nuevas técnicas de fabricación y caracterización de nanopartículas están permitiendo descubrir que estas tienen propiedades físicas diferentes que no pueden explicarse por las teoria clásica de la materia condensada.

• El tamaño de las nanopartículas y su capacidad para enlazar moléculas orgánicas permite su utilización como transportador a células blanco concretas dentro del organismo.

• Para nanopartículas ferromagnéticas se abre la posibilidad de ser conducidas a través del torrente sanguíneo hasta su objetivo mediante gradientes de campos magnéticos.

BIBLIOGRAFÍA

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• http://esimerobotica.tripod.com/propiedades_materiales_conductores_archivos/image008.jpg