INTRODUCCIÓN A LA NANOCIENCIA Y NANOTECNOLOGÍA BIOANALÍTICAS

Dra. Laura Bonel Sanmartín

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INDICE 1.- Introducción a la nanociencia y la nanotecnología: Situación en España   2.- Nanomateriales   3.- Aplicaciones de la nanociencia y la nanotecnología   4.- Nano(bio)sistemas analíticos   5.- Nanomateriales y nanoestructuras de interés (bio)analítico   6.- Principales retos de la Nanomedicina   7.- Sistemas nanoestructrados y nanosistemas para el tratamiento de muestras   8.- Estrategias de transducción basada en nanosistemas y materiales Nanoestructurados   9.- Detección de biomoléculas de interés analítico   10.- Biosensores   11.- Técnicas analíticas con resolución nanométrica y Nanometrología

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OBJETIVOSAl finalizar el curso/taller el alumno será capaz de: Interpretar la importancia de la nanociencia y nanotecnología analíticas en España, el importante papel que juega en las líneas estratégicas de Investigación, Desarrollo e Innovación.

Caracterizar y clasificar los principales tipos de nanomateriales, así como sus aplicaciones industriales y en investigación.

Fundamentar las principales aplicaciones de la nanociencia y la nanotecnología, en campos como la Nanoingeniería y las Técnicas de nanofabricación.

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Conocer los principales tipos de nanopartículas metálicas, aplicaciones en caracterización medioambiental y en diferentes desarrollos analíticos.

Interpretar los procedimientos de inmovilización de biomoléculas sobre nanoestructuras.

Profundizar en diferentes técnicas de transducción (ópticas, electroquímicas, espectroscópicas, etc).

Diseñar y desarrollar biosensores ópticos y electroquímicos para aplicaciones bioanalíticas.

Manejar las principales Técnicas de identificación y de caracterización de nanopartículas.

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ESTRUCTURA DEL CURSO

51 HORAS LECTIVAS: 11 MÓDULOS.

6 HORAS PARA LA EXPOSICIÓN DE TRABAJOS INDIVIDUALES

3 HORAS PARA LA PRUEBA FINAL ESCRITA

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CRITERIOS DE EVALUACIÓN30 % evaluación continua

- Asistencia a clase- Participación activa - Realización de actividades

40 % prueba final escrita

- 40 cuestiones tipo test- 3 horas de duración- No restan los fallos

30 % exposición trabajo individual (20 minutos/alumno)- Contenido del trabajo- Actualidad, carácter innovador e importancia del tema

desarrollado- Claridad en la exposición (escrita y oral)- Utilización de medios audiovisuales

NOTA FINAL: promedio de las 3 partes (5/10 en cada una de ellas)6

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ALGUNAS APROXIMACIONES A LA NANOCIENCIA Y LA NANOTECNOLOGÍA

http://www.youtube.com/watch?v=cdgc_B7QqNk&feature=fvsr

INSTITUTO DE NANOCIENCIA DE ARAGÓN

http://www.youtube.com/watch?v=Qxkw-RebWnU

¿QUÉ ES LA NANOCIENCIA?

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Módulo 1. Introducción a la nanociencia y la nanotecnología: Situación en España

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El avance y desarrollo experimentado en los últimos años en el campo de la Nanociencia y la Nanotecnología ha permitido un notable crecimiento tecnológico en otras ramas de la ciencia que crecen paralelamente y con las que hay establecidas importantes relaciones sinérgicas.

Este es el caso de la Química Analítica, cuyas fructíferas y simbióticas relaciones con estas disciplinas han propiciado el nacimiento de nuevas áreas de conocimiento como es el caso de la Nanociencia y Nanotecnología Analíticas.

El diseño y síntesis de nuevos materiales con propiedades físico-químicas a la carta y la capacidad de procesarlos a escala micro y nanométrica ha permitido desarrollar sofisticados y robustos sistemas de detección y reconocimiento molecular de fácil aplicabilidad y que han dado solución a problemas analíticos complejos. En este contexto uno de los roles de la Química Analítica es la consideración de las nanopartículas y el material nanoestructurado como herramientas para la innovación y mejora de los procesos de medida.10

En 1959, el premio Nobel Richard P. Feynman introdujo por primera vez el concepto de Nanotecnología en su conferencia “There’s Plenty of Room at the Bottom” (Hay mucho espacio al fondo).

Desde ese día ha habido un gran número de avances y desarrollos en el campo de la Física, la Biología y la Química, que han demostrado la idea de este visionario de manipular la materia a escala extremadamente pequeña, al nivel de las moléculas y los átomos, es decir, a “nanoescala”.Mientras que el significado de “Nanotecnología” varía de campo a campo de aplicación, e incluso de país en país, y se usa, de forma muy genérica, para definir todo aquello que es muy pequeño, la Nanotecnología se puede definir comúnmente como el entendimiento, control y reestructuración de la materia en el orden de los nanometros para crear materiales con nuevas propiedades y funciones asombrosamente novedosas.La Nanotecnología no debe considerarse de forma aislada, ya que debe basarse en los procesos básicos de la Nanociencia a través de las interfases en la secuencia clásica: investigación, desarrollo e innovación. Los avances en este contexto se fundamentan en unas interfases (relaciones) fructíferas.

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Nanociencia y Nanotecnología tienen como característica común el tamaño de sus objetos de aplicación, que están comprendidos en la denominada “escala nanométrica”: entre 1 y 100 nm.

En esta escala nanométrica se encuentran por su tamaño, por ejemplo, las nanopartículas metálicas, poliméricas o híbridas, los puntos cuánticos (“quantum dots”), los dendrímeros y pequeñas moléculas, e incluso átomos aislados.

La Nanociencia tiene múltiples definiciones complementarias, tales como:

1.“ Es la ciencia de la síntesis, análisis y manipulación de materiales a nivel atómico o molecular, donde las características o porpiedades físicas o químicas son sustancialmente diferentes a las presentadas por el mismo material a una mayor escala (micro o macro)”.

2.“Es la ciencia basada en diversas estructuras de la materia que tienen dimensiones de una milmillonésima parte del metro”.

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Por otra parte, la Nanotecnología trata del diseño, caracterización y uso de estructuras de dispositivos y de sistemas cuya forma y tamaño se controlan en la nanoescala.

En estas definiciones se plasma el rol de la Química Analítica en este contexto con palabras propias de esta disciplina, como “análisis” y “caracterización”, por ejemplo, que resumen dos facetas clave de la relación entre la Química Analítica y la Nanociencia y Nanotecnología: la consideración de las nanopartículas y el material nanoestructurados como objetos (analitos) o como herramientas para la innovación y mejora de los procesos (bio)químicos de la medida.

Un aspecto sustancial de la Nanociencia y la Nanotecnología es su carácter tanto multidisciplinar como transversal y convergente. En Nanociencia y Nanotecnología desaparecen las fronteras clásicas entre la Física, la Química y la Biología. Esto hace que contemplemos con nuevos ojos a las ciencias naturales.

Físicos, químicos e ingenieros son los científicos y profesionales más directamente relacionados, pero debe constatarse también su convergencia con otras áreas tales como las Tecnologías de la Información y Comunicación (TICs), Biotecnología y Ciencia de los Materiales, entre otras muchas.

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La Nanotecnología está en la prehistoria desde el punto de vista de su desarrollo. Aunque hay algunos bienes de consumo que ya incorporan algún componente de origen nanotecnológico o se usa el reclamo “nano” como marca publicitaria, todavía estamos lejos de los grandes desarrollos que todos esperamos.Dicha revolución tecnológica se basa esencialmente en un cambio de paradigma en cuanto a la fabricación y elaboración de bienes.Las dos aproximaciones a la fabricación en el ámbito de la Nanotecnología son la “top-down” (de arriba a abajo) y la “bottom-up” (de abajo hacia arriba)Mientras que la primera se basa en métodos en los que se busca lo pequeño a partir de lo grande, táctica usualmente empleada ya en las industrias, la segunda aproximación, la verdaderamente revolucionaria es la que busca crear complejidad a partir de elementos funcionales atómicos y moleculares, acercándose a un modo de proceder similar al que la vida ha ido perfeccionando en la Tierra durante los últimos tres mil setecientos millones de años. En esta primera etapa, de incorporación de las Nanotecnologías que estamos viviendo en estos momentos, predominan las técnicas “top-down”, que seguramente sobrevivirán aún un largo tiempo. La llegada de las técnicas “bottom-up” requerirá más esfuerzo en investigación básica, y se necesitarán dos o tres décadas más para que existan productos elaborados mediante metodologías “bottom-up” en el mercado

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Durante esta fase exploratoria que vamos a recorrer en los próximos años se puede afirmar que por cada solución de tipo “top-down" que ya existe, van a emerger varias posibles soluciones de tipo “bottom-up”. La mejor metodología “bottom-up” que se aplique industrialmente se seleccionará atendiendo al interés económico (muchas veces lejano del interés científico) definido por los costes de fabricación y la capacidad de la metodología “bottom-up” para adaptarse a los procesos de integración nanomicro- macro de dispositivos y componentes en los productos finales. Además existirán criterios de selección de las técnicas más adecuadas definidos por temas de normativa y seguridad.

Sea cual sea el calendario de desarrollo de la Nanotecnología, de lo que no hay duda es que su carácter transversal y multidisciplinar va a conducir a un fuerte impacto en la sociedad, debido a sus múltiples frentes de aplicación. Cuando se habla del impacto social de las Nanotecnologías se alude a su enorme capacidad para generar materiales, dispositivos e instrumentos que introducirán cambios en procesos de fabricación y en nuestra vida cotidiana. Los sectores que se verán más afectados por la irrupción de las Nanotecnologías serán la industria en general, la medicina, seguridad y defensa, producción y almacenamiento de energía, gestión medioambiental, transporte, comunicaciones, electrónica, educación y ocio.

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Esta gráfica ilustra que, dada la fuerte convergencia de la Nanotecnología con las áreas de la Electrónica, la Biotecnología y de los Materiales, son las áreas de la Nanoeletrónica, la Nanobiotecnología, y los Nanomateriales las más importantes.Además, en estrecha vinculación con la Nanoelectrónica, aparecen otras grandes áreas de aplicación de tipo transversal como son las de Actuadores y Sensores, e Instrumentación y Metrología. En cada área principal aparecen diversas sub-áreas de aplicación. En la parte inferior se muestran tópicos transversales que afectan a todo el conjunto de áreas y que deben ser tenidos en cuenta por su importancia. Es evidente que esta división es arbitraria y pueden darse diversas maneras de estudiar las aplicaciones de la Nanotecnología.

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Red NanoSpain como promotora de la Nanociencia y la Nanotecnología en España

La Red NanoSpain, no es una red al estilo de las que hasta ahora se han planteado en España, bien se hayan autofinanciado o bien hayan sido financiadas por el Ministerio de Educación y Ciencia (MEC). NanoSpain es una iniciativa de carácter mucho más ambicioso, a imagen de las iniciativas que se siguen en EE.UU. o en Europa (Redes de Excelencia o Acciones Coordinadas). De hecho, persigue unos objetivos ambiciosos que van más allá de los encomendados a una Red convencional y que tienen como fin el fortalecimiento de la dimensión de la NanoCiencia y Nanotecnología española en el Espacio Europeo de investigación e innovación.

A finales de 2007 la Red NanoSpain la integran 234 grupos de investigación y empresas con más de 1500 investigadores.El principal objetivo de la Red NanoSpain, gestionada por la Fundación Phantoms, es facilitar el intercambio y la transferencia de conocimientos entre los grupos de los distintos agentes del sistema de ciencia-tecnología-empresa, de manera que se fomente la cooperación entre ellos. De esta forma se propicia la creación de nuevas redes de excelencia, plataformas tecnológicas, proyectos de investigación pluridisciplinares y se mejora la coordinación entre las infraestructuras científicotecnológicas, así como la vertebración de las comunidades científicas de cara al Espacio Europeo de Investigación.

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Este objetivo general, por lo tanto, se puede alcanzar con la consecución de los siguientes objetivos parciales:1. Contribuir a la generación de conocimiento en las distintas áreas de la

Nanociencia / Nanotecnología.2. Potenciar la visibilidad y la comunicación de los avances de la

Nanotecnología en España.3. Fomentar la creación de grupos de I+D multidisciplinares.4. Favorecer la integración de los grupos de I+D españoles en los

proyectos Europeos del VII Programa Marco de la U.E.5. Establecer un nexo entre todos los miembros a través de un sitio WEB

dinámico, de permanente actualización.6. Conectar con otras iniciativas internacionales, regionales o

nacionales. como las recientes plataformas tecnológicas.7. Participar en eventos científico-técnicos a nivel nacional. La Red

colabora en la organización del evento anual “NanoSpain” del cual el principal organizador es la Fundación Phantoms.

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8. Formar grupos de trabajo según temáticas y afinidades. 9. Organizar reuniones de cada uno de los grupos temáticos.10.Fomentar nuevas iniciativas (sub-redes, etc.).11.Atraer nuevos laboratorios de empresas y Organismos Públicos a

esos grupos de trabajo (Red abierta).12.Elaborar informes por áreas/grupos que sirvan de base para

acciones posteriores (como el diseño del Plan Nacional del Ministerio de Educación y Ciencia, de otros planes regionales de I+D+i, mapas de infraestructuras, etc.)

13.Divulgar la Nanotecnología contactando con medios de comunicación. Mejorar la comunicación a la sociedad de los avances que se vayan produciendo en las distintas áreas de la Nanociencia / Nanotecnología.

14.Atraer a empresas para su mejor integración en esta nueva área e informarlas de lo que representa para su futuro la Nanotecnología.

15.Incrementar la participación de las empresas en las actividades de I+D+I.

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Otras iniciativas españolas en Nanotecnología

Este esfuerzo inicial de los investigadores fue seguido de otras iniciativas de carácter institucional lideradas por Universidades, Comunidades Autónomas, etc. Desde un primer momento, la Generalitat de Cataluña jugó un papel relevante en el fomento de la Nanotecnología mediante una Acción Especial de desarrollo de la Nanociencia y Nanotecnología en Cataluña, financiando estancias postdoctorales en centros de investigación de prestigio, y articulando la creación de dos instituciones: el Laboratorio de Investigación en Nanobioingeniería (CREBEC) perteneciente al Instituto Catalán de Bioingeniería (IBEC)y el Instituto Catalán de Nanotecnología.Instituto de Nanociencia de Aragón (INA)Unidad de Nanotecnología de la Universidad de Oviedo.CIC-nanoGUNE en el País Vasco IMDEA Nanociencia apoyado por el Gobierno de la Comunidad Autónoma de Madrid y el Ministerio de Educación y CienciaEl Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) no se ha quedado al margen de estas iniciativas y ha diseñado el Eje-Nano dentro su Plan Estratégico para el periodo 2006-2009. Dentro de este Eje el CSIC está fomentando la creación de nuevos centros como el Instituto de Nanotecnología de Asturias y el Centro de Investigación en Nanociencia y Nanotecnología (CIN2) ubicado en Barcelona en colaboración con el Gobierno de Cataluña y la Universidad Autónoma de Barcelona.

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Otros centros de I+D de ámbito “nano” están en fase embrionaria (como ocurre en Andalucía con BIONAND) y en breve espacio de tiempo habrá una red de centros que permitirá a nuestro país ser competitivos dentro del Espacio Europeo de Investigación.

Para finalizar con esta relación de iniciativas destinadas a poner en marcha centros de I+D, debemos mencionar el Laboratorio Ibérico Internacional de Nanotecnología (INL), cofinanciado por los Gobiernos de España y Portugal, y que está ubicado en Braga (Portugal), lo que contribuirá a la internacionalización de la ciencia española en este tópico.El País Vasco lleva varios años apostando por la investigación en nanociencia y nanotecnología, que ya aparecían como áreas prioritarias del Plan de Ciencia, Tecnología e Innovación 2001-2004 del Gobierno Vasco. El principal instrumento desde el que se ha planteado la investigación en nanociencia y nanotecnología, ha sido el Programa de Investigación Estratégica ETORTEK, en cuyo marco se han ejecutado en el periodo 2005-2007 dos grandes proyectos en los últimos 5 años: NANOMATERIALES, centrado en la generación de conocimiento en el campo de los nanomateriales desde una perspectiva de la ciencia e ingeniería de materiales, y NANOTRON, centrado en la generación de conocimiento en nanosistemas y nanoelectrónica.

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La microscopía SPM (del inglés Scanning Probe Microscopy, [Probe = “sonda”] traducido sin embargo como “microscopía de campo cercano”) consiste en aproximar una punta o “sonda” a una superficie que se quiera visualizar y medir la interacción entre la punta y la superficie. Moviendo la punta sobre la superficie (en inglés scanning) se obtiene un mapa de esta interacción y por lo tanto una imagen de la muestra en estudio. En función de la interacción que se utilice tenemos los diversos microscopios que abarcan esta técnica. El microscopio de efecto túnel STM (Scanning Tunnelling Microscope) mide la corriente eléctrica que aparece entre punta y muestra cuando aplicamos una diferencia de potencial entre ambas. El microscopio de fuerzas AFM (Atomic Force Microscope) mide las fuerzas de la interacción que haya entre punta y muestra cuando se encuentran próximas.

El microscopio de fuerzas magnéticas MFM (Magnetic Force Microscope) es una variante del AFM donde se mide la interacción magnética.

El microscopio óptico de campo cercano SNOM (Scanning Near-Field Optical Microscope) mide la luz evanescente reflejada o trasmitida por la muestra.

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•Europa es un ámbito de gran importancia en la producción científica mundial.•Países como China, Corea del Sur, Taiwan e India están despuntando en importancia en el ámbito científico (al igual que en el económico).•La microscopía de fuerzas (AFM) tiene un mayor crecimiento que la microscopía túnel.•Otras microscopías (SNOM, MFM, etc.), aunque en menor medida, van ganando terreno.52

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En el área de la microscopía del campo cercano SPM, los temas de vanguardia donde se debe invertir son: El estudio de materiales orgánicos, materiales con interesantes aplicaciones en dispositivos.La microscopía de fuerzas en el modo no contacto, línea en la que hay importantes contribuciones españolas tanto experimentales como teórica. Detección de reacciones biológicas o químicas en micropalancas funcionalizadas (biosensores) Otras microscopías de campo cercano, como la microscopía de fuerzas magnéticas MFM o la microscopía de sonda Kelvin (Kelvin Probe Microscopy).

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La nanobiotecnología o aplicaciones de la nanotecnología a los sistemas biológicos tiene su área de aportación en medicina mediante nuevos sistemas de diagnóstico tanto a nivel molecular como por técnicas de imagen, nuevas terapias más selectivas y eficientes y como soporte tecnológico a la medicina regenerativa.Así mismo, parte de estos descubrimientos tendrá también influencia en la industria agrícola y de la alimentación.La Nanomedicina es un ámbito de investigación científico y tecnológico interdisciplinario que pretende mediante el desarrollo y la aplicación de la nanotecnologia, mejorar el diagnóstico, tratamiento y prevención de enfermedades y lesiones traumáticas, así como preservar y mejorar la salud y calidad de vida.Desde el punto de vista de la aplicación, la Nanomedicina en estos momentos se focaliza en tres grandes ejes trasversales con independencia de las patologías:

Mejora del diagnóstico tanto in-vivo como in-Vitro.

Desarrollo de nuevos sistemas más efectivos de suministro y dosificación de fármacos.

Desarrollo de tecnologías para la ingeniería tisular y la medicina regenerativa.

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El Nanodiagnóstico posibilita la identificación de enfermedades o de la predisposición a las mismas a nivel celular o molecular mediante la utilización de nanodispositivos. Bajo este concepto se unifica la necesidad social y clínica junto con la capacidad tecnológica para detectar enfermedades en el estadio más temprano posible, así como la necesidad de detectar potenciales efectos indeseables de los fármacos antes de su prescripción. Se consideran dos grandes ámbitos de aplicación de las nanotecnologías al diagnóstico, el diagnóstico in vitro y el diagnóstico in vivo.Los diagnósticos in vitro realizados mediante el uso de nanotecnología pueden ser llevados a cabo mediante biosensores o dispositivos integrados conteniendo muchos sensores. Un biosensor contiene un determinado receptor biológico, como puede ser una enzima o un anticuerpo, capaz de detectar la presencia o concentración de una sustancia de forma específica y traducir dicha interacción a través de un transductor que transforma la señal bioquímica en una señal cuantificable.Los sistemas más sofisticados en este ámbito son los llamados biochips o dispositivos lab-on-a-chip que incorporan sistemas de microfluídica, biosensores y otros componentes integrados de excitación, lectura y análisis en un único dispositivo.

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Por último, tenemos las aplicaciones de la nanotecnología para desarrollar nuevos sistemas de liberación de fármacos.

Las principales ventajas que se pretende conseguir con el diseño de Nanosistemas Terapéuticos se centran en la obtención de:

A. Fármacos más selectivos y eficaces y, por tanto, menos tóxicos, mediante estrategias de orientación selectiva, tanto activa (e.j. sistemas de liberación que se dirige de forma selectiva a una célula gracias a anticuerpos) o pasiva (e.j. sistemas de liberación que se acumulan en un órgano o tejido debido a cambios fisiológicos del mismo como un aumento de la vascularización tisular local).

B. Fármacos más fáciles de administrar, es decir, que puedan ser administrados por una vía cómoda (oral, nasal, pulmonar…), evitando las formas inyectables u otras rutas invasivas. Ello se consigue mediante el desarrollo de nanosistemas capaces de promover la absorción de fármacos por vías mucosas. Aquí se incluye la posibilidad de desarrollar nuevas vacunas no inyectables.

C. Nuevos fármacos o terapias que no serían viables de no disponer de un nanosistema que los solubilice o los proteja. Este último caso es el de los denominados biofármacos, o fármacos de origen biotecnológico, entre los que se incluyen péptidos, proteínas, anticuerpos y nuevas terapias basadas en ácidos nucleicos (DNA, siRNA, oligonucleotidos, etc).

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Las actividades que se desarrollan en España en el ámbito de la Nanociencia yNanotecnología aplicadas al área de Energía, tienen que ver fundamentalmente con lassiguientes líneas tecnológicas:

1.Pilas de combustible e hidrógeno•Electrocatalizadores nobles nanoparticulados•Membranas de intercambio protónico nanoestructuradas•Almacenamiento de hidrógeno en nanomateriales

2.Baterías de litio•Materiales electródicos nanoparticulados y/o nanoestructurados

3. Fotovoltaica• Materiales sustitutivos del silicio

4. Supercondensadores• Nanomateriales carbonosos como material activo• Nanomateriales inorgánicos

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1. Pilas de combustible e hidrógeno

La nanotecnología puede aportar un beneficio a las pilas de combustible e hidrógeno a través de la nanoestructuración. Este concepto está relacionado con la introducción de mejoras en la manufactura de materiales, de manera que se aumenten sus prestaciones, para una aplicación efectiva en pilas de combustible y dispositivos de almacenamiento de hidrógeno. En este sentido caben destacar los siguientes aspectos relacionados con las pilas de combustible de membrana polimérica (PEMFC):Manufactura de catalizadores: la nanoestructuración puede ayudar a manufacturar electrocatalizadores más activos frente a las reacciones que tienen lugar en la pila de combustible.

Membranas poliméricas: En este sentido, las membranas nanoestructuradas constituidas por composites orgánicos/inorgánicos (p.ej. que contiene silicio en la matriz polimérica) constituyen una nueva aproximación para minimizar los requerimientos de humidificación de las membranas.

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2. Baterías de litio

El creciente uso y mayores funcionalidades de todo tipo de aplicaciones portátiles, requieren mejoras en la densidad de energía, potencia, seguridad y coste de las celdas para responder a las demandas crecientes de las aplicaciones y sus usuarios. Es por ello que cada vez es más urgente diseñar sistemas de almacenamiento capaces de suministrar su energía, y a su vez cargarse, en el menor tiempo posible. Frente a estos retos, la nanotecnología es una prometedora herramienta para conseguir importantes mejoras en los materiales de electrodo y electrolito de baterías, quienes determinan principalmente el rendimiento de las mismas, ya que aportan:Nuevos mecanismos de reactividad de óxidos metálicos, sulfuros y aleaciones (materiales anódicos) respecto a la especie móvil (Li+), dando lugar a procesos de conversión reversibles inusuales.

La posibilidad de cambiar radicalmente las cinéticas y los caminos de reacción químicos/electroquímicos de materiales inorgánicos frente a la especie móvil, al pasar de macro a nanopartículas.

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3. Fotovoltaica

El objetivo principal de la investigación que se realiza en fotovoltaica es el de estudiar diferentes tipos de células que puedan competir, tanto en costo como en propiedades electroópticas, con las células de silicio.La utilización de nanopartículas o materiales nanoestructurados han aportado una nueva perspectiva a la investigación en fotovoltaica, ya que con una apropiada utilización de la tecnología nano, se pueden lograr valores de eficiencia ampliamente superiores a la del silicio. Ejemplos de este tipo de materiales son:Nanopartículas: la utilización de nanopartículas como absorbentes de la radiación solar hace que una vez excitado, la distancia que tienen que recorrer tanto el electrón como el hueco creado, se minimice. Al tener que recorrer menor distancia la posibilidad de recombinación electrón-hueco disminuye, aumentando el número de portadores de carga que se obtiene por fotón incidente.

Materiales Nanoestructurados: Actualmente se está trabajando con óxidos nanoestructurados (sobre todo óxido de titanio) en el que se depositan los materiales absorbentes. La nanoestructura del óxido puede multiplicar por un factor 1000 el área de deposición, aumentando las eficiencias de la célula.

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4. Supercondensadores

Los supercondensadores están constituidos por dos electrodos porosos aislados de posibles contactos eléctricos por un papel separador impregnado con un medio conductor de iones o electrolito. Almacenan energía por separación de cargas negativas y positivas en la interfase entre electrodo/electrolito. La nanotecnología ofrece la posibilidad de diseñar materiales nanoestructurados controlando parámetros como: Distribución y tamaño de los poros, área superficial o funcionalidad de la superficie y abre infinidad de posibilidades para el diseño y optimización de materiales para supercondensadores.

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Los nanotubos de carbono están constituidos por uno (nanotubos de capa única, SWNT) o más (nanotubos de capa múltiple, MWNT) esqueletos concéntricos de láminas de carbono. Se han realizado diferentes estudios de SWNT y MWNT como electrodos para supercondensadores.

Composites de nanotubos de carbono con polímeros conductores como polianilina y polipirrol.

Otro material que está recibiendo una creciente atención es la de los carbones mesoporosos. La síntesis de carbones mesoporosos usando el método del “template” con silica mesoporosa proporciona materiales nanoestructurados que permiten optimizar propiedades que resultan altamente interesantes para su aplicación como electrodos parasupercondesadores como son el tamaño de poro y el área superficial, entre otras.

De la misma forma se estudian composites integrados por carbones activos y nanopartículas de óxidos de metales de transición. La presencia de las nanopartículas de RuOx incrementa en un 50% la capacidad específica del carbón activo. El mismo efecto tiene lugar cuando se funcionalizan nanotubos de carbono con RuOx.

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La nanolectrónica estudia los fenómenos de transporte y distribución de carga y espín en la escala del nanómetro. Avances instrumentales en las últimas décadas han permitido la visualización en el espacio real y la manipulación controlada de los átomos.Una nueva tecnología sólo remplaza una existente con éxito si mejora las prestaciones (incluyendo el coste efectivo) ordenes de magnitud, o si suministra características que la tecnología existente es físicamente incapaz de suministrar. Este es el reto, la búsqueda de nuevas propiedades, paradigmas y arquitecturas para crear la nueva nanoelectrónica.

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La nanolectrónica es el punto de reunión donde la física, la ciencia de materiales, la química, la biología y la ingeniería electrónica se topan irremediablemente. Los circuitos integrados tradicionales consisten en una serie de interruptores eléctricos y cables tan pequeños y económicos como sea posible, idénticos y reproducibles en serie. Parece muy difícil -si no imposible- para la fabricación tradicional de semiconductores, producir circuitos con la exactitud necesaria a escalas atómicas. Es en la búsqueda de soluciones a estos problemas donde los investigadores intentan remplazar algunos conceptos básicos acerca de los dispositivos y sus interconexiones. En paralelo, los científicos intentan descifrar cómo la naturaleza se las arregla para almacenar y transmitir un conjunto de instrucciones que permiten desarrollar nanomáquinas que cumplen tareas de construcción avanzadas en el ámbito celular, una espectacular ilustración es el video The Inner Life of the Cell (Biovisions en la Universidad de Harvard), un extracto se puede ver:

http://www.youtube.com/watch?v=kxSLw1LMvgkUn material que ha recibido mucha atención recientemente es el grafeno. Esta monocapa de grafito, que hasta ahora ha sido muy popular en su versión cortada y enrollada (el nanotubo de carbono) es fascinante, y posiblemente más manejable como material.

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Electrónica Molecular

Es el estudio de propiedades moleculares que pueden llevar al procesado de la información.En el año 2001 se construyeron los primeros circuitos moleculares, utilizando unas moléculas llamadas rotaxanos, capaces de funcionar como un transistor. Aún se está muy lejos de poder ensamblar un chip utilizando estos materiales, pero las posibilidades son asombrosas.

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Nanotubos de Carbono

Los nanotubos de carbono son moléculas tubulares de carbono, con propiedades que los hacen muy atractivos y potencialmente útiles para aplicaciones como componentes eléctricos y mecánicos extremadamente pequeños. Exhiben una dureza inusual, propiedades electrónicas únicas y son unos conductores de calor extremadamente eficientes. Las buenas propiedades eléctricas, mecánicas, y químicas de los nanotubos de carbono les hacen candidatos para fabricar dispositivos tales como transistores a escala nanométrica, pantallas de emisión de campo, actuadores, etc.

En el 2004 se crecieron nanotubos de carbono de unos 4 cm. de longitud, y recientemente se han visualizado por TEM los átomos de Carbono individuales de SWT, demostrado la capacidad de soldarlos uno a continuación de otro y también de crecerlos sobre sustratos metálicos.

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Nanoestructuras Semiconductoras

Existen dispositivos tipo diodo y transistor que tienen el potencial de operar en la escala de los nanómetros, a velocidades ultra altas y con una densidad ultra alta de circuitos. Algunos de estos dispositivos pueden ser especialmente útiles debido a sus inéditas características de “output”, permitiendo realizar operaciones con menos componentes de los usuales. Esta clasificación englobaría: Resonant Tunneling Hot Electron Transistor RHET, Resonant Tunneling Bipolar Transistor RTBT, Quantum Effect Devices QED, ElectronWaveguide Devices, Quantum Well Modulation Base Transistors, Lateral Quantum Devices, Coulomb Blockade Devices, etc.

Estructuras de dimensiones nanoscópicas capaces de confinar electrones (incluso uno sólo) en niveles de energía discretos. Nanocristales de semiconductores muestran propiedades ópticas y electrónicas que dependen de su tamaño. Esto los hace extremadamente atractivos en aplicaciones como catálisis, celdas fotovoltaicas, láseres, transistores, etc.

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Interconectores

Uno de los principales retos en la fabricación de dispositivos nanoelectrónicos es la conexión entre diferentes componentes. Para esto hay varios candidatos:

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Espintrónica y nanoestructuras magnéticas

Los dispositivos activos actuales están basados todos, en mayor o menor medida, en la carga del electrón, que fue descubierto a finales del siglo XIX. Recientemente hemos aprendido a hacer uso selectivo de los dos canales de espín. El primer dispositivo espintrónico es el cabezal de lectura de información magnética basado en la magnetorresistencia gigante. El principio es la diferente tasa de dispersión (scattering) a que están sujetos los diferentes canales de espín. Esto hace que una orientación antiparalela de la imanación en las capas magnéticas presente un estado de resistencia alta, y que la orientación paralela presente un estado de resistencia baja. Estos dispositivos se encuentran en los cabezales de los discos duros y el descubrimiento del fenómeno ha merecido el premio Nobel de Física del año 2007 a Albert Fert y Peter Grunberg.

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Módulo 2. Nanomateriales

El término Nanomateriales engloba todos aquellos materiales desarrollados con al menos una dimensión en la escala nanométrica.

Agregados atómicos, partículas, láminas, nanoporos, etc < 100 nm.

Silicatos, carburos, nitruros, óxidos, boruros, seleniuros, teluros, sulfuros, haluros, aleaciones metálicas, intermetálicos, metales, polímeros orgánicos y materiales compuestos.

Sanidad, salud, textil, tecnologías de la información y la comunicación, seguridad, transporte, etc.

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Los nanomateriales pueden tener un origen natural, es decir, existir en la naturaleza como tales, por ejemplo, coloides orgánicos, magnetita, aerosoles, óxidos de hierro, etc, pero la verdadera revolución nanotecnológica está basada en el resto de la fabricación y elaboración de productos a ese nivel.

Las dos estrategias que pueden seguirse para alcanzar el nanotamaño de objetos o materiales nanoestructurados son las que se representan esquemáticamente:

a)Estrategia “top-down” o “de grande a pequeño” basada en metodologías en las que se consigue el nanotamaño a partir de un macromaterial.

b)Estrategia “down-up” o “de pequeño a grande”, que se basa en crear nanoestructuras complejas a partir de elementos funcionales atómicos o moleculares.

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No cabe duda de que los nanomateriales en su amplica variedad de opciones (puros/compuestos, nanomateriales/material nanoestructurado, nanocapas, etc) son, en el momento actual, el campo de acción más relavante de la Nanoquímica y de la Ciencia de los Materiales.

La síntesis, desarrollo y caracterización de nanomateriales es clave para otras áreas tales como la nanobiotecnología (nanomedicina), la energía, la nanoelectrónica, nanodispositivos, el desarrollo de sensores y nueva instrumentación.

Las áreas de aplicación específicas son muy variadas: bienes de consumo, cosmética, impresión, empaquetado, catalizadores, agroalimentación, construcción, automoción, aeronáutica y sensores, entre otros.

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LOS NANOMATERIALES EN EL PROCESO ANALÍTICO El empleo de nanopartículas supone actualmente más del 50 % de las aplicaciones analíticas en Nanotecnología.

Generalmente , están implicadas en los denominados “sistemas analíticos nanotecnológicos” que son sistemas que explotan plenamente las propiedades excepcionales del material nanométrico (nanopartículas y material nanoestructurado) en el ámbito Químico-Analítico. Su empleo tiene como objetivo explotar carácterísticas (ópticas, químicas, térmicas, magnéticas y otras) excepcionales de la nanomateria para el desarrollo de nuevos métodos, o mejorar los ya descritos en términos de incremento de las propiedades analíticas máximas (exactitud, representatividad), básicas (por ejemplo precisión, sensibilidad y selectividad) y productivas (rapidez, coste, riesgos, etc).

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Las nanopartículas o los materiales nanoestructurados pueden ser incorporados al proceso analítico de diversas formas:

1)Como tales, manteniendo su identidad individual o formando cúmulos.2)Enlazados químicamente sobre una superficie3)Incorporados a un sólido inerte que, en su conjunto, toma la denominación de material nanoestructurado y es ampliamente usado en la fabricación de electrodos y fases sensoras.4)Funcionalizadas con compuestos inorgánicos, orgánicos y bioquímicos.

El rol de las nanopartículas en el proceso analítico es muy variado y depende de su naturaleza y estado. Se usan fundamentalmente para el tratamiento de muestras, separaciones cromatográficas y electroforéticas y procesos de detección electroquímica, óptica, etc.

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En la figura se muestran de forma esquemática las nanopartículas más relevantes ampliamente usadas en Química Analítica, así como la extensión relativa en que las propiedades químicas, ópticas, eléctricas, térmicas y magnéitcas son explotadas en cada caso.

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Últimos avancesMateriales Nanoestructurados, Nanopartículas, Nanopolvos, Materiales Nanoporosos, Nanofibras, Fullerenos, Nanotubos de Carbono, Nanohilos, Dendrímeros, Electrónica Molecular,Puntos Quánticos y Láminas Delgadas.

Sanidad y SaludIngeniería de tejidos, liberación controlada y dirigida de fármacos y agentes de contraste para el diagnóstico por imagen.

Tecnologías de la Información y la ComunicaciónElectrónica de espines, spintrónica, y en el avance de la electrónica molecular, nanotubos de carbono en pantallas

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Materiales Nanoestructurados

Cerámicas nanoestructuradas como bio-implantes; imanes permanentes de alta temperatura para motores de aviones; materiales ferromagnéticos para aplicaciones como imanes blandos, almacenamiento de la información, válvulas de espín magnetoresistivas, refrigeración; Mg y Ti nanocristalino como catalizadores para automoción basada en hidrógeno; zeolitas nanoporosas ymateriales metalorgánicos para almacenamiento de hidrógeno; sensores y actuadores basados en MEMS y NEMS.

Nanopartículas y Nanopolvos

Energía, células solares basadas en TiO2, almacenamiento de hidrógeno con hidruros metálicos, mejora de electrodos para pilas;Biomédico, liberación de fármacos por inahalación particularmente insulina, crecimientos óseos, tratamientos anticáncer, recubrimientos para implantes, agentes de contraste para diagnóstico por imagen;Ingeniería, herramientas de corte, liberación controlada de herbicidas y pesticidas, sensores químicos, tamices moleculares, polímeros compuestos reforzados, aditivos para lubricantes, pigmentos, vidrios autolimpiables basados en TiO2, tintas magnéticas y conductoras;

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NanocápsulasLiberación de fármacos, industria de la alimentación, cosméticos, tratamiento de aguas residuales, componentes de adhesivos, aditivos aromáticos en tejidos, fluidos magnéticos.

Materiales nanoporososMembranas con control de poro a nivel atómico, catalizadores como reductores de emisión de contaminantes, catalizadores como elementos de autodiagnóstico y auto-reparación en materiales, aislantes, aplicaciones medioambientales para reducción de emisiones, purificación de aguas, eliminación de contaminantes, atrapado y eliminación de metales pesados, producción de nanopartículas estructuradas, células solares orgánicas, supercondensadores para almacenamiento de energía, almacenamiento de gases (hidrógeno, metano, acetileno), ingeniería de tejidos para aplicaciones médicas, liberación controlada de fármacos, bioimplantes.NanofibrasFiltros, tejidos, cosméticos, esterilización, separaciones biológicas, ingeniería de tejidos, biosensores, órganos artificiales, implantes, liberación controlada de fármacos.FullerenosLubricantes, reforzado de polímeros y fibras textiles, catalizadores, electrodos para células solares, dispositivos fotónicos, baterías de Li de larga duración.118

Nanotubos de carbonoPolímeros conductores, polímeros y cerámicas altamente tenaces, apantallamientos electromagnéticos, electrodos para baterías, componentes para membranas y células solares, FEDs, nano-osciladores en los giga-hertz, puntas nanoscópicas, músculos artificiales.

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Los electrodos de grafito modificados con nanotubos de carbono son una plataforma ideal para el desarrollo de superficies hechas a medida. Estos electrodos se pueden optimizar para aumentar la densidad de corriente de procesos redox enzimáticos ligados a la superficie electroactiva.

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NanohilosManipulación de elementos biológicos en campos magnéticos, FETs, sensores, detectores, LEDs, almacenamiento de datos de alta densidad, nanodispositivos opto-electrónicos.

DendrímerosCélulas artificiales, liberación controlada y dirigida de fármacos, agentes de contraste, toners para impresoras por laser, sensores para diagnóstico, detectores, electrónica molecular, agentes descontaminadores y de filtración particularmente de iones metálicos, adhesivos, lubricantes y baterías en la nanoescala.

Electrónica molecularTiempos de conmutación en los pico-segundos y 10 meV de consumo de energía por ciclo; desarrollo de hilos moleculares; conmutación electromecánica basada en la deformación controlada de una molécula o su reorientación como alternativa a mover los electrones moleculares.

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Quantum dots

Láseres semiconductores basados en emisión de fotones por pozos quánticos, fotosensores para la optimización de células solares adaptándolas al espectro solar aumentando la captura de luz, transistores monoelectrónicos, computación cuántica, puertas lógicas, elementos de memoria y grabación, elementos para etiquetado biológico, elementos para diagnóstico médico, LEDs, elementos para células solares reemplazando tintes orgánicos.

Láminas delgadasSi policristalino para papel electrónico, pieles artificiales, telas y ropas inteligentes, MEMS tanto para sensores como para actuadores y estructuras pasivas, actuadores térmicos, TFTs, electrónica flexible para células solares y circuitos integrados; láminas sensibles al espectro de luz para cubrimiento de cristales y ventanas (p. ej., termocrómicos, fotocrómicos, electrocrómicos)

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Biomateriales

Se conoce por biomateriales a todos aquellos materiales susceptibles de ser utilizados en el interior de un organismo para su uso médico. Este área es común a varias aplicaciones de la Nanomedicina, la investigación en biomateriales no sólo es importante para la Medicina Regenerativa sino también para el resto de aplicaciones de la Nanomedicina, la liberación controlada de fármacos o los métodos de diagnóstico.Los primeros biomateriales fueron sintetizados en la década de los sesenta, en estosprimeros pasos en la investigación en biomateriales el reto consistía en conseguirdesarrollar materiales que produjesen la menor respuesta inmune posible al serintroducidos en el cuerpo humano, es decir, que no fueran tóxicos.A partir de los años 80, comenzó a producirse una segunda generación de biomateriales que, además de ser inertes, aportaban nuevas características, como la capacidad de serreabsorbidos o la capacidad de desarrollar acciones controladas en su ambientefisiológico, es decir, ser biológicamente activos. La limitación fundamental de estosbiomateriales de primera y segunda generación era su incapacidad de responder frente a cambios externos.125

En los últimos años ha surgido una tercera generación de biomateriales que se caracteriza por producir respuestas celulares específicas a escala molecular, estos nuevos materiales son capaces de estimular a determinados genes cuya acción está relacionada con la regeneración tisular.

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Hench, L. L. y Polar, J. M. (2002). Third generation Biomedical Materials. Science, 295: 1014 - 1017.

Fuente: Laboratorio de Ingeniería Molecular de Tejidos. Universidad de Texas.(http://www.bme.utexas.edu/faculty/schmidt/research/TissEng/index.html)

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La Nanotecnología facilitará la consecución de dos objetivos:

1) la identificación de sistemas para aprovechar el potencial autocurativo de las células madre endógenas adultas y el desarrollo de sistemas diana eficientes para las terapias con células madre adultas. A grandes rasgos, las líneas actuales de investigación están encaminadas al uso de células madre adultas como fuente de células que son depositadas sobre un soporte constituido por materiales porosos que permitan la difusión de líquidos y faciliten la vascularización rápida del nuevo tejido formado. Tras una fase de cultivo, estos soportes serían implantados en el paciente y con el tiempo serían reemplazados por tejido endógeno. En último término el objetivo es conseguir desarrollar materiales inteligentes en los que no hubiese que depositar células madre exógenas al paciente, sino que ellos por sí mismos fueran capaces de liberar las señales necesarias para inducir el potencial autocurativo de las células madre adultas propias del paciente, llevando a la regeneración del tejido enfermo.

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Materiales de impronta molecular (MIPs)

Los polímeros de impronta molecular (MIPs) son materiales poliméricos nanoestructurados multifuncionales, que permiten reconocer de forma selectiva moléculas de interés ambiental y/o biológico.

Tienen diversas aplicaciones:

Fases sensoras nanoestructuradas en el diseño de sensores ópticosAdsorbente selectivo en técnicas separativas

El aprovechamiento de conocimientos multidisciplinares resulta de gran importancia y permite la hibridación de este tipo de materiales para generar micro y nanopartículas orgánicas-inorgánicas, de tipo core-shell, con propiedades magnéticas.Este paso supone un salto cualitativo en la síntesis de MIPs y permite la detección óptica de moléculas de interés mejorando la selectividad, sensibilidad, precisión y coste.

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Nanopartículas de plata

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Nanopartículas magnéticashttp://www.cuantaciencia.com/investigacion/nanoparticulas-magneticas-cancer

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http://www.youtube.com/watch?v=qZ-0lcKA7tk

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Las nanopartículas magnéticas recubiertas de oro combinan el magnetismo con las propiedades del oro: absorción resonante del plasmón superficial, conductividad eléctrica y soporte de monocapas autoensambladas. Estas características le convierten en un material muy flexible y con muchas posibilidades para el desarrollo de nanoestructuras complejas y nano-bio interfases óptimas.

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Quantum Dots

Los puntos cuánticos o Qdots o quantum dots (en inglés).Un punto cuántico es: Un sistema físico de dimensiones muy reducidas, de modo que una partícula, como un electrón, quede confinada dentro de un sistema.Christian Jack los define así: "Son estructuras  denominadas 0-D ya que todas sus dimensiones están a escala nanométrica. . El tamaño de dicha estructura juega un papel crucial, ya que es el que determina los niveles de energía y por tanto la longitud de onda de la emisión de dichos niveles cuando se produce una recombinación a través de dichos niveles.. Los puntos cuánticos de mayor tamaño emiten luz con una longitud de onda grande correspondiente al rojo, mientras que los puntos cuánticos de menor tamaño emiten luz ultravioleta, de menor longitud debido a los efectos de confinamiento cuántico".Por lo tanto, vemos dos cosas que nos pueden llamar la atención de los Qdots: Suconfinamiento (recordar entrada "Pozos cuánticos") y su relación tamaño-longitud de onda.Ahora viene lo interesante del tema. Los puntos cuánticos son átomos artificiales, nanoestructuras creadas en la década de los noventa, en el laboratorio de algún científico loco y portentoso, y que miden millonésimas de milímetro (se entiende que los puntos cuánticos, no los científicos, pudiendo estos medir unos cuantos milímetros más que sus inventos).

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- Confinamiento:  En los Qdots, partículas como los electrones están obligadas a

permanecer atrapadas, confinadas en las tres dimensiones. En concreto, los

electrones se disponen en el punto como en un único átomo, de ahí el apodo

átomos artificiales. Y de ahí, también, el que la materia estructurada en puntos

cuánticos tenga propiedades que pueden ser controladas a voluntad.

 - Relación tamaño- longitud de onda: Al ser iluminados, los puntos cuánticos

reemiten luz en una longitud de onda muy específica y que depende del tamaño

del punto cuántico. Cuanto más pequeños sean los puntos, menor es la longitud

de onda y más acusadas las propiedades cuánticas de la luz que emiten. De tal

forma que pueden diseñarse puntos cuánticos con un tamaño determinado

dependiendo de la longitud de onda que se necesite.

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¿De qué están hechos los puntos cuánticos?  Normalmente, cualquier átomo

en solitario podría ser un punto cuántico. Aunque actualmente se trabaja, más

que con átomos "solitarios", con estructuras como GaAs, Cadmio, Selenio y Zinc.

(GaAs : Arseniuro de Galio).

En el primer punto cuántico se utilizó Carbono y de hecho se sigue trabajando

con él en la actualidad. Suelen presentar un diámetro de entre 5 y 10

nanometros, mientras que una célula biológica normal tiene alrededor de unos

mil. Es este pequeño tamaño el que confiere a estos puntos unas propiedades

ópticas y cuánticas especiales. La nanoestructura se comporta como un átomo

"artificial" en el que los electrones pasan a formar parte de toda la estructura, Los

puntos cuánticos pueden encontrarse sumergidos en una matriz o también

disueltos.

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Sometidos a la radiación ultravioleta, los puntos cuánticos coloidales (colloidal quantum dots o CQD en inglés) hechas del mismo material de diferentes tamaños, se convierten en fluorescentes en el visible.

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Aplicaciones:

 - Seguridad en monedas y documentos: Un ejemplo de puntos cuánticos embebidos en una matriz serían los que se encuentran en el papel monetario, son invisibles a simple vista pero si se les aplica radiación ultravioleta en un detector de billetes falsos se observan claramente.

-Electrodomésticos:  Los podemos encontrar en los diodos láser de los lectores CD y DVD, con lo cual podemos ver que ya sson muy habituales ya en nuestros días

-Computación cuántica: Especial relevancia el trabajo de  un equipo de científicos que  consiguió crear hace dos años un (*) Entrelazamiento cuántico entre dos Qdots. Característica fundamental para la computación cuántica (y dicho sea de paso, una de las características más bellas del mundo cuántico)

- Biomedicina: Sobre todo a la hora de obtener imágenes del paciente. "La longitud de onda tan específica a la que brillan evita las superposiciones, y permite teñir a la vez muchas más estructuras que con los métodos de tinción tradicionales". Xavier Michelet, investigador de la Universidad de California

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-Se está trabajando en la posibilidad de que mediante la nanotecnología se consiga crear puntos cuánticos que sirvan para transportar fármacos hasta células específicas. Aunque hoy por hoy, el inconveniente es la toxicidad, ya que en biología, los puntos cuánticos se hacen principalmente con Cadmio y otros elementos igualmente tóxicos.

 - Fuente de iluminación: Una propiedad de los puntos cuánticos es que presentan un factor de conversión cercano al 100%, es decir, prácticamente transforman toda la radiación ultravioleta que reciben en radiación visible. El punto interesante es que podemos modificar el color emitido variando, como hemos dicho antes, el tamaño del Qdot.  O dicho de otro modo. si conjugamos los tamaños adecuados podríamos obtener bombillas de puntos cuánticos que emitieran luz blanca de gran intensidad, a partir de la radiación ultravioleta que reciben de la atmósfera. Los efectos serían un verdadero ahorro energético y un bajísimo impacto ambiental.

Como hemos visto, el punto cuántico es un ejemplo de las aplicaciones prácticas o del día a día de la física cuántica. Demostrando que no sólo se tratan de conceptos teóricos, estadísticos o de "pizarra" sino que tienen su aplicación en los avances más punteros de la tecnología.

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Nanopartículas de oro

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HOME PREGNANCY TEST

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Although this test does not rely explicitly on plasmon resonance to create the signal, the deep red color of the nanoparticles employed results directly from this feature. Other tests that do take advantage of surface plasmon resonance changes include tests for DNA detection. For example, one kind of DNA test looks for certain bases. In this test, nanoparticles start out as large aggregates that are blue. If the complementary DNA base is present, the nanoparticles will bind to that base instead of each other and the aggregates will dissolve producing a deep red color (Figure 7). This can be followed using an instrument called a spectrophotometer that measures light absorbtion at different wavelengths. The graph in Figure 7 tells us that we can detect the color changes associated with DNA binding in about 2 minutes, making for a rapid assay.

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http://mrsec.wisc.edu/Edetc/nanolab/gold/index.html

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http://noticias-nanotecnologia.euroresidentes.com/2005/10/nanopartculas-de-oro-contra-el-cncer.html

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Árboles con nanopartículas de oro podrían iluminar las calles

El Dr. Yen-Hsun Su del Centro de Investigación en Ciencias Aplicadas de la Academia Sinica en Taiwan, han logrado

crear farolas de iluminación naturales con árboles y nanopartículas de oro.

En la búsqueda para crear una iluminación de alta eficiencia sin el uso de productos químicos tóxicos – como el polvo

de fósforo utilizado en los LEDs blancos – ha logrado colocar nanopartículas de oro en las plantas de

Bacopa caroliniana, de esta manera indujeron clorofila en la hojas para producir una emisión de color rojo. Cuando las

hojas eran expuestas a luz ultra violeta, las nanopartículas de oro producían un color azul-violeta fluorescente que

emite un resplandor rojizo luminoso de la clorofila alrededor.

De acuerdo Yen-Hsun, el bio-LED podría utilizarse para hacer árboles luminosos en carretera durante la noche. Esto

ahorraría energía y absorbería el CO2, por que la luminiscencia de bio-LED haría que el cloroplasto realice la

fotosíntesis.

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Nanopartículas de oro pueden simplificar la detección de cáncer (NC&T) El estudio ha sido llevado a cabo por especialistas del Instituto de Tecnología de Georgia y de la Universidad de California en San Francisco (UCSF).

Las nanopartículas de oro son muy buenas dispersando y absorbiendo luz. El propósito de los investigadores era aprovechar esa cualidad en una célula viva para así poder detectar más fácilmente el cáncer. Hasta ahora, los resultados son muy prometedores.

Muchas células cancerosas tienen una proteína, conocida como receptor del factor de crecimiento epidérmico (EFGR), en su superficie, mientras que las células sanas no expresan esta proteína tan fuertemente. Conjugando, o uniendo las nanopartículas de oro a un anticuerpo contra el EFGR, llamado anti-EFGR, los investigadores pueden lograr nanopartículas que se unan a las células cancerígenas.

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Si se agrega esta solución conjugada de nanopartículas a células sanas y a células cancerosas, y se observa la imagen, se puede constatar, mirando con un simple microscopio, que toda la célula cancerosa está brillando. Las células sanas no se unen específicamente a las nanopartículas, de manera que no se ve dónde están dichas células. Con esta técnica, si se observa una célula bien definida brillando intensamente, significa que es cancerosa.

En el estudio, los investigadores comprobaron que las nanopartículas de oro tienen un 600 por ciento más de afinidad con las células cancerosas que con las normales.

Las partículas que respondieron mejor eran las de 35 nanómetros de tamaño. Los investigadores probaron su técnica usando cultivos de célula con dos diferentes tipos de cáncer oral, y con una línea de células no malignas. La forma del espectro de absorción de las nanopartículas de oro también sirve para distinguir entre células cancerosas y sanas.

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Lo que hace esta técnica tan prometedora es que no requiere costosos microscopios y láseres para obtener los resultados, mientras que otras técnicas sí. Demanda solamente un microscopio simple, barato, y una luz blanca.

Otra ventaja es que los resultados son instantáneos. Si se toman células de un tejido con cáncer y se las rocía con las nanopartículas de oro unidas al anticuerpo, se ven los resultados de inmediato. La dispersión es tan fuerte que se puede detectar una partícula individual.

Finalmente, la técnica no es tóxica para las células humanas. Otra técnica similar basada en puntos cuánticos, emplea cristales semiconductores para marcar las células cancerígenas, pero el material del semiconductor es potencialmente tóxico.

El equipo de investigación incluyó a Mostafa El-Sayed (director del Laser Dyanamics Laboratory y profesor de Química en el Georgia Tech), su hijo Ivan El-Sayed (cirujano de cabeza y cuello en el Comprehensive Cancer Center de la UCSF) y Xiaohua Huang (estudiante graduado del Georgia Tech).

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Las nanopartículas de oro se unen a las células cancerosas y las hacen brillar. (Foto: Georgia Tech)

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Uso del ácido tióctico para la transferencia de nanopartículas de oro desde fase orgánica a fase acuosa, y su posterior uso para la construcción de monocapas autoensambladas que permitan la inmovilización orientada y selectiva de proteínas con colas de histidina.

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Módulo 3. Aplicaciones de la nanociencia y la nanotecnología Nos hemos centrado aquí en unos pocos productos en los que

la nanotecnología es ya una realidad. Sin embargo, las aplicaciones a medio y largo plazo son infinitas. Los campos que están experimentando contínuos avances son:

- Energias alternativas, energía del hidrógeno, pilas (células) de combustible, dispositivos de ahorro energético.

- Administración de medicamentos, especialmente para combatir el cáncer y otras enfermedades.

- Computación cuántica, semiconductores, nuevos chips.- Seguridad. Microsensores de altas prestaciones. Industria

militar.-Aplicaciones industriales muy diversas: tejidos, deportes,

materiales, automóviles, cosméticos, pinturas, construcción, envasados alimentos, pantallas planas...

- Contaminación medioambiental.- Prestaciones aeroespacioles: nuevos materiales, etc.- Fabricación molecular.

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La nanociencia es la ciencia de lo muy pequeño dónde las propiedades de la estructuramacroscópica vienen dictadas por el nano-componente. A esta escala la materia ofrecepropiedades diferentes y, muchas veces, sorprendentes de tal manera que las fronterasentre disciplinas científicas y técnicas pre-establecidas se difumina; esto es, lananociencía en su naturaleza más fundamental presenta un fuerte caráctermultidisciplinar.

Así, la realización de la nanociencia en nanotecnología se convertirá en una de lastecnologías claves en el siglo XXI: una tecnología que puede ofrecer soluciones amuchos de los problemas actuales mediante materiales, componentes y sistemas máspequeños, más ligeros, más rápidos y con mejores prestaciones. Como tal abre nuevaspuertas de mercado y puede tener aportaciones esenciales en ciencias de la salud,Medioambientales y energías renovables, además de la obvias en electrónica moleculary nuevos materiales a escala nano-métrica.

Al final en el concepto de producción nanotecnológica se aúnan un mayor rendimiento con un menor coste energético (se podría llevar a cabo un crecimiento económico con un menor consumo de materiales).

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Por ejemplo el recubrimiento de vidrios con nano-partículas puede ayudar a la climatización de los hogares, coches, etc, reflejando la radiación térmica o luminosa en mayor o menor medida mediante un control electrónico (de entran en comercialización supondrá un gran ahorro energético en el futuro).Cabría pensar también en diseñar la pintura de los coches también con

nano-partículas de tal forma que se usasen para convertir la energía solar en electricidad.Otro aspecto ligado con la energía es la posibilidad de usar nano-partículas para aumentar la capacidad de almacenamiento de hidrógeno que luego se usaría como combustible, hay diferentes propuestas en el mercado todas ellas basadas en la mayor relación superficie/volumen en estas nano-partículas (por ejemplo, nanotubos de carbono).Otro campo es el de la realización de pilas de combustible, que ofrecen un alto rendimiento y donde la aportación de la nanociencia a esta tecnología son muchas: nuevas superficies nanoestructuradas, películas cerámicas y catalizadores. Esta tecnología es completamente limpia, por ejemplo en la pila de hidrógeno se combinan el hidrógeno y oxígeno para formar agua (que es el residuo), los electrones que se transfieren del hidrógeno al oxígeno son los que se usan en la pila para generar electricidad. Esta pila ayudará claramente al motor eléctrico a tomar puestos de vanguardia como el mejor y más limpio de los motores para transporte y otros usos. Estas pilas podrán usarse en el hogar para generar tanto electricidad como calor y son una realización clara de la nanotecnología que afectará nuestra vida cotidiana.

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Claramente las aplicaciones de los sistemas compuestos nano-estructurados abarcan ungran abanico de posibilidades desde nuevos materiales con propiedades a media hastasensores y etiquetas biológicas como el campo medioambiental y energético y en elcampo de la salud y medicina, en resumen, tienen el potencial para cambiar (a mejor!)la sociedad aprovechando de manera más eficiente los recursos naturales a nuestradisposición.

Por supuesto una aplicación muy de moda en este campo de la nanociencia es, desde susalbores la nano-electrónica (o electrónica molecular). La electrónica del futuro podríaasemejarse más a un laboratorio de química que a lo que estamos habituados hoy en día.

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Con todo lo descrito hasta el momento parece natural dar el salto cualitativo y pensar enaplicaciones directas de la nanociencia que estén ligadas con la salud.Una de ellas consiste en administración selectiva de medicamentos y reconstrucción de tejidos (sería como un equipo médico nanométrico!). La realización de esta idea se basa en construir contenedores a escala nanométrica con antenas a las cuales se unen proteínas que actúan de sensores similares a los anticuerpos (moléculas con capacidad dereconocimiento) de tal forma que cuando entran en contacto con la estructura típica del agente que produce la enfermedad o su producto (eg. las paredes de las células cancerígenas) se acoplan a éstas, y luego se liberaría el medicamento o se podría hacerun ataque selectivo si la nano-partícula actúa de marcador (mediante fluorescencia!).

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El ejemplo de la figura (tomado de Investigación y Ciencia, número Marzo 2003) ilustraun caso donde las porfirinas (componentes básicos de las clorofilas y responsables delproceso de fotosíntesis en las plantas) se usan en foto-terapia para tratar el cáncer depiel.

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He de decir que la mayoría de los científicos consideran que los riesgos de la nanotecnología son controlables, aún así conviene se comente un problema específico que ha creado un poco de escepticismo en la sociedad sobre la aplicación de la nanociencia, en particular los nano-motores.

Lo que si está claro es que las nano-partículas pueden producir efectos no deseados en el medio ambiente y las personas (por ejemplo debido a su carácter filaminoso los nanotubos podrían ser perjudiciales para el sistema respiratorio, como en su día lo fueron los asbestos!) Esto hace que hay que tener unos protocolos de actuación claros y una investigación concienzada sobre los efectos directos (que pueden ser excepcionales) sino de los indirectos y evaluar adecuadamente el riesgo. Sabemos que muchas nanopartículas no son dañinas para la salud (ya hay en uso en cosméticos como proteccionessolares). A pesar del carácter de ficción de los nano-robots, el diseño de materiales nano-estructurados va muy avanzado y ya se empiezan a comercializar diferentes productos como los cabezales de discos duros de alta sensibilidad, los diodos emisores de luz, pantallas planas, etc.....con muchas más sorpresas en el futuro!

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No basta con soñar con el desarrollo de los nano-robots quirúrgicos que viajan a travésde las venas y reconstruyen el material dañado, antes de llegar a esta etapa se debeinvertir una cantidad enorme de tiempo y trabajo tanto de investigación como deformación, hay que dominar el carácter interdisciplinar de este campo: física, químicamatemáticas, de tal manera que todos los conocimientos básicos puedan ser usados enaras del desarrollo de las “nano-fantasías” que aunque no sean alcanzables si quedejarán un rastro impresionante de aplicaciones y nuevas ideas por el camino queservirán para ir modelando el futuro más cercano, y en particular, para construir lo quese ha venido en llamar la sociedad de la información que deberán suponer una mejorasustancial de la calidad de vida.

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Productos disponibles hoyLos productos adicionales, hoy disponible, que benefician de las características únicas de los nanomateriales, incluyen:

Pinturas y capas a proteger contra la corrosión, rasguños y la radiaciónProtective and glare-reducing coatings for eyeglasses and carsHerramientas para corte de metalSunscreens y cosméticosPelotas de tenis más duraderasRaquetas más fuertes y ligeras para jugar al tenisRopa y colchones anti- manchasVendas para quemaduras y heridasTintaConvertidores catalíticos del automóvil.Complementos de caminonetasTopes en los coches204

Ejemplos de aplicaciones de la Nanotecnología ya en el mercadoLa Nanotecnología ya no es solo una promesa del futuro.

Un informe de la Institute of Nanotechnology (iniciativa británica parecida a la National Nanotechnology Initiative de los Estados Unidos) sobre la Nanotecnología en Europa hace un balance de aplicaciones que utilizan técnicas de la nanotecnología y que ya están disponibles para el consumo o están a punto de lanzarse al mercado.

Dichas aplicaciones incluyen:

1. Nuevos sensores para aplicaciones en la medicina, en el control medioambiental y en la fabricación de productos químicos y farmaceuticos

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2. Mejores técnicas fotovoltaicas para fuentes de energía renovable

3. Materiales más ligeros y más fuertes para la defensa, las industrias aeronaútica y automóvil y aplicaciones médicas

4. Envolturas "inteligentes" para el mercado de alimentos, que dan a los productos una aparencia de alimento fresco y de calidad

5. Tecnologías visuales que permiten pantallas mejores, más ligeras, finas y flexibles

6. Las llamadas técnicas de diagnóstica "Lab-on-a-chip" (literalmente "Laboratorio-en-un-micro(nano)chip“

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7. Cremas de protección solar con nanopartículas que absorben los rayos UV.

8. Gafas y lentes con capas totalmente resistentes e imposibles de rayar.

9. Y aparatos tan diversos y comunes como impresoras, tocadores de CDs, airbags etc., cuya versiones más modernas contienen componentes logrados a través de la nanotecnología.

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Módulo 4. Nano(bio)sistemas analíticos La interacción entre la Nanotecnología y la medicina

constituye una oportunidad para llevar a cabo nuevos tratamientos o mejorar los ya existentes. Las diferentes técnicas que forman parte de la Nanotecnología manipulan átomos y moléculas, produciendo nanoestructuras artificiales que, siendo del mismo tamaño que las biomoléculas, pueden interaccionar con células de los seres humanos. Por este motivo, la Nanomedicina ofrece nuevas soluciones en diagnóstico, tratamientos “inteligentes” y medicina regenerativa, actuando estimulando los propios mecanismos controladores y reparadores del cuerpo humano.

http://www.youtube.com/watch?v=pArv0KgPYnA&feature=related (50 min)

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Por todo ello, la Nanomedicina tendrá un gran impacto en el diagnóstico precoz y en el tratamiento de enfermedades como el cáncer, la diabetes, el Alzheimer, el Parkinson y losproblemas cardiovasculares, inflamatorios e infecciosos.En España existe una intensa actividad científica en Nanomedicina y el entorno empresarial está representado fundamentalmente por la industria farmacéutica y biotecnológica. El sector farmacéutico español reconoce mayoritariamente las ventajas de esta innovación y es el que mayores iniciativas desarrolla en el sector del diagnóstico y la liberación de fármacos.La Nanomedicina comprende aquellas prácticas médicas, incluyendo la prevención, eldiagnóstico y la terapia, que requieren tecnologías basadas en interacciones entre elcuerpo humano y materiales, estructuras o dispositivos cuyas propiedades se definen aescala nanométricaLos avances en medicina producidos por la entrada de la Nanotecnología se concretanprincipalmente en mejoras en los métodos diagnósticos, en la liberación defármacos y en la medicina regenerativa.

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Las distintas aplicaciones de la Nanomedicina se han agrupado en el presente informeen tres grandes áreas interrelacionadas entre sí, que son: técnicas analíticas yherramientas de diagnóstico, liberación de fármacos y medicina regenerativa. Estaclasificación coincide a su vez con la propuesta por las Plataformas Europea y Españolade Nanomedicina (sobre las que se hablará con más detalle más adelante).

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Técnicas analíticas y Métodos diagnósticos

Los métodos diagnósticos son esenciales para poder detectar la presencia de una enfermedad de forma precoz y, a partir de ahí, comenzar un tratamiento que pueda combatir la enfermedad causando el menor daño posible al resto del organismo. Mediante el diagnóstico in vitro e in vivo se puede averiguar de qué enfermedad está afectado un paciente, normalmente mediante el análisis de muestras extraídas al enfermo. Este análisis es ahora más sencillo, rápido y preciso con los nuevos dispositivos de diagnóstico fruto de la investigación en Nanomedicina. Una manera paralela de efectuar un diagnóstico es mediante la utilización de técnicas de imagen. Es bien conocido por todos la gran relevancia que tienen para diagnosticar, tratar y seguir la evolución del cáncer, enfermedades cardiovasculares y síndromes neurológicos. Los progresos en el diagnóstico por imagen permiten un diagnóstico a escala molecular y celular cada vez más temprano, que ofrece mayores posibilidades de curación.

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Dispositivos de diagnóstico in vitro

La miniaturización de los dispositivos de diagnóstico mediante Nanotecnología y laintegración de diferentes funciones en un mismo dispositivo ha permitido crear unanueva generación de dispositivos más pequeños, más rápidos y más sensibles.El primero de los dispositivos de diagnóstico, el biosensor, representa una granoportunidad para revolucionar el diagnóstico y es, sin duda, un nanodispositivo de graninterés para la salud humana.Otro dispositivo de diagnóstico es el biochip o microarray de ADN, que consiste enuna serie de oligonucleótidos o fragmentos de ADN anclados a un soporte con una altadensidad espacial de fragmentos para permitir el análisis simultáneo de miles de genes.Las principales aplicaciones de los microarrays de ADN en salud humana son elseguimiento de la expresión génica, la búsqueda de compuestos activos, la medicinapersonalizada y la predicción de enfermedades

En los microarrays de proteínas se anclan al soporte librerías de anticuerpos para la búsqueda de especificidad en la unión, afinidad y abundancia de proteínas enuna muestra compleja.

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Dentro de la tecnología de microarrays, el desarrollo más reciente es el de los chipsde células. Las aplicaciones más importantes de estos chips son la identificaciónde marcadores de enfermedades, el análisis toxicológico y la búsqueda de agentesPatógenos.El último de los dispositivos de diagnóstico in vitro nace de integrar variasfunciones en un mismo dispositivo. Los dispositivos lab-on-a-chip (laboratorio enun chip) permiten la integración de la preparación de la muestra, purificación,almacenamiento, mezcla, detección y otras funciones en el interior de un chip. Loslab-on-a-chip se desarrollaron a partir de los avances en las tecnologías demicrosistemas y el campo de los dispositivos microfluídicos, que comprende eldiseño de dispositivos que utilicen volúmenes microscópicos de muestra.

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https://www.accu-chek.es/es/

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LAB-ON-A-CHIP

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LAB-ON-A-CHIP-COMMERCIAL

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CONCLUSIONS: IS THE FUTURE THE SMALLER SIZE?

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The Future of Biosensors-Lab on a Chip

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ACCU-CHECK

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AMPLICHIP CYP450

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Liberación de fármacos

La lucha por combatir una enfermedad comienza una vez efectuado el diagnóstico. Losmedicamentos tienen un papel sobresaliente en esta lucha, si bien conseguir nuevosfármacos eficaces para la lucha contra las enfermedades es una tarea muy difícil. Haymuchos obstáculos que salvar, y la Nanotecnología ofrece alternativas altamentenovedosas como los sistemas de liberación de fármacos dirigidos de forma selectiva a su sitio de acción. Por otra parte estos sistemas pueden proteger al propio fármaco frente a la degradación antes de llegar a su destino. De esta manera las dosis deadministración pueden ser menores pero más efectivas, minimizando los efectossecundarios. Para aquellas sustancias poco solubles o que no pueden ser administradaspor vías convencionales estos sistemas de liberación les otorgan una posibilidad paraconseguir que sean realmente efectivas.

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Los sistemas de liberación de fármacos surgen como consecuencia de la imposibilidadde trasladar de forma directa al organismo los principios activos que constituyen losmedicamentos. Estos sistemas de liberación de fármacos están formados por unprincipio activo y un sistema transportador que puede dirigir la liberación del fármacoal sitio adecuado y en la cantidad apropiada. Es decir, los transportadores de fármacosson sistemas cuya función es transportar el fármaco hasta el lugar donde debe serliberado de manera específica. Las características que deben cumplir estos vehículosson baja toxicidad, propiedades óptimas para el transporte y liberación del fármaco yvida media larga.

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Medicina regenerativa

No solo es posible emprender una terapia a través de fármacos, el propio cuerpo humano dispone de mecanismos de reparación que en algunos casos no bastan por si solos. La medicina regenerativa busca potenciar estos mecanismos y, con ese propósito la Nanomedicina emplea terapia génica, terapia celular, ingeniería tisular, biomateriales y moléculas de señalización.

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El aumento en la esperanza de vida en los países occidentales ha supuesto la aparición deun nuevo tipo de paciente con nuevas necesidades. La Nanomedicina y concretamente laMedicina Regenerativa, permite el desarrollo de terapias novedosas ajustadas a lasnecesidades de estos nuevos pacientes.

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Estrategias de comercialización de la Nanomedicina

El mercado de la Nanomedicina es un mercado emergente. La Nanomedicina es sólo una de las diversas áreas de investigación y desarrollo en el campo de la Nanotecnología. Existe una gran diferencia entre la comercialización de la Nanomedicina y la Nanotecnología en sus otras aplicaciones: la comercialización de los productos fruto de la Nanomedicina está sujeta a la regulación sanitaria. Los procesos de aprobación para la comercialización de aplicaciones nanotecnológicas en medicina son largos, con un promedio de alrededor de 10 años, y esta restricción no está presente en el resto de mercados nanotecnológicos, donde está apareciendo un gran número de productos en muy diversos sectores.Las tasas de crecimiento anuales de las inversiones públicas de 1997 a 2003 aumentaron para la Nanotecnología.

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Al tratarse de una disciplina emergente, la comercialización de productos procedentes de Nanomedicina se encuentra en un estadio inicial. Existen distintas limitaciones que frenan la explotación comercial de resultados de investigación en Nanomedicina, entre otras, los altos costes de producción y las dificultades para llevar a cabo una producción a gran escala, el miedo de la sociedad a utilizar tecnologías innovadoras sobre todo en temas relacionados con la salud, la inexistencia de regulación específica para Nanomedicina y el largo proceso de aprobación de nuevos materiales para su uso en salud humana por parte de las agencias reguladoras.

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Adaptado de Bawa, R. et al. (2005). Protecting new ideas and inventions in nanomedicine with patents.Nanomedicine: Nanotechnology, Biology and Medicine, 1:150-158.

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En cuanto al número de patentes solicitadas, en Estados Unidos se ha pasado de2160 en 1989 a 7763 en 2002, demostrando la gran actividad que se estáregistrando en Nanomedicina. En la figura 11 se muestran las tendencias decrecimiento que han experimentado las patentes nanotecnológicas en los últimos 20años en Estados Unidos, siendo los nanotubos de carbono y los puntos cuánticos oquantum dots, las dos tecnologías que muestran un mayor crecimiento en cuanto alnúmero de patentes concedidas.

Bawa, R. (2005). Will the nanomedicine “patent land grab” thwart commercialization? Nanomedicine: Nanotechnology, Biology, and Medicine, 1 (2005) 346– 350.

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Políticas regionales, nacionales y europeasen Nanomedicina

Existen distintas iniciativas que tienen por objeto promover el sector de la Nanomedicinay que pueden clasificarse en función del ámbito geográfico en el cual se enmarcan asícomo de la administración que los promueve. Según estos criterios, se ha realizado unadivisión entre las iniciativas de políticas regionales, nacionales y europeas, que sedetallarán a continuación.

La política regional de la Comunidad de Madrid en ciencia y tecnología para el periodo2005-2008 se define en el IV Plan Regional de Investigación Científica e InnovaciónTecnológica (IV PRICIT), que fue aprobado en abril de 2005. A continuación se enumeran las líneas científico- tecnológicas estratégicas relacionadas con laNanomedicina contempladas en el capítulo VIII del IV PRICIT.

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IV Plan Regional de Investigación Científica e Innovación Tecnológica (IV PRICIT)(http://www.madrimasd.org/queesmadrimasd/pricit/default.asp).

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Centros de Investigación Biomédica en Red (CIBER)(http://www.isciii.es/htdocs/investigacion/convocatorias/convocatoria_CIBER.jsp).

241

Plataforma Española de Nanomedicina (http://www.nanomedspain.net).

Plataforma Tecnológica Europea en Nanomedicina(http://cordis.europa.eu/nanotechnology/nanomedicine.htm).

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Módulo 5. Nanomateriales y nanoestructuras de interés (bio)analítico

Los nanotubos de carbono (NTC) son objetos nanométricos fundamentales descubiertos en 1991 por Sumio Ijima.

Diámetros de unos nm. Longitudes de µm. Formados por átomos de C.

Ver también el informe de vigilancia tecnológica “Nanotubo de Carbono: aplicaciones” en:

http://www.madrimasd.org/cimtan/Informes/default.aspx http://www.youtube.com/watch?v=RkrsXfv6N9w (5 min) http://www.youtube.com/watch?v=HZmTS7cWAEo (3 min)

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Material muy ligero.Material con elevada área superficial.Material muy fuerte: Con un módulo de Young hasta 1 TPa, 100 veces más fuerte que acero.Material muy flexible (se dobla a grandes ángulos sin romperse) y con gran capacidad de almacenamiento de energía mecánica.Conductividad térmica hasta 3000 W/mK (mayor que la del diamante).Elevada estabilidad térmica.Conductividad eléctrica: en función de su estructura pueden ser metálicos o semiconductores (incluido aislante). Los nanotubos metálicos pueden llevar alta densidad de cargas eléctrica con elevada movilidad.Muy buena emisión de electrones bajo un campo eléctrico.Propiedades cuánticas (electrónicas, vibracionales, magnéticas etc.).

Propiedades de los nanotubos de carbono

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Caracterización de los nanotubos de carbono

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A nivel industrial en 2006 dos grandes compañías químicas como Bayer (Alemania) y Arkema (Francia) han inaugurado sus plantas de producción de nanotubos.

Por otro lado, hay varias compañías que venden MWNTs y SWNTS a nivel (y cantidades) de investigación.

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Principales procesos de síntesis de los nanotubos de carbono

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Nanopartículas de oro para combatir el sida

http://www.eitb.com/es/videos/detalle/885181/video-teknopolis--nanoparticulas-oro-combatir-sida/

(8 minutos)

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Nanopartículas de oro para diagnosticar la gripe

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Nanopartículas de oro ayudan a remover tumores de manera precisa

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Módulo 6. Principales retos en Nanomedicina La Unión Europea se ha puesto como objetivo para

el año 2010 desarrollar una economía innovadora y competitiva, basada en el conocimiento, y para conseguirlo es fundamental fortalecer la investigación científica. Dentro de las áreas prioritarias identificadas por la Unión Europea, la Nanomedicina se presenta como un campo con un gran potencial a la hora de transferir conocimientos al sector productivo, pero para conseguirlo es necesario identificar los retos y barreras que pueden obstaculizar su desarrollo.

http://www.youtube.com/watch?v=paEid7wGZU0 (17 min)265

Los dos retos o barreras a los que los expertos han concedido un mayor grado de importancia son la financiación de proyectos multidisciplinares y el largo proceso de aprobación de nuevos materiales para su uso en salud humana por parte de las agencias reguladoras. El primer reto forma parte de las políticas científicas y es producto del carácter esencialmente multidisciplinar de la Nanomedicina.

En esta línea, el desarrollo de programas multidisciplinares de especialización en Nanomedicina y la falta de cooperación entre grupos de investigación de diferentes disciplinas, también han sido identificados como prioritarios por la práctica totalidad de los investigadores consultados. Dentro de este apartado de políticas científicas, el fomentar las relaciones Universidad-Empresa y facilitar la creación de start-ups han sido remarcados por 11 de los 20 investigadores consultados en la encuesta.

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A diferencia de otras áreas de la Nanotecnología, las diferentes aplicaciones de la Nanomedicina comenzarán a tener resultados visibles en los próximos 10–15 años.

Esto se debe a que los productos que se desarrollen mediante Nanotecnología para su aplicación en salud humana deben seguir unos protocolos de ensayo más largos y están sometidos a una regulación más estricta.La tecnología que los expertos sitúan con un desarrollo más próximo, para los próximos cinco años, es la integración de sistemas en lab-on-a-chip, se trata de una tecnología más madura que el resto y que ya se encuentra disponible de forma comercial. El desarrollo de nuevos agentes de contraste, la mejora del acceso de fármacos a zonas restrictivas y el autoensamblado de materiales son las otras tecnologías cuyo desarrollo se sitúa en un período de tiempo inferior a diez años según la mayoría de expertos consultados.

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En cuanto a las enfermedades que más se beneficiarán de los avances en Nanotecnología, el cáncer se presenta como una de las principales dianas para los avances científicos que supondrá la aplicación de técnicas de Nanotecnología a la salud humana. El cáncer es una de las enfermedades con un mayor grado de incidencia en los países desarrollados. Se trata de una enfermedad multifactorial para la que el desarrollo de nuevas terapias procedentes de la Nanotecnología supondrá una mejora en el número de tratamientos con éxito y en la calidad de vida de los enfermos. La Nanomedicina permitirá detectar el cáncer en estadios más tempranos de la enfermedad gracias al desarrollo de nanodispositivos de detección más precisos.Finalmente, en lo que se refiere a las perspectivas de desarrollo económico, la Nanomedicina se presenta como el área de la Nanotecnología con unas mayores posibilidades de comercialización. Según un estudio realizado por la plataforma Nano2life64, las aplicaciones de la Nanomedicina con perspectivas de comercialización más elevadas serían la construcción de tejidos u órganos humanos in vitro, la liberación controlada de fármacos, los dispositivos lab-on-a-chip, el desarrollo de sondas inteligentes para el diagnóstico in vivo, y el desarrollo de nanomáquinas moleculares. Se espera que la producción de nanofármacos aumente un 12% en los próximos siete años y que la facturación en medicamentos “nano” pase de 40 millones de dólares en 2004 a 92.1 millones de dólares en 2012.

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Módulo 7. Sistemas nanoestructrados y nanosistemas para el tratamiento de muestras

A pesar de disponer cada día de técnicas analíticas mucho más sensibles y selectivas, el tratamiento de muestra sigue siendo una etapa fundamental e insustituible para la obtención de resultados analíticos de calidad. En este sentido, los NTs se han utilizado como materiales adsorbentes para efectuar etapas de preconcentración mediante extracción en fase sólida (SPE)

Esta técnica permite mejorar fácilmente la sensibilidad y selectividad de las determinaciones ya que se consigue la retención selectiva del analito, evitando la retención de los interferentes presentes en la matriz de la muestra. Además de la SPE en columnas empaquetadas con NTs, se pueden emplear en otros sistemas de purificación como filtros y membranas para la eliminación de interferentes o incluso de contaminantes presentes en las muestras, como por ejemplo la eliminación de bacterias contaminantes en aguas residuales.301

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La Extracción en Fase Sólida (SPE) es una potente y simple técnica de limpieza de muestras que es, al mismo tiempo, rápida y económica. Una columna SPE consiste en un lecho de adsorbente de partículas gruesas mantenido entre dos discos porosos en un tubo desechable. SPE permite la preconcentración de la muestra con un riesgo mínimo de pérdida o contaminación de la misma. El componente de interés resulta retenido en una fase sólida mientras que los contaminantes de la matriz se eluyen.

EXTRACCIÓN EN FASE SÓLIDA (SPE)

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ETAPAS DE LA EXTRACCIÓN EN FASE SÓLIDA (SPE)1. ETAPA DE ACTIVACIÓN

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2. ETAPA DE CARGA DE LA MUESTRA

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3. ETAPA DE LAVADO

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4. ETAPA DE SECADO

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5. ETAPA DE ELUCIÓN

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6. ETAPA DE CONCENTRACIÓN

Las principales propiedades de los NTs que los hacen unos materiales únicos para efectuar etapas de SPE son su excelente fuerza y flexibilidad, tamaño, una elevada superficie específica que conlleva una alta capacidad de adsorción y fuerte interacción con moléculas y átomos.

Los NTs también se han empleado como material adsorbente de SPE integrado en filtros y membranas.

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Mezclas homogéneas(soluciones)

• acero inoxidable• tintura de yodo• aire

si

Mezclas heterogéneas

•madera•sopa de verduras•jugo de naranja

no

Elementos

•oxígeno•carbono•hidrógeno

no

Compuestos

•agua•sal de mesa•amoníaco

si

Sustancias Puras Mezclas Separación física

¿Son uniformes? ¿Pueden descomponerse por reacciones químicas?

Clasificación de la materia

SISTEMAS MATERIALES

Mezclas homogéneas(soluciones)

Elementos

Mezclas heterogéneas

Compuestos

Métodos de separación de fases

Métodos de separación de fases:

•Filtración•Decantación•Centrifugación•Coagulación•Tamización•Imantación•Adsorción física•Sublimación•Levigación•Flotación•Disolución

Reacciones químicas

Métodos de fraccionamiento de fases:

•Destilación•Cromatografía•Cristalización•Extracción

Métodos de separación de fases

Filtración: fase sólida dispersa en un medio líquido.

Como material filtrante suele emplearse papel de filtro, arena, carbón, algodón.

Jugo de naranjas: jugo + pulpa

Equipo de filtración para conectar a vacío

Equipo de filtración

embudo

erlenmeyer

papel de filtro pie universal

varilla

kitasato

Métodos de separación de fases

Decantación: para separar dos compuestos de distinta densidad.

•Líquidos inmiscibles (no solubles entre sí), se realiza en ampollas o embudos de decantación.Por ejemplo para separar una mezcla de agua y aceite.

Agua,

agua

Aceite,

embudo de decantación

Manipulación de una ampolla de decantación

Métodos de separación de fases

Decantación: para separar sólidos de líquidos, las partículas cuya densidad es mayor que el agua sedimentan en el fondo del decantador por acción de la gravedad.

Por ejemplo para separar una mezcla de agua y arena.

Tiempo

Métodos de separación de fases

Centrifugación: para separar líquidos inmiscibles; sólidos y líquidos.

La fuerza centrífuga que actúa sobre las fases, permite la separación en base a los coeficientes de sedimentación de cada componente.

             d2 ( P - L )      V  =   ____________  x g

                     18 n

Donde:   V = velocidad de sedimentación  d  = diámetro de la partícula  P = densidad de la partícula L = densidad del líquido  n  = viscosidad del medio g  = fuerza gravitacional

Métodos de separación de fases

Métodos de separación de fases

Coagulación/floculación: proceso para acelerar la sedimentación de los sólidos dispersos en un solvente.

Los coagulantes atraen a las partículas pequeñas que se encuentran en suspensión (coloides), se aglutinan en pequeñas masas y con ayuda de los floculantes forman aglomerados, cuyo peso específico difiere notablemente al del agua y precipitan en conjunto al fondo del recipiente. Es más común en plantas de tratamiento de aguas que en los laboratorios donde se prefiere la centrifugación. Los coagulantes más comunes son sales trivalentes de hierro o aluminio, los floculantes son polímeros.

Métodos de separación de fases

Métodos de separación de fases

Levigación: dos fases sólidas de distinta densidad. Por ejemplo para separar el oro de arenas auríferas se hace pasar sobre el sistema una corriente de agua, que arrastra la arena (el componente de menor densidad).

Flotación: En la flotación interviene la diferencia entre la densidad de los sólidos y la del líquido en que se encuentran en suspensión.

Sin embargo, contrariamente a lo que ocurre en la decantación, este proceso de separación sólido–líquido únicamente se aplica a partículas que tienen una densidad real (flotación natural) o aparente (flotación provocada) inferior a la del liquido que la contiene.

Métodos de separación de fases

Tamización: fases sólidas cuyas partículas son de diferente tamaño.

Por ejemplo: para separar la arena del canto rodado. para análisis granulométrico, analizar el tamaño de las partículas presentes en una muestra de suelo.

malla o tamiz

arenagrava arcilla

Disminuye el tamaño del poro

Métodos de separación de fases

Imantación: para separar sólidos que tengan propiedades magnéticas, pueden ser separados por un imán.

Por ejemplo una mezcla de hierro y sal; hierro y arena.

sal

imán

hierro

Métodos de separación de fases

Adsorción física: se utiliza un sólido para adsorber sustancias disueltas en solventes.

Por ejemplo en el tratamiento de aguas para eliminar olores, colores y sabores indeseables se utiliza carbón activado.

Métodos de separación de fases

Sublimación: Permite separar aquellas fases capaces de sublimar.

Un sólido se calienta y se convierte en vapor sin pasar por el estado líquido, en contacto con una superficie fría vuelve a solidificar, se deposita.

P ambiente

T3

Diagrama de fases Sublimación de I2

Por ejemplo un sistema formado por I2 y NaCl.

El I2 sublima al ser calentado, el vapor entra en contacto con una superficie fría y se deposita en forma de cristal.

1-Entrada de agua2- Salida de agua

3-Conexión a vacío

5- Deposición de I2 sólido

6- NaCl

Cristales de I2

4- Cámara desublimación

Métodos de separación de fases

Disolución: una de las fases es soluble en un determinado solvente, mientras que la otra no lo es.

Por ejemplo un sistema formado por arena y CuSO41- disolución de la sal2- se filtra 3- el CuSO4 se recupera por evaporación del disolvente4- cristalización.

concentración filtración cristalización

cristales de CuSO4

Solución de CuSO4

arena

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enfriamiento

Empleo de nanotubos de carbono para la fabricación de filtros y membranas

Como se ha señalado anteriormente, los nanotubos de carbono presentan una elevada superficie específica, lo cual sugiere que son unos excelentes materiales para la preparación de membranas y filtros que faciliten la retención selectiva de algunos compuestos como drogas.

Aunque ya se había propuesto el uso de diferentes estructuras de nanotubos para la preparación de membranas, la fabricación de estructuras con forma geométrica controlada, densidad y dimensiones adecuadas para aplicaciones específicas sigue siendo un desafío.

Una modificación recientemente descrita y propuesta como un nuevo sistema de filtración consiste en inmovilizar nanotubos de carbono sobre un filtro metálico convencional. Este nuevo sistema de filtración denominado por los autores “filtro CNT-metal”, se caracteriza por actuar como trampa de nanopartículas del aire. Las nanoestructuras de los nanotubos de carbono se forman sobre un filtro metálico convencional de tal manera que los NTs durante su crecimiento cubren a las microfibras de acero y su diámetro varía desde 20 a 50 nm. Estos filtros presentan una gran eficacia en la retención de NaCl mediante filtración de aire contaminado.329

Otro tipo de filtro desarrollado es aquel en el que los nanotubos forman una malla sobre diferentes soportes como pueden ser metales, carbón, aleaciones, cerámicas o polímeros. El uso de este filtro permite la separación o extracción tanto de moléculas orgánicas como inorgánicas incluyendo toxinas, proteínas, enzimas, plaguicidas, metales pesados y productos farmacéuticos en matrices de agua, aire, gasolina de aeronaves u otros fluidosUna de las aplicaciones más novedosas de los nanotubos como filtros es la incorporación de MWNTs con grupos carboxílicos en los filtros de los cigarrillos. La incorporación de los nanotubos en una cantidad de 20- 30 mg permite una alta eliminación de la nicotina y del alquitrán, que quedan retenidos en el interior y exterior de las paredes de los MWNTs así como entre las capas de los mismos.

Las investigaciones actuales se centran en diseñar diferentes geometrías y sintetizar NTs sobre diferentes soportes a fin de obtener nuevos filtros más específicos y eficaces.

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Nanotubos de carbono como material adsorbente

Las características estructurales y las propiedades de los nanotubos de carbono les permiten interaccionar fuertemente con moléculas orgánicas, y concretamente, con los anillos aromáticos. De hecho, en base a dicha observación, los autores proponen el uso de MWNTs como material adsorbente ideal para extraer estos compuestos.Posteriormente en 2003, se demostró que los MWNTs pueden emplearse como material adsorbente para la extracción en fase sólida de algunos disruptores endocrinos como el bisfenol A, el 4-n-nonilfenol y el 4-tert-octilfenol. Los MWNTs también se han propuesto para la preconcentración de ésteres de ftalato en muestras de agua de río.Recientemente se han propuesto a los fulerenos (estructuras relacionadas con los nanotubos de carbono) como material activo para la extracción en fase sólida de pares iónicos y quelatos de iones metálicos, compuestos orgánicos y compuestos organometálicos en muestras de agua. En este mismo sentido, los MWNTs se han utilizado para preconcentrar trazas de Cd, Mn y Ni e incluso de tierras raras.Otro tipo de compuestos que se han preconcentrado sobre los nanotubos de carbono son clorofenoles, atrazina y simazina y herbicidas como nicosulfurona, metiltiofensulfurona y metil-metsulfurona.

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Además de las interacciones externas, el núcleo hueco de los nanotubos de carbono es capaz de hospedar a una gran variedad de materiales incluyendo gases y otros compuestos como ADN. En la Figura se muestra a modo de ejemplo la inmovilización de ADN en el interior de los nanotubos.

Gracias a estas inmovilizaciones, los nanotubos de carbono podrían ser usados como “nanolaboratorios” en los que observar los efectos dinámicos y las transformaciones de los nanosistemas que están confinados en su interior.332

Estos estudios de encapsulamiento van enfocados principalmente a la búsqueda de nuevos compuestos, ya que las propiedades electrónicas y magnéticas de los nanotubos pueden alterarse dependiendo del material encapsulado. La apertura previa de los mismos se realiza mediante el empleo de ácidos como el ácido nítrico. Una vez que los nanotubos están abiertos son muchos los tratamientos posibles para alcanzar la inmovilización de las moléculas en su interior. En la bibliografía se encuentran claros ejemplos del encapsulamiento de moléculas en el interior de los nanotubos.

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La ventaja de la inmovilización de átomos y moléculas en el interior de los nanotubos de carbono es que estos compuestos se encuentran aislados del medio ambiente evitando así su reacción química, pudiendo ser ésta desencadenada simplemente mediante irradiación de un haz electrónico.

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Participación de los nanotubos de carbono en los sistemas de separación

Los NTs pueden utilizarse, debido a su capacidad de adsorber e interaccionar con compuestos de carbono (principalmente sistemas aromáticos), como fase estacionaria y pseudoestacionaria y mejorar así procesos de separación cromatográfica y electroforética.En el caso de Cromatografía de Gases (GC), la fase estacionaria de la columna cromatográfica es el factor más importante y determina en la mayoría de los casos la selectividad y resolución de la separación. En este sentido, se ha propuesto el uso de columnas cromatográficas modificadas con NTs, de modo que éstos constituyen la fase estacionaria.Concretamente, se han sintetizado columnas que emplean MWNTs purificados con hidrogeno y ácido clorhídrico con objeto de reducir el número de grupos polares sobre su superficie, extraer los residuos metálicos y realizar la apertura de los mismo. Una vez purificados, 1.5 g de nanotubos se empaquetan en una columna cromatográfica de cristal.Estas columnas han mostrado una elevada eficiencia en la separación de hidrocarburos aromáticos, alcoholes, cetonas, ésteres y éteres y cuando los autores lo compararon, para la misma área de superficie activa, con carbón grafitizado (carbonpack B), los MWNTs tenían retenciones más fuertes, una superficie más homogénea y un menor número de platos teóricos. Los MWNTs son por tanto, una alternativa interesante como fase estacionaria para compuestos volátiles con bajos puntos de ebullición.

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Mitra y col., propusieron como fase estacionaria, el uso de SWNTs depositados sobre tubos de acero recubiertos por sílice en su parte interna. En este caso los SWNTs se obtuvieron mediante procesos de deposición química de vapor utilizando el etanol como precursor de carbono y sales de cobalto y molibdeno como catalizadores. Los SWNTs proporcionaron una elevada capacidad para resolver mezclas de alcanos, hidrocarburos aromáticos polinucleares (PAHs), compuestos halogenados, alcoholes, cetonas e incluso isómeros de alcanos.Debida a la elevada estabilidad térmica de los NTs, una de las principales ventajas del uso de este tipo de columnas es precisamente la posibilidad de trabajar a temperaturas elevadas, permitiendo así la separación de moléculas de elevado peso molecular.En el campo de la Cromatografía Líquida (LC) diversos autores están trabajando en la obtención de columnas modificadas con NTs ya que la baja reactividad de los NTs junto con su elevada capacidad de adsorción los convierte en una buena alternativa a las típicas columnas de C18. La principal ventaja de este tipo de columnas es que además de ser compatibles con prácticamente todos los disolventes orgánicos, presentan una elevada estabilidad frente al pH del medio, incluso a valores bajos.337

Una de las tendencias actuales de la LC es su miniaturización hacia la μLC, la cual presenta grandes ventajas. En este caso se substituyen las típicas columnas cromatográficas por capilares o columnas monolíticas, los cuales pueden utilizarse indistintamente en μLC o electrocromatografía capilar (CEC). En este sentido, se ha descrito la incorporación de SWNTs en polímeros monolíticos orgánicos para su empleo en μLC y CEC. Para comprobar su capacidad se llevó a cabo la separación de péptidos y los resultados se compararon con aquellos proporcionados por otras fases estacionarias empleadas típicamente en la separación de estos compuestos.Además del uso como fase estacionaria, los NTs también se han utilizado como fase pseudoestacionaria en electroforesis capilar (CE).

En muchas ocasiones, cuando otras modalidades electroforéticas no permiten alcanzar el grado de resolución requerido, se recurre a la adición de fases pseudoestacionarias al buffer. Típicas fases pseudoestacionarias ampliamente utilizadas son micelas en el caso de la denominada cromatografía electrocinética micelar (MECK) o incluso microemulsiones en el caso de la denominada cromatografía electrocinética microemulsionada (MEEKC).338

Además de los nanotubos de carbono, se han usado los fulerenos como el C60 solubilizados en una disolución de SDS como fase pseudoestacionaria para la separación de diferentes hidrocarburos policíclicos aromáticos (PAHs). En este mismo trabajo se llevó a cabo la separación de diferentes fulerenos (C60 y C70) haciendo uso de MECK. Los autores muestran dos electroferogramas donde se observa la influencia del C60 dispersado con tensioactivo como aditivo del buffer y la consecución de una mejor resolución para estos analitos.

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Módulo 8. Estrategias de transducción basadas en nanosistemas y materiales Nanoestructurados Los transductores son dispositivos que convierten

la información correspondiente a las variaciones de las propiedades fisicoquímicas, inducidas como consecuencia de la interacción entre el elemento de reconocimiento y el analito, en magnitudes eléctricas cuantificables. Esta transformación permite que las señales puedan ser amplificadas, almacenadas y registradas.

La utilización de un transductor u otro dependerá del propio elemento de reconocimiento empleado, de la naturaleza de la interacción entre éste y el analito y del mecanismo de señalización producido por el marcador utilizado si lo hubiere.

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Transductores electroquímicos

Los transductores electroquímicos utilizan propiedades electroanalíticas que se producen o modifican por la interacción entre el analito y el sistema de reconocimiento, proporcionando información analítica cuantitativa o semicuantitativa. Para el adecuado funcionamiento del biosensor, el elemento de reconocimiento y el sistema de transducción deben estar en contacto directo.

Atendiendo a esta modalidad de transducción, existen cuatro tipos de biosensores: potenciométricos, amperométricos, conductimétricos e impedimétricos y de carga iónica o efecto de campo, dependiendo de que detecten cambios en el potencial de electrodo, en la corriente eléctrica generada o consumida, la conductividad y resistencia eléctrica oen la densidad de carga en un transistor ISFET.

Se utilizan habitualmente con elementos de reconocimiento biocatalíticos como enzimas, ya que éstas pueden generar o consumir sustancias electroactivas que impliquen cambios en el pH, en el potencial, resistencia eléctrica, etc.

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Transductores ópticos

Los transductores ópticos se basan en la medición de las variaciones que se producen en las propiedades de una radiación electromagnética, como consecuencia de la interacción entre el analito y el elemento de reconocimiento del biosensor. Dicha interacción puede inducir cambios en las características de absorción, emisión, dispersión, polarización, refracción o reflexión de la radiación, cuando ésta incide sobre la superficie donde se encuentra el elemento de reconocimiento.

Se utilizan tanto métodos de detección directa como métodos de detección indirecta, en la que es necesario utilizar marcadores, adaptándose igualmente a sistemas biocatalíticos como de bioafinidad.Entre los transductores que utilizan propiedades ópticas se incluyen los sensores de fibra óptica (optrodos) y los sensores de onda evanescente.

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Transductores piezoeléctricos

Bajo esta denominación se incluyen los sistemas de transducción que detectan pequeños cambios de masa producidos sobre la superficie sensora, debidos a la interacción analito-sistema de reconocimiento. Se denominan también gravimétricos, piezoeléctricos o transductores acústicos, dado que en su diseño se utilizan cristales piezoeléctricos que entran en resonancia cuando se aplica una corriente eléctrica alterna. El acoplamiento de elementos de reconocimiento, sobre este tipo de cristales, permite la construcción de biosensores que pueden detectar directamente la unión con su correspondiente analito.

Puesto que la frecuencia de oscilación del cristal viene determinada por su masa, de acuerdo con la ecuación de Sauerbrey, esta frecuencia variará cuando se produzca la interacción, pudiendo relacionarla con la concentración del analito.

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Transductores termométricos

Dado que la mayor parte de las reacciones bioquímicas son de naturaleza exotérmica en mayor o menor grado, la calorimetría ofrece un sistema de detección para numerosos analitos, especialmente en aquellos en que media una catálisis enzimática. Estas reacciones están asociadas con cambios relativamente elevados en la entalpía molar, en un intervaloentre 20 y 100 KJ mol-1 (catalasa-peróxido de hidrógeno –H =100 KJ mol-1, glucosa oxidasa-glucosa –H =80 KJ mol-1). Presentan la ventaja de que las medidas se pueden llevar a cabo sólo sobre la base de la catálisis enzimática y sin la necesidad del concurso de otras reacciones, como la adición de un segundo reactivo. En la actualidad existen calorímetros sencillos y de bajo coste que permiten su utilización rutinaria, especialmente en clínica.

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Transductores magnéticos

El empleo de partículas magnéticas representa una poderosa y versátil herramienta en el diagnóstico en biología y medicina. Como se indicó anteriormente, normalmente se preparan a partir de magnetita (Fe3O4), greigita (Fe3S4), magemita (Fe2O3) y varios tipos de ferritas. Estas partíclas, unidas a biomoléculas o elementos de reconocimiento, se utilizan con fines separativos o como marcadores combinados a sistemas de detección magnéticos.

Dos instrumentos se utilizan fundamentalmente para este fin. Los magnetómetros y los microscopios basados en el dispositivo SQUID (Superconducting Quantum Interference Device o dispositivo superconductor de interferencia cuántica). Un SQUID consiste, básicamente, en un toroide de material superconductor con una pequeña discontinuidad, que se conoce como “unión Josephson”. Mediante un proceso puramente cuántico puede usarse para medir variaciones casi infinitesimales en los campos magnéticos.

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Transductores nanomecánicosSon estructuras fabricadas mediante nanotecnología, a partir de silicio o de nitruro de silicio y pueden ser de forma triangular o rectangular, simulando ménsulas o trampolines en miniatura. Dichas estructuras experimentan una deflexión en su extremo como consecuencia de la incorporación sobre el mismo del analito de interés. Su pequeño tamaño (1μm de espesor, 500 μm de longitud y 100 μm de anchura) permite medidas de gran sensibilidad de menos de un ángstrom de variación en su curvatura con respecto a su posición inicial. La detección del analito puede llevarse acabo por distintos mecanismos, como por ejemplo mediante un haz de luz láser dirigido hacia el extremo de la estructura y que permite conocer el grado de deflexión del dispositivo a través del cambio en la reflexión del láser, que afectará, a su vez, al rendimiento de un fotodiodo alineado con él. El cambio de masa (de 1 pg) puede también determinarse midiendo el cambio en la frecuencia de resonancia que experimenta el transductor o mediante detección eléctrica directa.

Se han utilizado para detectar pequeñas cantidades de microorganismos patógenos como la Salmonella, con un límite de detección de 25 células.También se ha empleado para detectar el polimorfismo de un solo nucleótido.

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Módulo 10. Biosensores “Instrumentos analíticos que transforman

procesos biológicos en señales eléctricas u ópticas y permiten su cuantificación”

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http://www.youtube.com/watch?v=VxKQract4ac

Utilizan la especificidad de los procesos biológicos:

Enzimas x Sustratos Anticuerpos x Antígenos Lectinas x Carbohidratos Complementariedad de ácidos nucleicos.

Ventajas: Reutilización Menor manipulación Menor tiempo de ensayo Repetitividad

Tipos y usos mas comercializados:1. Tiras colorimétricas2. Electroquímicos:

Potenciométricos: Glucosa, Lactato, Glicerol, Alcohol, Lactosa, L-aminoácidos,

Colesterol Amperométricos: Glucosa, Sacarosa, Alcohol

3. Ópticos: BIAcore: Ag proteicos.369

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Propiedades de un buen Biosensor

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1. Control de metabolitos críticos durante las operaciones quirúrgicas.2. Consultas y Urgencias Hospitalarias:

– Obvia análisis caros y lentos en laboratorios centrales– Acelera la diagnosis y el comienzo del tratamiento– Menor riesgo de deterioro de la muestra

3. Diagnóstico Doméstico:• Ensayos de Embarazos• Control de Glucosa en diabéticos

4. Aplicaciones in vivo:– Páncreas artificial– Corrección de niveles de metabolitos– Problemas : Miniaturización y Biocompatibilidad

5. Aplicaciones Industriales, militares y medio ambientales:– Alimentación– Cosmética– Control de Fermentaciones – Controles de Calidad– Detección de Explosivos– Detección de gases nerviosos y/o toxinas biológicas– Control de polución.

Aplicaciones de un Biosensor

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Biosensores comercializados

Principales barreras en la comercilización

1. BIOSENSORES ELECTROQUÍMICOS Amperométricos: Determinan corrientes eléctricas

asociadas con los electrones involucrados en procesos redox

Potenciométricos: Usan electrodos selectivos para ciertos iones

Conductimétricos: Determinan cambios en la conductancia asociados con cambios en el ambiente iónico de las soluciones

2. BIOSENSORES TERMOMÉTRICOS3. BIOSENSORES PIEZOELÉCTRICOS4. BIOSENSORES ÓPTICOS

De onda envanescente Resonancia de plasma superficial

5. BIOSENSORES CELULARES6. INMUNOSENSORES

Tipos de biosensores

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Biosensor Potenciométrico

ECUACIÓN DE NERST

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Biosensor Conductimétrico

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Biosensor Voltamétrico

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Criterios de clasificación de los biosensores

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Electrodo dereferencia

4.328

S

P

Transductor AmplificadorReactorUnidades funcionales de un biosensor

Material biológico + Analito Analito unido

(Máxima respuesta electrónica posible) x (Concentración del analito)(Constante de semisaturación) + (Concentración del analito)

Respuesta electrónica =

Respuesta biológica

Respuesta Electrónica

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Cinéticas de reacción en biosensores

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Biosensores Electroquímicos Amperométricos:“El electrodo de Oxígeno”

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Glucosa + O2 -gluconolactona + H2O2

CH2OH

HH

H

H OH

OH

OH

O

OH

HCH2OH

HH

H

H OH

OH

OH

O

O

H2O2

O2

GlucosaOxidasa

Determinación de glucosa

Cátodo (Pt)

Anodo (Ag)

Puente de KCl

O2 + 2H2O + 2e- H2O2 + 2OH-2H2O2 + 2e- 2OH-

4Ag 4Ag+ + 4e-4Ag+ + 4Cl- 4AgCl

4e-- +

Electrodo de oxígeno

0,6-0,7v

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Glucosa-oxidasaInvertasa

Elec

trodo

Glucosa

D-gluconolactonaH2O2

Sacarosa

FructosaGlucosa

O2

glucosa sacarosa

tiempo

respuesta

flujo

Determinación de sacarosa

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Tras la muerte, los nucleótidos del pescado sufren una serie de reacciones de degradación progresiva:

ATP > ADP > AMP > IMP > HxR > Hx > Xantina > Acido úrico

(HxR + Hx ) x 100ATP + ADP + AMP + IMP + HxR + Hx

K =

Determinación de la frescura del pescado

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BIOSENSOR: xantina-oxidasa y nucleósdio fosforilasa inmovilizadas sobre una

membrana de triacilcelulosa de un electrodo de Oxígeno.

HxR + P Hx + Ribosa P

Hx + O2 Xantina + H2O2

Xantina + O2 Acido úrico + H2O2

nucleósidofosforilasa

XantinaoxidasaXantinaoxidasa

K < 20 El pescado puede ser comido crudo.20 > K < 40 El pescado debe ser cocinado.K > 40 Pescado no apto para el consumo

Los nucleótidos se podrían determinar utilizando el mismo electrodo y muestra, pero añadiendo nucleotidasa y adenosín-deaminasa

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Mediadores redox en biosensores amperométricos

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TRANSDUCERS

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ARRAY

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FLEXOGRAFÍA

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Flexographic Printing Inks Nano-Silver Powder

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CONCLUSIONES

Biosensores Termométricos

1) Poco éxito comercial2) Ventaja: se puede acoplar fácilmente varias reacciones en un

único reactor3) Ejemplo:

1) Detector de LactatoLactato + O2------(lactato -oxidasa)---> piruvato + H2OPiruvato + NADH+ H+--(lactato deshidrogenasa)--> lactato +

NAD+

4) Puede utilizarse células viables5) Puede acoplarse a un inmunoensayo enzimático: ELISA

termométrico o TELISA

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Biosensores Piezoeléctricos:“Narices bioelectrónicas”

Aprovechan las propiedades eléctricas de los cristales:- En transmisores y emisores de radio- En transistores- En chips

Efecto Piezoeléctrico“Producción de un campo eléctrico por

separación de las cargas positivas y negativas en algunos tipos de cristales al

someterlos a ciertas tensiones”1) Si un cristal piezoeléctrico se somete a un campo

eléctrico se deformará.2) Si un cristal piezoeléctrico se somete a un campo

eléctrico que oscila a una frecuencia determinada vibrará con una frecuencia característica.

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Biosensores Piezoeléctricos

1) Se detectan variaciones muy pequeñas en la frecuencia de resonancia: cantidades de hasta un ngr/cm2

2) La medida se compra con un electrodo de referencia con cristal sin material biológico.

3) Ejemplos:1) Detectores gaseosos: SO2, CO, HCl, NH3, CO22) Detector de Cocaina3) Detector de Formaldehido4) Detector de Pesticidas (Organofosforados)

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1)Detector de Cocaína:• Anticuerpos contra cocaína fijados sobre

un cristal piezoeléctrico.• Detecta una parte por billón• 50 MHz de cambio en la frecuencia de

resonancia.• Se limpia en segundos por aireación.

2) Detector de Formaldehido:

CH2 +H2O +NAD+ NADH +HC02H + H2

Catalizada por la formaldehido deshidrogenasa inmovilizada con glutation (cofactor) por entrecruzamiento con glutaraldehido en un cristal de cuarzo a 9 MHz

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Inconvenientes:• Muy influidos por la humedad.

Baja = poco sensiblesAlta = desaparece el efecto piezoelectrico

• Inutilizables en líquidos.Introducir y secar

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Biosensores Ópticos:

Permiten el uso de materiales detectores no eléctricos, seguros en ambientes peligrosos o sensibles (in vivo)

No precisan sensores de referencia

1) Detección de Vapores:• Ensayo sólido colorimétrico que detecta vapor de alcohol

utilizando alcohol-oxidasa, peroxidasa y 2,6-diclorindofenol sólidos dispersados sobre placas de TLC (cromatografía en capa fina) de celulosa microcristalina transparente.

2) Tiras colorimétricas de un solo uso:• Los más utilizados: análisis de sangre y orina.• Control de la glucemia en diabéticos

- Glucosa oxidasa, peroxidasa de rábano y un cromógeno que cambia el color al ser oxidado

Cromógeno (2H) + H2O2----(peroxidasa)--->colorante + 2H2O

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3) Reacciones luminiscentes:• Utilización de luciferasa• Detecta la presencia de microorganismos en orina al liberar

ATP en su destrucción

Luciferina + ATP----(luciferasa)---> oxiluciferina + CO2 + AMP + ppi + luz

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Resonancia de plasma superficial

“Si la superficie del cristal está recubierta por una capa metálica (oro, plata, paladio) los electrones de su superficie pueden oscilar en resonancia con los fotones generando un onda de plasma superficial y amplificando el campo evanescente en la cara mas alejada del metal”

“Si la capa de metal es lo suficientemente delgada como para permitir al campo evanescente penetrar hasta la superficie opuesta, el efecto será muy dependiente del medio adyacente al metal”431

“Este fenómeno sucede sólo cuando la luz incide con un ángulo específico, el cual depende de la frecuencia, el grosor de la capa metálica y el índice de refracción del medio que se encuentra inmediatamente sobre la superficie metálica”“La producción de esta resonancia de plasma superficial absorbe parte de la energía de la luz reduciendo la intensidad de la luz reflejada internamente”

“Los cambios que suceden en el medio provocados por interacciones biológicas pueden ser apreciados detectando los cambios de intensidad de la luz reflejada o el ángulo de resonancia”

•Permiten detectar partes por millón•Un análisis típico requiere 50µl de muestra y tarda 5 a

10 minutos•Puede utilizarse con DNA y RNA.

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Biosensores celulares

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Inmunosensores

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EJEMPLOS DE BIOSENSORES

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CLEAR BLUE

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POSITIVE TEST

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NEGATIVE TEST

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BLOOD GLUCOSE BIOSENSOR

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Yellow Springs Instruments

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LACTATE BIOSENSOR

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GAS SENSORS AND BIOSENSORS

GAS SENSOR ELECTRODES

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BIOSENSOR DE COLESTEROL

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Módulo 9. Detección de biomoléculas de interés analítico La demanda bioquímica de oxígeno es

considerado el parámetro analítico de mayor importancia para valorar la calidad de las aguas de desecho. Sin embargo, el método oficial para su análisis resulta tedioso ya que se requieren cinco días para conseguir los resultados. En el año 1977 Karube desarrolló el primer sensor construido con un electrodo de oxígeno y una membrana impregnada con la levadura T. cutaneum. En el año 1990 este método se estableció como estándar de la industria japonesa. En la actualidad y basándose en el mismo principio que utilizó Karube, se emplean estos biosensores en todo el mundo y en numerosos campos, entre los que destacan el farmacéutico, el alimentario y el de la industria del papel.

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Otros biosensores con utilidad en medioambiente son los dispositivos analíticos para determinar los niveles de nitrificación y de inhibición de ésta, mediante bacterias nitrificantes. En la actualidad se dispone de biosensores desechables de un solo uso, útiles tanto para este fin como para determinar la DBO.

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Uno de los indicadores más importantes que determina el grado de eutrofización de un río, u otro tipo de agua, es la concentración del ión fosfato. Los valores límite permitidos oscilan en torno a 0,3-0,4 μM, por lo que su medida representa un dato importante para el control de la calidad de las aguas. Los métodos convencionales que utilizan molibdeno son tediosos y adolecen de falta de selectividad, a lo que hay que unir los inconvenientes ambientales asociados al empleo de metales pesados. Por ello se han desarrollado diferentes biosensores que se basan en la inhibición de la enzima fosfatasa alcalina96 o de la combinación de enzimas nucleósido fosfatasa y xantina oxidasa.Otra opción más reciente utiliza la enzima piruvato oxidasa (PyrOx) y peroxidasa (HRP)en un sistema de inyección en flujo (FIA) con detección quimioluminiscente. Presenta la ventaja de que puede compactarse y ser incorporado en una boya de flotación para la monitorización permanente de los fosfatos en las aguas de los embalses, con un intervalo lineal entre 96 nM y 32 μM.98 Han sido empleados otros métodos con la combinación de tres enzimas, maltosa fosforilasa (MP), mutarrotasa (MUT) y glucosa oxidasa (GOD) con transducción electroquímica,99 así como también las proteínas captadoras de fosfato (PBP) procedente de Escherichia coli.

La masiva utilización de pesticidas, como insecticidas y herbicidas, unido a su gran impacto medioambiental, ha conllevado un enorme desarrollo de métodos para su análisis, incluido los que recurren a los biosensores, dada su rapidez y simplicidad. Así, como ya se ha comentado con anterioridad, la inhibición que producen los insecticidas como carbamatos y derivados organofosforados en enzimas como la acetilcolinesterasa (AchE) y la aldehído deshidrogenasa (ALDH), se ha utilizado profusamente como principio en el diseño de los mismos.

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Las "narices electrónicas” son sistemas sensoriales capaces de detectar e identificar determinadas sustancias químicas. Estos sensores se emplean desde hace varios años en las industrias de la alimentación, bebidas o perfumería. Sin embargo, son demasiado voluminosos, poseen una sensibilidad limitada y deben ser recalibrados frecuentemente. Los polímeros de impresión molecular se han utilizado para generar sensores con una selectividad determinada para moléculas en fase gaseosa. Así, el 2-metil-isoborneol (MIB) ha sido detectado hasta un límite de 10 μg L-1 utilizando una microbalanza de cristal de cuarzo (QCM) y un recubrimiento de un polímero impreso de 2-metil-isoborneol, sobre una superficie de cristal previamente revestida con una delgada capa de nylon. Para alcoholes se ha empleando también la QCM con un corte AT de cristal de cuarzo a 10 Mhz recubierto con tres capas de nylon, carbono y fosfatidil-colina, con una sensibilidad pareja a la humana para 5 tipos de alcoholes distintos.115 La trimetilamina (hedor a pescado) se ha determinado mediante un biosensor, tipo electrodo enzimático, utilizando la enzima monooxigenasa (flavínica).

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La necesaria garantía de la calidad y seguridad de los alimentos ha llevado a una gran expansión de los métodos de análisis aplicados a la tecnología alimentaria. Numerosos biosensores se utilizan en el análisis rápido de la calidad de determinados parámetros en los alimentos, como la calidad de la carne y frescura del pescado, así como la presencia de diferentes componentes en los alimentos, como aditivos, tóxicos ymedicamentos.

El proceso de putrefacción de la carne puede monitorizarse electroquímicamente con el empleo de un biosensor, como el preparado mediante la inmovilización de la enzima putrescina oxidasa sobre un electrodo de platino, con el que se consigue un intervalo lineal de 5 a 60 nmol g-1, para putrescina. El mismo dispositivo, pero con la enzima xantina oxidasa, permite determinar hipoxantina con un intervalo de linealidad de 0,05 y 1,0 μmol g-1

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Diferentes componentes de los alimentos pueden cuantificarse mediante biosensores. Tal es el caso del ácido láctico, el acetaldehído, azúcares, compuesto fenólicos y especialmente los aditivos. El d-lactato, por ejemplo, se ha determinado en vino utilizando un electrodo serigrafiado de carbono modificado con la enzima d-lactato deshidrogenasa inmovilizada en presencia de NAD, utilizando una membrana de Nafion-polietilenimina para minimizar las interferencias.Igualmente se han determinado en cerveza compuestos fenólicos, también con electrodos de carbono serigrafiados, y diferentes dextrinas, en este caso empleando un reactor enzimático con amiloglucosidasa, glucosa deshidrogenasa y mutarrotasa inmovilizadas sobre CPG.

Los aditivos alimentarios, sujetos a una estricta regulación en la UE, tienen una importancia fundamental ya que suelen ser objeto de fraude, además de que pueden originar problemas de intolerancia en determinados grupos de población. Existen varios dispositivos que permiten determinar la presencia de los aditivos, más utilizados, como el aspartamo, el sorbitol y el ácido benzoico.

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No menos importante resulta la determinación de fármacos residuales en los productos alimenticios, existiendo también numerosos dispositivos de medida que recurren al empleo de biosensores.Pero no cabe duda que el campo de los análisis clínicos es la parcela en la que los biosensores han experimentado un mayor desarrollo y muy especialmente en lo referente a los análisis de glucosa y los ácidos nucleicos.

La Federación Internacional para la Diabetes estima que esta enfermedad afecta a más de 150 millones de personas en todo el mundo y sus complicaciones derivan en trastornos renales, ceguera y un marcado incremento de padecer riesgo de enfermedades cardiacas. El mercado anual de los test de glucosa supera los 3.000 millones de euros, con una tasa de incremento entre el 12 y el 18 por ciento.La medida de glucosa en sangre es uno de los parámetros clínicos determinantes en el control de la diabetes. En el año 1962 un médico americano, consciente de la incomodidad y sufrimiento que suponía para los enfermos diabéticos someterse a continuos análisis de sangre, sugirió la idea de un dispositivo que permitiera realizar dichos análisis con tan sólo unas gotas de sangre y que fuera capaz de responder en pocos minutos. Surgió así el primer concepto de dispositivo biosensor.460

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Existen, también, numerosos dispositivos útiles para analitos de interés clínico, entre los que se encuentran los sistemas de detección basados en el uso de biosensores de tirosinasa para la determinación de medicamentos de naturaleza fenólica o de neurotransmisores como la dopamina, sensores de lactato utilizando lactato oxidasa, sensores de piruvato mediante piruvato oxidasa, ácido úrico empleando ureasa, histidina e histamina mediante Cu-monoamino oxidasa, colesterol y un largo etcétera.

Los sensores de ácidos nucleicos se utilizan también para determinar la presencia de virus y bacterias patógenas. Así, se han diseñado biosensores electroquímicos desechables de ADN útiles para este fin.

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Módulo 11. Técnicas analíticas con resolución nanométrica y Nanometrología La nanometrología, ciencia de la medida

aplicada a la nanoescala (< 100 nm). Papel esencial en la producción de

nanomateriales y dispositivos nanométricos. La propia Comisión Europea afirma que para

que la UE pueda desarrollar todo el potencial comercial de la nanotecnología, la industria y la sociedad requieren de medios de caracterización cuantitativa y técnicas de medición fiables, tal que sostengan la competitividad y la confianza en los futuros productos y servicios.

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Los instrumentos y técnicas de medición empleados en la nanoescala son muchos y variados:

Exploración por sonda (STM, SPM, AFM, KPM, LFM, CMM).Haz de iones (AES, IBA, SIMS).Haz electrónico (TEM, HRTEM, SEM, EELS, AES).Métodos ópticos (NSOM, Raman, DLS).Rayos X (XPS, SRD, XPS, EDX).Técnicas electromagnéticas (SET, ELM, MFM, SCM, SKPM, C-AFM).Métodos mecánicos (nanoindentación), etc.Estos equipos deben hallarse correctamente calibrados.

En muchos casos, simplemente no existen patrones adecuados para calibrar los equipos.Carecen de trazabilidad.La dificultad de contar con patrones adecuados deriva de que su propia fabricacion requiere técnicas y equipos similares a los empleados en nanofabricación.La contribucion a la creacion de la infraestructura metrologica necesaria estasiendo acometida desde hace unos pocos anos por los principales Institutos Nacionalesde Metrologia (INM).En la actualidad, tanto ISO (TC 229) como CEN (TC 352) estan trabajando en laobtencion de normas aplicables a las nanotecnologías.

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Actuaciones a desarrollar en España

Es necesario potenciar urgentemente la investigación y el desarrollo en nanometrología:

Financiando infraestructuras metrológicas que sean capaces de proporcionar patrones primarios, servicios de medición y experiencia técnica, como soporte a las mediciones realizadas en la nanoescala en los campos dimensional, eléctrico, óptico, magnético, mecánico, químico y biológico.Contratando técnicos y post-docs para trabajar en proyectos para el desarrollo de instrumentación y patrones de calibración, adaptados a las necesidades y mejorados respecto a las versiones comerciales existentes.Realizando proyectos interdisciplinares y coordinados, a tres bandas: CEM Universidad- Empresa.Incrementando la participación en proyectos europeos específicos sobre nanometrología.Difundiendo los principios y criterios metrológicos entre la comunidad investigadora y la industria, mediante workshops y jornadas de divulgación.Intercambiando conocimientos y actuando de manera coordinada.Integrando la metrología en los procesos productivos, de forma que aporte reproducibilidad, bajo coste, velocidad y utilización sencilla.

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Conclusiones y Recomendaciones

Las nanoestructuras y los nanodispositivos requieren un control dimensional exacto para garantizar su correcta fabricación y sus prestaciones.La infraestructura metrológica necesaria en todo proceso productivo es aún muy débil, incluso inexistente en algunos casos, por lo que debe darse prioridad al desarrollo de la nanometrología. La nanotecnología no ha dado aún el gran salto a la producción industrial masiva, en parte debido a que no existe un desarrollo paralelo de la infraestructura metrológica en la nanoescala.En general, la metrología existente es adecuada para el campo micro pero no para el campo nano.Deben financiarse programas educativos para mejorar las capacidades de la Universidad y de las empresas, creando comunidades multidisciplinares dedicadas a la investigación sobre metrología aplicable a la nanoescala.Las características de las nanofabricaciones presentan gran dispersión, fruto de la falta de exactitud y precisión (reproducibilidad) de los sistemas de medida, por lo que la metrología debe integrarse en los procesos productivos.

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No existen patrones de calibración que cubran todas las necesidades de la nanoescala, por lo que es necesario desarrollarlos con urgencia.Deben fabricarse instrumentos metrológicamente fiables, que permitan la caracterización adecuada de los nuevos patrones, empleando éstos posteriormente para dotar de trazabilidad a los instrumentos habituales.Debe mantenerse una buena base de datos con información actualizada sobre desarrollos en nanometrología.Debe mejorarse la divulgación y difusión continua del conocimiento, desde los Institutos de Metrología hacia los agentes implicados en el desarrollo de la nanociencia y la nanotecnología. El CEM podría actuar en este sentido como correa de transmisión de información entre los Institutos Nacionales de Metrología y la sociedad española.Debe incrementarse la participación de expertos en el Grupo AENOR/GET15 sobre normalización en nanotecnologías, y en los Comités Técnicos del CEN, Organismo Europeo de Normalización.469

Esquema de trazabilidad en nanometrología, propuesto por el CEM

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