universidad michoacana de instituto de investigacion …
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UNIVERSIDAD MICHOACANA DE
SAN NICOLAacuteS DE HIDALDO
INSTITUTO DE INVESTIGACION EN METALURGIA Y MATERIALES
DISENtildeO Y SIacuteNTESIS DE SISTEMAS NANOPARTICULADOS DE BaFe12O19 COMO
PORTADORES DE MOLEacuteCULAS CON ACTIVIDAD BIOLOacuteGICA
TESIS
Que para obtener el grado de
DOCTOR EN CIENCIAS EN METALURGIA Y CIENCIAS DE LOS MATERIALES
Morelia Michoacaacuten Febrero 2017
Presenta
MC SAMUEL TORRES CADENAS
Asesor
Dra MARIacuteA EUGENIA CONTRERAS GARCIacuteA
Co-asesor
Dr ALEJANDRO BRAVO PATINtildeO
2
AGRADECIMIENTOS
He tenido la dicha de contar con personas que me han apoyado de manera incondicional a lo
largo de mi vida contribuyendo de una u otra manera en mi formacioacuten personal y acadeacutemica
Personas que han confiado en miacute tanto o maacutes de lo que yo puedo confiar Podriacutea comenzar a citar
nombres sin embargo es posible que olvide algunos o bien la lista se haga larga Lo que siacute puedo
hacer es expresar mi maacutes profunda gratitud en forma maacutes general a mi familia amigos
compantildeeros profesores y teacutecnicos ya sea dentro de la UMSNH o fuera de ella o bien en alguna
otra Institucioacuten tal como la UNAM Meacutexico De esta manera espero evitar agradecer a quien
deberiacutea
Finalmente agradecer al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnologiacutea (CONACYT) y al PIFI-
PROFOCIE por el apoyo al proyecto de investigacioacuten
3
CONTENIDO
RESUMENhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 10
ABSTRACThelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip11
Capiacutetulo 1 INTRODUCCIOacuteN 13
11 OBJETIVOS 15
111 Objetivo General 15
112 Objetivos Especiacuteficos 15
12 HIPOacuteTESIS 17
13 JUSTIFICACIOacuteN 18
Capiacutetulo 2 REVISIOacuteN DEL ESTADO DEL ARTE 22
21 BIOMATERIALES 22
211 Aplicaciones 23
22 SISTEMAS DE LIBERACIOacuteN DE FAacuteRMACO 26
221 Liposomas 26
222 Nanopartiacuteculas polimeacutericas 27
223 Micelas 27
224 Dendriacutemeros 28
225 Nanopartiacuteculas Magneacuteticas 28
23 CLASIFICACIOacuteN DE LOS MATERIALES MAGNEacuteTICOS 29
231 Diamagnetismo 29
232 Paramagnetismo 29
233 Ferromagnetismo 30
234 Antiferromagnetismo 30
235 Ferrimagnetismo 31
236 Superparamagnetismo 31
24 FERRITAS HEXAGONALES 32
25 METODOS DE SIacuteNTESIS 33
4
251 Siacutentesis sol-gel 33
252 Secado por aspersioacuten 36
26 ESTUDIOS REALIZADOS SOBRE LA SIacuteNTESIS Y APLICACIOacuteN DE
MATERIALES NANOESTRUCTURADOS A BASE DE OXIDO DE HIERRO COMO
SISTEMAS DDS 39
Capiacutetulo 3 DESARROLLO EXPERIMENTAL 44
31 MATERIALES INICIALES 44
32 DISENtildeO EXPERIMENTAL FRACCIONARIO 2f 49
33 SIacuteNTESIS DE AGREGADOS DE BaFe12O19 49
34 CARACTERIZACIOacuteN 50
341 Difraccioacuten de rayos X 50
342 Microscopiacutea electroacutenica de barrido 50
343 Microscopiacutea electroacutenica de transmisioacuten 51
344 Isotermas de adsorcioacutendesorcioacuten de nitroacutegeno 51
345 Espectroscopiacutea infrarroja 52
346 Propiedades magneacuteticas 52
347 Potencial zeta ζ 52
35 PRUEBAS BIOLOacuteGICAS 52
351 Extraccioacuten de ADN plasmiacutedico 52
352 Siacutentesis del peacuteptido DS 53
353 Cargaliberacioacuten del peacuteptido 56
354 Liberacioacuten del peacuteptido DS de los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 57
Capiacutetulo 4 RESULTADOS Y DISCUSION 59
41 DISENtildeO FACTORIAL 2f 59
42 CARACTERIZACIOacuteN 63
421 Difraccioacuten de rayos X 63
422 Microscopiacutea electroacutenica de barrido 64
423 Microscopiacutea electroacutenica de transmisioacuten 67
5
424 Isotermas de adsorcioacutendesorcioacuten de nitroacutegeno 74
425 Espectroscopiacutea infrarroja 75
426 Propiedades magneacuteticas 76
43 PROPIEDADES BIOLOacuteGICAS 79
431 Extraccioacuten de ADN plasmiacutedico 79
432 Siacutentesis induccioacuten y expresioacuten del peacuteptido DS 80
433 Caracterizacioacuten del peacuteptido DS 82
44 PRUEBAS DE CARGALIBERACIOacuteN 84
Capiacutetulo 5 CONCLUSIONES 92
TRABAJO A FUTURO Y RECOMENDACIONEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip93
REFERENCIAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip94
ANEXOS helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip101
IacuteNDICE DE FIGURAS
Figura 11 Nuacutemero de artiacuteculos publicados anualmente en la revista Journal of Controlled
Released desde 1984 18
Figura 12 Meacutetodos de siacutentesis de los sistemas nanoestructurados dirigidos a aplicaciones
biomeacutedicas Las tres rutas principales incluyen meacutetodos quiacutemicos fiacutesicos y bioloacutegicos Fuente
Instituto de Informacioacuten Cientiacutefica Modificado de M Mahmoudi [16] 20
Figura 21 Categoriacuteas esenciales de los materiales usados como DDS i) Materiales orgaacutenicos
dendriacutemeros micelas liposomas i) Materiales inorgaacutenicos nanopartiacuteculas de oro sistemas
nanoestructurados a base de oacutexido de hierro quantum dots (Modificado de Grumezescu [40] y
Riggio [45]) 26
Figura 22 (a) Clasificacioacuten de los materiales seguacuten su comportamiento magneacutetico
paramagneacuteticos ferromagneacuteticos antiferromagneacuteticos y ferrimagneacuteticos (b) Los materiales
superparamagneacuteticos son observados en los nanomateriales ferro- y ferrimagneacuteticos que se
componen de un soacutelo dominio magneacutetico 29
6
Figura 23 (a) seccioacuten transversal de la estructura de la ferrita tipo M (BaFe12O19) Tomado de
Robert C Pullar [60] 33
Figura 24 Rutas de siacutentesis derivadas del meacutetodo sol-gel Tomado de
httpsstrllnlgovstrMay05Satcherhtml 35
Figura 25 Configuracioacuten del equipo de secado por aspersioacuten (a) secador por aspersioacuten
concurrente misma direccioacuten de flujo y (b) secador por aspersioacuten a contracorriente (c)
Evolucioacuten de la temperatura en el proceso de secado en una gotita liacutequida [Handscomb y cols]
En la separacioacuten y recoleccioacuten del polvo se pueden emplear (d) separadores tipo cicloacuten yo (e)
filtros de bolsa 36
Figura 31 Disentildeo experimental fraccionario 2f Las variables de entrada son la presioacuten (P)
Temperatura (T) y porcentaje de agente poroacutegeno (PS) Las variables de respuesta son la
morfologiacutea y tamantildeo de agregado aacuterea superficial BET volumen de mesoporo y tamantildeo de
macroporo 46
Figura 32 Diagrama de flujo que muestra las etapas principales en el desarrollo experimental en
la siacutentesis de agregados nanoestructurados de BaFe12O19 i) Disentildeo y Siacutentesis ii) Caracterizacioacuten
y iii) pruebas bioloacutegicas 48
Figura 33 Extraccioacuten de ADN plasmiacutedico (a) Pasos generales en la extraccioacuten de ADNp y (b)
procedimiento del Kit Pure YieldTM Plasmid Miniprep System 53
Figura 34 Diagrama de siacutentesis del peacuteptido DS a partir del plaacutesmido pFN21K El Diagrama
incluye los pasos desde la expresioacuten del peacuteptido hasta su deteccioacuten y revelado con luminol en un
anaacutelisis tipo Western 54
Figura 41 Espectro DRX del polvo de las esferas de BaFe12O19 obtenidas despueacutes del proceso
de secado por aspersioacuten y calcinado a diferentes temperaturas Este presenta las fases H =
BaFe12O19 (tarjeta Crystallography Open Database COD 1008841) F = Fe2O3 (tarjeta COD
9015964) 63
Figura 42 Imaacutegen SEM de (a) agregados esfeacutericos de BaFe12O19 antes de ser tratados
teacutermicamente y (b) una amplificacioacuten a 20000 X que muestra un agregado de BaFe12O19 en el
cual pueden ser observadas las esferas de poliestireno (PS) antes de ser eliminadas 64
7
Figura 43 Imaacutegenes de SEM de los agregados de BaFe12O19 y sus correspondientes histogramas
de distribucioacuten de tamantildeo (a) Muestra con 50 de PS bajo condiciones de secado por aspersioacuten
de 200 degC y 20 Kgcm2 y su correspondiente distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula (b) (c) Muestra
con 30 de PS bajo condiciones de secado por aspersioacuten de 180 degC y 15 Kgcm2 y su
correspondiente distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula (d) Las muestras fueron calcinadas a 700
degC 66
Figura 44 (a) Espectro EDS de los agregados de BaFe12O19 el cual indica la presencia de los
elementos Ba Fe y O El C es producido por la cinta doble cara de carbono usada como adhesivo
en soporte (b) Mapeos quiacutemicos de EDS de los agregados de BaFe12O19 Imagen SEM en el
modo de electrones secundarios Las imaacutegenes de Ba (verde) Fe (rojo) y O (azul) indican su
distribucioacuten homogeacutenea y que estos elementos son los uacutenicos presentes en las muestras 67
Figura 45 Imaacutegenes de STEM-ADF de los agregados de BaFe12O19 Las esferas estaacuten
conformadas principalmente por cristales alargados 68
Figura 46 Imaacutegenes de una misma esfera de BaFe12O19 en el modo (a) STEM-ADF y (b) TEM
las cuales permiten comparar el contraste de los cristales que la conforman 68
Figura 47 Imaacutegenes de TEM en campo claro (a y c) y en campo oscuro (b y d) del material que
conforman las esferas despueacutes de haber sido desbaratadas por el tratamiento ultrasoacutenico El
inserto en (b) presenta el patroacuten SAEDP proveniente del material presentado en (a) El inserto en
(d) presenta el patroacuten SAEDP del cristal alargado presentado en (c) 69
Figura 48 Imaacutegenes HRTEM de los cristales que conforman los agregados porosos de
BaFe12O19 (a) y (b) corresponden a cristales individuales de la fase BaFe12O19 (c) Coexistencia
entre las fases BaFe12O19 y BaFe2O4 (d) Coexistencia entre las fases BaFe12O19 y Fe2O3 70
Figura 49 (a) Imagen de HRTEM de uno de los cristales alargados que conforman las esferas de
BaFe12O19 El inserto presenta la correspondiente FFT la cual indica que el eje de zona
corresponde al eje en la direccioacuten [2-110] (b) Imagen digitalmente procesada correspondiente al
aacuterea del recuadro indicado en (a) El filtro usado para el procesamiento es indicado en el inserto
(c) Imagen de HRTEM de otro de los cristales alargados con defectos (d) Imagen digitalmente
procesada del aacuterea indicada en el recuadro en (c) 71
8
Figura 410 Celda unitaria de BaFe12O19 obtenidas usando los valores indicados en [27] y
observada en la direccioacuten [10-10] (a) y en la direccioacuten [21-10] (b) Tambieacuten se presentan las
unidades S y R El plano que contiene a Ba es un plano espejo Ba en verde Fe en amarillo y O
en rojo 72
Figura 411 Simulacioacuten computacional de imaacutegenes de HRTEM en las direcciones [0001] (a)
[10-10] (b) y [2-1-10] (c) Se presenta la proyeccioacuten de la celda BaFe12O19 en las direcciones
indicadas la simulacioacuten de su imagen en el desenfoque de Scherzer y su correspondiente patroacuten
de difraccioacuten del aacuterea selecta simulado Las condiciones de simulacioacuten fueron V = 200 KV
desenfoque de Scherzer en -5485 nm y 4x4x4 celdas Ba en verde Fe en amarillo y O en rojo73
Figura 412 Imagen de HRTEM en la direccioacuten [1-100] de uno de los cristales alargados que
conforman los agregados de BaFe12O19 y la imagen computacionalmente simulada en la misma
direccioacuten En este caso la imagen de HRTEM no presenta defectos Tambieacuten se incluyen las
posiciones de los aacutetomos en la celda unitaria Ba en verde Fe en amarillo y O en rojo 74
Figura 413 Isotermas de adsorcioacutendesorcioacuten BET para (a) muestra con 50 de esferas de PS
bajo condiciones de secado por aspersioacuten de 200 degC y 20 Kgcm2 y (b) muestra con 30 de
esferas de PS bajo condiciones de secado por aspersioacuten de 180 degC y 15 Kgcm2 Las muestras
fueron calcinas a 700 degC 75
Figura 414 Espectro Infrarrojo (IR) que muestra los enlacesgrupos funcionales a nuacutemeros de
onda (cm-1
) especiacuteficos correspondientes al peacuteptido DS-HaloTag libre y los sistemas
nanoestructurados de BaFe12O19 libres y cargados con el peacuteptido 76
Figura 415 Curvas de histeacuteresis de los agregados de BaFe12O19 calcinados a diferentes
temperaturas Los valores de las muestras fueron tomadas a temperatura ambiente y 5000 Oe 77
Figura 416 Extraccioacuten de ADN plasmiacutedico La columna 1 es referida al marcador Kb Plus
DNA Ladder de peso molecular conocido (pares de bases pb) El marcador se compone de 20
bandas de ADN de alta pureza de doble cadena que abarca 100 pb hasta 12000 pb La columna 2
representa el ADNp de la cepa NEB (New England Biolab) T7 DS Ademaacutes puede ser observado
en la columna 2 la presencia de tres bandas a) es referida al ADNp relajado b) describe el ADNp
enrollado y c) explica el ADNp suacuteper-enrrollado 79
Figura 417 Separacioacuten de proteiacutenas por electroforesis en gel SDS-PAGE 80
9
Figura 418 Imaacutegenes del microscopio oacuteptico en las cuales se puede observar la expresioacuten de un
gen reportero indicando las ceacutelulas CHO han sido transfectadas 81
Figura 419 Anaacutelisis tipo Western blot La proteiacutena de intereacutes DS-HaloTag aparece a una altura
de 61 ~KDa 82
Figura 420 Histograma de distribucioacuten de aminoaacutecidos 83
Figura 421 Interaccioacuten BaFe12O19-DS-HaloTag La disminucioacuten en los valores de DO a medida
que el tiempo transcurre indica la absorcioacuten del peacuteptido por los agregados de BaFe12O19 85
Figura 422 Anaacutelisis visual SDS-PAGE de la interaccioacuten BaFe12O19-DS-HaloTag que muestra
coacutemo disminuye la cantidad de proteiacutena libre en el medio 86
Figura 423 Carga superficial (mV) en funcioacuten del pH para el peacuteptido DS-HaloTag y los
sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 87
Figura 424 Modelo propuesto para las posibles interacciones BaFe12O19-DS-HaloTag 88
Figura 425 Perfiles de liberacioacuten del peacuteptido DS 89
IacuteNDICE DE TABLAS
Tabla 3I Factores a evaluar en el disentildeo experimental A) Presioacuten (P) B) Temperatura (T) y C)
Concentracioacuten de poliestireno usado como agente poroacutegeno (PS) Cada uno de los paraacutemetros
presenta un nivel bajo (-) y un nivel alto (+) 46
Tabla 3II Matriz del disentildeo experimental 47
Tabla 4I Variables de respuesta (oslashagregado SBET Vmesoporo oslashmacroporo) del disentildeo experimental
fraccionario 2f como resultado del efecto de los factores P T y PS 61
Tabla 4II Anaacutelisis de variancia ANOVA 62
Tabla 4III Propiedades magneacuteticas de los agregados porosos de hexaferrita de bario 78
Tabla 4IV Informacioacuten de secuencia 82
Tabla 4V Tabla de distribucioacuten de aminoaacutecidos 83
10
RESUMEN
Hoy en diacutea existe una gran variedad de formulaciones para la siacutentesis de materiales
nanoestructurados a base de oacutexido de hierro para aplicaciones biomeacutedicas El objetivo del
presente trabajo fue disentildear y sintetizar agregados nanoestructurados de hexaferrita de bario
(BaFe12O19) de tamantildeo micromeacutetrico con jerarquiacutea meso-macroporosa usando el meacutetodo sol-gel
y secado por aspersioacuten Usando un disentildeo experimental factorial 2f se evaluaron la concentracioacuten
( peso) de agente poroacutegeno y los paraacutemetros de temperatura (T) y presioacuten (P) en el proceso de
secado por aspersioacuten para determinar el efecto de estas variables sobre el tamantildeo de agregado de
BaFe12O19 y el tamantildeo de macroporo A parir de teacutecnicas de caracterizacioacuten tales como XRD
SEM y TEM se determinoacute la estructura morfologiacutea y composicioacuten de los polvos de BaFe12O19
Se obtuvieron agregados esfeacutericos de 17 μm de diaacutemetro con una estructura meso-macroporosa
determinada a partir de SEM y BET El tamantildeo de macroporo fue de aproximadamente 223 nm y
el tamantildeo de mesoporo varioacute entre 34 nm y 12 nm Asiacute mismo mediante VSM se obtuvieron
curvas de histeacuteresis a partir de las cuales se determinoacute las propiedades magneacuteticas de los
agregados de BaFe12O19 A una temperatura de calcinacioacuten de 700 degC se obtuvo un material con
comportamiento semiduro cuyos valores de magnetizacioacuten de saturacioacuten y campo coercitivo
fueron Ms = 1424 emug y Hc = 19465 Oe respectivamente Finalmente los agregados de
BaFe12O19 fueron probados como portadores de moleacuteculas con actividad bioloacutegica para ello se
usoacute el peacuteptido DS como faacutermaco modelo sintetizado a partir de los plaacutesmidos pF1A T7 Flexireg y
pFN21K a partir de la cepa T7 de Escherichia coli Se determinoacute la capacidad de carga y perfil de
liberacioacuten del peacuteptido DS mediante las teacutecnicas de SDS-PAGE FTIR anaacutelisis tipo Wester blot y
UV-vis El porcentaje de absorcioacuten del peacuteptido DS por los agregados nanoestructurados de
BaFe12O19 fue de 875 Por lo tanto los agregados esfeacutericos nanoestructurados con jerarquiacutea
meso-macroporosa obtenidos en el presente trabajo de investigacioacuten pueden ser considerados
como candidatos para ser aplicados en el aacuterea biomeacutedica como sistemas de liberacioacuten de faacutermaco
Palabras clave BaFe12O19 sistemas nanoestructurados macro-mesoporosidad meacutetodo sol-gel
secado por aspersioacuten disentildeo experimental
11
ABSTRACT
Nowadays there is a great variety of formulations for the synthesis of nanostructured materials
based on iron oxide with biomedical applications The aim of the present work was to design and
synthesize nanostructured macro-mesoporous hierarchical spherical aggregates of barium
hexagonal ferrite BaFe12O19 using the sol-gel method through molecular self-assembly and spray-
drying Therefore using a 2f
factorial experimental design the concentration (wt) of template
and the parameters of temperature (T) and pressure (P) in the spray drying process were
evaluated to determine the effect of these variables on the aggregate size of BaFe12O19 and the
size of macropore Characterization techniques such as XRD SEM and TEM determined the
structure morphology and composition of the BaFe12O19 powders obtained after the spray-drying
process Spherical aggregates of 17 μm were obtained with a meso-macroporous structure
determined from SEM and BET The macropore size was about 223 nm and the mesopore size
varied between 34 nm and 12 nm Hysteresis loops were obtained from VSM technique and the
magnetic properties of BaFe12O19 aggregates were determined At a calcination temperature of
700 deg C a material with semi-hard behavior was obtained whose saturation magnetization and
coercive field values were Ms = 1424 emug and Hc = 19465 Oe respectively Finally the
BaFe12O19 aggregates were tested as carriers of biologically active molecules For this purpose
the peptide DS (Hairless suppressor binding domain [Su (H)] was used as the template drug
synthesized from the plasmids pF1A T7 Flexireg and pFN21K from the T7 strain of Escherichia
coli The loading capacity and release profile of the DS peptide was determined by the SDS-
PAGE FTIR Wester blot and UV-vis techniques Absorption performance of DS peptide by the
nanostructured aggregates of BaFe12O19 was 875Therefore the nanostructured macro-
mesoporous hierarchical spherical aggregates of barium hexagonal ferrite BaFe12O19 obtained in
the present research can be considered as candidates to be applied in the biomedical area as drug
delivery systems
12
CAPIacuteTULO 1
INTRODUCCIOacuteN
13
CAPIacuteTULO 1 INTRODUCCIOacuteN
La nanotecnologiacutea es un campo cientiacutefico multidisciplinario que aplica los principios de
ingenieriacutea y fabricacioacuten para el disentildeo siacutentesis caracterizacioacuten y aplicacioacuten de materiales a
escala nanomeacutetrica En las uacuteltimas deacutecadas la nanotecnologiacutea se ha desarrollado en diversas
aacutereas de investigacioacuten abarcando las matemaacuteticas quiacutemica fiacutesica biologiacutea electroacutenica
ingenieriacutea biomeacutedica y ciencia de materiales entre otras
Dentro del sector biomeacutedico una gran variedad de materiales orgaacutenicos e inorgaacutenicos tales como
micelas poliacutemeros liposomas lipoproteiacutenas dendriacutemeros y nanopartiacuteculas magneacuteticas han sido
investigados ampliamente para diferentes aplicaciones incluyendo terapia celular reparacioacuten de
tejidos imagen de resonancia magneacutetica hipertermia marcadores bioloacutegicos y como sistemas de
liberacioacuten de faacutermacos (DDS) Sin duda las partiacuteculas magneacuteticas son los materiales maacutes
prominentes usados como DDS debido a sus propiedades fiacutesicas quiacutemicas teacutermicas mecaacutenicas y
magneacuteticas que las hacen herramientas ideales para ser usadas en las aplicaciones antes
mencionadas Como plataformas para la liberacioacuten de faacutermacos estos sistemas pueden ofrecer
muchas ventajas por ejemplo (i) se estabilizan sin alterar la actividad farmacoloacutegica del
medicamento (ii) previenen la degradacioacuten metaboacutelica prematura en la circulacioacuten sisteacutemica o
interaccioacuten con el ambiente bioloacutegico de manera que alcance el objetivo pretendido en su estado
priacutestino (iii) liberan el medicamento en el sitio o tumor deseado y (iv) presentan una toxicidad
menor o similar que la del faacutermaco libre
Recientemente un gran nuacutemero de faacutermacos macromoleculares tales como peacuteptidos proteiacutenas y
aacutecidos nucleicos han sido descubiertos Sin embargo estos faacutermacos muestran pobre estabilidad
en la mayoriacutea de los ambientes bioloacutegicos y pobre penetracioacuten a traveacutes de la barrera
hematoencefaacutelica lo cual limita su administracioacuten a traveacutes de rutas parentales Ademaacutes cuando
estos faacutermacos son administrados parentalmente estaacuten expuestos a la degradacioacuten quiacutemico-
enzimaacutetica antes de alcanzar su sitio de destino debido a su estabilidad limitada y corta vida
media Por lo tanto una gran cantidad de trabajos se ha enfocado al desarrollo de sistemas DDS
para proporcionan una manera maacutes efectiva de liberar y proteger los peacuteptidos y proteiacutenas
14
Existen numerosos meacutetodos (i) fiacutesicos (ii) quiacutemicos (iii) bioloacutegicos e (hiacutebridos) para la siacutentesis
de nanopartiacuteculas El meacutetodo de preparacioacuten de los nanomateriales determinaraacute el tamantildeo y
distribucioacuten de las partiacuteculas su morfologiacutea quiacutemica superficial y consecuentemente sus
propiedades magneacuteticas
En esta investigacioacuten agregados esfeacutericos nanoestructurados de hexaferrita de bario (BaFe12O19)
de tamantildeo micromeacutetrico con jerarquiacutea macro-mesoporosa fueron sintetizados usando el meacutetodo
quiacutemico huacutemedo sol-gel mediante autoensamble molecular y secado por aspersioacuten aplicando un
disentildeo experimental factorial 2f En el procesamiento de los materiales dirigidos a una aplicacioacuten
especiacutefica una informacioacuten detallada sobre las caracteriacutesticas del material es requerida para
alcanzar el objetivo deseado Asiacute los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 se caracterizaron
mediante difraccioacuten de rayos x (XRD por sus siglas en ingleacutes) microscopiacutea electroacutenica de
barrido (SEM por sus siglas en ingleacutes) microscopiacutea electroacutenica de transmisioacuten (TEM por sus
siglas en ingleacutes) aacuterea superficial especiacutefica BET espectroscopiacutea infrarroja por transformada de
Fourier (FTIR por sus siglas en ingleacutes) y por magnetoacutemetro de muestra vibrante (VSM por sus
siglas en ingleacutes) para la determinacioacuten de las propiedades magneacuteticas
Finalmente los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 se evaluaron como portadores de
moleacuteculas bioloacutegicas El peacuteptido DS (Dominio de unioacuten a supresor de Hairless [Su(H)] se usoacute
como faacutermaco modelo para evaluar la capacidad de carga de los sistemas nanoestructurados de
BaFe12O19 como DDS Despueacutes de ser cargados los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 con
el peacuteptido se llevaron a cabo los estudios de liberacioacuten El peacuteptido DS se sintetizoacute a partir de los
plaacutesmidos pF1A T7 Flexireg pFN21K y pFN18K empleando la cepa T7 Express Iq Competent
XL-1 blue (T7) de Escherichia coli A su vez isopropil-β-D-1-tiogalactopiranoacutediso (IPTG) se
usoacute para inducir la produccioacuten del peacuteptido El IPTG es una moleacutecula de uso comuacuten en biologiacutea
molecular Se usa como un anaacutelogo no hidrolizable de la alolactosa un metabolito de la lactosa
que desencadena la transcripcioacuten del operoacuten lac y por lo tanto se usa para inducir la expresioacuten de
proteiacutenas cuando el gen estaacute bajo el control del operoacuten lac
15
11 OBJETIVOS
111 Objetivo General
Disentildear sintetizar y caracterizar sistemas nanoparticulados de hexaferrita de bario (BaFe12O19)
conformados en agregados micromeacutetricos con jerarquiacutea macro-mesoporosa a partir de un disentildeo
experimental factorial fraccionario 2f usando el meacutetodo quiacutemico sol-gel con autoensamble
molecular asistido por surfactante Tween 20 y esferas de poliestireno usadas como agente
poroacutegeno y mediante secado por aspersioacuten para ser usados como portadores de moleacuteculas con
actividad bioloacutegica
112 Objetivos Especiacuteficos
- Evaluar la concentracioacuten ( peso) de agente poroacutegeno y los paraacutemetros de temperatura
(T) y presioacuten (P) en el proceso de secado por aspersioacuten para determinar el efecto de estas
variables sobre el tamantildeo de agregado de BaFe12O19 y el tamantildeo de macroporo
- Sintetizar sistemas de BaFe12O19 mediante el meacutetodo quiacutemico sol-gel asistido por Tween
20 y esferas de poliestireno para producir agregados esfeacutericos nanoestructurados de
tamantildeo micromeacutetrico con jerarquiacutea macro-mesoporosa
-
- Caracterizar estructural morfoloacutegica y fisicoquiacutemicamente los sistemas nanoparticulados
de BaFe12O19 mediante teacutecnicas de XRD SEM TEM BET FTIR y VSM para
proporcionar los detalles necesarios respecto a las propiedades fiacutesicas quiacutemicas y
magneacuteticas de los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19
16
- Sintetizar y caracterizar el peacuteptido DS a partir de los plaacutesmidos pF1A T7 Flexireg
pFN21K y pFN18K empleando la cepa T7 de Escherichia coli el cual seraacute utilizado
como faacutermaco modelo
- Determinar las propiedades magneacuteticas de los sistemas nanoparticulados de BaFe12O19
incluyendo su magnetizacioacuten magneacutetica (Ms) remanencia magneacutetica (Mr) y coercitividad
(Hc) para ser explotadas en la entrega y direccionamiento del peacuteptido DS
- Determinar la carga superficial de los sistemas nanoparticulados de BaFe12O19 para
permitir una mejora en el rendimiento de adsorcioacuten del peacuteptido DS
-
- Determinar la capacidad de carga de los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 y
evaluar el perfil de liberacioacuten del peacuteptido DS para evaluar los sistemas de BaFe12O19
como candidatos para sistemas de liberacioacuten de faacutermaco
17
12 HIPOacuteTESIS
La obtencioacuten de agregados esfeacutericos de nanopartiacuteculas superparamagneacuteticas con nanoestructura y
macroporosidad disentildeada obtenidas utilizando teacutecnicas de autoensamblaje molecular con agentes
poroacutegenos y mediante secado por aspersioacuten permitiraacute la obtencioacuten de un portador de moleacuteculas
con actividad bioloacutegica maacutes viable que tenga un mejor desempentildeo en cuanto a la adsorcioacuten de
ciertas moleacuteculas bioloacutegicas sin perder las propiedades superparamagneacuteticas caracteriacutesticas de las
nanopartiacuteculas
18
13 JUSTIFICACIOacuteN
A pesar de los avances significativos en el diagnoacutestico y tratamiento del caacutencer eacutesta es una de las
enfermedades maacutes devastadoras que amenazan con la salud humana y es la segunda causa maacutes
comuacuten de mortalidad Actualmente la cirugiacutea radioterapia quimioterapia e inmunoterapia son
los meacutetodos de tratamiento maacutes utilizados sin embargo ninguno de estos meacutetodos ofrece una
verdadera recuperacioacuten total En muchos casos la erradicacioacuten quiruacutergica o tratamiento por
radiacioacuten no son factibles
Por otra parte el mayor problema de la quimioterapia es la limitada eficacia de los agentes
quimioterapeacuteuticos y su falta de especificidad a las ceacutelulas tumorales asiacute como a las altas
concentraciones de faacutermaco utilizadas Para superar este problema altas concentraciones o
frecuencias de dosificacioacuten de los agentes quimioterapeacuteuticos son requeridas resultando asiacute en
efectos secundarios severos no deseados debido a la alta citotoxicidad del faacutermaco Por lo tanto
surge la necesidad de desarrollar meacutetodos eficaces de administracioacuten de faacutermacos capaces de
mantener los niveles del faacutermaco en una concentracioacuten estrecha necesaria para evitar toxicidad
Ademaacutes de dirigir el medicamento a las ceacutelulas cancerosas mientras se reducen los efectos
secundarios en la mayor medida posible Esta necesidad se ve reflejada en coacutemo ha ido
incrementando gradualmente el nuacutemero de publicaciones a lo largo de los antildeos ya que la
tecnologiacutea basada en sistemas de liberacioacuten de faacutermaco (DDS) ha progresado en las uacuteltimas
deacutecadas Por ejemplo la revista Journal of Controlled Released (JCR) ha recibido
sustancialmente maacutes artiacuteculos de lo que publica (Fig 11)
Figura 11 Nuacutemero de artiacuteculos publicados anualmente en la revista Journal of Controlled Released desde 1984
19
Una amplia variedad de biomateriales compuestos de diversas formulaciones han sido usados
como DDS No obstante en las uacuteltimas dos deacutecadas las nanopartiacuteculas magneacuteticas han atraiacutedo
mucha atencioacuten como DDS [12] ademaacutes de otras aplicaciones tales como imagen de resonancia
magneacutetica (MRI) [34] reparacioacuten de tejidos [56] hipertermia magneacutetica [78] e inmunoensayos
[9] debido a su biocompatibilidad faacutecil modificacioacuten superficial y sus propiedades fiacutesicas
quiacutemicas y magneacuteticas uacutenicas Una de las caracteriacutesticas maacutes importantes de las nanopartiacuteculas
magneacuteticas es su comportamiento superparamagneacutetico donde la energiacutea teacutermica es
suficientemente fuerte para cambiar la direccioacuten de la magnetizacioacuten [10] por ejemplo las
fluctuaciones teacutermicas desmagnetizan espontaacuteneamente un ensamble previamente saturado
Como resultado de esta propiedad las partiacuteculas magneacuteticas muestran un potencial para mejorar
las caracteriacutesticas de contraste en MRI DDS e hipertermia Ademaacutes el comportamiento
superparamagneacutetico permite la manipulacioacuten de las partiacuteculas en presencia de un campo
magneacutetico externo Asiacute un sistema DDS puede ser guiado magneacuteticamente hasta el sitio de
accioacuten en el cual el faacutermaco seraacute liberado reduciendo de esta manera la concentracioacuten del
faacutermaco y su frecuencia de dosificacioacuten para evitar efectos secundarios no deseados Ademaacutes
Una vez eliminando el campo magneacutetico las nanopartiacuteculas magneacuteticas no muestran una
interaccioacuten magneacutetica ya que no retienen magnetismo [11] Por lo tanto la ausencia de
coercitividad prevendraacute la agregacioacuten potencial de las partiacuteculas que pudieran faacutecilmente causar
la formacioacuten de embolismo en los vasos sanguiacuteneos [12]
Maacutes auacuten los sistemas micromeacutetricos nanoestructurados permiten la preservacioacuten de las
propiedades a escala nanomeacutetrica pero con partiacuteculas a escala micromeacutetriacuteca Esto es importante
debido a que las partiacuteculas de tamantildeo micromeacutetrico son maacutes faacuteciles de manejar que las partiacuteculas
nanomeacutetricas Ademaacutes una jerarquiacutea macro-mesoporosa presentan una arquitectura que exhiben
alta aacuterea superficial baja densidad y buena estabilidad fisicoquiacutemica [13] Asiacute mismo la
estructura jeraacuterquica juega un papel importante en muchas de las propiedades y aplicaciones
funcionales del material [14] por ejemplo los materiales macro-mesoporosos muestran un
incremento considerable en la capacidad de carga de un faacutermaco En los materiales macro-
mesoporosos los macroporos proporcionan una interconectividad que mejora la difusioacuten o flujo
20
de fluidos Mientras que los mesoporos aumentan considerablemente el aacuterea superficial
especiacutefica y por lo tanto tienen una mayor capacidad para que las moleacuteculas puedan ser
adsorbidas [15] Por otra parte la morfologiacutea de las partiacuteculas juega un papel importante en el
tiempo de circulacioacuten en el torrente sanguiacuteneo Ademaacutes una morfologiacutea esfeacuterica es de
importancia praacutectica ya que en general eacutesta presenta mejores propiedades reoloacutegicas comparado
con otras morfologiacuteas Una gran variedad de meacutetodos han sido estudiados para la siacutentesis de
sistemas nanoestructurados dirigidos a aplicaciones biomeacutedicas La Fig 12 muestra las tres rutas
de siacutentesis maacutes importantes Sin duda los meacutetodos de siacutentesis quiacutemica huacutemeda principalmente el
meacutetodo sol-gel es el meacutetodo fundamental maacutes empleado en la siacutentesis de materiales para
aplicaciones biomeacutedicas debido a sus muchas ventajas i) los precursores pueden mezclarse a
nivel molecular lo cual permite la formacioacuten de soluciones soacutelidas del material a temperaturas de
procesamiento relativamente bajas cuando se compara con los meacutetodos tradicionales ii) es un
meacutetodo faacutecil sencillo y versaacutetil iii) permite un control quiacutemico y estructural es decir la
nucleacioacuten y crecimiento de las partiacuteculas coloidales primarias puede ser controlada para dar
partiacuteculas con tamantildeo y forma deseada ademaacutes de la composicioacuten quiacutemica deseada iv) los
materiales sintetizados a partir de este meacutetodo son obtenidos con una alta pureza
Figura 12 Meacutetodos de siacutentesis de los sistemas nanoestructurados dirigidos a aplicaciones biomeacutedicas Las tres rutas
principales incluyen meacutetodos quiacutemicos fiacutesicos y bioloacutegicos Fuente Instituto de Informacioacuten Cientiacutefica Modificado
de M Mahmoudi [16]
21
CAPIacuteTULO 2
REVISIOacuteN DEL ESTADO DEL ARTE
22
CAPIacuteTULO 2 REVISIOacuteN DEL ESTADO DEL ARTE
En el presente capiacutetulo se aborda coacutemo la nanotecnologiacutea ha revolucionado los diferentes
aspectos de la investigacioacuten cientiacutefica y tecnologiacutea en diversos campos tales como la electroacutenica
semiconductores quiacutemica fiacutesica ciencia de los materiales bioingenieriacutea medicina etc [17-27]
En las uacuteltimas deacutecadas la nanotecnologiacutea ha contribuido a avances significativos en el desarrollo
de los biomateriales y el aacuterea de la medicina a traveacutes de la terapia y diagnoacutestico cliacutenico para el
tratamiento de diversos tipos de caacutencer mediante el disentildeo e ingenieriacutea de materiales
nanoestructurados capaces de interactuar con los sistemas bioloacutegicos a escala molecular Las
aplicaciones maacutes prominentes de estos nanodispositivos incluyen terapia geacutenica MRI [28-30]
hipertermia [31-33] sistemas de liberacioacuten de faacutermacos (DDS) [3535] Una gran variedad de
materiales orgaacutenicos e inorgaacutenicos han sido investigados como sistemas DDS Sin embargo los
materiales magneacuteticos nanoestructurados de oacutexido de hierro son considerados los materiales maacutes
prominentes debido a sus caracteriacutesticas uacutenicas tales como biocompatibilidad alta aacuterea
superficial y comportamiento superparamagneacutetico lo que los hace una herramienta ideal para las
aplicaciones antes mencionas [36]
21 BIOMATERIALES
Un biomaterial puede ser definido como cualquier material natural o sinteacutetico usado para la
fabricacioacuten de dispositivos que reemplacen una parte de un sistema vivo o bien que realice una
funcioacuten en contacto iacutentimo con el tejido vivo de una manera segura confiable y fisioloacutegicamente
aceptable [37] Por lo tanto un biomaterial tiene que presentar propiedades compatibles con el
tejido a interactuar para obtener el efecto deseado El Consejo Asesor para Biomateriales de la
Universidad de Clemson ha definido formalmente un biomaterial como una sustancia de
actividad sisteacutemica y farmacoloacutegicamente inerte para su implantacioacuten o incorporacioacuten dentro o
con el sistema vivo
23
Debido a que los biomateriales tienen como objetivo interactuar con los tejidos o fluidos
bioloacutegicos del cuerpo humano es fundamental que estos cumplan con ciertos requisitos para
evitar inducir cambios o provocar reacciones no deseadas en el cuerpo humano Un requisito
fundamental es la biocompatibilidad la cual se refiere a la capacidad del material para realizar
con eficiencia una respuesta apropiada en el hueacutesped en una aplicacioacuten deseada es decir el
material y el entorno de los tejidos deben coexistir sin tener ninguacuten efecto no deseado o
inapropiado entre ellos [36] Otras caracteriacutesticas importantes son su baja toxicidad estabilidad
quiacutemica densidad y peso adecuado ademaacutes es deseable que sean econoacutemicos
211 Aplicaciones
En las uacuteltimas deacutecadas la siacutentesis y aplicacioacuten de biomateriales ha llegado a ser una de las aacutereas
de investigacioacuten maacutes activa y prometedora posicionada en la interseccioacuten de la quiacutemica ciencia
de los materiales bioingenieriacutea y la medicina
Una de las aplicaciones de los biomateriales que ha atraiacutedo cada vez maacutes la atencioacuten de los
cientiacuteficos es su uso como sistemas de liberacioacuten de faacutermaco Una gran variedad de materiales
han sido estudiados para esta aplicacioacuten por ejemplo dendriacutemeros micelas emulsiones
liposomas y sistemas nanoestructurados Especialmente las nanopartiacuteculas magneacuteticas a base de
hierro han sido de gran intereacutes debido a las oportunidades en la terapia de caacutencer y el tratamiento
de otras enfermedades Su potencial deriva de las propiedades intriacutensecas de sus nuacutecleos
magneacuteticos combinados con la capacidad de carga del faacutermaco y las propiedades bioquiacutemicas que
pueden ser adquiridas mediante su recubrimiento adecuado Ademaacutes las nanopartiacuteculas pueden
actuar a nivel tisular o celular lo cual implica que pueden ser endocitadas o fagocitadas
resultando en su internalizacioacuten En eacuteste proceso las nanopartiacuteculas pueden llegar maacutes allaacute de la
membrana citoplasmaacutetica
24
Entre las aplicaciones maacutes usadas de las nanopartiacuteculas como biomateriales se encuentran la
imagen de resonancia magneacutetica hipertermia y sistemas de liberacioacuten de faacutermacos las cuales se
explican a continuacioacuten
a Imagen de resonancia magneacutetica
Los avances en el desarrollo de nuevas estrategias y tecnologiacuteas para tratamiento y evaluacioacuten
precliacutenica de caacutencer mediante el uso de faacutermacos antitumorales destacan la creciente necesidad
de una evaluacioacuten a tratamientos tumorales in vivo mediante el uso de biomarcadores de imagen
La imagen de resonancia magneacutetica (MRI) se ha establecido como la herramienta principal en el
monitoreo in vivo de cambios morfoloacutegicos funcionales y metaboacutelicos en tumores soacutelidos debido
a su excelente contraste en tejidos blandos excelente resolucioacuten espacial y naturaleza no-
invasiva MRI es una teacutecnica que usa el magnetismo y pulso por radiofrecuencia (RF) para
producir imaacutegenes de tejidos u oacuterganos compuestos de elementos sensibles a la resonancia
magneacutetica tales como hidroacutegeno (H) La MRI se basa en los principios de la resonancia
magneacutetica nuclear El cuerpo bioloacutegico se compone de numerosos protones contenidos en el
nuacutecleo del H los cuales giran en sus ejes con la llamada frecuencia de Larmor produciendo un
campo magneacutetico representado por el momento o vector magneacutetico Una gran cantidad de
protones en el cuerpo resultaraacute en un vector magneacutetico neto que se alinea con el campo
magneacutetico externo o paralelo al eje longitudinal del magneto Esta alineacioacuten de protones es
llamada magnetizacioacuten longitudinal Cuando la magnetizacioacuten longitudinal se inclina
transversalmente debido a un impulso de RF se induce una corriente eleacutectrica o sentildeal de
resonancia magneacutetica que puede ser recibida por una bobina de RF En esencia la MRI se lleva a
cabo aplicando de manera alterna pulsos de RF al tejido bioloacutegico La Aplicacioacuten de pulsos de
RF en cierto tiempo de repeticioacuten (TR) y las sentildeales recibidas en un tiempo predefinido o tiempo
de repeticioacuten (TE) produce el contraste en las imaacutegenes de MRI Tales sentildeales de resonancia
magneacutetica son entonces codificadas en fase y frecuencia a imaacutegenes de resonancia magneacutetica por
la teacutecnica de transformada de Fourier
25
b Hipertermia
La hipertermia implica el tratamiento de ceacutelulas canceriacutegenas a traveacutes de la generacioacuten de calor
[38] Este enfoque involucra el aumento de la temperatura del ambiente local del tumor
resultando en un cambio en la fisiologiacutea de las ceacutelulas enfermas llevaacutendolas finalmente a la
apoptosis Dependiendo del grado en el aumento de la temperatura el tratamiento por hipertermia
puede ser clasificado como i) ablacioacuten teacutermica [39] en el cual el tumor es sometido a altas
temperaturas de calor mayores a 46 degC pudiendo llegar a los 56 degC causando que las ceacutelulas
experimenten necrosis coagulacioacuten o carbonizacioacuten ii) Hipertermia moderada [39] con
temperaturas entre 41 degC y 46 degC tiene efectos tanto a nivel celular como tisular las ceacutelulas
experimentan estreacutes teacutermico resultando en la activacioacuten yo iniciacioacuten de muchos mecanismos de
degradacioacuten intra- y extracelular tal como la degradacioacuten o pliegue iii) Diatermia [39] implica
temperaturas menores a 41 degC para el tratamiento de enfermedades reumaacuteticas en la fisioterapia
c Sistemas de liberacioacuten de faacutermaco
Los sistemas de liberacioacuten de faacutermaco tienen como objetivo la entrega y liberacioacuten de faacutermacos
a sitios de accioacuten especiacuteficos manteniendo la concentracioacuten del faacutermaco a un nivel terapeacuteutico
adecuado durante un periacuteodo de tiempo determinado Es decir un sistema ideal para la liberacioacuten
de faacutermacos debe ser capaz de controlar la liberacioacuten y focalizacioacuten del faacutermaco para garantizar
una alta eficiencia del faacutermaco a la vez que se disminuyen los efectos secundarios causados por
los faacutermacos anticanceriacutegenos que no uacutenicamente actuacutean sobre las ceacutelulas cancerosas sino
ademaacutes sobre las ceacutelulas sanas Un sistema nanoestructurado para la liberacioacuten de faacutermacos
puede penetrar en el cuerpo ya que su tamantildeo le permite ser administrado viacutea intravenosa o a
traveacutes de otras rutas de administracioacuten Ademaacutes los sistemas de liberacioacuten de faacutermaco deben
permanecer estables tanto fiacutesica como quiacutemicamente antes de llegar a su destino
26
22 SISTEMAS DE LIBERACIOacuteN DE FAacuteRMACO
En la Fig 21 se presentan los diferentes tipos de sistemas nanoparticulados empleados en la
liberacioacuten de faacutermacos los cuales se describen brevemente
Figura 21 Categoriacuteas esenciales de los materiales usados como DDS i) Materiales orgaacutenicos dendriacutemeros
micelas liposomas i) Materiales inorgaacutenicos nanopartiacuteculas de oro sistemas nanoestructurados a base de oacutexido de
hierro quantum dots (Modificado de Grumezescu [40] y Riggio [45])
221 Liposomas
Los liposomas tienen una larga historia como sistemas de liberacioacuten de faacutermaco debido a su faacutecil
preparacioacuten baja toxicidad y biodegradabilidad [4142] Los liposomas son estructuras
coloidales autoensambladas compuestas de bicapas lipiacutedicas que rodean un compartimiento
27
acuoso y puede encapsular una amplia variedad de faacutermacos quimioterapeacuteuticos ya sean
hidroacutefilos o hidroacutefobos [4344] Los liposomas se pueden clasificar como liposomas de primera
generacioacuten o liposomas desnudos con una superficie de fosfoliacutepido no modificado de segunda
generacioacuten o liposomas furtivos con una capa de carbohidratos o poliacutemeros hidroacutefilos
generalmente de PEG en la superficie de las vesiacuteculas y liposomas de tercera generacioacuten que
incorporan ligandos superficiales para mejorar el iacutendice terapeacuteutico del faacutermaco mediante el
aumento de la selectividad y la especificidad del complejo En la Fig 21 se representa
esquemaacuteticamente la estructura de los liposomas
222 Nanopartiacuteculas polimeacutericas
Las nanopartiacuteculas polimeacutericas (Fig 21) son portadores que van de 10 a 100 nm conformados
de poliacutemeros naturales o artificiales generalmente biodegradables donde los faacutermacos
terapeacuteuticos puede ser adsorbidos disueltos atrapados encapsulados o enlazados
covalentemente a la cadena principal del poliacutemero por medio de un enlace sencillo eacutester o amida
que se pueden hidrolizar in vivo a traveacutes de un cambio de pH
Los poliacutemeros sinteacuteticos que incluyen al aacutecido polilaacutectico (PLA) [46] aacutecido poliglicoacutelico (PGA)
[47] poli etilenglicol (PEG) [48] y sus copoliacutemeros han sido los maacutes ampliamente investigados
debido a su biocompatibilidad y biodegradabilidad Otros poliacutemeros naturales como el quitosano
y alginato han sido ampliamente probados [49]
223 Micelas
Las micelas son portadores esfeacutericos biodegradables con un intervalo de tamantildeo de 10-200 nm
Eacutestas son formadas por autoensamblaje de bloques de copoliacutemeros compuestos de dos o maacutes
cadenas de poliacutemeros con diferente hidrofobicidad Estos copoliacutemeros espontaacuteneamente se
28
ensamblan para formar una estructura de nuacutecleo-coraza en un medio acuoso para minimizar la
energiacutea libre del sistema (Fig 21) Los segmentos hidroacutefobos forman el nuacutecleo interior
hidroacutefobo para minimizar su exposicioacuten al medio ambiente mientras que las cadenas hidroacutefilas
forman la coraza hidroacutefila externa para estabilizar el nuacutecleo a traveacutes del contacto directo con el
agua [50]
224 Dendriacutemeros
Los dendriacutemeros son macromoleacuteculas altamente ramificadas esfeacutericas y sinteacuteticas con tamantildeo y
forma ajustable Contienen muacuteltiples capas con grupos terminales activos tambieacuten conocidos
como generaciones que se extienden hacia fuera desde un nuacutecleo iniciador llamado generacioacuten
cero (Fig 21) El tamantildeo de los dendriacutemeros estaacute generalmente en el rango de 1-15 nmLas
ramificaciones de estos poliacutemeros proporcionan un aacuterea superficial grande para que moleacuteculas
yo medicamentos quimioterapeacuteuticos puedan ser unidos a traveacutes de la conjugacioacuten covalente o
adsorcioacuten electrostaacutetica Alternativamente los agentes terapeacuteuticos se pueden cargar en las
cavidades de las regiones centrales a traveacutes de interaccioacuten hidrofoacutebica enlaces de hidroacutegeno o
enlace quiacutemico Los dendriacutemeros maacutes comuacutenmente estudiados pertenecen a la familia de los
dendriacutemeros PAMAM (poliamidoamina) Estos poliacutemeros han mostrado un gran potencial para la
liberacioacuten de medicamentos ya que son biodegradables y biocompatibles y tienen alta
solubilidad en agua [51]
225 Nanopartiacuteculas Magneacuteticas
La liberacioacuten controlada de faacutermacos con materiales funcionales nanoestructurados
especialmente las nanopartiacuteculas magneacuteticas estaacute atrayendo cada vez maacutes la atencioacuten debido a
las oportunidades en la terapia de caacutencer y el tratamiento de otras enfermedades El potencial de
las nanopartiacuteculas magneacuteticas deriva de las propiedades intriacutensecas de sus nuacutecleos magneacuteticos
combinados con su capacidad de carga del medicamento y las propiedades bioquiacutemicas que
pueden ser otorgados a estas por medio de un recubrimiento adecuado
29
23 CLASIFICACIOacuteN DE LOS MATERIALES MAGNEacuteTICOS
Desde el punto de vista del comportamiento magneacutetico podemos clasificar los materiales en
diamagneacuteticos paramagneacuteticos ferromagneacuteticos antiferromagneacuteticos ferrimagneacuteticos (Fig 22)
Figura 22 (a) Clasificacioacuten de los materiales seguacuten su comportamiento magneacutetico paramagneacuteticos
ferromagneacuteticos antiferromagneacuteticos y ferrimagneacuteticos (b) Los materiales superparamagneacuteticos son observados en
los nanomateriales ferro- y ferrimagneacuteticos que se componen de un soacutelo dominio magneacutetico
231 Diamagnetismo
El diamagnetismo se basa en la interaccioacuten entre el campo aplicado y los electrones moacuteviles del
material [52] El diamagnetismo se caracteriza por i) una magnetizacioacuten deacutebil del material en el
sentido opuesto al campo magneacutetico aplicado [53] ii) una susceptibilidad magneacutetica negativa y
pequentildea con permeabilidad relativa ligeramente menor que 1 iii) intensidad de respuesta muy
pequentildea
232 Paramagnetismo
En los materiales paramagneacuteticos los momentos magneacuteticos se encuentran desordenados por lo
que no mantiene un momento magneacutetico neto Estos materiales se caracterizan por i) requerir un
gran campo magneacutetico para poder adquirir una alta magnetizacioacuten ii) magnetizacioacuten deacutebil en el
30
mismo sentido que el campo magneacutetico aplicado iii) susceptibilidad magneacutetica positiva y
pequentildea con permeabilidad relativa ligeramente mayor que 1 iv) intensidad de respuesta muy
pequentildea Ejemplos de estos materiales son el Cr Mn y los gases diatoacutemicos La Fig 22(a)
muestra el ordenamiento magneacutetico de estos materiales
233 Ferromagnetismo
En los materiales ferromagneacuteticos los momentos magneacuteticos individuales de grupos de aacutetomos o
moleacuteculas se mantienen alineados entre siacute debido a un fuerte acoplamiento auacuten en ausencia de
campo exterior [54] Estos grupos se denominan dominios y actuacutean como un pequentildeo imaacuten
permanente En ausencia de campo aplicado los dominios tienen sus momentos magneacuteticos netos
distribuidos al azar Cuando se aplica un campo exterior los dominios tienden a alinearse con el
campo Este alineamiento puede permanecer en algunos casos con un muy fuerte acoplamiento
cuando se retira el campo creando un imaacuten permanente [55] Los materiales ferromagneacuteticos se
caracterizan por i) una fuertemente magnetizacioacuten en el mismo sentido que el campo magneacutetico
aplicado ii) susceptibilidad magneacutetica positiva y grande con permeabilidad relativa mucho
mayor que 1 iv) la agitacioacuten teacutermica tiende a desalinear los dominios A temperatura normal la
energiacutea teacutermica no es en general suficiente para desmagnetizar un material magnetizado sin
embargo por encima de la temperatura de Curie [56] el material se vuelve paramagneacutetico
debido a que los efectos teacutermicos de desorden son mayores que los efectos de alineamiento de la
interaccioacuten magneacutetica entre dominios La Fig 22(a) muestra el alineamiento de los materiales
ferromagneacuteticos
234 Antiferromagnetismo
Los materiales antiferromagneacuteticos tienen un estado natural en el cual los espines atoacutemicos de
aacutetomos adyacentes son opuestos de manera que el momento magneacutetico neto es nulo [57] Este
estado hace difiacutecil que el material se magnetice aunque de todas formas adopta una
31
permeabilidad relativa ligeramente mayor que 1 Por encima de una temperatura criacutetica llamada
temperatura de Neel un material antiferromagneacutetico se vuelve paramagneacutetico La Fig 22(a)
esquematiza el ordenamiento magneacutetico de los materiales antiferromagneacuteticos
235 Ferrimagnetismo
Los materiales ferrimagneacuteticos son similares a los antiferromagneacuteticos salvo que las especies de
aacutetomos alternados son diferentes (por ejemplo por la existencia de dos subredes cristalinas
entrelazadas) y tienen momentos magneacuteticos diferentes [58] Existe entonces una magnetizacioacuten
neta que puede ser en algunos casos muy intensa
236 Superparamagnetismo
El superparamagnetismo es una forma de magnetismo observado en los nanomateriales ferro- y
ferrimagneacuteticos que se componen de un soacutelo dominio magneacutetico [59] (Fig 22(b)) Debido a su
tamantildeo tan pequentildeo no hay orden de largo alcance en estos materiales Estos materiales se
caracterizan por i) alcanzar una magnetizacioacuten relativamente alta con bajos campos magneacuteticos
aplicados [59] ii) por debajo de la temperatura Curie los momentos magneacuteticos dentro de un
dominio magneacutetico se alinean paralelamente a un campo aplicado para producir la alta
magnetizacioacuten [59] iii) despueacutes de que un campo magneacutetico aplicado se ha eliminado no queda
magnetizacioacuten remanente (Mr) neta [59] La falta de Mr se debe al hecho de que la
magnetizacioacuten de cada dominio faacutecilmente salta entre dos orientaciones estables que estaacuten
separados por una pequentildea diferencia de energiacutea De hecho la diferencia de energiacutea es tan
pequentildea que la energiacutea teacutermica cancela la magnetizacioacuten total de la partiacutecula Compuestos de
hierro cobalto y niacutequel y sus aleaciones elementos de tierras raras intermetaacutelicos de gadolinio
oro y vanadio son ferromagneacuteticos que pueden ser utilizados para producir partiacuteculas
superparamagneacuteticas cuando el tamantildeo del dominio magneacutetico se encuentra a escala
nanomeacutetrica Otros materiales pueden ser utilizados incluyendo ferritas compuesto por oacutexidos
32
de hierro o con otros elementos como el aluminio cobre cobalto niacutequel manganeso magnesio
hierro y zinc Ademaacutes tambieacuten se pueden utilizar las ferritas hexagonales
24 FERRITAS HEXAGONALES
Desde el descubrimiento de las ferritas en la deacutecada de 1950 ha habido un gran intereacutes en las
ferritas hexagonales tambieacuten conocidas como hexaferritas Este intereacutes tanto cientiacutefico como
tecnoloacutegico ha ido creciendo exponencialmente hasta el diacutea de hoy Ademaacutes de su uso como
imanes permanentes las hexaferritas tienen aplicaciones como material de grabacioacuten magneacutetica
en almacenamiento de datos y como componentes en dispositivos eleacutectricos
Existen diferentes tipos de ferritas hexagonales indicadas como M W X Y Z y U todas ellas
con estrechas estructuras cristalinas altamente complejas De los diferentes tipos de ferritas
hexagonales las hexaferritas de mayor importancia comercial son las tipo M dentro de las cuales
se encuentran las hexaferritas de bario BaFe12O19 y las ferritas de estroncio con Sr reemplazando
al Ba en la misma foacutermula La importancia de estas ferritas es debido a su bajo costo y sus
propiedades como estabilidad quiacutemica alta resistividad magnetizacioacuten de saturacioacuten
conveniente y alta coercitividad magneacutetica etc
La unidad molecular de la ferrita tipo M estaacute formada por un bloque S y un bloque R con una
superposicioacuten de capas cuacutebicas y hexagonales (Fig 23(a) El plano basal que contiene el aacutetomo
de bario es un plano espejo y los dos bloques S por encima y por debajo del bloque R son por lo
tanto rotaciones de 180ordm alrededor del eje c de cada una Un bloque R espejo R es entonces
requerido para continuar la estructura y es por esta razoacuten que la ceacutelula unitaria requiere dos
unidades moleculares M dando la foacutermula de celda unitaria SRSR donde es una rotacioacuten del
bloque a 180ordm alrededor del eje c (Fig 23(a)) Los paraacutemetros reticulares de la BaFe12O19 son
2317 Aring para la longitud del eje c y 589 Aring para a la anchura del plano basal y este paraacutemetro a
es constante para todas las hexaferritas de bario La relacioacuten de altura a ancho es de 394 por lo
que BaFe12O19 tiene una gran anisotropiacutea cristalina Las vistas en perspectiva de la estructura son
33
tambieacuten mostradas en la Fig 23(b) y Fig 23(c) mientras que los poliedros de la estructura M
incluyendo el sitio bipiramidal del bloque R se muestran en la Fig 23(d) La Fig 23(e)
representa el apilamiento de los bloques R y S en la estructura M
Figura 23 (a) seccioacuten transversal de la estructura de la ferrita tipo M (BaFe12O19) Tomado de Robert C Pullar [60]
25 METODOS DE SIacuteNTESIS
251 Siacutentesis sol-gel
El meacutetodo sol-gel es un meacutetodo de siacutentesis quiacutemica huacutemeda el cual permite la fabricacioacuten de una
amplia gama de materiales con diversas configuraciones por ejemplo fibras peliacuteculas delgadas
monolitos y revestimientos Ademaacutes el meacutetodo sol-gel permite sintetizar materiales hiacutebridos
orgaacutenicos-inorgaacutenicos con una gran variedad de aplicaciones potenciales en diversos campos de
34
la investigacioacuten incluyendo la oacuteptica electroacutenica semiconductores superconductores y
biomateriales El meacutetodo sol gel ofrece una serie de ventajas i) los precursores pueden mezclarse
a nivel molecular lo cual permite la formacioacuten de soluciones soacutelidas del material a temperaturas
de procesamiento relativamente bajas cuando se compara con los meacutetodos tradicionales ii) es un
meacutetodo faacutecil sencillo y versaacutetil iii) permite un control quiacutemico y estructural es decir la
nucleacioacuten y crecimiento de las partiacuteculas coloidales primarias puede ser controlada para dar
partiacuteculas con tamantildeo y forma deseada ademaacutes de la composicioacuten quiacutemica deseada
Actualmente existe una amplia gama de rutas de siacutentesis derivadas del meacutetodo sol-gel (Fig 24)
En teacuterminos simples el meacutetodo sol-gel implica dos fases distintas La primera fase una
suspensioacuten coloidal la cual es una suspensioacuten estable de partiacuteculas soacutelidas coloidales dentro de
un liacutequido donde las partiacuteculas soacutelidas deben ser maacutes densas que el liacutequido de los alrededores y
suficientemente pequentildeas (2 nm a 1 microm lo cual corresponde a 103-10
9 aacutetomos por partiacutecula) para
que las fuerzas responsables de la dispersioacuten sean maacutes grandes que las fuerzas de gravedad La
segunda fase constituida por un gel el cual es una red soacutelida porosa tridimensionalmente
interconectada que forma una entidad continuacutea a lo largo de una fase secundaria usualmente
liacutequida
Se han dedicado esfuerzos considerables en el desarrollo de micro y nanopartiacuteculas de oacutexido de
hierro con propiedades magneacuteticas adecuadas para la investigacioacuten biomeacutedica Las
nanopartiacuteculas de oacutexido de hierro son las maacutes ampliamente investigadas en el campo meacutedico y
farmaceacuteutico debido a sus excelentes propiedades de biocompatibilidad estabilidad quiacutemica y
baja toxicidad El meacutetodo sol gel es un meacutetodo faacutecil y conveniente para sintetizar oacutexidos de
hierro a partir de soluciones acuosas de sales metaacutelicas Ademaacutes el tamantildeo la forma y la
composicioacuten de las partiacuteculas magneacuteticas dependen en gran medida del tipo de precursores
utilizados relacioacuten Fe2+
a Fe3+
temperatura de reaccioacuten valor de pH y la fuerza ioacutenica del medio
Por lo tanto el control del proceso mediante estos paraacutemetros es esencial en la produccioacuten
35
partiacuteculas monodispersas de oacutexido de hierro El meacutetodo sol-gel parte de una suspensioacuten coloidal
(sol) y la subsiguiente formacioacuten del (gel) En la preparacioacuten del sol los precursores tanto
orgaacutenicos como inorgaacutenicos experimentan reacciones de hidrolisis y condensacioacuten (o
polimerizacioacuten) para formar pequentildeas partiacuteculas soacutelidas en un liacutequido (ya sea un solvente
orgaacutenico o acuoso) Las partiacuteculas soacutelidas son tan pequentildeas (1-1000 nm) que las fuerzas
gravitacionales son despreciables y las interacciones estaacuten dominadas por fuerzas esteacutericas de
van der Waals y Coulombicas
Figura 24 Rutas de siacutentesis derivadas del meacutetodo sol-gel Tomado de httpsstrllnlgovstrMay05Satcherhtml
Varios grupos de investigacioacuten [61-63] han descrito la siacutentesis de partiacuteculas magneacuteticas
nanoestructurados de base de oacutexido de hierro a partir del meacutetodo sol-gel para aplicaciones en el
control de liberacioacuten de faacutermacos
36
Los avances en nanotecnologiacutea y ciencia de los materiales sugieren que algunos de los problemas
actuales de los materiales podriacutean ser resueltos o al menos mejorados mediante la modificacioacuten
superficial
252 Secado por aspersioacuten
El secado por aspersioacuten es un meacutetodo que permite la conversioacuten continua de fluidos (soluciones
emulsiones suspensiones mezclas pastas) en polvos soacutelidos mediante un proceso de secado
dirigido a disentildear y producir materiales con un gran potencial para diversos sectores industriales
tales como la industria quiacutemica cosmeacutetica alimentaria y farmaceacuteutica Este proceso es un
meacutetodo raacutepido simple sencillo de escalabilidad industrial y bajo costo El principio del meacutetodo
se basa en la eliminacioacuten de la humedad mediante la aplicacioacuten de calor al fluido alimentado El
secado por aspersioacuten consiste de tres etapas principales (a) atomizacioacuten del fluido (b)
vaporizacioacuten o secado del liacutequido mediante una corriente de gas y (c) separacioacuten y recoleccioacuten de
las partiacuteculas
Figura 25 Configuracioacuten del equipo de secado por aspersioacuten (a) secador por aspersioacuten concurrente misma
direccioacuten de flujo y (b) secador por aspersioacuten a contracorriente (c) Evolucioacuten de la temperatura en el proceso de
secado en una gotita liacutequida [Handscomb y cols] En la separacioacuten y recoleccioacuten del polvo se pueden emplear (d)
separadores tipo cicloacuten yo (e) filtros de bolsa
37
a Atomizacioacuten
La atomizacioacuten es el primer paso que experimenta el fluido alimentado durante el secado por
aspersioacuten la cual involucra el rompimiento del liacutequido a granel en un nuacutemero grande de gotitas
impulsado por el proceso de secado por aspersioacuten mediante la reduccioacuten de la resistencia interna
a la transferencia de humedad desde la gotita hasta el medio de los alrededores La atomizacioacuten
es una etapa criacutetica en el proceso de secado debido a su influencia en la forma estructura
velocidad y distribucioacuten de la gotita generada y por lo tanto la naturaleza y tamantildeo de partiacutecula
del producto final Consecuentemente hay una peacuterdida miacutenima de calor sensible y
eventualmente se producen las partiacuteculas con las caracteriacutesticas fiacutesicas y morfoloacutegicas deseadas
La Fig 25 presenta el diagrama de dos tipos de secadores por aspersioacuten (Fig 25(a) secador por
aspersioacuten concurrente y (Fig 25(b) secador por aspersioacuten a contracorriente
b Vaporizacioacuten
En esta etapa se constituye la formacioacuten de fase de la partiacutecula Con el liacutequido a granel
atomizado en pequentildeas gotas el siguiente paso involucra el contacto iacutentimo de la gotita con el
gas acarreador Esto permite la raacutepida evaporacioacuten de la humedad de la superficie de todas las
gotitas de una manera uniforme Aquiacute el requerimiento es un flujo de gas uniforme en la caacutemara
de secado Las gotas usualmente se encuentran en contacto con aire caliente en la caacutemara de
secado ya sea en la misma direccioacuten de flujo o a contracorriente
El paso maacutes criacutetico en la formacioacuten de la partiacutecula involucra la evaporacioacuten de la humedad ya
que este paso estaacute asociado con la formacioacuten del producto final La evaporacioacuten de la humedad
durante el proceso de secado puede ser visualizada en dos fases un periodo de velocidad
constante y un periodo de caiacuteda de velocidad Inicialmente cuando la gotita estaacute expuesta a una
corriente de gas caliente la raacutepida evaporacioacuten toma lugar Durante esta exposicioacuten la gotita se
calienta desde una temperatura inicial (T0) a la temperatura de evaporacioacuten de equilibrio (Teq)
38
(Fig 25(c)-AB) Durante este periodo la eliminacioacuten de la humedad sigue la curva del periodo
de velocidad constante a medida que la humedad es removida constantemente a partir de la
superficie de la gotita manteniendo el enfriamiento suficiente La superficie de la gotita
permanece saturada con la humedad en esta fase y su temperatura es constante e igual a la
temperatura de bulbo huacutemedo (Fig 25(c)-BC) A medida que se elimina la humedad de la gotita
el soluto disuelto en el liacutequido alcanza una concentracioacuten maacutes allaacute de su concentracioacuten de
saturacioacuten y tiende a formar una coraza delgada en la superficie de la gotita descrita como
formacioacuten de coraza El comienzo de formacioacuten de coraza es una caracteriacutestica cineacutetica
importante del proceso de secado por aspersioacuten Despueacutes de esta fase la eliminacioacuten de la
humedad regresa al proceso de difusioacuten controlada y la velocidad de evaporacioacuten es dependiente
de la velocidad de difusioacuten de vapor de agua a traveacutes de la coraza superficial Esto constituye el
periodo de caiacuteda de velocidad Durante el periodo de caiacuteda de velocidad aunque la partiacutecula
comenzaraacute a calentarse (Fig 25(c)-CD) es casi la parte maacutes friacutea del equipo de secado donde el
gas de secado estaacute en o cerca de la temperatura de salida del equipo de secado
c Separacioacuten y recoleccioacuten
Los sistemas empleados para la separacioacuten y recoleccioacuten del producto final incluyen separadores
tipo cicloacuten (Fig 25(d)) yo filtros de bolsa (Fig 25(e))
El disentildeo e ingenieriacutea de micro y nanopartiacuteculas a traveacutes del secado por aspersioacuten ha sido
investigado como una alternativa de proceso de manufacturacioacuten en la industria farmaceacuteutica
debido a su amplia aplicabilidad El secado por aspersioacuten ha sido exitosamente usado en la
industria farmaceacuteutica para producir productos con propiedades fiacutesicas y quiacutemicas definidas por
ejemplo tamantildeo y forma de partiacutecula controlada para incrementar la solubilidad del faacutermaco y la
biodisponibilidad de las sustancias activas Ademaacutes el ajuste de los paraacutemetros del proceso de
secado por aspersioacuten permite la manipulacioacuten de varias propiedades de la partiacutecula con respecto
a los requerimientos de la aplicacioacuten deseada
39
26 ESTUDIOS REALIZADOS SOBRE LA SIacuteNTESIS Y APLICACIOacuteN DE
MATERIALES NANOESTRUCTURADOS A BASE DE OXIDO DE HIERRO COMO
SISTEMAS DDS
Como se mencionoacute anteriormente los biomateriales han llegado a ser una de las aacutereas maacutes
atractivas en la investigacioacuten cientiacutefica y tecnoloacutegica para el desarrollo de dispositivos con
aplicaciones biomeacutedicas sorprendentes tal como ocurre con los sistemas de liberacioacuten de
faacutermaco Diversos biomateriales han sido investigados como DDS incluyendo dendriacutemeros
micelas liposomas poliacutemeros y partiacuteculas magneacuteticas A este respecto Szulc y colaboradores
[64] han estudiado dendrimeros de poli(propileno imina) modificados con azuacutecar como DDS para
liberacioacuten de citarabina Mientras Song y colaboradores [65] han estudiado un sistema DDS
micelar termosensible exitosamente cargado con Doxorubicina (DOX) cuya eficiencia de carga
fue de 17 Por otra parte Vahed y colaboradores [66] han estudiado un sistema DDS basado en
liposomas enfocaacutendose en estrategias de quimioterapia combinada para la co-liberacioacuten de dos
faacutermacos quimioterapeacuteuticos un agente quimioterapeacuteutico con metales anticanceriacutegenos y un
agente quimioterapeacuteutico con agentes geacutenicos Duggan y colaboradores [67] han estudiados
poliacutemeros tiolados como DDS mucoadhesivos
Actualmente los sistemas nanoestructurados de partiacuteculas magneacuteticas han ganado atencioacuten
considerable como DDS debido a su biocompatibilidad faacutecil modificacioacuten superficial y sus
propiedades fiacutesicas quiacutemicas y magneacuteticas uacutenicas Oka y colaboradores [68] estudiaron un
compoacutesito nuacutecleo-coraza para liberacioacuten localizada de faacutermaco El compoacutesito estaacute estructurado
por un nuacutecleo de poliacutemero biodegradable y una coraza de nanopartiacuteculas de oacutexido de hierro
preparado a partir de una emulsioacuten Pickering Ademaacutes estudiaron la capacidad de carga del
sistema nuacutecleo-coraza cargando partiacuteculas de pireno cuya presencia fue confirmada mediante un
anaacutelisis de fluorescencia despueacutes de ser expuestas a rayos UV Ademaacutes la caracterizacioacuten
morfoloacutegica del sistema nuacutecleo-coraza fue estudiada por SEM y TEM Las propiedades
cristalograacuteficas se estudiaron mediante XRD Finalmente se estudiaron sus propiedades
magneacuteticas usando un sistema de medicioacuten de propiedades fiacutesicas (Quantum Desing)
40
Por otra parte Chandra y colaboradores [69] estudiaron un compoacutesito dendrimero-
nanopartiacuteculas magneacuteticas como un vehiacuteculo de liberacioacuten enzimaacutetica de faacutermaco sensible a
estiacutemulos simples El sistema fue caracterizado por diferentes teacutecnicas microestructurales y
espectroscoacutepicas Ellos obtuvieron partiacuteculas mesoporosas con propiedades superparamagneacuteticas
Ademaacutes exploraron su uso en la liberacioacuten de DOX alcanzando una alta eficiencia (superior a
95) con velocidades de liberacioacuten controlada bajo pH y temperatura sostenida La interaccioacuten
quiacutemica entre la DOX y las nanopartiacuteculas fue confirmada por un cambio en el potencial zeta y
una disminucioacuten en la intensidad de fluorescencia Otros estudios sobre DDS basados en
nanopartiacuteculas magneacuteticas pueden ser encontrados en la literatura [70-74]
Los sistemas DDS pueden ser disentildeados con gran variedad de diferentes morfologiacuteas las cuales
han sido reportadas en la literatura [75] Estas morfologiacuteas incluyen partiacuteculas esfeacutericas
completamente densas partiacuteculas rugosas partiacuteculas huecas partiacuteculas tipo dona y partiacuteculas
porosas Estas uacuteltimas muestran caracteriacutesticas notables sobre todo aquellas partiacuteculas con una
jerarquiacutea macro-mesoporosa ya que exhiben alta aacuterea superficial baja densidad y buena
estabilidad fisicoquiacutemica Ademaacutes dichos materiales pueden incrementar considerablemente la
capacidad de carga de un faacutermaco debido a que proporcionan una interconectividad que mejora
la difusioacuten o flujo de fluidos a la vez que aumentan considerablemente el aacuterea superficial
especiacutefica Por lo tanto estos sistemas aumentan la capacidad para que las moleacuteculas puedan ser
adsorbidas
Muchos estudios sobre sistemas nanoestructurados (macromeso)porosos han sido reportados en
la literatura Por ejemplo Liu y colaboradores [76] estudiaron materiales magneacuteticos
macroporosos siliacuteceos ordenados tridimensionalmente los cuales fueron fabricados por la
combinacioacuten de una co-sedimentacioacuten simple de un sistema coloidal binario de esferas de
PMMA y partiacuteculas de magnetita y la infiltracioacuten de precursores de silicio A partir de la
caracterizacioacuten por SEM y TEM establecen que los materiales macroporosos presentan una
estructura de empaquetamiento cubico centrado en las caras (fcc) con macroporos del orden de
200 nm Ademaacutes la caracterizacioacuten magneacutetica mostroacute que los materiales poseen una alta
magnetizacioacuten (192 emug) y comportamiento superparamagneacutetico
41
Por otra parte Santamariacutea y colaboradores [77] sintetizaron un sistema estructurado meso-
macroporoso de siacutelice para liberacioacuten controlada de ibuprofeno (IBU) El sistema fue sintetizado
usando una emulsioacuten WO usando decano como fase dispersa Los materiales obtenidos fueron
caracterizados por TEM SEM dispersioacuten de difraccioacuten de rayos x a bajo aacutengulo (SAXS) e
isotermas de adsorcioacuten-desorcioacuten de N2 Los resultados obtenidos mostraron que la carga del IBU
incrementa a medida que la presencia de macroporos en el material incrementa Esto uacuteltimo lo
atribuyen suponiendo que los macroporos permiten que el faacutermaco acceda a los poros internos
Pero establecen que cuando uacutenicamente mesoporos estuvieron en el material el IBU fue
probablemente adsorbido uacutenicamente sobre los mesoporos uacutenicamente cercanos a la superficie
Maacutes aun sentildealan que mientras maacutes cantidad de macroporos estaacuten presentes en el material maacutes
bajo fue el comportamiento de liberacioacuten del IBU debido a que el ibuprofeno adsorbido en los
poros internos tiene que difundirse a lo largo de los canales macroporos hasta la superficie del
material
Una amplia gama de meacutetodos han sido estudiados para la siacutentesis de sistemas magneacuteticos
nanoestructurados siendo los meacutetodos quiacutemicos los mayormente usados entre estos meacutetodos la
teacutecnica sol-gel sobresale debido a ventajas tales como el uso temperaturas de procesamiento
relativamente bajas comparadas con los meacutetodos tradicionales la facilidad sencillez y
versatilidad del meacutetodo el control sobre el tamantildeo y morfologiacutea del material y la obtencioacuten de
materiales relativamente puros Por ejemplo Anjaneyulu y Vijayalakshmi [82] fabricaron un
compoacutesito [HAP (Ca)10(PO4)6(OH)2] magnetita (Fe3O4) derivado del meacutetodo sol-gel sobre una
aleacioacuten Ti-6Al-4V El compoacutesito fue caracterizado por XRD SEM-EDAX y mediciones de
aacutengulo de contacto Ademaacutes realizaron un estudio de bioactividad in vitro el cual conformo que
el Ti-6Al-4V revestido por el compoacutesito fue altamente bioactivo e indujo la formacioacuten de apatita
en la presencia de las nanopartiacuteculas de Fe3O4 Por lo tanto su estudio sugiere que los implantes
recubiertos con HAPFe3O4 pueden ser usados para aplicaciones biomeacutedicas Ademaacutes una
revisioacuten detallada sobre materiales para aplicaciones biomeacutedicas sintetizados por el meacutetodo sol-
gel es proporcionada por G J Owens y colaboradores [83] en la revista Progress in Materials
Science publicada en 2016 Los materiales sintetizados por este meacutetodo incluyen los materiales a
42
base de siacutelice materiales a base de fosfatos materiales a base de metales (FendashO TindashO ZnndashO
etc) y materiales hiacutebridos orgaacutenicos-inorgaacutenicos
El aumento en el nuacutemero de artiacuteculos publicados en una gran variedad de revistas cientiacuteficas
dirigidas al disentildeo siacutentesis e ingenieriacutea de una amplia gama de materiales con diversas
formulaciones por ejemplo los liposomas dendriacutemeros micelas partiacuteculas polimeacutericas y
materiales magneacuteticos nanoestructurados revela que el aacuterea biomeacutedica ha llegado a ser un aacuterea
de gran intereacutes debido al potencial de estos materiales para ser usados en una gran variedad de
aplicaciones tal como agentes de contraste para MRI tratamiento de caacutencer mediante
hipertermia y como DDS
Dentro de los materiales maacutes prominentes para este tipo de aplicaciones se encuentran los
materiales magneacuteticos a base de oacutexido de hierro dentro de los cuales podemos incluir a los
sistemas nanoestructurados de hexaferrita de bario (BaFe12O19) disentildeados y sintetizados en el
presente trabajo de investigacioacuten La relevancia de estos materiales se basa en su
biocompatibilidad aprobados por la Federal Drug Administration (FDA) para su uso biomeacutedico
Una ventaja de los materiales porosos en especial aquellos materiales con una jerarquiacutea macro-
mesoporosa tal es el caso de los sistemas de BaFe12O19 sintetizados aquiacute es la presencia de una
arquitectura que exhiba alta aacuterea superficial baja densidad y buena estabilidad fisicoquiacutemica lo
cual reflejariacutea un incremento considerable en la capacidad de carga de moleacuteculas con actividad
bioloacutegica usadas como faacutermaco modelo ya sea de naturaleza hidrofoacutebica o hidrofiacutelica Ademaacutes
mediante la aplicacioacuten de un campo magneacutetico externo las propiedades magneacuteticas pueden ser
aprovechadas para dirigir y focalizar el faacutermaco a un sitio especiacutefico de accioacuten logrando un perfil
de liberacioacuten controlado Por lo tanto la concentracioacuten y nuacutemero de dosificaciones del faacutermaco
se reduciriacutea lo cual se veriacutea reflejado en la disminucioacuten de efectos secundarios no deseados en el
tratamiento de enfermedades tales como el caacutencer
43
CAPIacuteTULO 3
DESARROLLO EXPERIMENTAL
44
CAPIacuteTULO 3 DESARROLLO EXPERIMENTAL
En el presente capiacutetulo se describe el procedimiento experimental llevado a cabo durante el
trabajo de investigacioacuten La Fig 32 muestra las tres etapas principales que constituyen el
procedimiento experimental para el estudio de los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 I)
Disentildeo (Fig 31) y Siacutentesis II) Caracterizacioacuten y III) Pruebas bioloacutegicas La Tabla 3I muestra
los factores a evaluar en el disentildeo experimental fraccionario 2f
31 MATERIALES INICIALES
Se usaron productos comerciales grado reactivo sin purificacioacuten alguna Los reactivos usados
para la siacutentesis de la hexaferrita de bario fueron marca Sigma-Aldrich Nitrato de hierro (III)
nonahidratado Fe(NO3)39H2O carbonato de bario BaCO3 e hidroacutexido de amonio El surfactante
utilizado fue el Tween 20 (Merck) El surfactante hidrofiacutelico no-ioacutenico Tween 20 (C58H114O26) es
un eacutester de polioxietileno sorbitan (con un peso molecular calculado de 1225 Daltones asumiendo
20 unidades de oacutexido de etileno 1 sornitol y un aacutecido laacuteurico como aacutecido graso primario
Microesferas de poliestireno (PS) monodispersas sintetizadas en el laboratorio fueron usadas
como agente poroacutegeno o agente formador de poro
La primera etapa establece el disentildeo y siacutentesis de agregados esfeacutericos nanoestructurados de
hexaferrita de bario de tamantildeo micromeacutetrico con jerarquiacutea macro-mesoporosa (de aquiacute en
adelante llamados simplemente agregados de BaFe12O19) En esta etapa un disentildeo factorial 2f fue
usado para disentildear y evaluar los efectos de la temperatura (T) presioacuten (P) y concentracioacuten de
agente poroacutegeno ( en peso) en el meacutetodo de siacutentesis sol-gel acoplado a secado por aspersioacuten La
siacutentesis sol-gel se inicioacute con el uso de nitrato de hierro (III) nonahidratado Fe(NO)3 y carbonato
45
de bario BaCO3 como sales precursoras las cuales son disueltas en agua desionizada A su vez
Tween 20 se usoacute como surfactante para permitir la creacioacuten de la estructura mesoporosa
La mezcla de sales precursoras + Tween 20 se agitoacute por 30 min mediante agitacioacuten magneacutetica
modificando el pH a 8 usando NH4OH A continuacioacuten se agregoacute una suspensioacuten acuosa de
esferas de poliestireno (PS) usada como agente poroacutegeno con una concentracioacuten de 30 o 50
de acuerdo al disentildeo factorial 2f La suspensioacuten resultante se sometioacute al proceso de secado por
aspersioacuten donde se evaluaron los paraacutemetros de temperatura (T degC) y presioacuten (P Kgcm2) de
acuerdo a los valores del disentildeo factorial 2f Como resultado se obtuvo un compoacutesito
ceraacutemicopoliacutemero el cual fue sometido a un tratamiento teacutermico a temperaturas de 700 degC hasta
1000 degC para obtener el material macro-mesoporoso con estructura y morfologiacutea deseada
La segunda etapa se enfoca en la caracterizacioacuten Esta etapa del proceso aborda las teacutecnicas de
caracterizacioacuten estructural morfoloacutegica fiacutesica quiacutemica y magneacutetica de los agregados de
BaFe12O19 Difraccioacuten de rayos X (XRD) fue usada para determinar la estructura y cristalinidad
de los agregados de BaFe12O19 Microscopiacutea electroacutenica de barrido (SEM) fue usada para
determinar la morfologiacutea y tamantildeo de los agregados de BaFe12O19 ademaacutes de caracterizarlos
quiacutemicamente mediante anaacutelisis EDS y mapeo quiacutemico Microscopiacutea electroacutenica de transmisioacuten
(TEM) fue usada para determinar la morfologiacutea y estructura de los agregados de BaFe12O19
usando las modalidades de campo claro (BF) campo oscuro (DF) alta resolucioacuten (HRTEM)
barrido-transmisioacuten (STEM) en su modalidad de campo oscuro anular (STEM-ADF) y difraccioacuten
electroacutenica de aacuterea selecta (SAEDP) Determinacioacuten de aacuterea superficial especiacutefica BET mediante
adsorcioacutendesorcioacuten de N2 Espectroscopiacutea infrarroja por transformada de Fourier (FTIR)
Potencial zeta ζ El Magnetoacutemetro de muestra vibrante (VSM) fue usada para determinacioacuten de
las propiedades magneacuteticas (saturacioacuten magneacutetica Ms remanencia magneacutetica Mr y coercitividad
Hc) La tercera etapa evaluacutea las pruebas bioloacutegicas Los agregados de BaFe12O19 se evaluaron
como DDS al probar su capacidad de carga usando el peacuteptido DS como faacutermaco modelo El
peacuteptido DS se sintetizoacute a partir de los plaacutesmidos pF1A T7 Flexireg pFN21K y pFN18K
empleando la cepa T7 de Escherichia coli A su vez isopropil-β-D-1-tiogalactopiranoacutediso
(IPTG) se usoacute para inducir la produccioacuten del peacuteptido
46
Figura 31 Disentildeo experimental fraccionario 2f Las variables de entrada son la presioacuten (P) Temperatura (T) y
porcentaje de agente poroacutegeno (PS) Las variables de respuesta son la morfologiacutea y tamantildeo de agregado aacuterea
superficial BET volumen de mesoporo y tamantildeo de macroporo
Tabla 3I Factores a evaluar en el disentildeo experimental A) Presioacuten (P) B) Temperatura (T) y C) Concentracioacuten de
poliestireno usado como agente poroacutegeno (PS) Cada uno de los paraacutemetros presenta un nivel bajo (-) y un nivel
alto (+)
Factor Paraacutemetro Nivel
Bajo (-) Alto (+)
A P (Kgcm2) 15 2
B T (degC) 180 200
C PS 30 50
Los disentildeos factoriales se usan ampliamente en experimentos que incluyen varios factores
cuando es necesario estudiar el efecto conjunto de los factores sobre una respuesta El disentildeo 2f
es de particular importancia ya que proporciona el menor nuacutemero de corridas con las que pueden
estudiarse f factores en un disentildeo factorial completo
El resultado total del disentildeo factorial 2f es representado en la Tabla 3II El nivel alto para cada
factor estaacute representado por el siacutembolo maacutes (+) mientras el siacutembolo menos (-) representa el nivel
bajo Los resultados del disentildeo factorial de dos factores pueden ampliarse en el caso general en
que hay a niveles del factor A b niveles del factor B y c niveles del factor C dispuestos en un
experimento factorial En general habraacute abchellipn observaciones totales si se hacen n reacuteplicas del
47
experimento completo Es necesario un miacutenimo de dos replicas (n ge 2) para determinar una suma
de cuadrados debida al error si todas las interacciones posibles estaacuten incluidas en el modelo
Cuando todos los factores del experimento son fijos es sencillo formular y probar hipoacutetesis
acerca de los efectos principales y las interacciones
Tabla 3II Matriz del disentildeo experimental
A B AB C AC BC ABC
(1) - - + - + + -
a + - - - - + +
b - + - - - - +
ab + + + - - - -
c - - + + - - +
ac + - - + + - -
bc - + - + + + -
abc + + + + + + +
48
Figura 32 Diagrama de flujo que muestra las etapas principales en el desarrollo experimental en la siacutentesis de
agregados nanoestructurados de BaFe12O19 i) Disentildeo y Siacutentesis ii) Caracterizacioacuten y iii) pruebas bioloacutegicas
49
32 DISENtildeO EXPERIMENTAL FRACCIONARIO 2f
El disentildeo del sistema de los agregados esfeacutericos nanoestructurados macroporosos de BaFe12O19
fue llevado a cabo usando un disentildeo factorial 2f El teacutermino 2
f mide la cantidad de condiciones
experimentales siendo f el nuacutemero de factores a evaluar En este caso particular cada factor
presenta dos niveles lo cual estaacute representado por el nuacutemero 2 en el teacutermino 2f El disentildeo
permitioacute evaluar el efecto de los paraacutemetros del secado por aspersioacuten tales como la presioacuten del
aire (P Kgcm2) y la temperatura de entrada (T degC) Asiacute tambieacuten como la concentracioacuten del
poroacutegeno () en el tamantildeo y volumen de los aglomerados esfeacutericos obtenidos en el proceso de
secado por aspersioacuten
33 SIacuteNTESIS DE AGREGADOS DE BaFe12O19
Las esferas de BaFe12O19 fueron sintetizadas por el meacutetodo sol-gel asistido por surfactantes y
agentes poroacutegenos Durante la siacutentesis dos suspensiones fueron preparadas la primera
compuesta por las sales de Fe(NO3)39H2O y BaCO3 las cuales fueron disueltas en agua
desionizada y agitadas magneacuteticamente con una relacioacuten molar estequiometria la segunda
formada por el surfactante Tween 20 en solucioacuten acuosa Ambas suspensiones fueron mezcladas
con agitacioacuten magneacutetica constante Durante el proceso de reaccioacuten el pH de la suspensioacuten fue
ajustado a 80 usando NH4OH Una tercera suspensioacuten compuesta por esferas de poliestireno
dispersas en agua desionizada fue adicionada a la mezcla con agitacioacuten magneacutetica constante por 1
h variando la concentracioacuten de acuerdo al disentildeo experimental
La mezcla coloidal resultante fue alimentada a una caacutemara de secado tubular de un equipo Mini
Spray Dryer (Yamato ADL31) a traveacutes de un flujo concurrente de aire caliente como gas
acarreador El proceso de secado fue iniciado por la generacioacuten de pequentildeas gotas a partir de la
suspensioacuten coloidal seguida por la atomizacioacuten del liacutequido a una temperatura y presioacuten variando
de acuerdo al disentildeo experimental resultando en la produccioacuten de polvos (xerogeles) compuestos
de partiacuteculas soacutelidas Finalmente el polvo fue recolectado mediante un cicloacuten y sometido a un
50
tratamiento teacutermico para la eliminacioacuten total de los agentes orgaacutenicos surfactante y el agente
poroacutegeno la eliminacioacuten total de agua estructural la formacioacuten de oacutexidos y la cristalizacioacuten de
los mismos Cuatro diferentes temperaturas de tratamiento isoteacutermico fueron evaluadas 700 800
900 y 1000 degC a una velocidad de calentamiento de 3 degCmin por 2 h con el objeto de seguir la
cristalizacioacuten y la formacioacuten de las fases de hexaferrita de bario asiacute como la evaluacioacuten de la
microestructura y de las propiedades magneacuteticas en funcioacuten de la temperatura de tratamiento
teacutermico
34 CARACTERIZACIOacuteN
341 Difraccioacuten de rayos X
Las fases y estructuras cristalinas de la BaFe12O19 fueron analizadas por difraccioacuten de rayos x en
un difractoacutemetro Bruker modelo D8 Advance usando radiacioacuten Cu Kα (45 KV 30 mA) Las
muestras analizadas fueron escaneadas en un rango 2θ a partir de 20 a 80 deg y una amplitud de
paso constante de 002deg
342 Microscopiacutea electroacutenica de barrido
La caracterizacioacuten estructural y morfoloacutegica de la BaFe12O19 fue llevada a cabo en un
microscopio electroacutenico de barrido (SEM) de emisioacuten de campo JEOL JSM-7600F asiacute como su
caracterizacioacuten quiacutemica usando la teacutecnica de espectroscopiacutea de divisioacuten de energiacutea de los rayos
caracteriacutesticos (EDS) El tamantildeo de los agregados de BaFe12O19 fue determinado a partir de
imaacutegenes de SEM mediante la medicioacuten y anaacutelisis estadiacutestico de los datos usando el programa
Lince linear intercept (Verfuumlgbare Software)
51
343 Microscopiacutea electroacutenica de transmisioacuten
El microscopio electroacutenico de transmisioacuten (TEM) de emisioacuten de campo FEG Phillips Tecnai F20
fue usado para la obtencioacuten y estudio de la cristalinidad de las esferas de BaFe12O19 usando las
teacutecnicas de difraccioacuten de aacuterea selecta (SAEDP) alta resolucioacuten (HRTEM) y microscopia
electroacutenica de barrido-transmisioacuten (STEM) en su modalidad de campo oscuro anular (STEM-
ADF) Para su observacioacuten por TEM 10 mg del polvo obtenido despueacutes del secado por
aspersioacuten y calcinado a 700 degC se dispersoacute en 10 mL de etanol (Sigma-Aldrich) en un tubo para
micro-centrifuga de 15 ml (Eppendorf) Despueacutes la solucioacuten se dispersoacute usando un equipo
limpiador de vibracioacuten ultrasoacutenica Branson 1510 (42 KHz a 70 W) por 30 min Con ayuda de un
capilar una gota de la suspensioacuten homogeacutenea se depositoacute sobre una rejilla de cobre de 300 mesh
previamente recubierta con colodioacuten y una peliacutecula delgada de carboacuten La rejilla se secoacute a
temperatura ambiente por toda la noche El anaacutelisis y procesamiento computacional de las
imaacutegenes de TEM asiacute como la obtencioacuten de su transformada raacutepida de Fourier (FFT) se
analizaron con el software Digital Micrograph de la compantildeiacutea Gatan Tomando en cuenta las
posiciones xyz reportadas para la BaFe12O19 con grupo espacial P3mmc [47] se simularon
computacionalmente las imaacutegenes de HRTEM Para esto se crecioacute la celda a una supercelda de
4x4x4 celdas con el programa Diamond Crystal and Molecular Visualization [48] y se simularon
las imaacutegenes de TEM en el programa Simulatem [49] Las condiciones para la simulacioacuten fueron
200 Kv Cs de 12 mm y foco de Scherzer -5485 nm
344 Isotermas de adsorcioacutendesorcioacuten de nitroacutegeno
Las isotermas de adsorcioacutendesorcioacuten de nitroacutegeno a 77 K fueron obtenidas en un instrumento
Quantachrome Antes de su anaacutelisis las muestras (014 ndash 038 g) fueron colocadas en un tubo
bajo atmosfera de N2 y entonces degasificadas por 4 h a 100 degC Ademaacutes la distribucioacuten de
tamantildeo de mesoporo fue medida mediante la teacutecnica Barrett-Joyner-Halenda (BJH)
52
345 Espectroscopiacutea infrarroja
Las mediciones de espectroscopiacutea infrarroja (IR) fueron llevadas a cabo a temperatura ambiente
(46 HR) en un espectrofotoacutemetro con Transformada de Fourier Marca Bruker Modelo Tensor
27 Los espectrogramas fueron obtenidos en un rango de longitud de onda de 4000 a 400 cm-1
(tiempo de escaneo 32 scans) con una resolucioacuten de 4 cm-1
Los espectros fueron obtenidos a
partir de muestras en polvo con una correccioacuten de liacutenea base y suavizado usando el software
Tensor
346 Propiedades magneacuteticas
El anaacutelisis de las propiedades magneacuteticas de los agregados de BaFe12O19 fueron llevas a cabo
usando un magnetoacutemetro de muestra vibrante (VSM LDJ 9600) a temperatura ambiente
aplicando un campo magneacutetico constante de 5000 Oe Los valores de saturacioacuten magneacutetica (Ms)
magnetizacioacuten remanente (Mr) y coercitividad (Hc) fueron obtenidos a partir de la curva de
histeacuteresis
347 Potencial zeta ζ
Las mediciones de potencial zeta de los agregados de BaFe12O19 fueron obtenidos usando un
equipo ZetaMeter (Zetasizer Modelo Malverin 300 HSA) Se prepararon diferentes suspensiones
de polvo de BaFe12O19 (0011g) en 20 mL de agua destilada Para cada suspension el valor de pH
fue modificado a valores aacutecidos y baacutesicos desde 20 hasta 100 usando como modificadores de
pH aacutecido niacutetrico HNO3 e hidroacutexido de amonio NH4OH respectivamente
35 PRUEBAS BIOLOacuteGICAS
351 Extraccioacuten de ADN plasmiacutedico
La Fig 33 muestra el diagrama de extraccioacuten de ADN plasmidico Las etapas principales en la
extraccioacuten de ADNp incluye la preparacioacuten del lisado lavado y elucioacuten (Fig 33(a)) El plaacutesmido
53
recombinante presente en la cepa T7 Express Iq Competent de Escherichia coli [MiniF
laqIq(CamR)fhuA2 lacZT7 gene1 [Ion] ompT gal sulA11 R(mcr-73miniTn10mdashTets)2[dcm]
R(zgb-210Tn10mdashTets) endA1 Δ(mcrC-mrr)114IS10] fue aislado de acuerdo a las
instrucciones del Kit PureYieldTM Plasmid Miniprep System (Fig 33(b)) 30 microL de ADN + 10
microL de buffer de carga fueron cargados en un gel de agarosa al 08 para determinar la presencia
del plaacutesmido mediante electroforesis La electroforesis se llevoacute a cabo a 90 V por 30 min El gel
fue analizado en un Fotocodificador EL LOGIC 200
Figura 33 Extraccioacuten de ADN plasmiacutedico (a) Pasos generales en la extraccioacuten de ADNp y (b) procedimiento del
Kit Pure YieldTM Plasmid Miniprep System
352 Siacutentesis del peacuteptido DS
La Fig 34 muestra el diagrama general de siacutentesis del peacuteptido DS El Diagrama incluye los
pasos desde la expresioacuten del peacuteptido hasta su deteccioacuten y revelado con luminol
54
Figura 34 Diagrama de siacutentesis del peacuteptido DS a partir del plaacutesmido pFN21K El Diagrama incluye los pasos desde
la expresioacuten del peacuteptido hasta su deteccioacuten y revelado con luminol en un anaacutelisis tipo Western
a Siacutentesis a partir del plaacutesmido pF1A T7 Flexireg
Un pre-inoacuteculo de E coli fue preparado tomando una asada de la cepa T7 modificada para
sintetizar el peacuteptido pF1A T7 Flexi la cual se inoculo en 30 mL del medio de cultivo Luria-
Bertani (LB) El cultivo fue incubado a 37 degC por 18 h en agitacioacuten a 150 rpm La induccioacuten se
llevoacute a cabo distribuyendo 200 microL de pre-inoacuteculo + 20 microL de ampicilina (100 microgmL) en 20 mL
de LB El medio de cultivo fue incubado hasta alcanzar una densidad oacuteptica (DO) de 04 ndash 06
Los valores de DO fueron medidos en un Espectro Cary 50 Probe UV-vis spectro usando una
longitud de onda λ = 600 nm Una vez alcanzada la DO diferentes concentraciones de isopropil-
β-D-1-tiogalactopiranoacutesido (IPTG) fueron agregadas para inducir la concentracioacuten del peacuteptido
La concentracioacuten de IPTG fue calculada usando la Ecuacioacuten 1 La induccioacuten se incuboacute a 37 degC
por 3 h 10 mL de la induccioacuten fue tomado y centrifugado a 13000 rpm por 1 min el
sobrenadante fue descartado y fueron agregados al sedimento 100 microL de buffer de lisis La
muestra se hirvioacute por 10 min 50 microL de muestra fueron cargados en un gel de poliacrilamida para
determinar la expresioacuten del peacuteptido de intereacutes La muestra fue tratada con dodecil sulfato de
sodio (SDS CH3(CH2)10CH2OSO3-
Na+) La electroforesis se llevoacute a cabo a 200 V por 40 min
El fundamento de la electroforesis se basa en el movimiento de las partiacuteculas cargadas en un
campo eleacutectrico hacia un electrodo con carga opuesta El anioacuten del SDS se une con fuerza a las
55
proteiacutenas por adsorcioacuten no especiacutefica cuanto mayor es la proteiacutena maacutes cantidad del anioacuten
adsorberaacute El SDS desnaturaliza por completo a las proteiacutenas rompiendo todas las interacciones
no covalentes Como resultado las proteiacutenas adquieren una carga negativa a consecuencia de la
adsorcioacuten del anioacuten SO3-
La movilidad de las macromoleacuteculas depende de su carga forma y
tamantildeo Sin embargo dado que todas las proteiacutenas de la muestra tienen casi la misma forma y
carga el tamantildeo de las proteiacutenas se convierte en el factor determinante para su separacioacuten
Ecuacioacuten 31
donde
C1 = concentracioacuten de IPTG deseada
V1 = volumen del medio LB
C2 = concentracioacuten del stock de IPTG
V2 = volumen necesario de IPTG para alcanzar la concentracioacuten deseada
b Siacutentesis a partir del plaacutesmido pFN21K
Con el objetivo de llevar a cabo la expresioacuten y produccioacuten de proteiacutenas recombinantes ceacutelulas
derivadas de ovario de haacutemster chino Cricetulus griseus (ceacutelulas CHO) fueron transferidas con
el vector pFN21K construido especialmente para expresar el peacuteptido deseado 300 000 ceacutelulas
CHOpozo fueron sembradas en placas de seis pozos para cultivo celular en 1 mL de medio de
crecimiento completo (F-12K) e incubadas a una atmoacutesfera de 5 de CO2 y a 37 ordm C 24 horas
despueacutes las ceacutelulas CHO se transfectaron haciendo uso del kit XfetTM Transfection Reagent
siguiendo las instrucciones del fabricante y empleando 5 microg de plaacutesmido El cultivo celular
transfectado fue incubado durante 24 h en una atmosfera de 5 de CO2 y a 37 ordm C despueacutes de los
56
cuales el medio fue sustituido por medio celular nuevo y se incuboacute a las mismas condiciones de
CO2 y temperatura Se verificoacute la transfeccioacuten positiva de las ceacutelulas CHO y se procedioacute a la
extraccioacuten de proteiacutena total Las ceacutelulas CHO fueron lavadas dos veces con PBS frio esteacuteril a
continuacioacuten fueron antildeadidos a cada pozo 80 microL de buffer de lisis con una concentracioacuten final de
2X El complejo lisado fue recuperado en tubos de 15 mL y la proteiacutena se centrifugoacute a 14000
rpm a 4 ordmC por 20 min El sobrenadante fue recuperado Un anaacutelisis tipo Western blot fue
utilizado para verificar la expresioacuten del peacuteptido con ayuda de anticuerpos monoclonales El
primer paso de este anaacutelisis consistioacute en la separacioacuten de macromoleacuteculas proteicas mediante
geles de poliacrilamida al 10 Posteriormente las proteiacutenas se transfieren a una matriz de
nitrocelulosa la cual fue bloqueada con una solucioacuten de caseiacutena al 1 en amortiguador salino de
Tween20 al 01 Tris 100 mM pH 75 NaCl 09 (TTBS) Posteriormente se llevoacute a cabo una
serie de lavados utilizando solucioacuten amortiguadora de fosfatos (PBS) KHPO4 106 mM NaCl
15517 mM y NaPO4 297 mM pH 74 La deteccioacuten del peacuteptido deseado se realizoacute adicionando
como anticuerpo primario anti-HaloTagreg y como anticuerpo secundario anti-gallina acoplado a
la enzima peroxidasa de raacutebano (HRP) El revelado en una placa fotograacutefica para la deteccioacuten del
peacuteptido se llevoacute a cabo mediante la adicioacuten de luminol
353 Cargaliberacioacuten del peacuteptido
a Carga BaFe12O19-pF1AT7 Flexireg
10 mg de polvo de BaFe12O19 fueron puestos en contacto con 40 mL del peacuteptido DS producido a
partir del plaacutesmido pF1A T7 Flexireg mediante agitacioacuten lenta a temperatura ambiente durante 2 h
Los polvos de BaFe12O19 fueron recuperados del peacuteptido tomando 50 microL de la suspensioacuten a los
cuales se les agrego 50 microL de agua desionizada + 50 microL de buffer de lisis La mezcla se llevoacute a
ebullicioacuten por 10 min para su posterior carga en un gel de poliacrilamida para realizar un anaacutelisis
tipo Western
57
b Carga BaFe12O19-pFN21K
10 mg de polvo de BaFe12O19 fueron puestos en contacto con 40 mL de una solucioacuten acuosa del
peacuteptido DS-HaloTag mediante agitacioacuten lenta a temperatura ambiente Una aliacutecuota de la
solucioacuten fue tomada a tiempos predeterminados para medir la DO600 La disminucioacuten de DO
indica que el peacuteptido DS-HaloTag se ha absorbido en los sistemas nanoestructurados de
BaFe12O19
354 Liberacioacuten del peacuteptido DS de los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19
Los polvos de BaFe12O19 fueron recuperados de la solucioacuten acuosa que conteniacutea el peacuteptido DS-
HaloTag A continuacioacuten fueron colocados en medio F12K e incubados a una atmoacutesfera de 5
de CO2 a 37 ordmC Para verificar la liberacioacuten del peacuteptido Halo-DS a tiempos predeterminados una
aliacutecuota del medio fue tomada y medida la DO600
58
CAPIacuteTULO 4
RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN
59
CAPIacuteTULO 4 RESULTADOS Y DISCUSION
En este capiacutetulo se presentan los resultados obtenidos en el disentildeo y siacutentesis de los sistemas
nanoestructurados de BaFe12O19 fabricados a partir de un disentildeo experimental factorial 2f y
sintetizados a traveacutes del meacutetodo sol-gel y secado por aspersioacuten A partir de los resultados
obtenidos en la caracterizacioacuten estructural morfoloacutegica fisicoquiacutemica y magneacutetica de los
sistemas de BaFe12O19 asiacute como las pruebas bioloacutegicas que incluyen el estudio de carga y
liberacioacuten del peacuteptido DS utilizado como faacutermaco modelo se discute la capacidad de estos
sistemas para ser usados como sistemas de liberacioacuten de faacutermaco
41 DISENtildeO FACTORIAL 2f
La Tabla 4I muestra el total de 8 experimentos llevados a cabo cuando se realizoacute el disentildeo
experimental 2f asiacute como los valores obtenidos para el diaacutemetro promedio de agregado de
BaFe12O19 aacuterea superficial especiacutefica BET volumen de mesoporo y diaacutemetro promedio de
macroporo de los agregados de BaFe12O19el volumen de poro y el tamantildeo de aglomerado
promedio para todos los experimentos Se observa un efecto sobre el volumen de poro y el
tamantildeo de los agregados nanoestructurados macroporosos de BaFe12O19 Los diaacutemetros promedio
de los agregados esfeacutericos obtenidos despueacutes del proceso de secado por aspersioacuten y calcinados a
700 degC variaron de 150 a 173 microm Las partiacuteculas nanoestructuradas superparamagneacuteticas de
oacutexido de hierro desde 29 nm hasta 35 microm han sido sintetizadas por varios autores La mayoriacutea
de las aplicaciones son dependientes del tamantildeo En este trabajo se ha elegido sintetizar
agregados esfeacutericos macroporosos de tamantildeo micromeacutetrico con la finalidad de aumentar la carga
uacutetil en los sistemas de liberacioacuten de faacutermacos asegurando tambieacuten con ello la estabilidad de los
agregados durante el transporte en el torrente sanguiacuteneo Ademaacutes se ha tomado en cuenta que el
tamantildeo maacutes grande de agregado obtenido aquiacute sea capaz de ser inyectado auacuten en los capilares
(los cuales miden alrededor de 5 a 10 microacutemetros de diaacutemetro)
60
Un anaacutelisis estadiacutestico de variancia (ANOVA) fue llevado a cabo para establecer que los factores
A B y C correspondientes a la presioacuten (P) temperatura (T) y PS respectivamente asiacute como
sus interacciones AB AC BC y ABC afectan la morfologiacutea y el tamantildeo del agregado Para este
tipo de modelo la estadiacutestica de prueba (F0) para cada efecto principal e interaccioacuten pueden
construirse dividiendo el cuadrado medio (MS) correspondiente del efecto o interaccioacuten por el
cuadrado medio del error Mientras que el estadiacutestico de referencia (FT) es obtenido a partir de la
literatura El nuacutemero de grados de libertad (GL) de cualquier efecto principal es el nuacutemero de
niveles del factor menos uno y el nuacutemero de GL de una interaccioacuten es el producto del nuacutemero de
GL asociados con los componentes individuales de la interaccioacuten Cuando F0 gt FT los efectos
individuales o sus interacciones muestran un efecto significativo en las variables de respuesta
De acuerdo al anaacutelisis ANOVA en la Tabla 4II el cual analiza el diaacutemetro de agregado
promedio el uacutenico factor que tienen un efecto significativo sobre el tamantildeo del agregado es la
presioacuten de aire del aspersor Mientras que un efecto miacutenimo puede estar dado por la temperatura
o por la combinacioacuten de los factores presioacuten-temperatura y temperatura-poroacutegeno
De la misma manera un anaacutelisis ANOVA en la Tabla 4II donde se muestra el anaacutelisis de aacuterea
superficial especiacutefica BET de los agregados nanoestructurados muestra que los factores que
tienen un efecto significativo sobre BET estaacuten dados por la concentracioacuten del template por siacute
sola ademaacutes de la interaccioacuten entre los factores presioacuten-template y temperatura-template
Ademaacutes un anaacutelisis ANOVA fue llevado a cabo para analizar el volumen de mesoporos de los
agregados nanoestructurados obtenidos La Tabla 4II muestra que los efectos que tienen un
efecto significativo sobre el volumen de mesoporos son la presioacuten por siacute sola y la interaccioacuten de
los factores presioacuten-template y temperatura-template
Finalmente un anaacutelisis ANOVA fue llevado a cabo para analizar el diaacutemetro de macroporo La
Tabla 4II muestra que ninguacuten factor tiene un efecto significativo sobre el tamantildeo de macroporo
Pudiera ser considerado que los factores que tienen un miacutenimo efecto sobre el tamantildeo de
61
macroporo son la temperatura por si sola y las interacciones de los factores presioacuten-temperatura
y temperatura-poroacutegeno Se concluye que el tamantildeo de macroporo es determinado
principalmente por el tamantildeo del PS En este trabajo las esferas del agente poroacutegeno de PS
usadas fueron de 200 nm de diaacutemetro promedio
Tabla 4I Variables de respuesta (oslashagregado SBET Vmesoporo oslashmacroporo) del disentildeo experimental fraccionario 2f como
resultado del efecto de los factores P T y PS
1No Exp
2Factor
3oslashagregado
4SBET
5Vmesoporo
6oslashmacroporo
P T PS
1 - - - 169 2705 00743 1946
2 - + - 173 2456 00639 2340
3 + - - 171 3420 01686 2362
4 + + - 158 2199 00238 2213
5 - - + 150 2031 00463 2206
6 - + + 164 2064 00085 2435
7 + - + 172 1481 01015 2085
8 - - + 173 1116 00143 1971
1 = Nuacutemero de experimento 2 = Los factores de presioacuten (P Kgcm2) temperatura (T degC) y porcentaje en peso del
poliestireno (PS) usado como agente poroacutegeno muestran dos niveles nivel bajo (-) y nivel alto (+)
correspondientes a 15 Kgcm2 y 20 Kgcm
2 180 degC y 200 degC y 30 y 50 respectivamente 3 oslashagregado (microm) =
diaacutemetro promedio de agregado de BaFe12O19 SBET (m2g) = aacuterea superficial especiacutefica BET Vmesoporo (cm
3g)=
volumen de mesoporo oslashmacroporo (nm) = diaacutemetro promedio de macroporo de los agregados de BaFe12O19
62
Tabla 4II Anaacutelisis de variancia ANOVA
ANOVA
EFECTO FACTOR 1SS
2GL
3MS
4F0
5FT
oslashagregado
A 049 1 00150 574
532
B 039 1 00095 363
AB -035 1 00076 293
C -005 1 00001 005
AC 015 1 00014 053
BC 031 1 00060 229
ABC 017 1 00018 069
ERROR 0041 8 00026
TOTAL 0083 15
SBET
A -2235 1 31220 2300
532
B -1653 1 17070 1128
AB -2529 1 39970 294
C -5501 1 18910 1393
AC -3887 1 94420 6958
BC -4235 1 11200 8260
ABC -0590 1 00021 0001
ERROR 21713 8 1357
TOTAL 70108 15
Vmesoporo
A -079 1 0063 866
532
B -050 1 0168 398
AB 035 1 0023 174
C 046 1 0049 298
AC -065 1 0008 581
BC -066 1 0101 602
ABC 059 1 0014 479
ERROR 0073 8 00046
TOTAL 0227 15
oslashmacroporo
A 600 1 2250 001
532
B -656 1 2689 234
AB -766 1 3667 319
C 176 1 1936 016
AC -384 1 9216 080
BC -754 1 35532 309
ABC 480 1 14400 125
ERROR 18372 8 11483
TOTAL 30860 15
1SS = suma de cuadrados
2GL = grados de libertad
3MS = cuadrado promedio
4F0 = valor estadiacutestico de prueba F
5FT = valor estadiacutestico de referencia
63
42 CARACTERIZACIOacuteN
421 Difraccioacuten de rayos X
La Fig 41 presenta los espectros de XRD de las muestras obtenidas a temperaturas de
calcinacioacuten de 700 800 900 y 1000 degC La indexacioacuten de los espectros de XRD indicoacute la
coexistencia de las fases hexaferrita H = BaFe12O19 monoferrita O = BaFe2O4 y hematita F =
Fe2O3 en todas las muestras La fase H hexaferrita tiene una celda unitaria hexagonal (tarjeta
Crystallography Open Database COD 1008841) con paraacutemetros de red a = b =0589 nm y c =
2318 nm la fase monoferrita O tiene una celda unitaria ortorroacutembica (tarjeta COD 4107896) con
paraacutemetros de red a = 1899 nm b = 0538 nm c = 0844 nm y la fase hematita F tiene una celda
unitaria hexagonal (tarjeta COD 9015964) con paraacutemetros de red a = b = 0503 nm y c = 1374
nm Como puede observarse el contenido de la fase H aumenta con la temperatura y
simultaacuteneamente disminuye la fase F
Figura 41 Espectro DRX del polvo de las esferas de BaFe12O19 obtenidas despueacutes del proceso de secado por
aspersioacuten y calcinado a diferentes temperaturas Este presenta las fases H = BaFe12O19 (tarjeta Crystallography Open
Database COD 1008841) F = Fe2O3 (tarjeta COD 9015964)
64
422 Microscopiacutea electroacutenica de barrido
La Fig 42(a) muestra una imagen de SEM representativa de los agregados esfeacutericos de
BaFe12O19 de los polvos obtenidos despueacutes del proceso de secado por aspersioacuten y antes de ser
sometido a un tratamiento teacutermico Una amplificacioacuten a 20000 X (Fig 42(b)) muestra un
agregado de BaFe12O19 en el cual pueden ser observadas las esferas de poliestireno (PS) antes de
ser eliminadas durante el tratamiento teacutermico
Figura 42 Imaacutegen SEM de (a) agregados esfeacutericos de BaFe12O19 antes de ser tratados teacutermicamente y (b) una
amplificacioacuten a 20000 X que muestra un agregado de BaFe12O19 en el cual pueden ser observadas las esferas de
poliestireno (PS) antes de ser eliminadas
La Fig 43(a) y Fig 43(c) muestra imaacutegenes de SEM representativas de los agregados de
BaFe12O19 Las imaacutegenes fueron tomadas con electrones secundarios (SE) a 5 KV Se puede
observar que los agregados porosos nanoestructurados presentan una morfologiacutea esfeacuterica Los
insertos en la Fig 43(a) y Fig 43(c) muestran una amplificacioacuten de los agregados de BaFe12O19
Noacutetese que las esferas son macroporosas y policristalinas constituidas por cristales alargados o
fibras de tamantildeo micromeacutetrico formando una estructura tipo nido La macroporosidad fue
producto de la pirolisis de las esferas de poliestireno durante el tratamiento teacutermico Sin embargo
no existe evidencia clara en los espectros de DRX (Fig 41) de crecimiento preferencial de
ninguna de las fases
65
Las Fig 43(b) y Fig 43(d) muestra los histogramas de distribucioacuten de tamantildeo de agregado
correspondiente a las Fig 43(a) y Fig 43(c) respectivamente Los agregados tienen un diaacutemetro
promedio de aprox 17 microm el cual como se mencionoacute anteriormente cumple con el requisito de
ser menor de 50 microm para poder ser introducido en una suspensioacuten inyectable Los agregados
esfeacutericos observados en las muestras son praacutecticamente del mismo tamantildeo puesto que el tamantildeo
de estos agregados es resultado del tamantildeo de la gota producida en la boquilla del equipo de
secado pero tambieacuten puede estar influenciado por la reologiacutea de la suspensioacuten alimentada La
distribucioacuten de tamantildeo de agregado fue determinada a partir de imaacutegenes SEM mediante anaacutelisis
estadiacutestico usando el software linear Lynx Los histogramas describen el comportamiento en
cuanto a tendencia central forma y dispersioacuten del conjunto de datos analizados (agregados de
BaFe12O19 N = 300)
Ademaacutes se observa una morfologiacutea esfeacuterica homogeacutenea con un tamantildeo de macroporo de aprox
200 nm de diaacutemetro con una desviacioacuten estaacutendar de 50 nm Este resultado es loacutegico si
consideramos que la suspensioacuten alimentada estaacute constituida ademaacutes del gel por las esferas de
poliestireno monomodales cuyo tamantildeo promedio es de 223 nm Por lo tanto estos materiales
caen en la clasificacioacuten de materiales macroporosos de acuerdo a la IUPAC Ademaacutes la
distribucioacuten de los mesoporos de los agregados esfeacutericos obtenidos fue determinada por la teacutecnica
BJH En promedio los mesoporos son del orden de 12 nm con una desviacioacuten estaacutendar de 2 nm
Como se mencionoacute anteriormente debido al disentildeo factorial 2f un conjunto de 8 experimentos
fue realizado Todas las muestras tienen una estructura y morfologiacutea similar por lo tanto las
imaacutegenes representativas para cada una de las concentraciones de PS 30 y 50 en peso
respectivamente son mostradas La muestra en la Fig 43(a) fue sintetizada con una temperatura
interna de 200 degC y una presioacuten de 20 Kgcm2 correspondiente a los paraacutemetros de secado por
aspersioacuten y a una concentracioacuten de esferas de poliestireno de 50 La muestra en la Fig 43(c)
fue sintetizada con una temperatura interna de 180 degC y una presioacuten de 15 Kgcm2
correspondiente a los paraacutemetros de secado por aspersioacuten y una concentracioacuten de esferas de
poliestireno de 30 La diferencia principal entre las imaacutegenes de las Fig 44(3) y Fig 44(3) es
la distribucioacuten de tamantildeo de poro
66
Figura 43 Imaacutegenes de SEM de los agregados de BaFe12O19 y sus correspondientes histogramas de distribucioacuten de
tamantildeo (a) Muestra con 50 de PS bajo condiciones de secado por aspersioacuten de 200 degC y 20 Kgcm2 y su
correspondiente distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula (b) (c) Muestra con 30 de PS bajo condiciones de secado por
aspersioacuten de 180 degC y 15 Kgcm2 y su correspondiente distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula (d) Las muestras fueron
calcinadas a 700 degC
Una variedad de diferentes morfologiacuteas han sido reportadas en la literatura Por ejemplo
Okuyama y cols [75] han reportado la siacutentesis de partiacuteculas esfeacutericas completamente densas
partiacuteculas esfeacutericas rugosas partiacuteculas huecas partiacuteculas tipo dona partiacuteculas porosas partiacuteculas
encapsuladas y una mezcla de partiacuteculas Chiemi y cols [51] han reportado la siacutentesis de
partiacuteculas nuacutecleo-coraza Ademaacutes otras morfologiacuteas tales como nanoalambres nanocilindros
nanotubos y nanopartiacuteculas tipo gusano han sido reportadas en la literatura En este trabajo se han
obtenido agregados nanoestructurados de BaFe12O19 con una morfologiacutea esfeacuterica Una ventaja de
las partiacuteculas esfeacutericas es su importancia praacutectica debido a sus propiedades reoloacutegicas cuando se
67
comparan con otras morfologiacuteas Por ejemplo cuando se encuentran en los vasos sanguiacuteneos el
flujo de los microagregados de forma esfeacuterica en el torrente sanguiacuteneo se ve mejorado
El anaacutelisis EDS (Fig 44(a)) y su respectivo mapeo quiacutemico (Fig 44(b)) realizado en el SEM
indicoacute que los agregados de BaFe12O19 estaacuten compuestos como era de esperarse por los
elementos quiacutemicos Ba Fe y O El pico de C es producido por la cinta doble cara de carbono
usada como adhesivo en soporte Este resultado demuestra que la composicioacuten de las esferas
obtenidas contiene los mismos elementos que fueron introducidos en la siacutentesis y no presentan
contaminacioacuten
Figura 44 (a) Espectro EDS de los agregados de BaFe12O19 el cual indica la presencia de los elementos Ba Fe y O
El C es producido por la cinta doble cara de carbono usada como adhesivo en soporte (b) Mapeos quiacutemicos de EDS
de los agregados de BaFe12O19 Imagen SEM en el modo de electrones secundarios Las imaacutegenes de Ba (verde) Fe
(rojo) y O (azul) indican su distribucioacuten homogeacutenea y que estos elementos son los uacutenicos presentes en las muestras
423 Microscopiacutea electroacutenica de transmisioacuten
La Fig 45 presenta las imaacutegenes de STEM-ADF de los agregados de BaFe12O19 calcinadas a
700 degC Estas imaacutegenes confirman que las esferas estaacuten conformadas principalmente por cristales
alargados tipo platelets Estos cristales son tan alargados que llegan a alcanzar una longitud del
tamantildeo de la esfera Por ejemplo en la Fig 45(d) se observa una esfera de aproximadamente 921
nm de diaacutemetro y la longitud del cristal maacutes largo es de 700 nm aproximadamente El tamantildeo
68
promedio de las esferas fue de 17 +- 04 microm y de los cristales alargados de 2991 +- 801 nm en
longitud y 341 +- 77 nm en espesor
Figura 45 Imaacutegenes de STEM-ADF de los agregados de BaFe12O19 Las esferas estaacuten conformadas principalmente
por cristales alargados
La Fig 46 muestra imaacutegenes de STEM-ADF (Fig 46(a)) y de TEM (Fig 46(b) de una esfera
de BaFe12O19 de aproximadamente 1 microm de diaacutemetro Estas imaacutegenes permiten comparar el
contraste presentado por los cristales que conforman las esferas por estas teacutecnicas Noacutetese que la
esfera presenta un cristal alargado de aproximadamente 850 nm de largo y cuyo contraste es
mejor observado por STEM-ADF
Figura 46 Imaacutegenes de una misma esfera de BaFe12O19 en el modo (a) STEM-ADF y (b) TEM las cuales permiten
comparar el contraste de los cristales que la conforman
69
Es importante indicar que el uso del limpiador ultrasoacutenico permitioacute obtener las muestras
analizadas por TEM en este trabajo El limpiador produce una vibracioacuten de 42 KHz a una
potencia de 70 W y genera alternativamente ondas de alta y baja presioacuten que transmiten sonidos
de alta y baja frecuencia La baja presioacuten genera burbujas microscoacutepicas que explotan
raacutepidamente liberando asiacute la energiacutea Este proceso denominado cavitacioacuten puede llevar a la
desintegracioacuten de los materiales que conforman las esferas de BaFe12O19 El calor permite
acelerar el proceso
En la Fig 47 se presentan las imaacutegenes de TEM en el modo de campo claro (Fig 47(a) y Fig
47(c) y en el modo de campo oscuro (Fig 47(b) y Fig 47(d) del material que conforman los
agregados despueacutes de haber sido desaglomerados por el tratamiento ultrasoacutenico al que fueron
sometidas Este material fue por lo tanto estructuralmente estudiado por difraccioacuten electroacutenica
de aacuterea selecta (SAEDP) El inserto en la Fig 47(b) presenta el patroacuten SAEDP de anillos
provenientes del material presentado en la Fig 47(a) mientras que el inserto en la Fig 47(d)
presenta el patroacuten SAEDP del cristal alargado mostrado en la Figura 47(c) La indexacioacuten de
estos patrones indicoacute que todo el material corresponde a la estructura hexagonal de la BaFe12O19
con paraacutemetros de red a = b = 0589 nm y c = 2318 nm (tarjeta Crystallography Open Database
COD 1008841)
Figura 47 Imaacutegenes de TEM en campo claro (a y c) y en campo oscuro (b y d) del material que conforman las
esferas despueacutes de haber sido desbaratadas por el tratamiento ultrasoacutenico El inserto en (b) presenta el patroacuten SAEDP
proveniente del material presentado en (a) El inserto en (d) presenta el patroacuten SAEDP del cristal alargado
presentado en (c)
70
La Fig 48(a) y Fig 48(b) muestran imaacutegenes HRTEM de uno de los cristales alargados
individuales que conforman los agregados poros de BaFe12O19 obtenidos Ademaacutes la
coexistencia de las fases entre los cristales de BaFe12O19 y los cristales de BaFe2O4 son
mostrados en la Fig 48(c) Por otra parte la Fig 48(d) muestra la coexistencia de las fases entre
los cristales de BaFe12O19 y los cristales de Fe2O3
Figura 48 Imaacutegenes HRTEM de los cristales que conforman los agregados porosos de BaFe12O19 (a) y (b)
corresponden a cristales individuales de la fase BaFe12O19 (c) Coexistencia entre las fases BaFe12O19 y BaFe2O4 (d)
Coexistencia entre las fases BaFe12O19 y Fe2O3
Las fibras fueron tambieacuten observadas por HRTEM para analizar la estructura y el ordenamiento
que presentan los aacutetomos que conforman sus cristales La Fig 49(a) presenta la imagen de
HRTEM de uno de los cristales alargados El inserto en esta figura presenta la correspondiente
Transformada Raacutepida de Fourier (FFT) del cristal la cual indica que el eje de zona corresponde
al eje de la zona en la direccioacuten [2-110] En la Fig 49(b) se presenta la imagen digitalmente
procesada correspondiente al aacuterea del recuadro indicado en la Fig 49(a) y la cual fue obtenida
usando el filtro indicado por el inserto A parte del arreglo presentado esta imagen indica que el
eje de crecimiento de los cristales alargados es en la direccioacuten [10-10] En el estudio por HRTEM
no solo se observan cristales alargados perfectamente formados sino que una gran mayoriacutea
presenta defectos principalmente fallas de apilamiento La Fig 49(c) presenta una imagen de
HRTEM de otro de los cristales alargados en la cual se observa una gran cantidad de defectos
71
La imagen presentada en la Fig 49(d) corresponde a la imagen digitalmente procesada del aacuterea
indicada en el recuadro presentado en la Fig 49(c)
Figura 49 (a) Imagen de HRTEM de uno de los cristales alargados que conforman las esferas de BaFe12O19 El
inserto presenta la correspondiente FFT la cual indica que el eje de zona corresponde al eje en la direccioacuten [2-110]
(b) Imagen digitalmente procesada correspondiente al aacuterea del recuadro indicado en (a) El filtro usado para el
procesamiento es indicado en el inserto (c) Imagen de HRTEM de otro de los cristales alargados con defectos (d)
Imagen digitalmente procesada del aacuterea indicada en el recuadro en (c)
Usando los valores de las posiciones xyz reportadas para BaFe12O19 con grupo espacial P3mmc
[27] se obtuvo la celda unitaria y se simularon digitalmente las imaacutegenes de HRTEM La Fig
410 presenta la celda unitaria obtenida en las direcciones [10-10] (Fig 410(a) y [21-10] (Fig
410(b)
La estructura de BaFe12O19 se puede construir usando tres unidades baacutesicas [30-32] S R y T La
unidad S a su vez presenta dos sub-unidades S0 con una carga eleacutectrica neutra y con foacutermula
quiacutemica Me22+
Fe43+
O8 (donde Me representa metales divalentes tales como Mn2+
Fe2+
Co2+
Ni2+
Zn2+
Mg2+
) y S2+
con carga eleacutectrica 2+ y con foacutermula quiacutemica (Fe63+
O8)2+
La unidad R
presenta carga eleacutectrica 2- y con foacutermula quiacutemica (Ba2+
Fe 63+
O11)2-
La unidad T presenta carga
eleacutectrica neutra y con foacutermula quiacutemica Ba22+
Fe83+
O 14 Estas unidades se unen para dar lugar a la
estructura de diferentes oacutexidos ferromagneacuteticos Por ejemplo al unir la unidad S2+
con la unidad
R se obtiene la secuencia de apilamiento RS la cual presenta carga eleacutectrica neutra y con
foacutermula quiacutemica BaFe12O19 Asiacute la celda unitaria de la BaFe12O19 se obtiene con la secuencia
SRSR donde dignifica una rotacioacuten de 180ordm alrededor del eje c La Fig 410 presenta las
72
unidades S S R y R de la celda unitaria de la BaFe12O19 observadas en las direcciones [21-10]
y [10-10] respectivamente
Vale la pena comentar que si se designa como la unidad M a BaFe12O19 y definimos a ST con
foacutermula quiacutemica Ba22+
Me22+
Fe123+
O22 como la unidad Y las hexaferritas pueden representarse
como apilamientos de las unidades S M y Y [64] Por lo tanto la combinacioacuten de las unidades S
R y T da origen al apilamiento que generan las diferentes estructuras observadas en las ferritas
[6566] y es natural deducir la existencia de las estructuras tipo politipo con la misma
composicioacuten quiacutemica en estos compuestos En nuestro caso los patrones de difraccioacuten SAEDP
obtenidos en este trabajo no indican la presencia de estructuras tipo politipo ya que no se
presentaron reflexiones provenientes de suacuteper-redes
Figura 410 Celda unitaria de BaFe12O19 obtenidas usando los valores indicados en [27] y observada en la direccioacuten
[10-10] (a) y en la direccioacuten [21-10] (b) Tambieacuten se presentan las unidades S y R El plano que contiene a Ba es un
plano espejo Ba en verde Fe en amarillo y O en rojo
La Fig 411 muestra la simulacioacuten digital de las imaacutegenes de HRTEM y sus correspondientes
patrones de difraccioacuten de aacuterea selecta en la direccioacuten [0001] (Fig 411(a) en la direccioacuten [10-10]
(Fig 411(b) y en la direccioacuten [2-1-10] (Fig 411(c) En estas Figuras se presentan las posiciones
de los aacutetomos de Ba (en verde) Fe (en amarillo) y O (en rojo) dentro de la celda unitaria
hexagonal de BaFe12O19 en proyeccioacuten a lo largo de las direcciones [0001] [10-10] y [2-1-10]
respectivamente Las condiciones de simulacioacuten fueron V = 200 KV con desenfoque de Scherzer
en -5485 nm y 4x4x4 celdas Noacutetese que las liacuteneas oscuras corresponden a posiciones de los
73
aacutetomos de Ba con los aacutetomos de Fe Los resultados indicaron que los agregados de BaFe12O19
producidos consisten de varios pequentildeos cristales alargados platelets cuyos arreglos atoacutemicos
presentan en algunos casos un perfecto arreglo (regiones libres de defectos) pero tambieacuten se
observaron desajustes en el apilamiento (mismatches) en otros casos
Figura 411 Simulacioacuten computacional de imaacutegenes de HRTEM en las direcciones [0001] (a) [10-10] (b) y [2-1-
10] (c) Se presenta la proyeccioacuten de la celda BaFe12O19 en las direcciones indicadas la simulacioacuten de su imagen en
el desenfoque de Scherzer y su correspondiente patroacuten de difraccioacuten del aacuterea selecta simulado Las condiciones de
simulacioacuten fueron V = 200 KV desenfoque de Scherzer en -5485 nm y 4x4x4 celdas Ba en verde Fe en amarillo
y O en rojo
La Fig 412 muestra la imagen de HRTEM experimental en la direccioacuten [2-110] de uno de los
cristales alargados que conforman los agregados de BaFe12O19 junto con la imagen
computacional simulada en la misma direccioacuten En este caso la imagen de HRTEM no presenta
defectos (al menos no observables) y las franjas presentan una periodicidad de 1159 nm que
corresponden a la mitad de la periodicidad a lo largo del eje c Tambieacuten se incluye las posiciones
de la superposicioacuten de los aacutetomos de Ba con los aacutetomos de Fe
74
Figura 412 Imagen de HRTEM en la direccioacuten [1-100] de uno de los cristales alargados que conforman los
agregados de BaFe12O19 y la imagen computacionalmente simulada en la misma direccioacuten En este caso la imagen de
HRTEM no presenta defectos Tambieacuten se incluyen las posiciones de los aacutetomos en la celda unitaria Ba en verde Fe
en amarillo y O en rojo
424 Isotermas de adsorcioacutendesorcioacuten de nitroacutegeno
La Fig 413 muestra las isotermas tiacutepicas de adsorcioacutendesorcioacuten para las muestras de BaFe12O19
calcinadas a 700 degC con concentraciones de PS de 30 y 50 respectivamente La muestra en la
Fig 413(a) fue sintetizada con una temperatura interna de 200 degC y una presioacuten de 20 Kgcm2
correspondiente a los paraacutemetros de secado por aspersioacuten y una concentracioacuten de esferas de
poliestireno de 50 La muestra en la Fig 413(b) fue sintetizada con una temperatura interna de
180 degC y una presioacuten de 15 Kgcm2 correspondiente a los paraacutemetros de secado por aspersioacuten y
una concentracioacuten de esferas de poliestireno de 30 De acuerdo a la clasificacioacuten BET las
isotermas corresponden a una isoterma tiacutepica tipo II Este tipo de isoterma se caracteriza por
raacutepido aumento inicial del volumen de gas adsorbido con el incremento en la presioacuten relativa
cambiando a un incremento lento El punto de inflexioacuten corresponde tanto a la finalizacioacuten del
recubrimiento de la mono capa y el llenado de los poros por condensacioacuten capilar El resto de la
curva corresponde a la formacioacuten de la multicapa Este tipo de isoterma es usualmente
encontrado en partiacuteculas mesoporosas El aacuterea superficial es calculada a partir de las isotermas
usando el meacutetodo BET a una presioacuten relativa por debajo de 03 A partir de la ecuacioacuten BET el
aacuterea superficial especiacutefica SBET de las partiacuteculas porosas de BaFe12O19 fue determinada SBET de
75
los agregados de BaFe12O19 varioacute de 1116 hasta 2705 m2g (Tabla IV) Dos tipos de poro son
observados en los agregados de BaFe12O19 mesoporos y macroporos Los mesoporos se
presentan en los espacios entre las partiacuteculas primarias y son el resultado de la pirolisis de las
micelas formadas por el surfactante Los macroporos son obtenidos como resultado de la pirolisis
del poliestireno Los insertos en la Fig 413(a) y Fig 413(b) muestran la distribucioacuten de tamantildeo
de los mesoporos obtenidos por el meacutetodo BET de adsorcioacuten de N2 El diaacutemetro promedio de
mesoporo varioacute entre 34 nm y 12 nm aproximadamente
Figura 413 Isotermas de adsorcioacutendesorcioacuten BET para (a) muestra con 50 de esferas de PS bajo condiciones de
secado por aspersioacuten de 200 degC y 20 Kgcm2 y (b) muestra con 30 de esferas de PS bajo condiciones de secado
por aspersioacuten de 180 degC y 15 Kgcm2 Las muestras fueron calcinas a 700 degC
425 Espectroscopiacutea infrarroja
El espectro FTIR de los agregados de BaFe12O19 calcinados a 700 degC mostrado en la Fig 414
evidencia de las bandas de vibracioacuten tiacutepicas para la BaFe12O19 estequiomeacutetrica a 132740 cm-1
y
140412 cm-1
las cuales son asignadas a los modos de vibracioacuten Fe-O de los sitios tetraeacutedricos y
octaeacutedricos en BaFe12O19 Las posiciones de estas bandas dependen de la estequiometriacutea de la
BaFe12O19 Las posiciones de las bandas a 35508 cm-1
54503 cm-1
61631 cm-1
69926 cm-1
y
87333 cm-1
corresponden a los enlacesgrupos funcionales del peacuteptido DS La interaccioacuten entre
BaFe12O19 y el poliacutemero induce un cambio en los picos caracteriacutesticos de BaFe12O19 a nuacutemero de
76
onda mayores como una funcioacuten de la relacioacuten surfactantepoliacutemero La presencia de nuevas
bandas en el espectro correspondiente a la BaFe12O19 en 30984 cm-1
y 87333 cm-1
indica la
adsorcioacuten del peacuteptido La regioacuten de 600 a 1000 cm-1
contiene los grupos funcionales
correspondientes a los enlaces C-C C-O y C-N Asiacute mismo la regioacuten entre 750 y 900 cm-1
incluyen grupos aromaacuteticos por lo tanto los grupos funcionales correspondientes a la
fenilalanina o al triptoacutefano pueden corresponder a los observados en el espectro IR [84]
Figura 414 Espectro Infrarrojo (IR) que muestra los enlacesgrupos funcionales a nuacutemeros de onda (cm-1
)
especiacuteficos correspondientes al peacuteptido DS-HaloTag libre y los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 libres y
cargados con el peacuteptido
426 Propiedades magneacuteticas
Una manera de medir las propiedades magneacuteticas es a traveacutes de las curvas de histeacuteresis las cuales
permiten la evaluacioacuten de las propiedades macroscoacutepicas tales como la saturacioacuten magneacutetica Ms
remanencia magneacutetica Mr y coercitividad Hc Estas propiedades definen el caraacutecter magneacutetico
de los materiales sintetizados La Fig 415 muestra las curvas de histeacuteresis a diferentes
77
temperaturas de calcinacioacuten La Tabla 4III muestra las propiedades magneacuteticas de todas las
muestras En general Ms Mr y Hc muestran un incremento como una funcioacuten de la temperatura
de calcinacioacuten y Hc incrementa con la temperatura en todos los casos El valor maacutes bajo de Mr
se obtuvo para la muestra calcinada a 700 degC Ademaacutes hay un cambio claro en el
comportamiento magneacutetico asociado con las temperaturas del tratamiento teacutermico El cambio
tiene que estar relacionado con el porcentaje del contenido de las diferentes fases presentadas en
las muestras y tambieacuten tiene que estar relacionado al tamantildeo de los cristales que constituyen los
agregados de BaFe12O19 A partir de las curvas de histeacuteresis mostradas en la Fig 420 y basado en
los valores de coercitividad mostrados en la Tabla 4III se observa que uacutenicamente el material
obtenido a 700 degC se comporta como un material magneacutetico semi-duro mientras que para todas
las demaacutes temperaturas desde 800 a 1000 degC el material muestra un comportamiento magneacutetico
duro
Figura 415 Curvas de histeacuteresis de los agregados de BaFe12O19 calcinados a diferentes temperaturas Los valores de
las muestras fueron tomadas a temperatura ambiente y 5000 Oe
78
Tabla 4III Propiedades magneacuteticas de los agregados porosos de hexaferrita de bario
Propiedades magneacuteticas
Muestra Temperatura de
calcinacioacuten (ordmC) Ms (emug) Mr (emug) Hc (Oe)
1 700 1424 379 194650
2 800 1249 592 463160
3 900 2826 152 479146
4 1000 4511 241 427750
El anaacutelisis de la composicioacuten estructural de los agregados indican que las fases monoferrita (O) y
hematita (F) estaacuten presentes Sin embargo la fase hexagonal H es la fase mayoritaria a la
temperatura de calcinacioacuten de 1000 degC Como se muestra en la Tabla 4III un cambio
significativo ocurre como una funcioacuten de la temperatura de calcinacioacuten en las propiedades
magneacuteticas de las muestras Es evidente que el cambio estaacute relacionado con la presencia de las
diferentes fases La mejor combinacioacuten de las propiedades magneacuteticas fue Ms = 4511 emug
(1000 degC) y Hc = 479148 Oe (900 degC)
Estos valores de magnetizacioacuten son cercanos a los obtenidos por Xu y cols [23] quienes
sintetizaron esferas mesoporosas huecas de BaFe12O19 usando el meacutetodo de pirolisis por
aspersioacuten obteniendo un valor de Ms = 504 emug para muestras calcinadas a 1000 degC
Gonzaacutelez-Carrentildeo y cols [25] obtuvieron un valor Ms = 500 emug para esferas huecas de
BaFe12O19 calcinadas a la misma temperatura obtenidas a partir de pirolisis por aerosol La
diferencia en los valores de magnetizacioacuten obtenidos por eacutestos autores y los valores obtenidos en
eacuteste trabajo puede ser debida principalmente a la estructura de la BaFe12O19 dado que en todos
los casos la morfologiacutea de la BaFe12O19 fue esfeacuterica sin embargo la BaFe12019 obtenida en este
trabajo presento una estructura porosa mientras que la estructura de obtenida por Xu y
Gonzaacutelez-Carrentildeo obtuvieron una estructura hueca
Por otra parte no uacutenicamente la estructura y morfologiacutea de las BaFe12O19 afecta las propiedades
magneacuteticas sino tambieacuten el meacutetodo de preparacioacuten Por ejemplo An y cols [42] sintetizaron
79
BaFe12O19 con una morfologiacutea esfeacuterica a traveacutes de un meacutetodo ultrasoacutenico asistido por sales En
este caso los valores de magnetizacioacuten obtenidos por los autores fue Ms = 619 emug (T = 950
degC) lo cual dista del valor obtenido en el presente trabajo de investigacioacuten
43 PROPIEDADES BIOLOacuteGICAS
431 Extraccioacuten de ADN plasmiacutedico
La extraccioacuten de ADN plasmiacutedico se llevoacute a cabo para verificar la presencia del gen de intereacutes en
los plaacutesmidos replicados en la cepa T7 de la bacteria E coli a partir de la cual se sintetizoacute el
peacuteptido DS La Fig 416 obtenida con el Fotocodificador EL LOGIC 200 muestra la extraccioacuten
de ADN de naturaleza plasmiacutedica de la cepa T7 de E coli Se obtuvo una extraccioacuten exitosa del
plaacutesmido pF1A T7 con un rendimiento de 350 ngmL
Figura 416 Extraccioacuten de ADN plasmiacutedico La columna 1 es referida al marcador Kb Plus DNA Ladder de peso
molecular conocido (pares de bases pb) El marcador se compone de 20 bandas de ADN de alta pureza de doble
cadena que abarca 100 pb hasta 12000 pb La columna 2 representa el ADNp de la cepa NEB (New England Biolab)
T7 DS Ademaacutes puede ser observado en la columna 2 la presencia de tres bandas a) es referida al ADNp relajado
b) describe el ADNp enrollado y c) explica el ADNp suacuteper-enrrollado
80
432 Siacutentesis induccioacuten y expresioacuten del peacuteptido DS
a Siacutentesis a partir del plaacutesmido pF1A T7 Flexireg
La Fig 417 muestra un anaacutelisis electroforeacutetico en un gel de SDS-poliacrilamida (SDS-PAGE)
que revela la expresioacuten del peacuteptido DS En la Fig 417 la columna 1 es referida al marcador
Spectra Multicolor Broad Range Protein Ladder Las columnas 2-5 muestras los efectos de las
concentraciones del inductor IPTG 05 1 2 y 3 mM Cada una de las bandas observadas en el
gel SDS-PAGE representa una proteiacutena distinta En las columnas 2-5 se observa una banda a la
altura de aproximadamente 26 KDa lo cual indica la expresioacuten del peacuteptido DS y que estaacute de
acuerdo con los valores de la literatura Sin embargo la intensidad de la banda en la columna 4 es
maacutes intensa lo cual indica que una concentracioacuten 2 mM de IPTG tiene una mayor eficiencia en la
induccioacuten del peacuteptido DS Por otra parte un aumento en la concentracioacuten de IPTG a 3 mM inhibe
la expresioacuten del peacuteptido DS como se puede observar en la columna 5
Figura 417 Separacioacuten de proteiacutenas por electroforesis en gel SDS-PAGE
81
b Siacutentesis a partir del plaacutesmido pFN21K
La Fig 418(a) y Fig 418(b) muestra imaacutegenes de microscopiacutea oacuteptica a diferentes
magnificaciones Las ceacutelulas CHO normalmente ancladas a la superficie tienen forma
fibroblastoide y pueden adaptarse a crecer en suspensioacuten adquiriendo entonces una forma
esfeacuterica Las ceacutelulas transfectadas son faacuteciles de detectar ya que eacutestas adquieren una coloracioacuten
azul debida a la integracioacuten de un plaacutesmido que contiene un gen reportero el cual estaacute vinculado a
una secuencia regulatoria en el cultivo celular Estos genes otorgan caracteriacutesticas que facilitan su
expresioacuten identificacioacuten y medicioacuten La expresioacuten del gen reportero puede ser observada en la
Fig 418 Las ceacutelulas CHO son tentildeidas al momento de antildeadir una moleacutecula orgaacutenica X-gal que
degrada la beta-galactosidasa presente en las ceacutelulas CHO
Figura 418 Imaacutegenes del microscopio oacuteptico en las cuales se puede observar la expresioacuten de un gen reportero
indicando las ceacutelulas CHO han sido transfectadas
La Fig 419 muestra un anaacutelisis tipo Western blot En la placa fotograacutefica se observa la proteiacutena
de intereacutes DS-HaloTag a una altura de ~61 KDa sintetizada a partir del plaacutesmido pfN21K El
volumen final en los carriles 1-3 fue de 198 microl con una concentracioacuten de proteiacutena (microgmicroL) de 29
28 y 27 respectivamente De acuerdo a la literatura el peso molecular del peacuteptido DS es ~26
KDa y el peso molecular de HaloTag es ~34 KDa Por lo que el peso de 61 KDa observado en la
placa fotograacutefica corresponde al peso molecular de la proteiacutena de fusioacuten DS-HaloTag
82
Figura 419 Anaacutelisis tipo Western blot La proteiacutena de intereacutes DS-HaloTag aparece a una altura de 61 ~KDa
433 Caracterizacioacuten del peacuteptido DS
La correspondiente caracterizacioacuten del peacuteptido DS es mostrada en la Tabla 4IV la cual incluye
caracteriacutesticas tales como la longitud y peso del peacuteptido punto isoeleacutectrico residuos hidrofoacutebicos
e hidrofiacutelicos residuos cargados y distribucioacuten de los aminoaacutecidos presentes (Tabla 4V y Fig
420)
Tabla 4IV Informacioacuten de secuencia
Informacioacuten de secuencia
Secuencia Proteiacutena
Longitud 252
Organismo Dominio de unioacuten a Su(H) sin intron
Nombre DS sin introacuten marco de traduccioacuten +1
Peso 26371 KDa
Punto isoeleacutectrico 1075
Iacutendice alifaacutetico 60556
Residuos de aminoaacutecidos
Hidrofobicidad Cantidad Tipo de carga Cantidad
Hidrofoacutebico (A F G I L M P V W)1 121 Negativa (D E)
1 17
Hidrofiacutelico (C N Q S T Y)1 78 Positiva (R K)
1 32
1 = Abreviacioacuten de los aminoaacutecidos con una sola letra
83
Tabla 4V Tabla de distribucioacuten de aminoaacutecidos
Aminoaacutecido Cantidad Aminoaacutecido Cantidad
Alanina (A) 31 Metionina (M) 2
Cisteiacutena (C) 0 Asparagina (N) 9
Aacutecido aspaacutertico (D) 11 Prolina (P) 16
Aacutecido glutaacutemico (E) 6 Glutamina (Q) 7
Fenilalanina (F) 10 Arginina (R) 17
Glicina (G) 24 Serina (S) 35
Histidina (H) 4 Treonina (T) 24
Isoleucina (I) 9 Valina (V) 11
Lisina (K) 15 Triptofano (W) 4
Leucina (L) 14 Tirosina (Y) 3
Figura 420 Histograma de distribucioacuten de aminoaacutecidos
A nuestro mejor conocimiento el peacuteptido DS (Dominio de unioacuten a supresor de Hairless [Su(H)]
no ha sido probado como faacutermaco modelo en sistemas DDS Sin embargo cientos de peacuteptidos
derivados a partir de proteiacutenas presentes principalmente en el citosol mitocondria yo nuacutecleo han
sido identificados y probados [11] Li [13] produjo el peacuteptido LL-37 antimicrobiano en E coli el
84
cual exhibe diversas propiedades inmunomoduladoras tales como la habilidad de mediar la
quimiotaxis acelerar la angiogeacutenesis y promover la cicatrizacioacuten
En las uacuteltimas deacutecadas el desarrollo de terapias a partir de peacuteptidos ha llevado a un nuacutemero sin
precedentes de aprobaciones en el mercado Kaspar y cols [37] describen las direcciones futuras
en el desarrollo de terapias basadas en peacuteptidos Algunos peacuteptidos aprobados en 2012 por la FDA
son linaclotide utilizado para el tratamiento de desoacuterdenes gastrointestinales lucinactant usado
para prevenir el siacutendrome respiratorio peginesatide usado para el tratamiento de anemia entre
otros
44 PRUEBAS DE CARGALIBERACIOacuteN
En la Fig 421 se observa como disminuyen los valores de densidad oacuteptica (DO600) en la
interaccioacuten BaFe12O19-DS-HaloTag a medida que el tiempo transcurre La disminucioacuten de DO600
indica que el peacuteptido DS-HaloTag es absorbido sobre la superficie de los sistemas
nanoestructurados de BaFe12O19 Como puede ser observado en la Figura 45 los valores de
DO600 se mantienen constante en ~ 0243 en un tiempo de 140 min lo cual indica que en este
punto los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 han alcanzado su saturacioacuten y por lo tanto no
pueden absorber maacutes cantidad de peacuteptido DS-HaloTag A partir de la graacutefica se determinoacute la
concentracioacuten de peacuteptido DS-HaloTag absorbido por los sistemas nanoestructurados de
BaFe12O19 Sabiendo que la concentracioacuten inicial (C1) del peacuteptido DS-HaloTag fue de 24 microgmicroL
y calculando la concentracioacuten remanente (C2) del peacuteptido DS-HaloTag en la salucioacuten acuosa lo
cual corresponde al momento de saturacioacuten de los sistemas nanoparticulados de BaFe12O19 (140
min) a una longitud de onda λ = 595 nm a partir de la ecuacioacuten de regresioacuten polinomial de orden
2 y = 2Endash05x2 ndash 00069x + 07866 y con un coeficiente de correlacioacuten R2 = 096021 se obtiene
una concentracioacuten C2 = 0268 microgmicroL por lo tanto la concentracioacuten absorbida de peacuteptido DS-
HaloTag por los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 corresponde a C1 - C2 = 213 microgmicroL
Asiacute el porcentaje de peacuteptido DS-HaloTag puede ser calculado a partir de la siguiente expresioacuten
85
Ecuacioacuten 41
donde
Cab = absorcioacuten de DS-HaloTag sobre los sistemas de BaFe12O19
C1 = concentracioacuten inicial de DS-HaloTag
C2 = concentracioacuten remanente de DS-HaloTag en solucioacuten acuosa
Por lo tanto
Cab = 875
Figura 421 Interaccioacuten BaFe12O19-DS-HaloTag La disminucioacuten en los valores de DO a medida que el tiempo
transcurre indica la absorcioacuten del peacuteptido por los agregados de BaFe12O19
86
Una vez saturados los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 se tomaron 10 microL de la solucioacuten
acuosa que contiene el peacuteptido DS a los cuales se les agrego 50 microL de buffer de lisis La mezcla
se llevoacute a ebullicioacuten por 10 min para ser cargada en un gel de poliacrilamida La Fig 422
muestra una electroforesis de un gel SDS-PAGE llevada a cabo a 200 V por 40 min La Fig
428(a) muestra la interaccioacuten entre los agregados de BaFe12O19 y el plaacutesmido pFN1A T7 Flexireg
y advierte como la concentracioacuten de la proteiacutena (columna izquierda) decrece (la intensidad de las
bandas se ve disminuida) lo cual indica que el peacuteptido DS es absorbido por los agregados de
BaFe12O19
Figura 422 Anaacutelisis visual SDS-PAGE de la interaccioacuten BaFe12O19-DS-HaloTag que muestra coacutemo disminuye la
cantidad de proteiacutena libre en el medio
Adicionalmente el anaacutelisis FTIR mostrado en la Fig 414 confirma que el peacuteptido DS-HaloTag
fue absorbido por los sistemas nanoparticulados de BaFe12O19 El espectro IR mostrado en la Fig
419 exhibe los enlacesgrupos funcionales del peacuteptido DS a 35508 cm-1
54503 cm-1
61603
cm-1
69926 cm-1
y 87333 cm-1
Puede ser observado que el enlacegrupo funcional a 87333 cm-
1 aparece en los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 cargados con el peacuteptido lo que
confirma su absorcioacuten por el sistema asiacute mismo el enlacegrupo funcional que aparece a 30984
87
cm-1
en los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 pudiera corresponder al observado en el
peacuteptido DS-HaloTag por la proximidad que eacuteste presenta Por otra parte los enlacesgrupos
funcionales a 54503 cm-1
61631 cm-1
y 69926 cm-1
que no aparecen en los sistemas
nanoestructurados de BaFe12O19 cargados con el peacuteptido pudieran corresponder a la parte de la
proteiacutena de bajo peso molecular lo cual puede estar de acuerdo con los resultados mostrados en
la Figura puesto que el gel de poliacrilamida (10) revela que en la interaccioacuten BaFe12O19-DS-
HaloTag los peacuteptidos que en su mayoriacutea son absorbidos son aquellos que corresponden a un peso
molecular grande
La absorcioacuten del peacuteptido DS-HaloTag sobre los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 puede
ser explicada a partir del hecho de que el potencial zeta (Fig 423) del sistema nanoestructura de
BaFe12O19 ζ BaFe12O19 tiene un valor negativo a un pH de 74 (pH al cual se llevoacute a cabo la
interaccioacuten) mientras que la carga superficial del peacuteptido DS ζ DS al mismo pH tiene un valor
positivo
Figura 423 Carga superficial (mV) en funcioacuten del pH para el peacuteptido DS-HaloTag y los sistemas nanoestructurados
de BaFe12O19
Ademaacutes el peacuteptido DS presenta residuos de aminoaacutecidos (aa) hidrofoacutebicos (Alanina (A)
Fenilalanina (F) Glicina (G) Isoleucina (I) Leucina (L) Metionina (M) Prolina (P) Valina (V)
Triptoacutefano (W)) e hidrofiacutelicos (Cisteiacutena (C) Asparagina (N) Glutamina (Q) Serina (S) Treonina
88
(T) Tirosina (Y)) y tomando en cuenta que BaFe12O19 en solucioacuten acuosa puede formar
hidroxilos (grupos OH) que pueden reaccionar con los radicales (R) de los aminoaacutecidos se
propone un modelo (Fig 424) de las posibles interacciones entre los sistemas nanoestructurados
de BaFe12O19 y el peacuteptido DS-HaloTag
Figura 424 Modelo propuesto para las posibles interacciones BaFe12O19-DS-HaloTag
La Fig 425 muestra el perfil de liberacioacuten del peacuteptido DS-HaloTag de los sistemas
nanoestructurados de BaFe12O19 cuando eacutestos fueron colocados en medio de cultivo F12K bajo
una atmoacutesfera de 5 de CO2 a 37 ordmC Es bien sabido que entre mayor sea la diferencia de
potencial zeta ζ coexistiraacute una mayor atraccioacuten entre partiacuteculas de carga superficial opuesta Por
lo tanto como puede ser observado en la graacutefica de carga superficial los valores de pH a los
cuales se promoveriacutea una mayor absorcioacuten de peacuteptido DS-HaloTag sobre los sistemas
nanoestructurados de BaFe12O19 estariacutean en pH 58-6 Sin embargo se decidioacute trabajar a un valor
de pH 74 debido a que la solucioacuten acuosa en la cual se encuentra el peacuteptido DS-HaloTag
originalmente tiene este valor Otras razones por las cuales se optoacute trabajar con este valor es que
al pH 74 sigue existiendo una carga superficial opuesta entre el peacuteptido DS-HaloTag y los
sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 mientras que una disminucioacuten en el valor de pH
pudiera provocar una desnaturalizacioacuten de la proteiacutena Una vez incubado en medio F12K bajo
89
condiciones de 5 CO2 y temperatura de 37 ordmC el CO2 tiene la funcioacuten de contrarrestar la
alcalinizacioacuten del medio debido a la actividad metaboacutelica propia de las ceacutelulas en cultivo y una
variacioacuten de pH hacia lo aacutecido o lo baacutesico hace que el peacuteptido sea liberado por parte de los
sistemas nanoparticulados de BaFe12O19 El medio F12K es un medio celular que fue
desarrollado principalmente para ceacutelulas de hepatocito humano asiacute tambieacuten para ceacutelulas de
hiacutegado de rata y pollo en un ambiente de suero reducido Para el presente estudio se trabajoacute con
medio F12K incompleto libre de ceacutelulas con la finalidad de verificar que el peacuteptido DS-HaloTag
fuera liberado precisamente al hecho de que el CO2 acidifica el medio causando variaciones en el
potencial zeta ζ de cada uno de los integrantes de la mezcla es decir los sistemas
nanoestructurados de BaFe12O19 y el peacuteptido DS-HaloTag
Figura 425 Perfiles de liberacioacuten del peacuteptido DS-HaloTag que muestra un aumento de la DO600 a medida que
transcurre el tiempo (t) El aumento en los valores de la DO600 indica que el peacuteptido DS-HaloTag es liberado de los
sistemas nanoestructurados de BaFe12O19
El uso de un disentildeo experimental fraccionario 2f nos permite evaluar el efecto que tienen
determinados paraacutemetros sobre una variable de respuesta Especiacuteficamente para este trabajo de
90
investigacioacuten las variables oslashagregado SBET Vmesoporo y oslashmacroporo fueron evaluadas a partir del efecto
de la temperatura y presioacuten en el proceso de secado por aspersioacuten y la concentracioacuten de agente
poroacutegeno utilizado durante la siacutentesis sol-gel A partir de los datos estadiacutesticos arrojados por el
anaacutelisis de varianza ANOVA se establece queacute paraacutemetros tienen un efecto significativo sobre la
variable de respuesta De esta manera el disentildeo experimental fraccionario 2f nos permitiraacute
optimizar el proceso de siacutentesis de los agregados nanoestructurados de BaFe12O19 para obtener la
morfologiacutea y estructura deseada lo cual a su vez tendraacute un efecto sobre las propiedades fiacutesicas
quiacutemicas y magneacuteticas del producto final
El uso de las teacutecnicas XRD SEM TEM BET FTIR y VSM proporcionoacute detalles necesarios en
cuanto a la caracterizacioacuten estructural morfoloacutegica y magneacutetica de los agregados de BaFe12O19
Asiacute a partir de los espectros de XRD fue observada la presencia de tres fases la fase hexagonal
BaFe12O19 la monoferrita de bario BaFe2O4 y la fase hematita Fe2O3 cuya coexistencia fue
confirmada por TEM Las propiedades magneacuteticas (Ms Mr y Hc) determinadas a partir de las
curvas de histeacuteresis obtenidas a partir de un VSM son afectadas por la morfologiacutea y estructura
macro-mesoporosa (observada por SEM y BET) asiacute como la mezcla de fases presentes en los
agregados de BaFe12O19 Las propiedades magneacuteticas sobre todo un comportamiento
superparamagneacutetico es perseguido para aplicaciones biomeacutedicas tal como los sistemas DDS
debido a que esta caracteriacutestica permite dirigir y focalizar un faacutermaco a un sitio especifico de
accioacuten mediante la aplicacioacuten de un campo magneacutetico externo Por lo tanto la concentracioacuten y
nuacutemero de dosificaciones puede ser reducida disminuyendo los efectos secundarios no deseados
Las caracteriacutesticas obtenidas en el presente trabajo de investigacioacuten hacen de los sistemas
nanoestructurados de BaFe12O19 un candidato como sistema de liberacioacuten de faacutermacos Esto fue
corroborado al evaluar la capacidad de carga de los sistemas de BaFe12O19 al ser cargados con el
peacuteptido DS usado como faacutermaco modelo La capacidad de carga asiacute como el perfil de liberacioacuten
del peacuteptido fueron evaluados por teacutecnicas de espectroscopia UV-vis FTIR SDS-PAGE
potencial zeta y anaacutelisis tipo Western blot El porcentaje de absorcioacuten del peacuteptido fue del peacuteptido
fue de 875
91
CAPIacuteTULO 5
CONCLUSIONES
92
CAPIacuteTULO 5 CONCLUSIONES
1- Agregados esfeacutericos nanoestructurados de BaFe12O19 de 17 microm con tamantildeo de
macroporo de 223 nm y tamantildeo de mesoporo entre 34 y 12 nm fueron disentildeados y
sintetizados exitosamente usando un disentildeo experimental 2f a traveacutes del meacutetodo sol-gel y
secado por aspersioacuten
2- Mediante un anaacutelisis estadiacutestico de varianza ANOVA se determinoacute que la presioacuten (P) es
el uacutenico factor significativo que afecta el tamantildeo de agregado de BaFe12O19 Por otra
parte ninguacuten paraacutemetro evaluado en el disentildeo 2f tuvo un efecto significativo sobre el
tamantildeo de macroporo Sin embargo el aacuterea superficial especiacutefica BET se vio afectada por
la concentracioacuten de agente poroacutegeno ( esferas de PS) asiacute como las combinaciones presioacuten-
poroacutegeno y temperatura poroacutegeno Por uacuteltimo los factores que mostraron un efecto
significativo sobre el volumen de mesoporo fueron la presioacuten y las combinaciones entre
presioacuten-poroacutegeno y temperatura poroacutegeno
3- La saturacioacuten magneacutetica Ms delos agregados BaFe12O19 varioacute entre 1424-4511 emug y
los valores de coercitividad Hc estuvieron entre 19465-427750 Oe Mostrando un
comportamiento magneacutetico semiduro con valores de Ms = 1424 y Hc = 19463 Oe para la
muestra calcinada a 700 degC
4- A partir del plaacutesmido pF1A T7 de la cepa T7 de E coli fue posible sintetizar el peacuteptido
DS mediante la induccioacuten con IPTG 2mM Por otra parte tambieacuten fue posible la siacutentesis
del peacuteptido DS a traveacutes de la transfeccioacuten de ceacutelulas CHO en cultivo celular con el vector
pFN21K Asiacute mismo fue posible la imnunodeteccioacuten del peacuteptido DS mediante la
utilizacioacuten de anticuerpos monoclonales anti-HaloTag El peacuteptido DS tiene gran
probabilidad de bloquear el dominio intracelular de Notch (NICD) que es un activo en
ceacutelulas canceriacutegenas
5- La capacidad de absorcioacuten del peacuteptido DS sobre los sistemas nanoestructurados de
BaFe12O19 fue del 875
93
TRABAJO A FUTURO Y RECOMENDACIONES
La capacidad de carga y perfil de liberacioacuten del peacuteptido DS fue probado en el presente trabajo de
investigacioacuten Por lo tanto la formulacioacuten empleada para el disentildeo y siacutentesis de los sistemas
nanoestructurados de BaFe12O19 hacen de estos sistemas un candidato para ser aplicados como
sistemas de liberacioacuten de faacutermaco Sin embargo debido a que la biocompatibilidad es un
requisito fundamental para ser aplicados en los sistemas bioloacutegicos es imprescindible realizar
estudios de citotoxicidad ya sea in vitro o in vivo por ejemplo los ensayos MTT los cuales se
basan en la capacidad de las ceacutelulas viables para reducir y convertir la sal de tetrazolio Bromuro
de 3-(45-dimetiltiazol-2-il)-25-difeniltetrazolio compuesto relativamente incoloro en formazan
una sustancia fuertemente lipofiacutelica de color morado El ensayo MTT es considerado como una
prueba de viabilidad que trabaja eficientemente en la mayoriacutea de los casos por lo tanto es
frecuentemente usada por si sola para evaluar la citotoxicidad in vitro particularmente para
evaluacioacuten de citotoxicidad en las nanopartiacuteculas
Asiacute mismo se recomienda realizar estudios sobre la modificacioacuten superficial de los agregados
nanoestructurados de BaFe12O19 por ejemplo a traveacutes de la PEGilacion el cual es un proceso de
unioacuten tanto covalente como no covalente de polietilenglicol (PEG) hacia la moleacutecula o estructura
a modificar O bien la modificacioacuten superficial pudiera llevarse a cabo empleando alguacuten otro
tipo de moleacutecula ya sean poliacutemeros proteiacutenas ADN etc Asiacute la modificacioacuten superficial
reduciraacute la inmunogenecidad y antigenecidad de la BaFe12O19 empleado como sistema portador
de faacutermaco Ademaacutes la modificacioacuten superficial permitiraacute enmascarar a la BaFe12O19 lo que le
permitiraacute evadir el sistema retiacuteculo endotelial y aumentar el tiempo de circulacioacuten en el torrente
sanguiacuteneo por lo tanto llegando a su sitio de accioacuten con mayor facilidad
94
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101
ANEXOS
CONSEJO NACIONAL DE CIENICA Y TECNOLOGIacuteA
CURRICULUM VITAE UacuteNICO
TORRES CADENAS SAMUEL
PRODUCCIOacuteN CIENTIFICA
ARTIacuteCULOS
2017 S Torres-Cadenas J Reyes-Gasga A Bravo-Patintildeo I Betancourt ME Contreras-Garciacutea Morphological
and magnetic properties of sol-gel synthetized meso and macroporous spheres of barium hexaferrite
(BaFe12O19) Journal of Magnetism and Magnetic Materials (2017) doi
httpdxdoiorg101016jjmmm201702018
2016 S Torres A Bravo ME Contreras BaO6Fe2O3 as DDS using tetracycline as model drug IOSR Journal of
Engineering (IOSRJEN) 11 (2016) 20-24 httpwwwiosrjenorgpagesvolume6-issue11(part-1)html
2016 S Torres-Cadenas A Bravo-Patiacutentildeo J Zarate-Medina ME Contreras-Garciacutea Nest-Like Barium
Hexaferrite Microspheres With Hierarchical Porous Structure for Drug Delivery Journal of Silicate Based
and Composite Materials
PARTICIPACIONES EN CONGRESOS
2016 Esferas Bioceramicas de Baomiddot6Fe2O3 con Estructura Tipo Nido Nacional VIII Congreso Nacional de
Cristalografiacutea II reunioacuten de la Sociedad Latinoamericana de Cristalografiacutea A Bravo-Patintildeo VS
Loacutepez-Aacutelvarez ME Contreras-Garciacutea Meacuterida Yucataacuten
2016 Nest-Like Barium Hexaferrite Microspheres With Hierarchical Porous Structure for Drug Delivery
Extranjero 4th
International Conference on Competitive Materials and Technology Processes A
Bravo-Patintildeo M E Contreras-Garciacutea Miskolc-Lillafured Hungay
2015 Baobull6Fe2O3A Vehicle for Drug Delivery Extranjero 14th
International Union of Materials Research
Societies-International Conference on Advanced Materials Alejandro Bravo Patintildeo Humberto
Contreras Cornejo Joseacute Antonio Rodriguez Torres Maria Eugenia Contreras Garciacutea Rep Popular
Democraacutetica Corea
2014 BaFe12O19 as Drug Delivery Vehicle A Morphological and Structural Studio Nacional 18th
International Microscopy Congress Alejandro Bravo Patintildeo Victor Sayil Loacutepez Aacutelvarez Mariacutea Eugenia
Contreras Garciacutea Meacutexico
102
2014 BaFe12O19 Como Sistema Nanoestructurado para Liberacioacuten de Faacutermacos Nacional AMIDIQ ldquoLa
Interdisciplinariedad en la Ingenieriacutea Quiacutemicardquo Alejandro Bravo Patintildeo Joseacute Antonio Rodriacuteguez Torres
Mariacutea Eugenia Contreras Garciacutea Meacutexico
2013 BaFe12O19 Nanoparticles ndash A scheme for Drug Delivery Internacional 12th
Inter-American
Microscopy Congress Alejandro Bravo Patintildeo Joseacute Antonio Rodriguez Torres Mariacutea Eugenia Contreras
Garciacutea Meacutexico
2013 Escuela de Materia Condensada y Nanociencia Nacional International Multidisciplinar Joint
Meeting Nanocience and Condensed Matter Physis Meacutexico
2013 IV Foro de Vinculacioacuten Universidad-Industria Nacional VIII Escuela de Materiales y
Nanotecnologiacutea Meacutexico
2013 Magnetic Nanoparticles Engineered To Drug Delivery Internacional XXII International Materials
Research Congress Alejandro Bravo Patioacute Maria Eugenia Contreras Garciacutea Meacutexico
2013 Microscopiacutea Electroacutenica de Barrido con FE SEM y Teacutecnicas EDS Extranjero 12th Inter-American
Microscopy Congress Colombia
Accepted Manuscript
Morphological and magnetic properties of sol-gel synthetized meso and mac-roporous spheres of barium hexaferrite (BaFe12O19)
S Torres-Cadenas Joseacute Reyes-Gasga A Bravo-Patintildeo I Betancourt MEContreras-Garciacutea
PII S0304-8853(16)32862-1DOI httpdxdoiorg101016jjmmm201702018Reference MAGMA 62474
To appear in Journal of Magnetism and Magnetic Materials
Received Date 31 October 2016Accepted Date 11 February 2017
Please cite this article as S Torres-Cadenas J Reyes-Gasga A Bravo-Patintildeo I Betancourt ME Contreras-Garciacutea Morphological and magnetic properties of sol-gel synthetized meso and macroporous spheres of bariumhexaferrite (BaFe12O19) Journal of Magnetism and Magnetic Materials (2017) doi httpdxdoiorg101016jjmmm201702018
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MORPHOLOGICAL AND MAGNETIC PROPERTIES OF SOL-GEL
SYNTHETIZED MESO AND MACROPOROUS SPHERES OF BARIUM
HEXAFERRITE (BaFe12O19)
S Torres-Cadenasa Joseacute Reyes-Gasgab A Bravo-Patintildeoc I Betancourtd M
E Contreras-Garciacuteaa
aInstituto de Investigaciones Metaluacutergicas y Materiales UMSNH Edificio U Ciudad Universitaria Santiago Tapia 403 Colonia Centro 58030 Morelia Meacutexico Email storres_chotmailcom eucontregmailcom
bInstituto de Fiacutesica UNAM Circuito de la Investigacioacuten sn Ciudad Universitaria
04510 Coyoacaacuten Meacutexico DF Meacutexico Email jreyesfisicaunammx
cCentro Multidisciplinario de Estudios en Biotecnologiacutea (CMEB) de la FMVZ UMSNH Posta Zooteacutecnica Km 85 carretera Morelia-Zinapecuaro CP 58890 col La Palma Tarimbaro Michoacaacuten Meacutexico Email brapalhotmailcom
dInstituto de Investigaciones en Materiales UNAM Ciudad de Meacutexico CP 04510 Meacutexico Email israelbiimunammx
Corresponding Author
Dr Joseacute Reyes-Gasga Instituto de Fiacutesica UNAM Circuito de la Investigacioacuten sn Ciudad Universitaria 04510 Coyoacaacuten Meacutexico DF Meacutexico Tel (5255) 56225083 Email jreyesfisicaunammx
Highlights
bull 15 microm porous spheres of BaFe12O19 were synthetized by the sol-gel
method
bull Surfactant Tween20 (C58H114O26) enabled the creation of the mesoporous
structure
bull Polystyrene spheres (PS) were used as the template for the formation of
macropores
bull Spheres resembled a nest or ball-of-yarn type of elongated BaFe12O19
crystals
bull Magnetic properties are evaluated as function of the calcination
temperature
Abstract
Porous spherical aggregates of barium hexaferrite (BaFe12O19) with 15 microm in
diameter were synthetized by the surfactant-assisted sol-gel method The
surfactant Tween20 (C58H114O26) which enables mesoporous structures as well
as polystyrene spheres (PS) as the template agent for the formation of
macropores were used Two synthetic routes (hereafter named A and B) whose
difference was the absence or presence of PS were followed for synthesis X-ray
diffraction (XRD) scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron
microscopy (TEM) in high resolution mode (HRTEM) were used for
characterization Size and morphology of the spheres were similar in both cases
and they resemble a nest or ball-of-yarn type structure Pore size and BaFe12O19
crystal size produced by the two routes are different The magnetic properties of
the spheres were evaluated using a vibrating sample magnetometer (VSM) as
function of the calcination temperature The spheres present ferromagnetic
behavior in both routes
Key words Barium hexaferrite Porous spherical aggregates Surfactant-assisted
sol-gel synthesis Morphological properties Magnetic properties
1 Introduction
In recent decades ceramic materials represent a prominent alternative in scientific
and technological development in a wide range of research fields Specifically
biomedical ceramic materials have been used in orthopedic applications dental
implants tissue regeneration and as drug delivery systems [1] Iron-oxide-based
materials including barium hexaferrite (BaFe12O19) are good Drug Delivery
System (DDS) candidates [2-4] because of their physical chemical and magnetic
properties These magnetic properties are highly necessary for response to an
external magnetic field to target for example the drug into a specific site in the
human body Moreover the BaFe12O19 magnetic microparticles with spherical
morphology have different applications such as permanent magnets [5] electronic
devices [6] gas sensors [7] catalytic supports [8] and more recently in biomedical
applications such as advanced functional magnetic materials for the treatment of
cancer through magnetic hyperthermia [9] contrast agents for MRI [10] and drug
delivery systems [11]
A variety of methods have been used for the synthesis of iron-oxide-based
bioceramics including co-precipitation hydrolysis hydrothermal synthesis inverse
microemulsion and the sol-gel method [12-14] Of these methods sol-gel has
attracted special interest because it allows the development of new materials with
good homogeneity and purity [15-17] In addition it is a relatively fast simple and
inexpensive method Moreover the kinetics of the chemical reactions carried out in
the synthesis is easily controlled by low temperatures processing [17] Unlike
classical methods for powder ceramic processing of BaFe12O19 that require high
calcination temperatures (1200-1300 degC) sol-gel produces the BaFe12O19
microparticles at rather low calcination temperature [18] In addition the use of
surfactant-assisted sol gel synthesis allows more disperse systems enabling the
formation of a larger number of ordered structures and the surfactant allows the
formation of micelles that also act as templates resulting in the formation of
mesopores after elimination of the surfactant by calcination during the thermal
treatment
Surfactant-assisted sol-gel synthesis as structure-directing agents or dispersants
and templates as macropore-forming agents is investigated in this work for the
production of ceramic microstructures designed with hierarchical porosity for
biomedical applications that require highly specific surface areas and the unique
design of materials capable of conducting fluids and interacting with cell tissues
Among the materials designed for these applications pore size distribution and
their interconnectivity determine the viability of the material for a such specific
application
Therefore in the present study BaFe12O19 spherical magnetic macro- and meso-
porous microparticles were synthetized by the surfactant-assisted sol-gel method
as well as polystyrene spheres (PS) as templates for formation microspheres and
dried by spray drying The morphological characterization and magnetic properties
of the spheres are compared as a function of thermal treatment temperature
2 Materials method and experimental procedure
21 Materials
Commercial reagent grade products were used without purification The reagents
were from Aldrich iron nitrate (III) nonahydrate Fe(NO3)3 9H2O barium carbonate
BaCO3 and surfactant Tween20 and from Merck ammonium hydroxide NH4OH
The hydrophilic nonionic surfactant Tween20 (C58H114O26) is an ester of
polyoxyethylene sorbitan with a molecular weight of 1225 Daltons calculated
assuming 20 units of ethylene oxide 1 sorbitol and lauric acid as the primary fatty
acid Monodisperse Polystyrene microspheres (PS) synthesized in the laboratory
were used as the pore-forming agent
22 Synthesis of BaFe12O19
Spheres of barium hexaferrite were synthesized by the sol-gel method either
assisted by surfactants (route A) or assisted by surfactants and templates (route
B) Figure 1 shows the flow diagram of routes A and B Two suspensions were
prepared in each route The first was composed of Fe(NO3)39H2O and BaCO3
salts with a stoichiometric molar ratio dissolved in deionized water The second
was formed by the surfactant Tween20 in aqueous solution Both suspensions
were mixed with constant magnetic stirring and during the reaction the pH of the
slurry was adjusted to 8 with NH4OH Route B included a third suspension
consisting of 30 wt polystyrene spheres in deionized water The PS were
monodispersed with a mean diameter of 200nm The PS suspension was added
to the mixture with constant magnetic stirring for 1h
The resulting suspension was subjected to spray drying using a Mini Spray Dryer
(Yamato ADL31) The conditions in the spray drying equipment for both routes
were determined by experimental design as drying temperature (T = 175 degC) and
drying pressure (P = 15 Kgcm2)
Powders obtained after spray drying (xerogels) were subjected to thermal
treatment for the elimination of organic agents surfactant and template (in each
case) structural water the formation of oxides and crystallization Four different
temperatures were evaluated in both routes for thermal treatment 700 800 900
and 1000 degC
23 Structural morphological chemical and magnetic characterization
Structural chemical and morphological analysis of the spheres was performed by
X-ray diffraction (XRD) scanning electron microscopy (SEM) and transmission
electron microscopy (TEM) in high resolution mode (HRTEM)
Samples were analyzed by X-ray diffraction on a Bruker diffractometer model D8
Advance using Cu Kα radiation (45 kV 30 mA) to determine the crystal structures
and phases presented Samples were scanned from 20deg to 80deg in 2θ and a
constant step of 002ordmseg
For microstructural characterization of the samples the scanning electron
microscope JEOL JSM-7600F and the transmission electron microscope FEG
Phillips Technai F20 were used The SEM was coupled with energy dispersive X-
ray spectroscopy equipment (EDS)
The Digital Micrograph software (Gatan Inc) was used for image analysis and the
linear Lynx software (Verfuumlgbare Software) was used for the statistical analysis of
the data Size distribution of the pores in the spherical aggregates was measured
by the Barrett-Joyner-Halenda (BJH) technique using a Quantachrome (St 1 on
NOVA touch 1LX) instrument
The analysis of the magnetic properties of the samples was performed using a
vibrating sample magnetometer (VSM LDJ 9600) at room temperature applying a
constant magnetic field of 5000 Oe Magnetic saturation (Ms) remnant
magnetization (Mr) and coercivity (Hc) values were obtained from the hysteresis
curves
3 Results
31 X-ray diffraction
Figure 2 shows the x-ray diffraction spectra of the samples obtained from routes A
and B at the calcination temperatures of 700 800 900 and 1000 degC as indicated
in Figure 1
Indexing the x-ray spectra indicates the coexistence of hexaferrite H = BaFe12O19
monoferrite O = BaFe2O4 and hematite F = Fe2O3 in all samples The phase H
(hexaferrite) is hexagonal (Open Database Crystallography card COD No
1008841) with lattice parameters a = b = 0589 nm and c = 2318 nm The O
(monoferrite) phase is orthorhombic (COD card No 4107896) with lattice
parameters a = 1899 nm b = 0538 nm c = 0844 nm The F (hematite) phase is
hexagonal (COD card No 9015964) with lattice parameters a = b = 0503 nm and
c = 1374 nm It is noteworthy that at the calcination temperature of 1000 degC the
major phase is H phase in both routes
As shown in Figure 2 the content of the H phase increases as the content of the F
phase decreases with temperature in both routes In route A the O phase is
present in all samples in route B the O occurs phase only in the sample treated at
700 degC However there is no clear evidence of preferential growth direction of any
phase in the XRD spectra
32 SEM images EDS spectra and spheres and pores size
SEM images indicate that all the samples obtained in routes A and B calcined at
different temperatures are spherical and substantially the same size Figure 3
shows the SEM image of the spheres obtained in route A and the insert which
shows a magnification of these spheres indicates that the spheres are
polycrystalline composed of mesopores and elongated nanometric crystals Figure
4 shows the SEM image of the spheres obtained through route B and the insert
shows that these spheres are also polycrystalline composed of meso- and macro-
pores and micrometric elongated crystals
Figure 5 shows the size distribution of the spheres observed in the samples of
routes A (Figure 5A) and B (Figure 5B) thermally treated at 700degC respectively
Although the average size is slightly different for the samples calcined at different
temperatures all these values are within the range indicated by the standard
deviation at about 15 microns Therefore all the spherical aggregates are
practically the same size The aggregate size is the result of the droplet size
produced in the nozzle of the spray dryer although the size can also be influenced
by the rheology of the gel slurry fed to the spray dryer
Figure 6 shows the size distribution of the pores in the spherical aggregates of
routes A and B For the mesoporous range as mentioned above this size
distribution was measured by the BJH technique In Figure 6A for the samples of
route A the average diameter of the pores in these samples are on the order of 57
plusmn 2 nm Figure 6B shows the case of the mesopores observed in the spheres
obtained by route B they are on the order of 12 plusmn 55 nm The macropores in the
spheres of route B have an average size of about 220 plusmn 53 nm (Figure 6C) This
last result is logical because the suspension fed in route B consists of spheres of
monomodal polystyrene whose average size is of about 250 nm in addition to the
gel
The micrometric-size spheres obtained by route A and route B are both composed
of elongated crystals or fibers but these crystals are of nanometric size for route
A while they are of 35 plusmn 7 nm wide and 300 plusmn 80 nm long for route B The
existence of an interconnected hierarchical pore structure in these spheres is
evident
EDS spectra from the spheres showed the characteristic peaks of barium (Ba) iron
(Fe) and oxygen (O) (Figure 7) [19] In these spectra the Cu peak comes from the
sample holder Therefore the composition of spheres obtained by both routes
contains the same elements as already shown by XRD This results also confirm
that no contamination was present in either route
33 TEM images
Figure 8 shows some of the HRTEM images of the elongated crystals which
conform the spheres obtained in routes A and B Note the nanometric size of the
elongated crystals of BaFe12O19 In some cases the coexistence of crystals of
BaFe12O19 with crystals of BaFe2O4 and Fe2O3 were observed These images
agree quite well with the results obtained by XRD and show the coexistence of a
mixture of phases in the synthesized spheres in both routes
34 Hysteresis loops and magnetic properties
One way to measure the magnetic properties is through the hysteresis loops
which affords the evaluation of macroscopic properties such as saturation
magnetization Ms remanence magnetization Mr and coercive field These
properties define the soft or hard magnetic character of the synthesized materials
Figure 9 shows the hysteresis loops at different calcination temperatures for the
samples obtained by the route A (Figure 9A) and the route B (Figure 9B) The
highest magnetization values are observed in the case of route B Table 1 shows
the magnetic properties of all the samples In general Ms Mr and Hc show an
increment as a function of the calcination temperature and coercivity (Hc)
increases with temperature in all the samples The lowest value of Mr is obtained in
the sample treated at 800 degC for route A In route B the lowest Mr value is obtained
for the sample treated at 700 degC There is also a clear change in the magnetic
behavior associated with the temperatures of the calcination treatment This
change must be related to the percentage of content of the different phases
presented in the samples and it must also be related to the size of the crystals
constituting the spherical aggregates
From Figure 9A and based on the values of coercivity shown in Table 1 the
samples obtained in the route A at temperatures of 700 800 and 900 degC behave as
semi-hard magnetic materials whereas the one obtained at 1000 degC behaves as a
hard magnetic material The shape of the hysteresis loop in the sample at 900 degC
is characteristic of a sample in which two phases coexist On the other hand
Figure 9B indicates that only the material obtained at 700 degC through route B
behaves as a semi-hard magnetic material the others show hard magnetic
material behavior The semi-hard ferromagnetic behavior in these materials makes
them good candidates for biomedical applications [20]
4 Discussion
The results clearly indicate that we succeed in developing a route for the synthesis
of porous spheres of barium hexaferrite with different pore sizes The porous
structures are of great interest in research because of their prominent applications
in different fields of science [21] For example they can be used to charge an
adequate amount of different types of molecules (ie drugs proteins andor
peptides) within the interior of the pore (and also on the surface of the structure)
thus acting as a drug carrier system [22] Mesopores are useful in applications
where interaction with fluids is part of the integration process in which molecules
will be exchanged in the system as in the case of drug delivery Macropores allow
the adsorption of large molecules such as proteins or peptides or even cells that
are currently of great interest in the development of new medical treatments based
on the lsquoin sitursquo drug delivery such as magnetofection [23] gene therapy [24] and
cell labeling [25]
In obtaining macropores the surface charge of the PS spheres and steric factors
play an important role in the self-assembly of BaFe12O19 precursor ions into the PS
particles [26] Pores in the spherical aggregates are consequently produced when
the system is subjected to thermal treatment (700 800 900 and 1000 degC) resulting
in the pyrolysis of the surfactant and the PS Thus the BaFe12O19 precursor ions
are adsorbed into the PS surface being embedded within the micrometer size
spherical aggregate during the spray drying This reaction can be considered a
typical polymerization reaction which means that polymerization takes place
between BaFe12O19 and PS particles contained in an aqueous phase [27] As a
result the PSBaFe12O19 hybrid particles are obtained
In regard to magnetic behavior the hysteresis loops indicate that materials
produced at temperatures of 700 800 and 900 degC in route A fall within the range of
semi-hard magnetic materials whereas at 1000 degC the material becomes a hard
magnetic material In the case of route B the material behaves like a semi-hard
magnetic material only at 700 degC The obtained materials behave like hard
magnetic materials from 800 degC to 1000 degC Analysis of the structural composition
of the spheres indicated that monoferrite (O) and hematite (F) phases are present
However the H phase is the major phase at the calcination temperature of 1000
degC
As shown in Table 1 a significant change occurred as function of calcination
temperature in the magnetic properties of the samples This change has also to be
related to the presence of the different phases Best combinations of magnetic
properties were Ms = 4467 emug and Hc = 479012 Oe for route A and Ms =
4511 emug and Hc = 479146 Oe for route B respectively
The coexistence of the H O and F phases has been reported as a general fact in
obtaining barium hexaferrite [28] The O phase presents an anomalous resonance
near 400 degC that could indicate a phase with magnetic behavior [29] The F phase
has anti-ferromagnetic ordering [30] and thus a characteristic low Ms (1105
emug) [31-33] Therefore for route B it is possible to attribute the observed Ms
variations to the variable content of this phase so that the sample with greater
amount of Fe2O3 (at 700 degC) presents a very low value of Ms Decreasing presence
of Fe2O3 (by progressively increasing the temperature) increases the proportion of
the hexaferrite phase and consequently the Ms values are significantly recovered
In route A the larger value of Ms is coupled with a larger value of Hc which must
be attributed to the presence of a large amount of hexaferrite phase By contrast in
the route B the largest value of Ms of the sample sintered at 1000 degC does not
imply a larger value of Hc (which is recorded for the sample sintered at 900 degC)
which is most like due to significance differences in particle size between the two
phases Samples with Hc gt 4000 Oe can be considered as materials with hard
magnetic behavior
Therefore it seems in this study a larger amount of the Fe2O3 phase obtained at
lower temperatures contributes to a decrement in the magnetic properties resulting
in semi-hard magnetic behavior while an increment in hard magnetic behavior can
mainly be attributed to a decrement in the amount of the Fe2O3 phase as the
BaFe12O19 phase increases
5 Conclusions
Porous spherical aggregates of barium hexaferrite (BaFe12O19) of approximately
15 microm in diameter and 200 nm pores were obtained by the sol-gel chemical
synthesis method using polystyrene (PS) as the pore-forming agent The
morphology of the spheres resembles a nest or ball-of-yarn type structure in which
the crystals belong to the barium hexaferrite phase as the major phase in
coexistence with the monoferrite (BaFe2O4) and hematite (Fe2O3) phases
However the barium hexaferrite phase is the major phase at the calcination
temperature of 1000 degC The magnetic properties of the spheres indicate that the
samples calcined at 700 degC present semi-hard magnetic behavior suggesting they
would be good candidates for use in biomedical applications
Acknowledgements
We thank to V S Loacutepez Alvarez and A Rodriguez Torres for the technical support STC acknowledges the Consejo Nacional de Ciencia y Tecnologiacutea (CONACYT) by scholarship and CIC-UMSNH for the financial support to this research
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Captions for figures
Figure 1 Flowchart of routes A and B followed for the synthesis of the barium hexaferrite spheres The main difference between the routes is that in route B the polystyrene spheres (PS) were added for generating macropores
Figure 2 XRD spectra of the samples obtained by the route A (A) and the route B (B) at the indicated calcination temperature H = BaFe12O19 O = BaFe2O4 F = Fe2O3 Note that at 1000 degC the phase H is the major both cases
Figure 3 SEM image of the spheres obtained in the synthesis route A The spheres are polycrystalline consisting of elongated crystals and nano-sized mesopores The insert shows a magnified view
Figure 4 SEM image of the spheres obtained in the synthesis route B The spheres are polycrystalline with elongated crystals of micrometer size and with meso- and macro-mesoporous structure The insert shows a magnified view
Figure 5 A) Size distribution of the spheres in samples of route A B) Size distribution of the spheres in samples of route B
Figure 6 Size distribution of the mesopores of the spheres measured by the BJH technique A) Route A 57 plusmn 2 nm B) Route B 12 plusmn 55 nm C) Size distribution of the macropores in the spheres of route B on average they are on the order of 220 plusmn 53 nm
Figure 7 EDS spectra of the spheres obtained in the route A (A) and in the route B (B) The spectra are similar for both routes and correspond to the elements Ba Fe and O
Figure 8 HRTEM images of the crystals of BaFe12O19 that make up the spheres obtained in the routes A (A-B) and B (C-D)
Figure 9 Hysteresis loops registered in the samples obtained by route A (A) and route B (B) at different calcination temperatures Note the difference in the magnetic behavior between the two routes in relation to the calcination temperature reaching higher magnetization values in the case of route B
Captions for table
Table 1
Magnetic properties of the samples calcined at different temperatures according to route A (A) and route B (B) The values were obtained from the hysteresis loops shown in Figure 9
Table 1
Magnetic Properties
Route Calcination temperature (degC)
Ms
(emug)
Mr
(emug)
Hc
(Oe)
A
700 2461 593 24220
800 1728 273 23451
900 2371 910 66740
1000 4467 2412 479012
B
700 1424 379 19465
800 1249 592 463160
900 2826 1527 479146
1000 4511 2410 427750
MORPHOLOGICAL AND MAGNETIC PROPERTIES OF SOL-GEL
SYNTHETIZED MESO AND MACROPOROUS SPHERES OF BARIUM
HEXAFERRITE (BaFe12O19)
S Torres-Cadenasa Joseacute Reyes-Gasgab A Bravo-Patintildeoc I Betancourtd M
E Contreras-Garciacuteaa
HIGHLIGHTS
bull 15 microm porous spheres of BaFe12O19 were synthetized by the sol-gel
method
bull Surfactant Tween20 (C58H114O26) enabled the creation of the mesoporous
structure
bull Polystyrene spheres (PS) were used as the template for the formation of
macropores
bull Spheres resembled a nest or ball-of-yarn type of elongated BaFe12O19
crystals
bull Magnetic properties are evaluated as function of the calcination
temperature
265-RXUQDORI(QJLQHHULQJ265-(1 ZZZLRVUMHQRUJ661H661S9ROVVXH 1RY__9__33
QWHUQDWLRQDORUJDQL]DWLRQRI6FLHQWLILF5HVHDUFK _3 D J H
D2ā)H2 DV6XVLQJWHWUDFFOLQHDVPRGHOGUXJ67RUUHV$UDYR0(ampRQWUHUDV
QVWLWXWRGHQYHVWLJDFLRQHV0HWDO~UJLFDV0DWHULDOHV8061+0RUHOLD0LFKRDFiQ0p[LFRampHQWUR0XOWLGLVFLSOLQDULRGH(VWXGLRVHQLRWHFQRORJtD8061+7DULPEDUR0LFKRDFiQ0p[LFR
$EVWUDFW 7KLVSDSHUIRFXVHVRQWKHORDGLQJDQGUHOHDVHVWXGLHVRIWHWUDFFOLQHDVPRGHOGUXJIURPVSKHULFDODJJUHJDWHVRIPLFURQVL]HDSSUR[ P LQGLDPHWHURIEDULXPKH[DIHUULWH D2ā)H2VQWKHWL]HGIURPZHWFKHPLFDOVROJHOPHWKRGYLDVSUDGULQJ D2ā)H2 DJJUHJDWHVZHUHFKDUDFWHUL]HGXVLQJ[UDGLIIUDFWLRQDQGVFDQQLQJHOHFWURQPLFURVFRS7KH ORDGFDSDFLWRID2ā)H2 VVWHPVZDVUHDFKHGDWPLQXWHVDIWHUFRQWDFW ZLWK WHWUDFFOLQH GUXJ 5HOHDVH RI WHWUDFFOLQH ZDV FRQILUP IURP ( FROL EDFWHULDO GHDWK ZKHQD2ā)H2 SDUWLFOHVZHUHLQFRQWDFWZLWKWKHEDFWHULDHZRUGV DULXP+H[DIHUULWHUXJHOLYHU6VWHP6ROHO0HWKRG7HWUDFFOLQH
17528amp721QUHFHQWGHFDGHVWKHELRPHGLFDOILHOGKDVDJUHDWVFLHQWLILFOHDSDYDULHWRIPDWHULDOVIRUH[DPSOH
GHQGULPHUPLFHOOHVHPXOVLRQVOLSRVRPHVQDQRSDUWLFOHVVWHPVgt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ā)H2 VQWKHVL]HGE WKH VROJHODQGVSUDGULQJPHWKRGZDVLQYHVWLJDWHG
(3(50(17$D2ā)H2 VQWKHVLV1DQRVWUXFWXUHGPDJQHWLFVSKHULFDODJJUHJDWHVRIEDULXPKH[DIHUULWHD2ā)H2ZHUHVQWKHVL]HGEPROHFXODU VHOIDVVHPEO E FKHPLFDO VROJHO PHWKRG DQG VSUD GULQJ Q EULHI VDOWV RI LURQ QLWUDWHQRQDKGUDWH)H12+26LJPD$OGULFKDQGEDULXPFDUERQDWHDamp2 6LJPD$OGULFKZHUHGLVVROYHG LQGHLRQL]HG ZDWHU E PDJQHWLF VWLUULQJ USP IRU PLQ LQ D PRODU UDWLR RI $ VHFRQG VXVSHQVLRQIRUPHG E VXUIDFWDQW 7ZHHQ 0HUFN ZDV GLVSHUVHG LQ GHLRQL]HG ZDWHU IRU PLQ DW USP RWKVXVSHQVLRQVZHUHPL[HGDJDLQEFRQVWDQWPDJQHWLFVWLUULQJIRUKRXUV7KHS+RIWKHUHVXOWLQJPL[WXUHZDVDGMXVWHG WR S+ XVLQJ DPPRQLXP KGUR[LGH1+2+7KHQ WKH UHVXOWLQJPL[WXUH ZDV IHG D WXEXODU GULQJFKDPEHURID0LQL6SUDUHUltDPDWR$WKURXJKDIORZRIKRWDLUDVFDUULHUJDV7KH SURFHVVRIVSUDGULQJZDVLQLWLDWHGEWKHJHQHUDWLRQRIGURSOHWVIURPWKHFROORLGDOVXVSHQVLRQIROORZHGEWKHDWRPL]DWLRQRIWKH OLTXLGDWD WHPSHUDWXUH7 ampDQGDSUHVVXUH3 NJFP UHVXOWLQJ LQ WKHSURGXFWLRQRISRZGHUVFRPSRXQGVRI VROLGSDUWLFOHV7KHQ WKHSRZGHUZDVFROOHFWHGEDFFORQHDQGVXEMHFWHG WRKHDW WUHDWPHQWRIampDWDKHDWLQJ UDWHRI ampPLQ IRUKRXUV IRU IXUWKHUFKDUDFWHUL]DWLRQ)LQDOO WKH ORDGLQJDQG UHOHDVHFDSDELOLWIURPWKHD2ā)H2 VVWHPVZDVWHVWHGXVLQJDQWLELRWLFWHWUDFFOLQHDVPRGHOGUXJD2ā)H2 ampKDUDFWHUL]DWLRQ7KHSRZGHUVKHDW WUHDWHGDWampDIWHU WKHSURFHVVRI VSUDGULQJZHUHFKDUDFWHUL]HGXVLQJ[UDGLIIUDFWLRQ RQ D UXNHU PRGHO $GYDQFH XVLQJ UDGLDWLRQ ampX Į N9 P$ DQG VFDQQLQJ HOHFWURQPLFURVFRSILHOGHPLVVLRQ)(6(0XVLQJDPLFURVFRSH-(2-60)
RDGLQJDQGUHOHDVHVWXGRIWHWUDFFOLQH7KHORDGFDSDFLWRID2ā)H2 VVWHPVZHUHGHWHUPLQHGESODFLQJPJRID2ā)H2 SRZGHULQFRQWDFW ZLWK D VWDQGDUG VROXWLRQ RI WHWUDFFOLQH PJP LQ FRQVWDQW PDJQHWLF VWLUULQJ 7HWUDFFOLQH LV D
EURDGVSHFWUXP DQWLELRWLF XVHG WR WUHDW D QXPEHU RI EDFWHULDO LQIHFWLRQV ZKLFK DFWV E LQKLELWLQJ SURWHLQVQWKHVLV $Q DOLTXRW RI WKH WHWUDFFOLQH VROXWLRQ FRQWDLQLQJ SDUWLFOHV D2ā)H2 ZDV WDNHQ DW PLQXWHLQWHUYDOV ILUVW DOORZLQJ WKH SUHFLSLWDWLRQ RI SRZGHUV D2ā)H2 7KHQ ZH DQDO]HG WKH FKDQJHV LQ RSWLFDOGHQVLW2RIWKHWHWUDFFOLQHVROXWLRQXVLQJD89YLVVSHFWURSKRWRPHWHUampDU3UREHVSHFWUXP89YLVVSHFWUD7KHGHFUHDVHLQ2YDOXHVLQGLFDWHGWKDWWKHWHWUDFFOLQHZDVDGVRUEHGRQD2ā)H2 SDUWLFOHV7KH
D2Acirc)H2 DV6XVLQJWHWUDFFOLQHDVPRGHOGUXJ
QWHUQDWLRQDORUJDQL]DWLRQRI6FLHQWLILF5HVHDUFK _3 D J H
RSWLFDOGHQVLWPHDVXUHPHQWVZHUH WDNHQXQWLOREVHUYLQJVWDELOL]DWLRQ LQ WKH2UHDGLQJ7KXV LQGLFDWLQJ WKHPD[LPXP ORDG RI WHWUDFFOLQH RQ D2ā)H2 SDUWLFOHV 7R SHUIRUP WKH UHOHDVH VWXGLHV RI WHWUDFFOLQH IURPD2ā)H2 VVWHPV ZH FRQWLQXHG DV LQGLFDWH EHORZ $ KRH RI WKH OXH VWUDLQ RI (VFKHULFKLD FROL6WUDWDJHQH gtUHF$ HQG$ JU$ WKL KVG5 VXS( ODF=0 7Q FDP 7amp5V ZKLFK ZDVGLVWULEXWHGRQDJDUVROLGZDVWDNHQDQGLWLQFXEDWHGRYHUQLJKWDWamp7KHQDRXQJFRORQZDVVHOHFWHGDQGLQRFXODWHGLQWRPRIOLTXLGPHGLXPLQFXEDWLQJDWampRYHUQLJKWDWUSP7KHQPRIOLTXLGZHUH SODFHG LQ D P(UOHQPHHU IODVN LWZDV DGGHG PRI SUHLQRFXOXP DQG WKHD2ā)H2SDUWLFOHVFKDUJHGZLWK WHWUDFFOLQH$ ILUVW UHDGLQJRIRSWLFDOGHQVLWZDV WDNHQDW2ZKLFK LV WKH2DWWLPH ]HUR 7KH PHGLXP ZDV LQFXEDWHG DW amp DW USP $1( LQFXEDWRU VKDNHU DQG DWSUHGHWHUPLQHGWLPHVPDOLTXRWVZHUHWDNHQWRPHDVXUHWKH2 XQWLOVWDELOL]DWLRQLQWKH2 YDOXHV)RUUHIHUHQFH LQ WKH LQWHUSUHWDWLRQRI UHVXOWV WZRFRQWUROVZHUHSUHSDUHG7KH ILUVW FRPSRVHG VROHORI OLTXLGPHGLXPSOXVSUHLQRFXODWHG7KHVHFRQGFRPSRVHGIURPOLTXLGSUHLQRFXOXPSOXVXQFKDUJHGD2ā)H2SDUWLFOHV)RUERWKFRQWUROVZDVFDUULHGRXWWKHVDPHSURFHGXUHDVWKHWHVW
5(6876 $16amp866217KHSDWWHUQRI[UDGLIIUDFWLRQIRUWKHVDPSOHFDOFLQHGDWampVKRZQLQ)LJXUHLQGLFDWHVWKDWWKH
VDPSOHWKXVREWDLQHGLVFRPSRVHGRIDPL[WXUHDUHFUVWDOOLQHSKDVHV PRVWOEDULXPKH[DIHUULWHD)H2 ZLWKD KH[DJRQDO VWUXFWXUH WRJHWKHU ZLWK KHPDWLWH )H2 KDYLQJ DQ KH[DJRQDO VWUXFWXUH DQG WR D OHVVHU DPRXQWEDULXPPRQRIHUULWH D)H2ZLWKDQRUWKRUKRPELFVWUXFWXUH6HYHUDODXWKRUVgtKDYHUHSRUWHGWKHVQWKHVLVRID)H2 DWGLIIHUHQWWHPSHUDWXUHVLQZKLFKFRH[LVWDPL[WXUHVLPLODUWRWKHSKDVHVREWDLQHGLQWKLVUHVHDUFKRU WKH SUHVHQFH RI RQH RUPRUH GLIIHUHQW SKDVHV WR WKRVH VKRZQ KHUH 7KH GLIIHUHQFH LQ WKH SUHVHQFH RI WKHGLIIHUHQW SKDVHV DV ZHOO DV WKH ZHLJKW UDWLR RI WKH SKDVHV SUHVHQW FDQ EH LQIOXHQFHG E IDFWRUV VXFK DV WKHVQWKHVLVPHWKRGWSHRISUHFXUVRUVDOWVDQGWKHLUPRODUUDWLR WHPSHUDWXUHDQGUHVLGHQFHWLPHKHDWWUHDWPHQWDPRQJRWKHUVQJHQHUDODQLQFUHDVHLQWKH FDOFLQDWLRQWHPSHUDWXUHOHDGVWRLQFUHDVHGVDPSOHFUVWDOOL]DWLRQDQGJUHDWHUSXULWRIWKHD)H2 SKDVHDVKDVEHHQVKRZQHOVHZKHUH+RZHYHUDOWKRXJKKLJKHUWHPSHUDWXUHVFDQEHREWDLQHGD)H2 KLJKHUSXULWKLJKHU WHPSHUDWXUHVSURGXFH ODUJHUSDUWLFOH VL]H UHVXOWLQJ LQREWDLQLQJDKDUG PDJQHWLF PDWHULDO ZLWK PDJQHWLF SURSHUWLHV XQVXLWDEOH IRU ELRPHGLFDO DSSOLFDWLRQV LQ ZKLFK DVXSHUSDUDPDJQHWLFEHKDYLRU LV UHTXLUHGEHFDXVH WKLVGRHVQRW UHWDLQPDJQHWLVPDIWHU UHPRYDORI WKH PDJQHWLFILHOGgt
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Publisher Szilikaacutetipari Tudomaacutenyos Egyesuumllet 1034 Budapest Beacutecsi uacutet 122-124 Telephonefax 06-1201-9360 E-mail infoszteorghu WEB wwwszteorghu Editor-in-Chief Dr Borosnyoacutei Adorjaacuten E-mail epitoanyagszteorghu WEB wwwepitoanyagorghu
A c c e p t a n c e o f M a n u s c r i p t
Dear authors
We are happy to inform you that the Editorial Board of eacutepiacutetőanyag ndash Journal of Silicate Based and
Composite Materials has made a decision on the following manuscript
S Torres-Cadenas A Bravo-Patintildeo J Zarate-Medina ME Contreras-Garciacutea
Nest-like BaObull6Fe2O3 microspheres with hierarchical porous structure for drug delivery
Suggestion accepted for publication
Your manuscript is now with the Editorial Office We call your attention that publication of the
paper will be possible after the approval of the final proof of the manuscript
Thank you for submitting your scientific results to eacutepiacutetőanyag ndash Journal of Silicate Based and
Composite Materials We wish further success for your research activities
Budapest 5 January 2017
Dr Borosnyoacutei Adorjaacuten
Editor-in-Chief
- TD STC (2)
- ANEXO 1
- ANEXO 2
- ANEXO 3
-
- Dear authors
-
- Budapest 5 January 2017
-
2
AGRADECIMIENTOS
He tenido la dicha de contar con personas que me han apoyado de manera incondicional a lo
largo de mi vida contribuyendo de una u otra manera en mi formacioacuten personal y acadeacutemica
Personas que han confiado en miacute tanto o maacutes de lo que yo puedo confiar Podriacutea comenzar a citar
nombres sin embargo es posible que olvide algunos o bien la lista se haga larga Lo que siacute puedo
hacer es expresar mi maacutes profunda gratitud en forma maacutes general a mi familia amigos
compantildeeros profesores y teacutecnicos ya sea dentro de la UMSNH o fuera de ella o bien en alguna
otra Institucioacuten tal como la UNAM Meacutexico De esta manera espero evitar agradecer a quien
deberiacutea
Finalmente agradecer al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnologiacutea (CONACYT) y al PIFI-
PROFOCIE por el apoyo al proyecto de investigacioacuten
3
CONTENIDO
RESUMENhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 10
ABSTRACThelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip11
Capiacutetulo 1 INTRODUCCIOacuteN 13
11 OBJETIVOS 15
111 Objetivo General 15
112 Objetivos Especiacuteficos 15
12 HIPOacuteTESIS 17
13 JUSTIFICACIOacuteN 18
Capiacutetulo 2 REVISIOacuteN DEL ESTADO DEL ARTE 22
21 BIOMATERIALES 22
211 Aplicaciones 23
22 SISTEMAS DE LIBERACIOacuteN DE FAacuteRMACO 26
221 Liposomas 26
222 Nanopartiacuteculas polimeacutericas 27
223 Micelas 27
224 Dendriacutemeros 28
225 Nanopartiacuteculas Magneacuteticas 28
23 CLASIFICACIOacuteN DE LOS MATERIALES MAGNEacuteTICOS 29
231 Diamagnetismo 29
232 Paramagnetismo 29
233 Ferromagnetismo 30
234 Antiferromagnetismo 30
235 Ferrimagnetismo 31
236 Superparamagnetismo 31
24 FERRITAS HEXAGONALES 32
25 METODOS DE SIacuteNTESIS 33
4
251 Siacutentesis sol-gel 33
252 Secado por aspersioacuten 36
26 ESTUDIOS REALIZADOS SOBRE LA SIacuteNTESIS Y APLICACIOacuteN DE
MATERIALES NANOESTRUCTURADOS A BASE DE OXIDO DE HIERRO COMO
SISTEMAS DDS 39
Capiacutetulo 3 DESARROLLO EXPERIMENTAL 44
31 MATERIALES INICIALES 44
32 DISENtildeO EXPERIMENTAL FRACCIONARIO 2f 49
33 SIacuteNTESIS DE AGREGADOS DE BaFe12O19 49
34 CARACTERIZACIOacuteN 50
341 Difraccioacuten de rayos X 50
342 Microscopiacutea electroacutenica de barrido 50
343 Microscopiacutea electroacutenica de transmisioacuten 51
344 Isotermas de adsorcioacutendesorcioacuten de nitroacutegeno 51
345 Espectroscopiacutea infrarroja 52
346 Propiedades magneacuteticas 52
347 Potencial zeta ζ 52
35 PRUEBAS BIOLOacuteGICAS 52
351 Extraccioacuten de ADN plasmiacutedico 52
352 Siacutentesis del peacuteptido DS 53
353 Cargaliberacioacuten del peacuteptido 56
354 Liberacioacuten del peacuteptido DS de los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 57
Capiacutetulo 4 RESULTADOS Y DISCUSION 59
41 DISENtildeO FACTORIAL 2f 59
42 CARACTERIZACIOacuteN 63
421 Difraccioacuten de rayos X 63
422 Microscopiacutea electroacutenica de barrido 64
423 Microscopiacutea electroacutenica de transmisioacuten 67
5
424 Isotermas de adsorcioacutendesorcioacuten de nitroacutegeno 74
425 Espectroscopiacutea infrarroja 75
426 Propiedades magneacuteticas 76
43 PROPIEDADES BIOLOacuteGICAS 79
431 Extraccioacuten de ADN plasmiacutedico 79
432 Siacutentesis induccioacuten y expresioacuten del peacuteptido DS 80
433 Caracterizacioacuten del peacuteptido DS 82
44 PRUEBAS DE CARGALIBERACIOacuteN 84
Capiacutetulo 5 CONCLUSIONES 92
TRABAJO A FUTURO Y RECOMENDACIONEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip93
REFERENCIAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip94
ANEXOS helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip101
IacuteNDICE DE FIGURAS
Figura 11 Nuacutemero de artiacuteculos publicados anualmente en la revista Journal of Controlled
Released desde 1984 18
Figura 12 Meacutetodos de siacutentesis de los sistemas nanoestructurados dirigidos a aplicaciones
biomeacutedicas Las tres rutas principales incluyen meacutetodos quiacutemicos fiacutesicos y bioloacutegicos Fuente
Instituto de Informacioacuten Cientiacutefica Modificado de M Mahmoudi [16] 20
Figura 21 Categoriacuteas esenciales de los materiales usados como DDS i) Materiales orgaacutenicos
dendriacutemeros micelas liposomas i) Materiales inorgaacutenicos nanopartiacuteculas de oro sistemas
nanoestructurados a base de oacutexido de hierro quantum dots (Modificado de Grumezescu [40] y
Riggio [45]) 26
Figura 22 (a) Clasificacioacuten de los materiales seguacuten su comportamiento magneacutetico
paramagneacuteticos ferromagneacuteticos antiferromagneacuteticos y ferrimagneacuteticos (b) Los materiales
superparamagneacuteticos son observados en los nanomateriales ferro- y ferrimagneacuteticos que se
componen de un soacutelo dominio magneacutetico 29
6
Figura 23 (a) seccioacuten transversal de la estructura de la ferrita tipo M (BaFe12O19) Tomado de
Robert C Pullar [60] 33
Figura 24 Rutas de siacutentesis derivadas del meacutetodo sol-gel Tomado de
httpsstrllnlgovstrMay05Satcherhtml 35
Figura 25 Configuracioacuten del equipo de secado por aspersioacuten (a) secador por aspersioacuten
concurrente misma direccioacuten de flujo y (b) secador por aspersioacuten a contracorriente (c)
Evolucioacuten de la temperatura en el proceso de secado en una gotita liacutequida [Handscomb y cols]
En la separacioacuten y recoleccioacuten del polvo se pueden emplear (d) separadores tipo cicloacuten yo (e)
filtros de bolsa 36
Figura 31 Disentildeo experimental fraccionario 2f Las variables de entrada son la presioacuten (P)
Temperatura (T) y porcentaje de agente poroacutegeno (PS) Las variables de respuesta son la
morfologiacutea y tamantildeo de agregado aacuterea superficial BET volumen de mesoporo y tamantildeo de
macroporo 46
Figura 32 Diagrama de flujo que muestra las etapas principales en el desarrollo experimental en
la siacutentesis de agregados nanoestructurados de BaFe12O19 i) Disentildeo y Siacutentesis ii) Caracterizacioacuten
y iii) pruebas bioloacutegicas 48
Figura 33 Extraccioacuten de ADN plasmiacutedico (a) Pasos generales en la extraccioacuten de ADNp y (b)
procedimiento del Kit Pure YieldTM Plasmid Miniprep System 53
Figura 34 Diagrama de siacutentesis del peacuteptido DS a partir del plaacutesmido pFN21K El Diagrama
incluye los pasos desde la expresioacuten del peacuteptido hasta su deteccioacuten y revelado con luminol en un
anaacutelisis tipo Western 54
Figura 41 Espectro DRX del polvo de las esferas de BaFe12O19 obtenidas despueacutes del proceso
de secado por aspersioacuten y calcinado a diferentes temperaturas Este presenta las fases H =
BaFe12O19 (tarjeta Crystallography Open Database COD 1008841) F = Fe2O3 (tarjeta COD
9015964) 63
Figura 42 Imaacutegen SEM de (a) agregados esfeacutericos de BaFe12O19 antes de ser tratados
teacutermicamente y (b) una amplificacioacuten a 20000 X que muestra un agregado de BaFe12O19 en el
cual pueden ser observadas las esferas de poliestireno (PS) antes de ser eliminadas 64
7
Figura 43 Imaacutegenes de SEM de los agregados de BaFe12O19 y sus correspondientes histogramas
de distribucioacuten de tamantildeo (a) Muestra con 50 de PS bajo condiciones de secado por aspersioacuten
de 200 degC y 20 Kgcm2 y su correspondiente distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula (b) (c) Muestra
con 30 de PS bajo condiciones de secado por aspersioacuten de 180 degC y 15 Kgcm2 y su
correspondiente distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula (d) Las muestras fueron calcinadas a 700
degC 66
Figura 44 (a) Espectro EDS de los agregados de BaFe12O19 el cual indica la presencia de los
elementos Ba Fe y O El C es producido por la cinta doble cara de carbono usada como adhesivo
en soporte (b) Mapeos quiacutemicos de EDS de los agregados de BaFe12O19 Imagen SEM en el
modo de electrones secundarios Las imaacutegenes de Ba (verde) Fe (rojo) y O (azul) indican su
distribucioacuten homogeacutenea y que estos elementos son los uacutenicos presentes en las muestras 67
Figura 45 Imaacutegenes de STEM-ADF de los agregados de BaFe12O19 Las esferas estaacuten
conformadas principalmente por cristales alargados 68
Figura 46 Imaacutegenes de una misma esfera de BaFe12O19 en el modo (a) STEM-ADF y (b) TEM
las cuales permiten comparar el contraste de los cristales que la conforman 68
Figura 47 Imaacutegenes de TEM en campo claro (a y c) y en campo oscuro (b y d) del material que
conforman las esferas despueacutes de haber sido desbaratadas por el tratamiento ultrasoacutenico El
inserto en (b) presenta el patroacuten SAEDP proveniente del material presentado en (a) El inserto en
(d) presenta el patroacuten SAEDP del cristal alargado presentado en (c) 69
Figura 48 Imaacutegenes HRTEM de los cristales que conforman los agregados porosos de
BaFe12O19 (a) y (b) corresponden a cristales individuales de la fase BaFe12O19 (c) Coexistencia
entre las fases BaFe12O19 y BaFe2O4 (d) Coexistencia entre las fases BaFe12O19 y Fe2O3 70
Figura 49 (a) Imagen de HRTEM de uno de los cristales alargados que conforman las esferas de
BaFe12O19 El inserto presenta la correspondiente FFT la cual indica que el eje de zona
corresponde al eje en la direccioacuten [2-110] (b) Imagen digitalmente procesada correspondiente al
aacuterea del recuadro indicado en (a) El filtro usado para el procesamiento es indicado en el inserto
(c) Imagen de HRTEM de otro de los cristales alargados con defectos (d) Imagen digitalmente
procesada del aacuterea indicada en el recuadro en (c) 71
8
Figura 410 Celda unitaria de BaFe12O19 obtenidas usando los valores indicados en [27] y
observada en la direccioacuten [10-10] (a) y en la direccioacuten [21-10] (b) Tambieacuten se presentan las
unidades S y R El plano que contiene a Ba es un plano espejo Ba en verde Fe en amarillo y O
en rojo 72
Figura 411 Simulacioacuten computacional de imaacutegenes de HRTEM en las direcciones [0001] (a)
[10-10] (b) y [2-1-10] (c) Se presenta la proyeccioacuten de la celda BaFe12O19 en las direcciones
indicadas la simulacioacuten de su imagen en el desenfoque de Scherzer y su correspondiente patroacuten
de difraccioacuten del aacuterea selecta simulado Las condiciones de simulacioacuten fueron V = 200 KV
desenfoque de Scherzer en -5485 nm y 4x4x4 celdas Ba en verde Fe en amarillo y O en rojo73
Figura 412 Imagen de HRTEM en la direccioacuten [1-100] de uno de los cristales alargados que
conforman los agregados de BaFe12O19 y la imagen computacionalmente simulada en la misma
direccioacuten En este caso la imagen de HRTEM no presenta defectos Tambieacuten se incluyen las
posiciones de los aacutetomos en la celda unitaria Ba en verde Fe en amarillo y O en rojo 74
Figura 413 Isotermas de adsorcioacutendesorcioacuten BET para (a) muestra con 50 de esferas de PS
bajo condiciones de secado por aspersioacuten de 200 degC y 20 Kgcm2 y (b) muestra con 30 de
esferas de PS bajo condiciones de secado por aspersioacuten de 180 degC y 15 Kgcm2 Las muestras
fueron calcinas a 700 degC 75
Figura 414 Espectro Infrarrojo (IR) que muestra los enlacesgrupos funcionales a nuacutemeros de
onda (cm-1
) especiacuteficos correspondientes al peacuteptido DS-HaloTag libre y los sistemas
nanoestructurados de BaFe12O19 libres y cargados con el peacuteptido 76
Figura 415 Curvas de histeacuteresis de los agregados de BaFe12O19 calcinados a diferentes
temperaturas Los valores de las muestras fueron tomadas a temperatura ambiente y 5000 Oe 77
Figura 416 Extraccioacuten de ADN plasmiacutedico La columna 1 es referida al marcador Kb Plus
DNA Ladder de peso molecular conocido (pares de bases pb) El marcador se compone de 20
bandas de ADN de alta pureza de doble cadena que abarca 100 pb hasta 12000 pb La columna 2
representa el ADNp de la cepa NEB (New England Biolab) T7 DS Ademaacutes puede ser observado
en la columna 2 la presencia de tres bandas a) es referida al ADNp relajado b) describe el ADNp
enrollado y c) explica el ADNp suacuteper-enrrollado 79
Figura 417 Separacioacuten de proteiacutenas por electroforesis en gel SDS-PAGE 80
9
Figura 418 Imaacutegenes del microscopio oacuteptico en las cuales se puede observar la expresioacuten de un
gen reportero indicando las ceacutelulas CHO han sido transfectadas 81
Figura 419 Anaacutelisis tipo Western blot La proteiacutena de intereacutes DS-HaloTag aparece a una altura
de 61 ~KDa 82
Figura 420 Histograma de distribucioacuten de aminoaacutecidos 83
Figura 421 Interaccioacuten BaFe12O19-DS-HaloTag La disminucioacuten en los valores de DO a medida
que el tiempo transcurre indica la absorcioacuten del peacuteptido por los agregados de BaFe12O19 85
Figura 422 Anaacutelisis visual SDS-PAGE de la interaccioacuten BaFe12O19-DS-HaloTag que muestra
coacutemo disminuye la cantidad de proteiacutena libre en el medio 86
Figura 423 Carga superficial (mV) en funcioacuten del pH para el peacuteptido DS-HaloTag y los
sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 87
Figura 424 Modelo propuesto para las posibles interacciones BaFe12O19-DS-HaloTag 88
Figura 425 Perfiles de liberacioacuten del peacuteptido DS 89
IacuteNDICE DE TABLAS
Tabla 3I Factores a evaluar en el disentildeo experimental A) Presioacuten (P) B) Temperatura (T) y C)
Concentracioacuten de poliestireno usado como agente poroacutegeno (PS) Cada uno de los paraacutemetros
presenta un nivel bajo (-) y un nivel alto (+) 46
Tabla 3II Matriz del disentildeo experimental 47
Tabla 4I Variables de respuesta (oslashagregado SBET Vmesoporo oslashmacroporo) del disentildeo experimental
fraccionario 2f como resultado del efecto de los factores P T y PS 61
Tabla 4II Anaacutelisis de variancia ANOVA 62
Tabla 4III Propiedades magneacuteticas de los agregados porosos de hexaferrita de bario 78
Tabla 4IV Informacioacuten de secuencia 82
Tabla 4V Tabla de distribucioacuten de aminoaacutecidos 83
10
RESUMEN
Hoy en diacutea existe una gran variedad de formulaciones para la siacutentesis de materiales
nanoestructurados a base de oacutexido de hierro para aplicaciones biomeacutedicas El objetivo del
presente trabajo fue disentildear y sintetizar agregados nanoestructurados de hexaferrita de bario
(BaFe12O19) de tamantildeo micromeacutetrico con jerarquiacutea meso-macroporosa usando el meacutetodo sol-gel
y secado por aspersioacuten Usando un disentildeo experimental factorial 2f se evaluaron la concentracioacuten
( peso) de agente poroacutegeno y los paraacutemetros de temperatura (T) y presioacuten (P) en el proceso de
secado por aspersioacuten para determinar el efecto de estas variables sobre el tamantildeo de agregado de
BaFe12O19 y el tamantildeo de macroporo A parir de teacutecnicas de caracterizacioacuten tales como XRD
SEM y TEM se determinoacute la estructura morfologiacutea y composicioacuten de los polvos de BaFe12O19
Se obtuvieron agregados esfeacutericos de 17 μm de diaacutemetro con una estructura meso-macroporosa
determinada a partir de SEM y BET El tamantildeo de macroporo fue de aproximadamente 223 nm y
el tamantildeo de mesoporo varioacute entre 34 nm y 12 nm Asiacute mismo mediante VSM se obtuvieron
curvas de histeacuteresis a partir de las cuales se determinoacute las propiedades magneacuteticas de los
agregados de BaFe12O19 A una temperatura de calcinacioacuten de 700 degC se obtuvo un material con
comportamiento semiduro cuyos valores de magnetizacioacuten de saturacioacuten y campo coercitivo
fueron Ms = 1424 emug y Hc = 19465 Oe respectivamente Finalmente los agregados de
BaFe12O19 fueron probados como portadores de moleacuteculas con actividad bioloacutegica para ello se
usoacute el peacuteptido DS como faacutermaco modelo sintetizado a partir de los plaacutesmidos pF1A T7 Flexireg y
pFN21K a partir de la cepa T7 de Escherichia coli Se determinoacute la capacidad de carga y perfil de
liberacioacuten del peacuteptido DS mediante las teacutecnicas de SDS-PAGE FTIR anaacutelisis tipo Wester blot y
UV-vis El porcentaje de absorcioacuten del peacuteptido DS por los agregados nanoestructurados de
BaFe12O19 fue de 875 Por lo tanto los agregados esfeacutericos nanoestructurados con jerarquiacutea
meso-macroporosa obtenidos en el presente trabajo de investigacioacuten pueden ser considerados
como candidatos para ser aplicados en el aacuterea biomeacutedica como sistemas de liberacioacuten de faacutermaco
Palabras clave BaFe12O19 sistemas nanoestructurados macro-mesoporosidad meacutetodo sol-gel
secado por aspersioacuten disentildeo experimental
11
ABSTRACT
Nowadays there is a great variety of formulations for the synthesis of nanostructured materials
based on iron oxide with biomedical applications The aim of the present work was to design and
synthesize nanostructured macro-mesoporous hierarchical spherical aggregates of barium
hexagonal ferrite BaFe12O19 using the sol-gel method through molecular self-assembly and spray-
drying Therefore using a 2f
factorial experimental design the concentration (wt) of template
and the parameters of temperature (T) and pressure (P) in the spray drying process were
evaluated to determine the effect of these variables on the aggregate size of BaFe12O19 and the
size of macropore Characterization techniques such as XRD SEM and TEM determined the
structure morphology and composition of the BaFe12O19 powders obtained after the spray-drying
process Spherical aggregates of 17 μm were obtained with a meso-macroporous structure
determined from SEM and BET The macropore size was about 223 nm and the mesopore size
varied between 34 nm and 12 nm Hysteresis loops were obtained from VSM technique and the
magnetic properties of BaFe12O19 aggregates were determined At a calcination temperature of
700 deg C a material with semi-hard behavior was obtained whose saturation magnetization and
coercive field values were Ms = 1424 emug and Hc = 19465 Oe respectively Finally the
BaFe12O19 aggregates were tested as carriers of biologically active molecules For this purpose
the peptide DS (Hairless suppressor binding domain [Su (H)] was used as the template drug
synthesized from the plasmids pF1A T7 Flexireg and pFN21K from the T7 strain of Escherichia
coli The loading capacity and release profile of the DS peptide was determined by the SDS-
PAGE FTIR Wester blot and UV-vis techniques Absorption performance of DS peptide by the
nanostructured aggregates of BaFe12O19 was 875Therefore the nanostructured macro-
mesoporous hierarchical spherical aggregates of barium hexagonal ferrite BaFe12O19 obtained in
the present research can be considered as candidates to be applied in the biomedical area as drug
delivery systems
12
CAPIacuteTULO 1
INTRODUCCIOacuteN
13
CAPIacuteTULO 1 INTRODUCCIOacuteN
La nanotecnologiacutea es un campo cientiacutefico multidisciplinario que aplica los principios de
ingenieriacutea y fabricacioacuten para el disentildeo siacutentesis caracterizacioacuten y aplicacioacuten de materiales a
escala nanomeacutetrica En las uacuteltimas deacutecadas la nanotecnologiacutea se ha desarrollado en diversas
aacutereas de investigacioacuten abarcando las matemaacuteticas quiacutemica fiacutesica biologiacutea electroacutenica
ingenieriacutea biomeacutedica y ciencia de materiales entre otras
Dentro del sector biomeacutedico una gran variedad de materiales orgaacutenicos e inorgaacutenicos tales como
micelas poliacutemeros liposomas lipoproteiacutenas dendriacutemeros y nanopartiacuteculas magneacuteticas han sido
investigados ampliamente para diferentes aplicaciones incluyendo terapia celular reparacioacuten de
tejidos imagen de resonancia magneacutetica hipertermia marcadores bioloacutegicos y como sistemas de
liberacioacuten de faacutermacos (DDS) Sin duda las partiacuteculas magneacuteticas son los materiales maacutes
prominentes usados como DDS debido a sus propiedades fiacutesicas quiacutemicas teacutermicas mecaacutenicas y
magneacuteticas que las hacen herramientas ideales para ser usadas en las aplicaciones antes
mencionadas Como plataformas para la liberacioacuten de faacutermacos estos sistemas pueden ofrecer
muchas ventajas por ejemplo (i) se estabilizan sin alterar la actividad farmacoloacutegica del
medicamento (ii) previenen la degradacioacuten metaboacutelica prematura en la circulacioacuten sisteacutemica o
interaccioacuten con el ambiente bioloacutegico de manera que alcance el objetivo pretendido en su estado
priacutestino (iii) liberan el medicamento en el sitio o tumor deseado y (iv) presentan una toxicidad
menor o similar que la del faacutermaco libre
Recientemente un gran nuacutemero de faacutermacos macromoleculares tales como peacuteptidos proteiacutenas y
aacutecidos nucleicos han sido descubiertos Sin embargo estos faacutermacos muestran pobre estabilidad
en la mayoriacutea de los ambientes bioloacutegicos y pobre penetracioacuten a traveacutes de la barrera
hematoencefaacutelica lo cual limita su administracioacuten a traveacutes de rutas parentales Ademaacutes cuando
estos faacutermacos son administrados parentalmente estaacuten expuestos a la degradacioacuten quiacutemico-
enzimaacutetica antes de alcanzar su sitio de destino debido a su estabilidad limitada y corta vida
media Por lo tanto una gran cantidad de trabajos se ha enfocado al desarrollo de sistemas DDS
para proporcionan una manera maacutes efectiva de liberar y proteger los peacuteptidos y proteiacutenas
14
Existen numerosos meacutetodos (i) fiacutesicos (ii) quiacutemicos (iii) bioloacutegicos e (hiacutebridos) para la siacutentesis
de nanopartiacuteculas El meacutetodo de preparacioacuten de los nanomateriales determinaraacute el tamantildeo y
distribucioacuten de las partiacuteculas su morfologiacutea quiacutemica superficial y consecuentemente sus
propiedades magneacuteticas
En esta investigacioacuten agregados esfeacutericos nanoestructurados de hexaferrita de bario (BaFe12O19)
de tamantildeo micromeacutetrico con jerarquiacutea macro-mesoporosa fueron sintetizados usando el meacutetodo
quiacutemico huacutemedo sol-gel mediante autoensamble molecular y secado por aspersioacuten aplicando un
disentildeo experimental factorial 2f En el procesamiento de los materiales dirigidos a una aplicacioacuten
especiacutefica una informacioacuten detallada sobre las caracteriacutesticas del material es requerida para
alcanzar el objetivo deseado Asiacute los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 se caracterizaron
mediante difraccioacuten de rayos x (XRD por sus siglas en ingleacutes) microscopiacutea electroacutenica de
barrido (SEM por sus siglas en ingleacutes) microscopiacutea electroacutenica de transmisioacuten (TEM por sus
siglas en ingleacutes) aacuterea superficial especiacutefica BET espectroscopiacutea infrarroja por transformada de
Fourier (FTIR por sus siglas en ingleacutes) y por magnetoacutemetro de muestra vibrante (VSM por sus
siglas en ingleacutes) para la determinacioacuten de las propiedades magneacuteticas
Finalmente los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 se evaluaron como portadores de
moleacuteculas bioloacutegicas El peacuteptido DS (Dominio de unioacuten a supresor de Hairless [Su(H)] se usoacute
como faacutermaco modelo para evaluar la capacidad de carga de los sistemas nanoestructurados de
BaFe12O19 como DDS Despueacutes de ser cargados los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 con
el peacuteptido se llevaron a cabo los estudios de liberacioacuten El peacuteptido DS se sintetizoacute a partir de los
plaacutesmidos pF1A T7 Flexireg pFN21K y pFN18K empleando la cepa T7 Express Iq Competent
XL-1 blue (T7) de Escherichia coli A su vez isopropil-β-D-1-tiogalactopiranoacutediso (IPTG) se
usoacute para inducir la produccioacuten del peacuteptido El IPTG es una moleacutecula de uso comuacuten en biologiacutea
molecular Se usa como un anaacutelogo no hidrolizable de la alolactosa un metabolito de la lactosa
que desencadena la transcripcioacuten del operoacuten lac y por lo tanto se usa para inducir la expresioacuten de
proteiacutenas cuando el gen estaacute bajo el control del operoacuten lac
15
11 OBJETIVOS
111 Objetivo General
Disentildear sintetizar y caracterizar sistemas nanoparticulados de hexaferrita de bario (BaFe12O19)
conformados en agregados micromeacutetricos con jerarquiacutea macro-mesoporosa a partir de un disentildeo
experimental factorial fraccionario 2f usando el meacutetodo quiacutemico sol-gel con autoensamble
molecular asistido por surfactante Tween 20 y esferas de poliestireno usadas como agente
poroacutegeno y mediante secado por aspersioacuten para ser usados como portadores de moleacuteculas con
actividad bioloacutegica
112 Objetivos Especiacuteficos
- Evaluar la concentracioacuten ( peso) de agente poroacutegeno y los paraacutemetros de temperatura
(T) y presioacuten (P) en el proceso de secado por aspersioacuten para determinar el efecto de estas
variables sobre el tamantildeo de agregado de BaFe12O19 y el tamantildeo de macroporo
- Sintetizar sistemas de BaFe12O19 mediante el meacutetodo quiacutemico sol-gel asistido por Tween
20 y esferas de poliestireno para producir agregados esfeacutericos nanoestructurados de
tamantildeo micromeacutetrico con jerarquiacutea macro-mesoporosa
-
- Caracterizar estructural morfoloacutegica y fisicoquiacutemicamente los sistemas nanoparticulados
de BaFe12O19 mediante teacutecnicas de XRD SEM TEM BET FTIR y VSM para
proporcionar los detalles necesarios respecto a las propiedades fiacutesicas quiacutemicas y
magneacuteticas de los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19
16
- Sintetizar y caracterizar el peacuteptido DS a partir de los plaacutesmidos pF1A T7 Flexireg
pFN21K y pFN18K empleando la cepa T7 de Escherichia coli el cual seraacute utilizado
como faacutermaco modelo
- Determinar las propiedades magneacuteticas de los sistemas nanoparticulados de BaFe12O19
incluyendo su magnetizacioacuten magneacutetica (Ms) remanencia magneacutetica (Mr) y coercitividad
(Hc) para ser explotadas en la entrega y direccionamiento del peacuteptido DS
- Determinar la carga superficial de los sistemas nanoparticulados de BaFe12O19 para
permitir una mejora en el rendimiento de adsorcioacuten del peacuteptido DS
-
- Determinar la capacidad de carga de los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 y
evaluar el perfil de liberacioacuten del peacuteptido DS para evaluar los sistemas de BaFe12O19
como candidatos para sistemas de liberacioacuten de faacutermaco
17
12 HIPOacuteTESIS
La obtencioacuten de agregados esfeacutericos de nanopartiacuteculas superparamagneacuteticas con nanoestructura y
macroporosidad disentildeada obtenidas utilizando teacutecnicas de autoensamblaje molecular con agentes
poroacutegenos y mediante secado por aspersioacuten permitiraacute la obtencioacuten de un portador de moleacuteculas
con actividad bioloacutegica maacutes viable que tenga un mejor desempentildeo en cuanto a la adsorcioacuten de
ciertas moleacuteculas bioloacutegicas sin perder las propiedades superparamagneacuteticas caracteriacutesticas de las
nanopartiacuteculas
18
13 JUSTIFICACIOacuteN
A pesar de los avances significativos en el diagnoacutestico y tratamiento del caacutencer eacutesta es una de las
enfermedades maacutes devastadoras que amenazan con la salud humana y es la segunda causa maacutes
comuacuten de mortalidad Actualmente la cirugiacutea radioterapia quimioterapia e inmunoterapia son
los meacutetodos de tratamiento maacutes utilizados sin embargo ninguno de estos meacutetodos ofrece una
verdadera recuperacioacuten total En muchos casos la erradicacioacuten quiruacutergica o tratamiento por
radiacioacuten no son factibles
Por otra parte el mayor problema de la quimioterapia es la limitada eficacia de los agentes
quimioterapeacuteuticos y su falta de especificidad a las ceacutelulas tumorales asiacute como a las altas
concentraciones de faacutermaco utilizadas Para superar este problema altas concentraciones o
frecuencias de dosificacioacuten de los agentes quimioterapeacuteuticos son requeridas resultando asiacute en
efectos secundarios severos no deseados debido a la alta citotoxicidad del faacutermaco Por lo tanto
surge la necesidad de desarrollar meacutetodos eficaces de administracioacuten de faacutermacos capaces de
mantener los niveles del faacutermaco en una concentracioacuten estrecha necesaria para evitar toxicidad
Ademaacutes de dirigir el medicamento a las ceacutelulas cancerosas mientras se reducen los efectos
secundarios en la mayor medida posible Esta necesidad se ve reflejada en coacutemo ha ido
incrementando gradualmente el nuacutemero de publicaciones a lo largo de los antildeos ya que la
tecnologiacutea basada en sistemas de liberacioacuten de faacutermaco (DDS) ha progresado en las uacuteltimas
deacutecadas Por ejemplo la revista Journal of Controlled Released (JCR) ha recibido
sustancialmente maacutes artiacuteculos de lo que publica (Fig 11)
Figura 11 Nuacutemero de artiacuteculos publicados anualmente en la revista Journal of Controlled Released desde 1984
19
Una amplia variedad de biomateriales compuestos de diversas formulaciones han sido usados
como DDS No obstante en las uacuteltimas dos deacutecadas las nanopartiacuteculas magneacuteticas han atraiacutedo
mucha atencioacuten como DDS [12] ademaacutes de otras aplicaciones tales como imagen de resonancia
magneacutetica (MRI) [34] reparacioacuten de tejidos [56] hipertermia magneacutetica [78] e inmunoensayos
[9] debido a su biocompatibilidad faacutecil modificacioacuten superficial y sus propiedades fiacutesicas
quiacutemicas y magneacuteticas uacutenicas Una de las caracteriacutesticas maacutes importantes de las nanopartiacuteculas
magneacuteticas es su comportamiento superparamagneacutetico donde la energiacutea teacutermica es
suficientemente fuerte para cambiar la direccioacuten de la magnetizacioacuten [10] por ejemplo las
fluctuaciones teacutermicas desmagnetizan espontaacuteneamente un ensamble previamente saturado
Como resultado de esta propiedad las partiacuteculas magneacuteticas muestran un potencial para mejorar
las caracteriacutesticas de contraste en MRI DDS e hipertermia Ademaacutes el comportamiento
superparamagneacutetico permite la manipulacioacuten de las partiacuteculas en presencia de un campo
magneacutetico externo Asiacute un sistema DDS puede ser guiado magneacuteticamente hasta el sitio de
accioacuten en el cual el faacutermaco seraacute liberado reduciendo de esta manera la concentracioacuten del
faacutermaco y su frecuencia de dosificacioacuten para evitar efectos secundarios no deseados Ademaacutes
Una vez eliminando el campo magneacutetico las nanopartiacuteculas magneacuteticas no muestran una
interaccioacuten magneacutetica ya que no retienen magnetismo [11] Por lo tanto la ausencia de
coercitividad prevendraacute la agregacioacuten potencial de las partiacuteculas que pudieran faacutecilmente causar
la formacioacuten de embolismo en los vasos sanguiacuteneos [12]
Maacutes auacuten los sistemas micromeacutetricos nanoestructurados permiten la preservacioacuten de las
propiedades a escala nanomeacutetrica pero con partiacuteculas a escala micromeacutetriacuteca Esto es importante
debido a que las partiacuteculas de tamantildeo micromeacutetrico son maacutes faacuteciles de manejar que las partiacuteculas
nanomeacutetricas Ademaacutes una jerarquiacutea macro-mesoporosa presentan una arquitectura que exhiben
alta aacuterea superficial baja densidad y buena estabilidad fisicoquiacutemica [13] Asiacute mismo la
estructura jeraacuterquica juega un papel importante en muchas de las propiedades y aplicaciones
funcionales del material [14] por ejemplo los materiales macro-mesoporosos muestran un
incremento considerable en la capacidad de carga de un faacutermaco En los materiales macro-
mesoporosos los macroporos proporcionan una interconectividad que mejora la difusioacuten o flujo
20
de fluidos Mientras que los mesoporos aumentan considerablemente el aacuterea superficial
especiacutefica y por lo tanto tienen una mayor capacidad para que las moleacuteculas puedan ser
adsorbidas [15] Por otra parte la morfologiacutea de las partiacuteculas juega un papel importante en el
tiempo de circulacioacuten en el torrente sanguiacuteneo Ademaacutes una morfologiacutea esfeacuterica es de
importancia praacutectica ya que en general eacutesta presenta mejores propiedades reoloacutegicas comparado
con otras morfologiacuteas Una gran variedad de meacutetodos han sido estudiados para la siacutentesis de
sistemas nanoestructurados dirigidos a aplicaciones biomeacutedicas La Fig 12 muestra las tres rutas
de siacutentesis maacutes importantes Sin duda los meacutetodos de siacutentesis quiacutemica huacutemeda principalmente el
meacutetodo sol-gel es el meacutetodo fundamental maacutes empleado en la siacutentesis de materiales para
aplicaciones biomeacutedicas debido a sus muchas ventajas i) los precursores pueden mezclarse a
nivel molecular lo cual permite la formacioacuten de soluciones soacutelidas del material a temperaturas de
procesamiento relativamente bajas cuando se compara con los meacutetodos tradicionales ii) es un
meacutetodo faacutecil sencillo y versaacutetil iii) permite un control quiacutemico y estructural es decir la
nucleacioacuten y crecimiento de las partiacuteculas coloidales primarias puede ser controlada para dar
partiacuteculas con tamantildeo y forma deseada ademaacutes de la composicioacuten quiacutemica deseada iv) los
materiales sintetizados a partir de este meacutetodo son obtenidos con una alta pureza
Figura 12 Meacutetodos de siacutentesis de los sistemas nanoestructurados dirigidos a aplicaciones biomeacutedicas Las tres rutas
principales incluyen meacutetodos quiacutemicos fiacutesicos y bioloacutegicos Fuente Instituto de Informacioacuten Cientiacutefica Modificado
de M Mahmoudi [16]
21
CAPIacuteTULO 2
REVISIOacuteN DEL ESTADO DEL ARTE
22
CAPIacuteTULO 2 REVISIOacuteN DEL ESTADO DEL ARTE
En el presente capiacutetulo se aborda coacutemo la nanotecnologiacutea ha revolucionado los diferentes
aspectos de la investigacioacuten cientiacutefica y tecnologiacutea en diversos campos tales como la electroacutenica
semiconductores quiacutemica fiacutesica ciencia de los materiales bioingenieriacutea medicina etc [17-27]
En las uacuteltimas deacutecadas la nanotecnologiacutea ha contribuido a avances significativos en el desarrollo
de los biomateriales y el aacuterea de la medicina a traveacutes de la terapia y diagnoacutestico cliacutenico para el
tratamiento de diversos tipos de caacutencer mediante el disentildeo e ingenieriacutea de materiales
nanoestructurados capaces de interactuar con los sistemas bioloacutegicos a escala molecular Las
aplicaciones maacutes prominentes de estos nanodispositivos incluyen terapia geacutenica MRI [28-30]
hipertermia [31-33] sistemas de liberacioacuten de faacutermacos (DDS) [3535] Una gran variedad de
materiales orgaacutenicos e inorgaacutenicos han sido investigados como sistemas DDS Sin embargo los
materiales magneacuteticos nanoestructurados de oacutexido de hierro son considerados los materiales maacutes
prominentes debido a sus caracteriacutesticas uacutenicas tales como biocompatibilidad alta aacuterea
superficial y comportamiento superparamagneacutetico lo que los hace una herramienta ideal para las
aplicaciones antes mencionas [36]
21 BIOMATERIALES
Un biomaterial puede ser definido como cualquier material natural o sinteacutetico usado para la
fabricacioacuten de dispositivos que reemplacen una parte de un sistema vivo o bien que realice una
funcioacuten en contacto iacutentimo con el tejido vivo de una manera segura confiable y fisioloacutegicamente
aceptable [37] Por lo tanto un biomaterial tiene que presentar propiedades compatibles con el
tejido a interactuar para obtener el efecto deseado El Consejo Asesor para Biomateriales de la
Universidad de Clemson ha definido formalmente un biomaterial como una sustancia de
actividad sisteacutemica y farmacoloacutegicamente inerte para su implantacioacuten o incorporacioacuten dentro o
con el sistema vivo
23
Debido a que los biomateriales tienen como objetivo interactuar con los tejidos o fluidos
bioloacutegicos del cuerpo humano es fundamental que estos cumplan con ciertos requisitos para
evitar inducir cambios o provocar reacciones no deseadas en el cuerpo humano Un requisito
fundamental es la biocompatibilidad la cual se refiere a la capacidad del material para realizar
con eficiencia una respuesta apropiada en el hueacutesped en una aplicacioacuten deseada es decir el
material y el entorno de los tejidos deben coexistir sin tener ninguacuten efecto no deseado o
inapropiado entre ellos [36] Otras caracteriacutesticas importantes son su baja toxicidad estabilidad
quiacutemica densidad y peso adecuado ademaacutes es deseable que sean econoacutemicos
211 Aplicaciones
En las uacuteltimas deacutecadas la siacutentesis y aplicacioacuten de biomateriales ha llegado a ser una de las aacutereas
de investigacioacuten maacutes activa y prometedora posicionada en la interseccioacuten de la quiacutemica ciencia
de los materiales bioingenieriacutea y la medicina
Una de las aplicaciones de los biomateriales que ha atraiacutedo cada vez maacutes la atencioacuten de los
cientiacuteficos es su uso como sistemas de liberacioacuten de faacutermaco Una gran variedad de materiales
han sido estudiados para esta aplicacioacuten por ejemplo dendriacutemeros micelas emulsiones
liposomas y sistemas nanoestructurados Especialmente las nanopartiacuteculas magneacuteticas a base de
hierro han sido de gran intereacutes debido a las oportunidades en la terapia de caacutencer y el tratamiento
de otras enfermedades Su potencial deriva de las propiedades intriacutensecas de sus nuacutecleos
magneacuteticos combinados con la capacidad de carga del faacutermaco y las propiedades bioquiacutemicas que
pueden ser adquiridas mediante su recubrimiento adecuado Ademaacutes las nanopartiacuteculas pueden
actuar a nivel tisular o celular lo cual implica que pueden ser endocitadas o fagocitadas
resultando en su internalizacioacuten En eacuteste proceso las nanopartiacuteculas pueden llegar maacutes allaacute de la
membrana citoplasmaacutetica
24
Entre las aplicaciones maacutes usadas de las nanopartiacuteculas como biomateriales se encuentran la
imagen de resonancia magneacutetica hipertermia y sistemas de liberacioacuten de faacutermacos las cuales se
explican a continuacioacuten
a Imagen de resonancia magneacutetica
Los avances en el desarrollo de nuevas estrategias y tecnologiacuteas para tratamiento y evaluacioacuten
precliacutenica de caacutencer mediante el uso de faacutermacos antitumorales destacan la creciente necesidad
de una evaluacioacuten a tratamientos tumorales in vivo mediante el uso de biomarcadores de imagen
La imagen de resonancia magneacutetica (MRI) se ha establecido como la herramienta principal en el
monitoreo in vivo de cambios morfoloacutegicos funcionales y metaboacutelicos en tumores soacutelidos debido
a su excelente contraste en tejidos blandos excelente resolucioacuten espacial y naturaleza no-
invasiva MRI es una teacutecnica que usa el magnetismo y pulso por radiofrecuencia (RF) para
producir imaacutegenes de tejidos u oacuterganos compuestos de elementos sensibles a la resonancia
magneacutetica tales como hidroacutegeno (H) La MRI se basa en los principios de la resonancia
magneacutetica nuclear El cuerpo bioloacutegico se compone de numerosos protones contenidos en el
nuacutecleo del H los cuales giran en sus ejes con la llamada frecuencia de Larmor produciendo un
campo magneacutetico representado por el momento o vector magneacutetico Una gran cantidad de
protones en el cuerpo resultaraacute en un vector magneacutetico neto que se alinea con el campo
magneacutetico externo o paralelo al eje longitudinal del magneto Esta alineacioacuten de protones es
llamada magnetizacioacuten longitudinal Cuando la magnetizacioacuten longitudinal se inclina
transversalmente debido a un impulso de RF se induce una corriente eleacutectrica o sentildeal de
resonancia magneacutetica que puede ser recibida por una bobina de RF En esencia la MRI se lleva a
cabo aplicando de manera alterna pulsos de RF al tejido bioloacutegico La Aplicacioacuten de pulsos de
RF en cierto tiempo de repeticioacuten (TR) y las sentildeales recibidas en un tiempo predefinido o tiempo
de repeticioacuten (TE) produce el contraste en las imaacutegenes de MRI Tales sentildeales de resonancia
magneacutetica son entonces codificadas en fase y frecuencia a imaacutegenes de resonancia magneacutetica por
la teacutecnica de transformada de Fourier
25
b Hipertermia
La hipertermia implica el tratamiento de ceacutelulas canceriacutegenas a traveacutes de la generacioacuten de calor
[38] Este enfoque involucra el aumento de la temperatura del ambiente local del tumor
resultando en un cambio en la fisiologiacutea de las ceacutelulas enfermas llevaacutendolas finalmente a la
apoptosis Dependiendo del grado en el aumento de la temperatura el tratamiento por hipertermia
puede ser clasificado como i) ablacioacuten teacutermica [39] en el cual el tumor es sometido a altas
temperaturas de calor mayores a 46 degC pudiendo llegar a los 56 degC causando que las ceacutelulas
experimenten necrosis coagulacioacuten o carbonizacioacuten ii) Hipertermia moderada [39] con
temperaturas entre 41 degC y 46 degC tiene efectos tanto a nivel celular como tisular las ceacutelulas
experimentan estreacutes teacutermico resultando en la activacioacuten yo iniciacioacuten de muchos mecanismos de
degradacioacuten intra- y extracelular tal como la degradacioacuten o pliegue iii) Diatermia [39] implica
temperaturas menores a 41 degC para el tratamiento de enfermedades reumaacuteticas en la fisioterapia
c Sistemas de liberacioacuten de faacutermaco
Los sistemas de liberacioacuten de faacutermaco tienen como objetivo la entrega y liberacioacuten de faacutermacos
a sitios de accioacuten especiacuteficos manteniendo la concentracioacuten del faacutermaco a un nivel terapeacuteutico
adecuado durante un periacuteodo de tiempo determinado Es decir un sistema ideal para la liberacioacuten
de faacutermacos debe ser capaz de controlar la liberacioacuten y focalizacioacuten del faacutermaco para garantizar
una alta eficiencia del faacutermaco a la vez que se disminuyen los efectos secundarios causados por
los faacutermacos anticanceriacutegenos que no uacutenicamente actuacutean sobre las ceacutelulas cancerosas sino
ademaacutes sobre las ceacutelulas sanas Un sistema nanoestructurado para la liberacioacuten de faacutermacos
puede penetrar en el cuerpo ya que su tamantildeo le permite ser administrado viacutea intravenosa o a
traveacutes de otras rutas de administracioacuten Ademaacutes los sistemas de liberacioacuten de faacutermaco deben
permanecer estables tanto fiacutesica como quiacutemicamente antes de llegar a su destino
26
22 SISTEMAS DE LIBERACIOacuteN DE FAacuteRMACO
En la Fig 21 se presentan los diferentes tipos de sistemas nanoparticulados empleados en la
liberacioacuten de faacutermacos los cuales se describen brevemente
Figura 21 Categoriacuteas esenciales de los materiales usados como DDS i) Materiales orgaacutenicos dendriacutemeros
micelas liposomas i) Materiales inorgaacutenicos nanopartiacuteculas de oro sistemas nanoestructurados a base de oacutexido de
hierro quantum dots (Modificado de Grumezescu [40] y Riggio [45])
221 Liposomas
Los liposomas tienen una larga historia como sistemas de liberacioacuten de faacutermaco debido a su faacutecil
preparacioacuten baja toxicidad y biodegradabilidad [4142] Los liposomas son estructuras
coloidales autoensambladas compuestas de bicapas lipiacutedicas que rodean un compartimiento
27
acuoso y puede encapsular una amplia variedad de faacutermacos quimioterapeacuteuticos ya sean
hidroacutefilos o hidroacutefobos [4344] Los liposomas se pueden clasificar como liposomas de primera
generacioacuten o liposomas desnudos con una superficie de fosfoliacutepido no modificado de segunda
generacioacuten o liposomas furtivos con una capa de carbohidratos o poliacutemeros hidroacutefilos
generalmente de PEG en la superficie de las vesiacuteculas y liposomas de tercera generacioacuten que
incorporan ligandos superficiales para mejorar el iacutendice terapeacuteutico del faacutermaco mediante el
aumento de la selectividad y la especificidad del complejo En la Fig 21 se representa
esquemaacuteticamente la estructura de los liposomas
222 Nanopartiacuteculas polimeacutericas
Las nanopartiacuteculas polimeacutericas (Fig 21) son portadores que van de 10 a 100 nm conformados
de poliacutemeros naturales o artificiales generalmente biodegradables donde los faacutermacos
terapeacuteuticos puede ser adsorbidos disueltos atrapados encapsulados o enlazados
covalentemente a la cadena principal del poliacutemero por medio de un enlace sencillo eacutester o amida
que se pueden hidrolizar in vivo a traveacutes de un cambio de pH
Los poliacutemeros sinteacuteticos que incluyen al aacutecido polilaacutectico (PLA) [46] aacutecido poliglicoacutelico (PGA)
[47] poli etilenglicol (PEG) [48] y sus copoliacutemeros han sido los maacutes ampliamente investigados
debido a su biocompatibilidad y biodegradabilidad Otros poliacutemeros naturales como el quitosano
y alginato han sido ampliamente probados [49]
223 Micelas
Las micelas son portadores esfeacutericos biodegradables con un intervalo de tamantildeo de 10-200 nm
Eacutestas son formadas por autoensamblaje de bloques de copoliacutemeros compuestos de dos o maacutes
cadenas de poliacutemeros con diferente hidrofobicidad Estos copoliacutemeros espontaacuteneamente se
28
ensamblan para formar una estructura de nuacutecleo-coraza en un medio acuoso para minimizar la
energiacutea libre del sistema (Fig 21) Los segmentos hidroacutefobos forman el nuacutecleo interior
hidroacutefobo para minimizar su exposicioacuten al medio ambiente mientras que las cadenas hidroacutefilas
forman la coraza hidroacutefila externa para estabilizar el nuacutecleo a traveacutes del contacto directo con el
agua [50]
224 Dendriacutemeros
Los dendriacutemeros son macromoleacuteculas altamente ramificadas esfeacutericas y sinteacuteticas con tamantildeo y
forma ajustable Contienen muacuteltiples capas con grupos terminales activos tambieacuten conocidos
como generaciones que se extienden hacia fuera desde un nuacutecleo iniciador llamado generacioacuten
cero (Fig 21) El tamantildeo de los dendriacutemeros estaacute generalmente en el rango de 1-15 nmLas
ramificaciones de estos poliacutemeros proporcionan un aacuterea superficial grande para que moleacuteculas
yo medicamentos quimioterapeacuteuticos puedan ser unidos a traveacutes de la conjugacioacuten covalente o
adsorcioacuten electrostaacutetica Alternativamente los agentes terapeacuteuticos se pueden cargar en las
cavidades de las regiones centrales a traveacutes de interaccioacuten hidrofoacutebica enlaces de hidroacutegeno o
enlace quiacutemico Los dendriacutemeros maacutes comuacutenmente estudiados pertenecen a la familia de los
dendriacutemeros PAMAM (poliamidoamina) Estos poliacutemeros han mostrado un gran potencial para la
liberacioacuten de medicamentos ya que son biodegradables y biocompatibles y tienen alta
solubilidad en agua [51]
225 Nanopartiacuteculas Magneacuteticas
La liberacioacuten controlada de faacutermacos con materiales funcionales nanoestructurados
especialmente las nanopartiacuteculas magneacuteticas estaacute atrayendo cada vez maacutes la atencioacuten debido a
las oportunidades en la terapia de caacutencer y el tratamiento de otras enfermedades El potencial de
las nanopartiacuteculas magneacuteticas deriva de las propiedades intriacutensecas de sus nuacutecleos magneacuteticos
combinados con su capacidad de carga del medicamento y las propiedades bioquiacutemicas que
pueden ser otorgados a estas por medio de un recubrimiento adecuado
29
23 CLASIFICACIOacuteN DE LOS MATERIALES MAGNEacuteTICOS
Desde el punto de vista del comportamiento magneacutetico podemos clasificar los materiales en
diamagneacuteticos paramagneacuteticos ferromagneacuteticos antiferromagneacuteticos ferrimagneacuteticos (Fig 22)
Figura 22 (a) Clasificacioacuten de los materiales seguacuten su comportamiento magneacutetico paramagneacuteticos
ferromagneacuteticos antiferromagneacuteticos y ferrimagneacuteticos (b) Los materiales superparamagneacuteticos son observados en
los nanomateriales ferro- y ferrimagneacuteticos que se componen de un soacutelo dominio magneacutetico
231 Diamagnetismo
El diamagnetismo se basa en la interaccioacuten entre el campo aplicado y los electrones moacuteviles del
material [52] El diamagnetismo se caracteriza por i) una magnetizacioacuten deacutebil del material en el
sentido opuesto al campo magneacutetico aplicado [53] ii) una susceptibilidad magneacutetica negativa y
pequentildea con permeabilidad relativa ligeramente menor que 1 iii) intensidad de respuesta muy
pequentildea
232 Paramagnetismo
En los materiales paramagneacuteticos los momentos magneacuteticos se encuentran desordenados por lo
que no mantiene un momento magneacutetico neto Estos materiales se caracterizan por i) requerir un
gran campo magneacutetico para poder adquirir una alta magnetizacioacuten ii) magnetizacioacuten deacutebil en el
30
mismo sentido que el campo magneacutetico aplicado iii) susceptibilidad magneacutetica positiva y
pequentildea con permeabilidad relativa ligeramente mayor que 1 iv) intensidad de respuesta muy
pequentildea Ejemplos de estos materiales son el Cr Mn y los gases diatoacutemicos La Fig 22(a)
muestra el ordenamiento magneacutetico de estos materiales
233 Ferromagnetismo
En los materiales ferromagneacuteticos los momentos magneacuteticos individuales de grupos de aacutetomos o
moleacuteculas se mantienen alineados entre siacute debido a un fuerte acoplamiento auacuten en ausencia de
campo exterior [54] Estos grupos se denominan dominios y actuacutean como un pequentildeo imaacuten
permanente En ausencia de campo aplicado los dominios tienen sus momentos magneacuteticos netos
distribuidos al azar Cuando se aplica un campo exterior los dominios tienden a alinearse con el
campo Este alineamiento puede permanecer en algunos casos con un muy fuerte acoplamiento
cuando se retira el campo creando un imaacuten permanente [55] Los materiales ferromagneacuteticos se
caracterizan por i) una fuertemente magnetizacioacuten en el mismo sentido que el campo magneacutetico
aplicado ii) susceptibilidad magneacutetica positiva y grande con permeabilidad relativa mucho
mayor que 1 iv) la agitacioacuten teacutermica tiende a desalinear los dominios A temperatura normal la
energiacutea teacutermica no es en general suficiente para desmagnetizar un material magnetizado sin
embargo por encima de la temperatura de Curie [56] el material se vuelve paramagneacutetico
debido a que los efectos teacutermicos de desorden son mayores que los efectos de alineamiento de la
interaccioacuten magneacutetica entre dominios La Fig 22(a) muestra el alineamiento de los materiales
ferromagneacuteticos
234 Antiferromagnetismo
Los materiales antiferromagneacuteticos tienen un estado natural en el cual los espines atoacutemicos de
aacutetomos adyacentes son opuestos de manera que el momento magneacutetico neto es nulo [57] Este
estado hace difiacutecil que el material se magnetice aunque de todas formas adopta una
31
permeabilidad relativa ligeramente mayor que 1 Por encima de una temperatura criacutetica llamada
temperatura de Neel un material antiferromagneacutetico se vuelve paramagneacutetico La Fig 22(a)
esquematiza el ordenamiento magneacutetico de los materiales antiferromagneacuteticos
235 Ferrimagnetismo
Los materiales ferrimagneacuteticos son similares a los antiferromagneacuteticos salvo que las especies de
aacutetomos alternados son diferentes (por ejemplo por la existencia de dos subredes cristalinas
entrelazadas) y tienen momentos magneacuteticos diferentes [58] Existe entonces una magnetizacioacuten
neta que puede ser en algunos casos muy intensa
236 Superparamagnetismo
El superparamagnetismo es una forma de magnetismo observado en los nanomateriales ferro- y
ferrimagneacuteticos que se componen de un soacutelo dominio magneacutetico [59] (Fig 22(b)) Debido a su
tamantildeo tan pequentildeo no hay orden de largo alcance en estos materiales Estos materiales se
caracterizan por i) alcanzar una magnetizacioacuten relativamente alta con bajos campos magneacuteticos
aplicados [59] ii) por debajo de la temperatura Curie los momentos magneacuteticos dentro de un
dominio magneacutetico se alinean paralelamente a un campo aplicado para producir la alta
magnetizacioacuten [59] iii) despueacutes de que un campo magneacutetico aplicado se ha eliminado no queda
magnetizacioacuten remanente (Mr) neta [59] La falta de Mr se debe al hecho de que la
magnetizacioacuten de cada dominio faacutecilmente salta entre dos orientaciones estables que estaacuten
separados por una pequentildea diferencia de energiacutea De hecho la diferencia de energiacutea es tan
pequentildea que la energiacutea teacutermica cancela la magnetizacioacuten total de la partiacutecula Compuestos de
hierro cobalto y niacutequel y sus aleaciones elementos de tierras raras intermetaacutelicos de gadolinio
oro y vanadio son ferromagneacuteticos que pueden ser utilizados para producir partiacuteculas
superparamagneacuteticas cuando el tamantildeo del dominio magneacutetico se encuentra a escala
nanomeacutetrica Otros materiales pueden ser utilizados incluyendo ferritas compuesto por oacutexidos
32
de hierro o con otros elementos como el aluminio cobre cobalto niacutequel manganeso magnesio
hierro y zinc Ademaacutes tambieacuten se pueden utilizar las ferritas hexagonales
24 FERRITAS HEXAGONALES
Desde el descubrimiento de las ferritas en la deacutecada de 1950 ha habido un gran intereacutes en las
ferritas hexagonales tambieacuten conocidas como hexaferritas Este intereacutes tanto cientiacutefico como
tecnoloacutegico ha ido creciendo exponencialmente hasta el diacutea de hoy Ademaacutes de su uso como
imanes permanentes las hexaferritas tienen aplicaciones como material de grabacioacuten magneacutetica
en almacenamiento de datos y como componentes en dispositivos eleacutectricos
Existen diferentes tipos de ferritas hexagonales indicadas como M W X Y Z y U todas ellas
con estrechas estructuras cristalinas altamente complejas De los diferentes tipos de ferritas
hexagonales las hexaferritas de mayor importancia comercial son las tipo M dentro de las cuales
se encuentran las hexaferritas de bario BaFe12O19 y las ferritas de estroncio con Sr reemplazando
al Ba en la misma foacutermula La importancia de estas ferritas es debido a su bajo costo y sus
propiedades como estabilidad quiacutemica alta resistividad magnetizacioacuten de saturacioacuten
conveniente y alta coercitividad magneacutetica etc
La unidad molecular de la ferrita tipo M estaacute formada por un bloque S y un bloque R con una
superposicioacuten de capas cuacutebicas y hexagonales (Fig 23(a) El plano basal que contiene el aacutetomo
de bario es un plano espejo y los dos bloques S por encima y por debajo del bloque R son por lo
tanto rotaciones de 180ordm alrededor del eje c de cada una Un bloque R espejo R es entonces
requerido para continuar la estructura y es por esta razoacuten que la ceacutelula unitaria requiere dos
unidades moleculares M dando la foacutermula de celda unitaria SRSR donde es una rotacioacuten del
bloque a 180ordm alrededor del eje c (Fig 23(a)) Los paraacutemetros reticulares de la BaFe12O19 son
2317 Aring para la longitud del eje c y 589 Aring para a la anchura del plano basal y este paraacutemetro a
es constante para todas las hexaferritas de bario La relacioacuten de altura a ancho es de 394 por lo
que BaFe12O19 tiene una gran anisotropiacutea cristalina Las vistas en perspectiva de la estructura son
33
tambieacuten mostradas en la Fig 23(b) y Fig 23(c) mientras que los poliedros de la estructura M
incluyendo el sitio bipiramidal del bloque R se muestran en la Fig 23(d) La Fig 23(e)
representa el apilamiento de los bloques R y S en la estructura M
Figura 23 (a) seccioacuten transversal de la estructura de la ferrita tipo M (BaFe12O19) Tomado de Robert C Pullar [60]
25 METODOS DE SIacuteNTESIS
251 Siacutentesis sol-gel
El meacutetodo sol-gel es un meacutetodo de siacutentesis quiacutemica huacutemeda el cual permite la fabricacioacuten de una
amplia gama de materiales con diversas configuraciones por ejemplo fibras peliacuteculas delgadas
monolitos y revestimientos Ademaacutes el meacutetodo sol-gel permite sintetizar materiales hiacutebridos
orgaacutenicos-inorgaacutenicos con una gran variedad de aplicaciones potenciales en diversos campos de
34
la investigacioacuten incluyendo la oacuteptica electroacutenica semiconductores superconductores y
biomateriales El meacutetodo sol gel ofrece una serie de ventajas i) los precursores pueden mezclarse
a nivel molecular lo cual permite la formacioacuten de soluciones soacutelidas del material a temperaturas
de procesamiento relativamente bajas cuando se compara con los meacutetodos tradicionales ii) es un
meacutetodo faacutecil sencillo y versaacutetil iii) permite un control quiacutemico y estructural es decir la
nucleacioacuten y crecimiento de las partiacuteculas coloidales primarias puede ser controlada para dar
partiacuteculas con tamantildeo y forma deseada ademaacutes de la composicioacuten quiacutemica deseada
Actualmente existe una amplia gama de rutas de siacutentesis derivadas del meacutetodo sol-gel (Fig 24)
En teacuterminos simples el meacutetodo sol-gel implica dos fases distintas La primera fase una
suspensioacuten coloidal la cual es una suspensioacuten estable de partiacuteculas soacutelidas coloidales dentro de
un liacutequido donde las partiacuteculas soacutelidas deben ser maacutes densas que el liacutequido de los alrededores y
suficientemente pequentildeas (2 nm a 1 microm lo cual corresponde a 103-10
9 aacutetomos por partiacutecula) para
que las fuerzas responsables de la dispersioacuten sean maacutes grandes que las fuerzas de gravedad La
segunda fase constituida por un gel el cual es una red soacutelida porosa tridimensionalmente
interconectada que forma una entidad continuacutea a lo largo de una fase secundaria usualmente
liacutequida
Se han dedicado esfuerzos considerables en el desarrollo de micro y nanopartiacuteculas de oacutexido de
hierro con propiedades magneacuteticas adecuadas para la investigacioacuten biomeacutedica Las
nanopartiacuteculas de oacutexido de hierro son las maacutes ampliamente investigadas en el campo meacutedico y
farmaceacuteutico debido a sus excelentes propiedades de biocompatibilidad estabilidad quiacutemica y
baja toxicidad El meacutetodo sol gel es un meacutetodo faacutecil y conveniente para sintetizar oacutexidos de
hierro a partir de soluciones acuosas de sales metaacutelicas Ademaacutes el tamantildeo la forma y la
composicioacuten de las partiacuteculas magneacuteticas dependen en gran medida del tipo de precursores
utilizados relacioacuten Fe2+
a Fe3+
temperatura de reaccioacuten valor de pH y la fuerza ioacutenica del medio
Por lo tanto el control del proceso mediante estos paraacutemetros es esencial en la produccioacuten
35
partiacuteculas monodispersas de oacutexido de hierro El meacutetodo sol-gel parte de una suspensioacuten coloidal
(sol) y la subsiguiente formacioacuten del (gel) En la preparacioacuten del sol los precursores tanto
orgaacutenicos como inorgaacutenicos experimentan reacciones de hidrolisis y condensacioacuten (o
polimerizacioacuten) para formar pequentildeas partiacuteculas soacutelidas en un liacutequido (ya sea un solvente
orgaacutenico o acuoso) Las partiacuteculas soacutelidas son tan pequentildeas (1-1000 nm) que las fuerzas
gravitacionales son despreciables y las interacciones estaacuten dominadas por fuerzas esteacutericas de
van der Waals y Coulombicas
Figura 24 Rutas de siacutentesis derivadas del meacutetodo sol-gel Tomado de httpsstrllnlgovstrMay05Satcherhtml
Varios grupos de investigacioacuten [61-63] han descrito la siacutentesis de partiacuteculas magneacuteticas
nanoestructurados de base de oacutexido de hierro a partir del meacutetodo sol-gel para aplicaciones en el
control de liberacioacuten de faacutermacos
36
Los avances en nanotecnologiacutea y ciencia de los materiales sugieren que algunos de los problemas
actuales de los materiales podriacutean ser resueltos o al menos mejorados mediante la modificacioacuten
superficial
252 Secado por aspersioacuten
El secado por aspersioacuten es un meacutetodo que permite la conversioacuten continua de fluidos (soluciones
emulsiones suspensiones mezclas pastas) en polvos soacutelidos mediante un proceso de secado
dirigido a disentildear y producir materiales con un gran potencial para diversos sectores industriales
tales como la industria quiacutemica cosmeacutetica alimentaria y farmaceacuteutica Este proceso es un
meacutetodo raacutepido simple sencillo de escalabilidad industrial y bajo costo El principio del meacutetodo
se basa en la eliminacioacuten de la humedad mediante la aplicacioacuten de calor al fluido alimentado El
secado por aspersioacuten consiste de tres etapas principales (a) atomizacioacuten del fluido (b)
vaporizacioacuten o secado del liacutequido mediante una corriente de gas y (c) separacioacuten y recoleccioacuten de
las partiacuteculas
Figura 25 Configuracioacuten del equipo de secado por aspersioacuten (a) secador por aspersioacuten concurrente misma
direccioacuten de flujo y (b) secador por aspersioacuten a contracorriente (c) Evolucioacuten de la temperatura en el proceso de
secado en una gotita liacutequida [Handscomb y cols] En la separacioacuten y recoleccioacuten del polvo se pueden emplear (d)
separadores tipo cicloacuten yo (e) filtros de bolsa
37
a Atomizacioacuten
La atomizacioacuten es el primer paso que experimenta el fluido alimentado durante el secado por
aspersioacuten la cual involucra el rompimiento del liacutequido a granel en un nuacutemero grande de gotitas
impulsado por el proceso de secado por aspersioacuten mediante la reduccioacuten de la resistencia interna
a la transferencia de humedad desde la gotita hasta el medio de los alrededores La atomizacioacuten
es una etapa criacutetica en el proceso de secado debido a su influencia en la forma estructura
velocidad y distribucioacuten de la gotita generada y por lo tanto la naturaleza y tamantildeo de partiacutecula
del producto final Consecuentemente hay una peacuterdida miacutenima de calor sensible y
eventualmente se producen las partiacuteculas con las caracteriacutesticas fiacutesicas y morfoloacutegicas deseadas
La Fig 25 presenta el diagrama de dos tipos de secadores por aspersioacuten (Fig 25(a) secador por
aspersioacuten concurrente y (Fig 25(b) secador por aspersioacuten a contracorriente
b Vaporizacioacuten
En esta etapa se constituye la formacioacuten de fase de la partiacutecula Con el liacutequido a granel
atomizado en pequentildeas gotas el siguiente paso involucra el contacto iacutentimo de la gotita con el
gas acarreador Esto permite la raacutepida evaporacioacuten de la humedad de la superficie de todas las
gotitas de una manera uniforme Aquiacute el requerimiento es un flujo de gas uniforme en la caacutemara
de secado Las gotas usualmente se encuentran en contacto con aire caliente en la caacutemara de
secado ya sea en la misma direccioacuten de flujo o a contracorriente
El paso maacutes criacutetico en la formacioacuten de la partiacutecula involucra la evaporacioacuten de la humedad ya
que este paso estaacute asociado con la formacioacuten del producto final La evaporacioacuten de la humedad
durante el proceso de secado puede ser visualizada en dos fases un periodo de velocidad
constante y un periodo de caiacuteda de velocidad Inicialmente cuando la gotita estaacute expuesta a una
corriente de gas caliente la raacutepida evaporacioacuten toma lugar Durante esta exposicioacuten la gotita se
calienta desde una temperatura inicial (T0) a la temperatura de evaporacioacuten de equilibrio (Teq)
38
(Fig 25(c)-AB) Durante este periodo la eliminacioacuten de la humedad sigue la curva del periodo
de velocidad constante a medida que la humedad es removida constantemente a partir de la
superficie de la gotita manteniendo el enfriamiento suficiente La superficie de la gotita
permanece saturada con la humedad en esta fase y su temperatura es constante e igual a la
temperatura de bulbo huacutemedo (Fig 25(c)-BC) A medida que se elimina la humedad de la gotita
el soluto disuelto en el liacutequido alcanza una concentracioacuten maacutes allaacute de su concentracioacuten de
saturacioacuten y tiende a formar una coraza delgada en la superficie de la gotita descrita como
formacioacuten de coraza El comienzo de formacioacuten de coraza es una caracteriacutestica cineacutetica
importante del proceso de secado por aspersioacuten Despueacutes de esta fase la eliminacioacuten de la
humedad regresa al proceso de difusioacuten controlada y la velocidad de evaporacioacuten es dependiente
de la velocidad de difusioacuten de vapor de agua a traveacutes de la coraza superficial Esto constituye el
periodo de caiacuteda de velocidad Durante el periodo de caiacuteda de velocidad aunque la partiacutecula
comenzaraacute a calentarse (Fig 25(c)-CD) es casi la parte maacutes friacutea del equipo de secado donde el
gas de secado estaacute en o cerca de la temperatura de salida del equipo de secado
c Separacioacuten y recoleccioacuten
Los sistemas empleados para la separacioacuten y recoleccioacuten del producto final incluyen separadores
tipo cicloacuten (Fig 25(d)) yo filtros de bolsa (Fig 25(e))
El disentildeo e ingenieriacutea de micro y nanopartiacuteculas a traveacutes del secado por aspersioacuten ha sido
investigado como una alternativa de proceso de manufacturacioacuten en la industria farmaceacuteutica
debido a su amplia aplicabilidad El secado por aspersioacuten ha sido exitosamente usado en la
industria farmaceacuteutica para producir productos con propiedades fiacutesicas y quiacutemicas definidas por
ejemplo tamantildeo y forma de partiacutecula controlada para incrementar la solubilidad del faacutermaco y la
biodisponibilidad de las sustancias activas Ademaacutes el ajuste de los paraacutemetros del proceso de
secado por aspersioacuten permite la manipulacioacuten de varias propiedades de la partiacutecula con respecto
a los requerimientos de la aplicacioacuten deseada
39
26 ESTUDIOS REALIZADOS SOBRE LA SIacuteNTESIS Y APLICACIOacuteN DE
MATERIALES NANOESTRUCTURADOS A BASE DE OXIDO DE HIERRO COMO
SISTEMAS DDS
Como se mencionoacute anteriormente los biomateriales han llegado a ser una de las aacutereas maacutes
atractivas en la investigacioacuten cientiacutefica y tecnoloacutegica para el desarrollo de dispositivos con
aplicaciones biomeacutedicas sorprendentes tal como ocurre con los sistemas de liberacioacuten de
faacutermaco Diversos biomateriales han sido investigados como DDS incluyendo dendriacutemeros
micelas liposomas poliacutemeros y partiacuteculas magneacuteticas A este respecto Szulc y colaboradores
[64] han estudiado dendrimeros de poli(propileno imina) modificados con azuacutecar como DDS para
liberacioacuten de citarabina Mientras Song y colaboradores [65] han estudiado un sistema DDS
micelar termosensible exitosamente cargado con Doxorubicina (DOX) cuya eficiencia de carga
fue de 17 Por otra parte Vahed y colaboradores [66] han estudiado un sistema DDS basado en
liposomas enfocaacutendose en estrategias de quimioterapia combinada para la co-liberacioacuten de dos
faacutermacos quimioterapeacuteuticos un agente quimioterapeacuteutico con metales anticanceriacutegenos y un
agente quimioterapeacuteutico con agentes geacutenicos Duggan y colaboradores [67] han estudiados
poliacutemeros tiolados como DDS mucoadhesivos
Actualmente los sistemas nanoestructurados de partiacuteculas magneacuteticas han ganado atencioacuten
considerable como DDS debido a su biocompatibilidad faacutecil modificacioacuten superficial y sus
propiedades fiacutesicas quiacutemicas y magneacuteticas uacutenicas Oka y colaboradores [68] estudiaron un
compoacutesito nuacutecleo-coraza para liberacioacuten localizada de faacutermaco El compoacutesito estaacute estructurado
por un nuacutecleo de poliacutemero biodegradable y una coraza de nanopartiacuteculas de oacutexido de hierro
preparado a partir de una emulsioacuten Pickering Ademaacutes estudiaron la capacidad de carga del
sistema nuacutecleo-coraza cargando partiacuteculas de pireno cuya presencia fue confirmada mediante un
anaacutelisis de fluorescencia despueacutes de ser expuestas a rayos UV Ademaacutes la caracterizacioacuten
morfoloacutegica del sistema nuacutecleo-coraza fue estudiada por SEM y TEM Las propiedades
cristalograacuteficas se estudiaron mediante XRD Finalmente se estudiaron sus propiedades
magneacuteticas usando un sistema de medicioacuten de propiedades fiacutesicas (Quantum Desing)
40
Por otra parte Chandra y colaboradores [69] estudiaron un compoacutesito dendrimero-
nanopartiacuteculas magneacuteticas como un vehiacuteculo de liberacioacuten enzimaacutetica de faacutermaco sensible a
estiacutemulos simples El sistema fue caracterizado por diferentes teacutecnicas microestructurales y
espectroscoacutepicas Ellos obtuvieron partiacuteculas mesoporosas con propiedades superparamagneacuteticas
Ademaacutes exploraron su uso en la liberacioacuten de DOX alcanzando una alta eficiencia (superior a
95) con velocidades de liberacioacuten controlada bajo pH y temperatura sostenida La interaccioacuten
quiacutemica entre la DOX y las nanopartiacuteculas fue confirmada por un cambio en el potencial zeta y
una disminucioacuten en la intensidad de fluorescencia Otros estudios sobre DDS basados en
nanopartiacuteculas magneacuteticas pueden ser encontrados en la literatura [70-74]
Los sistemas DDS pueden ser disentildeados con gran variedad de diferentes morfologiacuteas las cuales
han sido reportadas en la literatura [75] Estas morfologiacuteas incluyen partiacuteculas esfeacutericas
completamente densas partiacuteculas rugosas partiacuteculas huecas partiacuteculas tipo dona y partiacuteculas
porosas Estas uacuteltimas muestran caracteriacutesticas notables sobre todo aquellas partiacuteculas con una
jerarquiacutea macro-mesoporosa ya que exhiben alta aacuterea superficial baja densidad y buena
estabilidad fisicoquiacutemica Ademaacutes dichos materiales pueden incrementar considerablemente la
capacidad de carga de un faacutermaco debido a que proporcionan una interconectividad que mejora
la difusioacuten o flujo de fluidos a la vez que aumentan considerablemente el aacuterea superficial
especiacutefica Por lo tanto estos sistemas aumentan la capacidad para que las moleacuteculas puedan ser
adsorbidas
Muchos estudios sobre sistemas nanoestructurados (macromeso)porosos han sido reportados en
la literatura Por ejemplo Liu y colaboradores [76] estudiaron materiales magneacuteticos
macroporosos siliacuteceos ordenados tridimensionalmente los cuales fueron fabricados por la
combinacioacuten de una co-sedimentacioacuten simple de un sistema coloidal binario de esferas de
PMMA y partiacuteculas de magnetita y la infiltracioacuten de precursores de silicio A partir de la
caracterizacioacuten por SEM y TEM establecen que los materiales macroporosos presentan una
estructura de empaquetamiento cubico centrado en las caras (fcc) con macroporos del orden de
200 nm Ademaacutes la caracterizacioacuten magneacutetica mostroacute que los materiales poseen una alta
magnetizacioacuten (192 emug) y comportamiento superparamagneacutetico
41
Por otra parte Santamariacutea y colaboradores [77] sintetizaron un sistema estructurado meso-
macroporoso de siacutelice para liberacioacuten controlada de ibuprofeno (IBU) El sistema fue sintetizado
usando una emulsioacuten WO usando decano como fase dispersa Los materiales obtenidos fueron
caracterizados por TEM SEM dispersioacuten de difraccioacuten de rayos x a bajo aacutengulo (SAXS) e
isotermas de adsorcioacuten-desorcioacuten de N2 Los resultados obtenidos mostraron que la carga del IBU
incrementa a medida que la presencia de macroporos en el material incrementa Esto uacuteltimo lo
atribuyen suponiendo que los macroporos permiten que el faacutermaco acceda a los poros internos
Pero establecen que cuando uacutenicamente mesoporos estuvieron en el material el IBU fue
probablemente adsorbido uacutenicamente sobre los mesoporos uacutenicamente cercanos a la superficie
Maacutes aun sentildealan que mientras maacutes cantidad de macroporos estaacuten presentes en el material maacutes
bajo fue el comportamiento de liberacioacuten del IBU debido a que el ibuprofeno adsorbido en los
poros internos tiene que difundirse a lo largo de los canales macroporos hasta la superficie del
material
Una amplia gama de meacutetodos han sido estudiados para la siacutentesis de sistemas magneacuteticos
nanoestructurados siendo los meacutetodos quiacutemicos los mayormente usados entre estos meacutetodos la
teacutecnica sol-gel sobresale debido a ventajas tales como el uso temperaturas de procesamiento
relativamente bajas comparadas con los meacutetodos tradicionales la facilidad sencillez y
versatilidad del meacutetodo el control sobre el tamantildeo y morfologiacutea del material y la obtencioacuten de
materiales relativamente puros Por ejemplo Anjaneyulu y Vijayalakshmi [82] fabricaron un
compoacutesito [HAP (Ca)10(PO4)6(OH)2] magnetita (Fe3O4) derivado del meacutetodo sol-gel sobre una
aleacioacuten Ti-6Al-4V El compoacutesito fue caracterizado por XRD SEM-EDAX y mediciones de
aacutengulo de contacto Ademaacutes realizaron un estudio de bioactividad in vitro el cual conformo que
el Ti-6Al-4V revestido por el compoacutesito fue altamente bioactivo e indujo la formacioacuten de apatita
en la presencia de las nanopartiacuteculas de Fe3O4 Por lo tanto su estudio sugiere que los implantes
recubiertos con HAPFe3O4 pueden ser usados para aplicaciones biomeacutedicas Ademaacutes una
revisioacuten detallada sobre materiales para aplicaciones biomeacutedicas sintetizados por el meacutetodo sol-
gel es proporcionada por G J Owens y colaboradores [83] en la revista Progress in Materials
Science publicada en 2016 Los materiales sintetizados por este meacutetodo incluyen los materiales a
42
base de siacutelice materiales a base de fosfatos materiales a base de metales (FendashO TindashO ZnndashO
etc) y materiales hiacutebridos orgaacutenicos-inorgaacutenicos
El aumento en el nuacutemero de artiacuteculos publicados en una gran variedad de revistas cientiacuteficas
dirigidas al disentildeo siacutentesis e ingenieriacutea de una amplia gama de materiales con diversas
formulaciones por ejemplo los liposomas dendriacutemeros micelas partiacuteculas polimeacutericas y
materiales magneacuteticos nanoestructurados revela que el aacuterea biomeacutedica ha llegado a ser un aacuterea
de gran intereacutes debido al potencial de estos materiales para ser usados en una gran variedad de
aplicaciones tal como agentes de contraste para MRI tratamiento de caacutencer mediante
hipertermia y como DDS
Dentro de los materiales maacutes prominentes para este tipo de aplicaciones se encuentran los
materiales magneacuteticos a base de oacutexido de hierro dentro de los cuales podemos incluir a los
sistemas nanoestructurados de hexaferrita de bario (BaFe12O19) disentildeados y sintetizados en el
presente trabajo de investigacioacuten La relevancia de estos materiales se basa en su
biocompatibilidad aprobados por la Federal Drug Administration (FDA) para su uso biomeacutedico
Una ventaja de los materiales porosos en especial aquellos materiales con una jerarquiacutea macro-
mesoporosa tal es el caso de los sistemas de BaFe12O19 sintetizados aquiacute es la presencia de una
arquitectura que exhiba alta aacuterea superficial baja densidad y buena estabilidad fisicoquiacutemica lo
cual reflejariacutea un incremento considerable en la capacidad de carga de moleacuteculas con actividad
bioloacutegica usadas como faacutermaco modelo ya sea de naturaleza hidrofoacutebica o hidrofiacutelica Ademaacutes
mediante la aplicacioacuten de un campo magneacutetico externo las propiedades magneacuteticas pueden ser
aprovechadas para dirigir y focalizar el faacutermaco a un sitio especiacutefico de accioacuten logrando un perfil
de liberacioacuten controlado Por lo tanto la concentracioacuten y nuacutemero de dosificaciones del faacutermaco
se reduciriacutea lo cual se veriacutea reflejado en la disminucioacuten de efectos secundarios no deseados en el
tratamiento de enfermedades tales como el caacutencer
43
CAPIacuteTULO 3
DESARROLLO EXPERIMENTAL
44
CAPIacuteTULO 3 DESARROLLO EXPERIMENTAL
En el presente capiacutetulo se describe el procedimiento experimental llevado a cabo durante el
trabajo de investigacioacuten La Fig 32 muestra las tres etapas principales que constituyen el
procedimiento experimental para el estudio de los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 I)
Disentildeo (Fig 31) y Siacutentesis II) Caracterizacioacuten y III) Pruebas bioloacutegicas La Tabla 3I muestra
los factores a evaluar en el disentildeo experimental fraccionario 2f
31 MATERIALES INICIALES
Se usaron productos comerciales grado reactivo sin purificacioacuten alguna Los reactivos usados
para la siacutentesis de la hexaferrita de bario fueron marca Sigma-Aldrich Nitrato de hierro (III)
nonahidratado Fe(NO3)39H2O carbonato de bario BaCO3 e hidroacutexido de amonio El surfactante
utilizado fue el Tween 20 (Merck) El surfactante hidrofiacutelico no-ioacutenico Tween 20 (C58H114O26) es
un eacutester de polioxietileno sorbitan (con un peso molecular calculado de 1225 Daltones asumiendo
20 unidades de oacutexido de etileno 1 sornitol y un aacutecido laacuteurico como aacutecido graso primario
Microesferas de poliestireno (PS) monodispersas sintetizadas en el laboratorio fueron usadas
como agente poroacutegeno o agente formador de poro
La primera etapa establece el disentildeo y siacutentesis de agregados esfeacutericos nanoestructurados de
hexaferrita de bario de tamantildeo micromeacutetrico con jerarquiacutea macro-mesoporosa (de aquiacute en
adelante llamados simplemente agregados de BaFe12O19) En esta etapa un disentildeo factorial 2f fue
usado para disentildear y evaluar los efectos de la temperatura (T) presioacuten (P) y concentracioacuten de
agente poroacutegeno ( en peso) en el meacutetodo de siacutentesis sol-gel acoplado a secado por aspersioacuten La
siacutentesis sol-gel se inicioacute con el uso de nitrato de hierro (III) nonahidratado Fe(NO)3 y carbonato
45
de bario BaCO3 como sales precursoras las cuales son disueltas en agua desionizada A su vez
Tween 20 se usoacute como surfactante para permitir la creacioacuten de la estructura mesoporosa
La mezcla de sales precursoras + Tween 20 se agitoacute por 30 min mediante agitacioacuten magneacutetica
modificando el pH a 8 usando NH4OH A continuacioacuten se agregoacute una suspensioacuten acuosa de
esferas de poliestireno (PS) usada como agente poroacutegeno con una concentracioacuten de 30 o 50
de acuerdo al disentildeo factorial 2f La suspensioacuten resultante se sometioacute al proceso de secado por
aspersioacuten donde se evaluaron los paraacutemetros de temperatura (T degC) y presioacuten (P Kgcm2) de
acuerdo a los valores del disentildeo factorial 2f Como resultado se obtuvo un compoacutesito
ceraacutemicopoliacutemero el cual fue sometido a un tratamiento teacutermico a temperaturas de 700 degC hasta
1000 degC para obtener el material macro-mesoporoso con estructura y morfologiacutea deseada
La segunda etapa se enfoca en la caracterizacioacuten Esta etapa del proceso aborda las teacutecnicas de
caracterizacioacuten estructural morfoloacutegica fiacutesica quiacutemica y magneacutetica de los agregados de
BaFe12O19 Difraccioacuten de rayos X (XRD) fue usada para determinar la estructura y cristalinidad
de los agregados de BaFe12O19 Microscopiacutea electroacutenica de barrido (SEM) fue usada para
determinar la morfologiacutea y tamantildeo de los agregados de BaFe12O19 ademaacutes de caracterizarlos
quiacutemicamente mediante anaacutelisis EDS y mapeo quiacutemico Microscopiacutea electroacutenica de transmisioacuten
(TEM) fue usada para determinar la morfologiacutea y estructura de los agregados de BaFe12O19
usando las modalidades de campo claro (BF) campo oscuro (DF) alta resolucioacuten (HRTEM)
barrido-transmisioacuten (STEM) en su modalidad de campo oscuro anular (STEM-ADF) y difraccioacuten
electroacutenica de aacuterea selecta (SAEDP) Determinacioacuten de aacuterea superficial especiacutefica BET mediante
adsorcioacutendesorcioacuten de N2 Espectroscopiacutea infrarroja por transformada de Fourier (FTIR)
Potencial zeta ζ El Magnetoacutemetro de muestra vibrante (VSM) fue usada para determinacioacuten de
las propiedades magneacuteticas (saturacioacuten magneacutetica Ms remanencia magneacutetica Mr y coercitividad
Hc) La tercera etapa evaluacutea las pruebas bioloacutegicas Los agregados de BaFe12O19 se evaluaron
como DDS al probar su capacidad de carga usando el peacuteptido DS como faacutermaco modelo El
peacuteptido DS se sintetizoacute a partir de los plaacutesmidos pF1A T7 Flexireg pFN21K y pFN18K
empleando la cepa T7 de Escherichia coli A su vez isopropil-β-D-1-tiogalactopiranoacutediso
(IPTG) se usoacute para inducir la produccioacuten del peacuteptido
46
Figura 31 Disentildeo experimental fraccionario 2f Las variables de entrada son la presioacuten (P) Temperatura (T) y
porcentaje de agente poroacutegeno (PS) Las variables de respuesta son la morfologiacutea y tamantildeo de agregado aacuterea
superficial BET volumen de mesoporo y tamantildeo de macroporo
Tabla 3I Factores a evaluar en el disentildeo experimental A) Presioacuten (P) B) Temperatura (T) y C) Concentracioacuten de
poliestireno usado como agente poroacutegeno (PS) Cada uno de los paraacutemetros presenta un nivel bajo (-) y un nivel
alto (+)
Factor Paraacutemetro Nivel
Bajo (-) Alto (+)
A P (Kgcm2) 15 2
B T (degC) 180 200
C PS 30 50
Los disentildeos factoriales se usan ampliamente en experimentos que incluyen varios factores
cuando es necesario estudiar el efecto conjunto de los factores sobre una respuesta El disentildeo 2f
es de particular importancia ya que proporciona el menor nuacutemero de corridas con las que pueden
estudiarse f factores en un disentildeo factorial completo
El resultado total del disentildeo factorial 2f es representado en la Tabla 3II El nivel alto para cada
factor estaacute representado por el siacutembolo maacutes (+) mientras el siacutembolo menos (-) representa el nivel
bajo Los resultados del disentildeo factorial de dos factores pueden ampliarse en el caso general en
que hay a niveles del factor A b niveles del factor B y c niveles del factor C dispuestos en un
experimento factorial En general habraacute abchellipn observaciones totales si se hacen n reacuteplicas del
47
experimento completo Es necesario un miacutenimo de dos replicas (n ge 2) para determinar una suma
de cuadrados debida al error si todas las interacciones posibles estaacuten incluidas en el modelo
Cuando todos los factores del experimento son fijos es sencillo formular y probar hipoacutetesis
acerca de los efectos principales y las interacciones
Tabla 3II Matriz del disentildeo experimental
A B AB C AC BC ABC
(1) - - + - + + -
a + - - - - + +
b - + - - - - +
ab + + + - - - -
c - - + + - - +
ac + - - + + - -
bc - + - + + + -
abc + + + + + + +
48
Figura 32 Diagrama de flujo que muestra las etapas principales en el desarrollo experimental en la siacutentesis de
agregados nanoestructurados de BaFe12O19 i) Disentildeo y Siacutentesis ii) Caracterizacioacuten y iii) pruebas bioloacutegicas
49
32 DISENtildeO EXPERIMENTAL FRACCIONARIO 2f
El disentildeo del sistema de los agregados esfeacutericos nanoestructurados macroporosos de BaFe12O19
fue llevado a cabo usando un disentildeo factorial 2f El teacutermino 2
f mide la cantidad de condiciones
experimentales siendo f el nuacutemero de factores a evaluar En este caso particular cada factor
presenta dos niveles lo cual estaacute representado por el nuacutemero 2 en el teacutermino 2f El disentildeo
permitioacute evaluar el efecto de los paraacutemetros del secado por aspersioacuten tales como la presioacuten del
aire (P Kgcm2) y la temperatura de entrada (T degC) Asiacute tambieacuten como la concentracioacuten del
poroacutegeno () en el tamantildeo y volumen de los aglomerados esfeacutericos obtenidos en el proceso de
secado por aspersioacuten
33 SIacuteNTESIS DE AGREGADOS DE BaFe12O19
Las esferas de BaFe12O19 fueron sintetizadas por el meacutetodo sol-gel asistido por surfactantes y
agentes poroacutegenos Durante la siacutentesis dos suspensiones fueron preparadas la primera
compuesta por las sales de Fe(NO3)39H2O y BaCO3 las cuales fueron disueltas en agua
desionizada y agitadas magneacuteticamente con una relacioacuten molar estequiometria la segunda
formada por el surfactante Tween 20 en solucioacuten acuosa Ambas suspensiones fueron mezcladas
con agitacioacuten magneacutetica constante Durante el proceso de reaccioacuten el pH de la suspensioacuten fue
ajustado a 80 usando NH4OH Una tercera suspensioacuten compuesta por esferas de poliestireno
dispersas en agua desionizada fue adicionada a la mezcla con agitacioacuten magneacutetica constante por 1
h variando la concentracioacuten de acuerdo al disentildeo experimental
La mezcla coloidal resultante fue alimentada a una caacutemara de secado tubular de un equipo Mini
Spray Dryer (Yamato ADL31) a traveacutes de un flujo concurrente de aire caliente como gas
acarreador El proceso de secado fue iniciado por la generacioacuten de pequentildeas gotas a partir de la
suspensioacuten coloidal seguida por la atomizacioacuten del liacutequido a una temperatura y presioacuten variando
de acuerdo al disentildeo experimental resultando en la produccioacuten de polvos (xerogeles) compuestos
de partiacuteculas soacutelidas Finalmente el polvo fue recolectado mediante un cicloacuten y sometido a un
50
tratamiento teacutermico para la eliminacioacuten total de los agentes orgaacutenicos surfactante y el agente
poroacutegeno la eliminacioacuten total de agua estructural la formacioacuten de oacutexidos y la cristalizacioacuten de
los mismos Cuatro diferentes temperaturas de tratamiento isoteacutermico fueron evaluadas 700 800
900 y 1000 degC a una velocidad de calentamiento de 3 degCmin por 2 h con el objeto de seguir la
cristalizacioacuten y la formacioacuten de las fases de hexaferrita de bario asiacute como la evaluacioacuten de la
microestructura y de las propiedades magneacuteticas en funcioacuten de la temperatura de tratamiento
teacutermico
34 CARACTERIZACIOacuteN
341 Difraccioacuten de rayos X
Las fases y estructuras cristalinas de la BaFe12O19 fueron analizadas por difraccioacuten de rayos x en
un difractoacutemetro Bruker modelo D8 Advance usando radiacioacuten Cu Kα (45 KV 30 mA) Las
muestras analizadas fueron escaneadas en un rango 2θ a partir de 20 a 80 deg y una amplitud de
paso constante de 002deg
342 Microscopiacutea electroacutenica de barrido
La caracterizacioacuten estructural y morfoloacutegica de la BaFe12O19 fue llevada a cabo en un
microscopio electroacutenico de barrido (SEM) de emisioacuten de campo JEOL JSM-7600F asiacute como su
caracterizacioacuten quiacutemica usando la teacutecnica de espectroscopiacutea de divisioacuten de energiacutea de los rayos
caracteriacutesticos (EDS) El tamantildeo de los agregados de BaFe12O19 fue determinado a partir de
imaacutegenes de SEM mediante la medicioacuten y anaacutelisis estadiacutestico de los datos usando el programa
Lince linear intercept (Verfuumlgbare Software)
51
343 Microscopiacutea electroacutenica de transmisioacuten
El microscopio electroacutenico de transmisioacuten (TEM) de emisioacuten de campo FEG Phillips Tecnai F20
fue usado para la obtencioacuten y estudio de la cristalinidad de las esferas de BaFe12O19 usando las
teacutecnicas de difraccioacuten de aacuterea selecta (SAEDP) alta resolucioacuten (HRTEM) y microscopia
electroacutenica de barrido-transmisioacuten (STEM) en su modalidad de campo oscuro anular (STEM-
ADF) Para su observacioacuten por TEM 10 mg del polvo obtenido despueacutes del secado por
aspersioacuten y calcinado a 700 degC se dispersoacute en 10 mL de etanol (Sigma-Aldrich) en un tubo para
micro-centrifuga de 15 ml (Eppendorf) Despueacutes la solucioacuten se dispersoacute usando un equipo
limpiador de vibracioacuten ultrasoacutenica Branson 1510 (42 KHz a 70 W) por 30 min Con ayuda de un
capilar una gota de la suspensioacuten homogeacutenea se depositoacute sobre una rejilla de cobre de 300 mesh
previamente recubierta con colodioacuten y una peliacutecula delgada de carboacuten La rejilla se secoacute a
temperatura ambiente por toda la noche El anaacutelisis y procesamiento computacional de las
imaacutegenes de TEM asiacute como la obtencioacuten de su transformada raacutepida de Fourier (FFT) se
analizaron con el software Digital Micrograph de la compantildeiacutea Gatan Tomando en cuenta las
posiciones xyz reportadas para la BaFe12O19 con grupo espacial P3mmc [47] se simularon
computacionalmente las imaacutegenes de HRTEM Para esto se crecioacute la celda a una supercelda de
4x4x4 celdas con el programa Diamond Crystal and Molecular Visualization [48] y se simularon
las imaacutegenes de TEM en el programa Simulatem [49] Las condiciones para la simulacioacuten fueron
200 Kv Cs de 12 mm y foco de Scherzer -5485 nm
344 Isotermas de adsorcioacutendesorcioacuten de nitroacutegeno
Las isotermas de adsorcioacutendesorcioacuten de nitroacutegeno a 77 K fueron obtenidas en un instrumento
Quantachrome Antes de su anaacutelisis las muestras (014 ndash 038 g) fueron colocadas en un tubo
bajo atmosfera de N2 y entonces degasificadas por 4 h a 100 degC Ademaacutes la distribucioacuten de
tamantildeo de mesoporo fue medida mediante la teacutecnica Barrett-Joyner-Halenda (BJH)
52
345 Espectroscopiacutea infrarroja
Las mediciones de espectroscopiacutea infrarroja (IR) fueron llevadas a cabo a temperatura ambiente
(46 HR) en un espectrofotoacutemetro con Transformada de Fourier Marca Bruker Modelo Tensor
27 Los espectrogramas fueron obtenidos en un rango de longitud de onda de 4000 a 400 cm-1
(tiempo de escaneo 32 scans) con una resolucioacuten de 4 cm-1
Los espectros fueron obtenidos a
partir de muestras en polvo con una correccioacuten de liacutenea base y suavizado usando el software
Tensor
346 Propiedades magneacuteticas
El anaacutelisis de las propiedades magneacuteticas de los agregados de BaFe12O19 fueron llevas a cabo
usando un magnetoacutemetro de muestra vibrante (VSM LDJ 9600) a temperatura ambiente
aplicando un campo magneacutetico constante de 5000 Oe Los valores de saturacioacuten magneacutetica (Ms)
magnetizacioacuten remanente (Mr) y coercitividad (Hc) fueron obtenidos a partir de la curva de
histeacuteresis
347 Potencial zeta ζ
Las mediciones de potencial zeta de los agregados de BaFe12O19 fueron obtenidos usando un
equipo ZetaMeter (Zetasizer Modelo Malverin 300 HSA) Se prepararon diferentes suspensiones
de polvo de BaFe12O19 (0011g) en 20 mL de agua destilada Para cada suspension el valor de pH
fue modificado a valores aacutecidos y baacutesicos desde 20 hasta 100 usando como modificadores de
pH aacutecido niacutetrico HNO3 e hidroacutexido de amonio NH4OH respectivamente
35 PRUEBAS BIOLOacuteGICAS
351 Extraccioacuten de ADN plasmiacutedico
La Fig 33 muestra el diagrama de extraccioacuten de ADN plasmidico Las etapas principales en la
extraccioacuten de ADNp incluye la preparacioacuten del lisado lavado y elucioacuten (Fig 33(a)) El plaacutesmido
53
recombinante presente en la cepa T7 Express Iq Competent de Escherichia coli [MiniF
laqIq(CamR)fhuA2 lacZT7 gene1 [Ion] ompT gal sulA11 R(mcr-73miniTn10mdashTets)2[dcm]
R(zgb-210Tn10mdashTets) endA1 Δ(mcrC-mrr)114IS10] fue aislado de acuerdo a las
instrucciones del Kit PureYieldTM Plasmid Miniprep System (Fig 33(b)) 30 microL de ADN + 10
microL de buffer de carga fueron cargados en un gel de agarosa al 08 para determinar la presencia
del plaacutesmido mediante electroforesis La electroforesis se llevoacute a cabo a 90 V por 30 min El gel
fue analizado en un Fotocodificador EL LOGIC 200
Figura 33 Extraccioacuten de ADN plasmiacutedico (a) Pasos generales en la extraccioacuten de ADNp y (b) procedimiento del
Kit Pure YieldTM Plasmid Miniprep System
352 Siacutentesis del peacuteptido DS
La Fig 34 muestra el diagrama general de siacutentesis del peacuteptido DS El Diagrama incluye los
pasos desde la expresioacuten del peacuteptido hasta su deteccioacuten y revelado con luminol
54
Figura 34 Diagrama de siacutentesis del peacuteptido DS a partir del plaacutesmido pFN21K El Diagrama incluye los pasos desde
la expresioacuten del peacuteptido hasta su deteccioacuten y revelado con luminol en un anaacutelisis tipo Western
a Siacutentesis a partir del plaacutesmido pF1A T7 Flexireg
Un pre-inoacuteculo de E coli fue preparado tomando una asada de la cepa T7 modificada para
sintetizar el peacuteptido pF1A T7 Flexi la cual se inoculo en 30 mL del medio de cultivo Luria-
Bertani (LB) El cultivo fue incubado a 37 degC por 18 h en agitacioacuten a 150 rpm La induccioacuten se
llevoacute a cabo distribuyendo 200 microL de pre-inoacuteculo + 20 microL de ampicilina (100 microgmL) en 20 mL
de LB El medio de cultivo fue incubado hasta alcanzar una densidad oacuteptica (DO) de 04 ndash 06
Los valores de DO fueron medidos en un Espectro Cary 50 Probe UV-vis spectro usando una
longitud de onda λ = 600 nm Una vez alcanzada la DO diferentes concentraciones de isopropil-
β-D-1-tiogalactopiranoacutesido (IPTG) fueron agregadas para inducir la concentracioacuten del peacuteptido
La concentracioacuten de IPTG fue calculada usando la Ecuacioacuten 1 La induccioacuten se incuboacute a 37 degC
por 3 h 10 mL de la induccioacuten fue tomado y centrifugado a 13000 rpm por 1 min el
sobrenadante fue descartado y fueron agregados al sedimento 100 microL de buffer de lisis La
muestra se hirvioacute por 10 min 50 microL de muestra fueron cargados en un gel de poliacrilamida para
determinar la expresioacuten del peacuteptido de intereacutes La muestra fue tratada con dodecil sulfato de
sodio (SDS CH3(CH2)10CH2OSO3-
Na+) La electroforesis se llevoacute a cabo a 200 V por 40 min
El fundamento de la electroforesis se basa en el movimiento de las partiacuteculas cargadas en un
campo eleacutectrico hacia un electrodo con carga opuesta El anioacuten del SDS se une con fuerza a las
55
proteiacutenas por adsorcioacuten no especiacutefica cuanto mayor es la proteiacutena maacutes cantidad del anioacuten
adsorberaacute El SDS desnaturaliza por completo a las proteiacutenas rompiendo todas las interacciones
no covalentes Como resultado las proteiacutenas adquieren una carga negativa a consecuencia de la
adsorcioacuten del anioacuten SO3-
La movilidad de las macromoleacuteculas depende de su carga forma y
tamantildeo Sin embargo dado que todas las proteiacutenas de la muestra tienen casi la misma forma y
carga el tamantildeo de las proteiacutenas se convierte en el factor determinante para su separacioacuten
Ecuacioacuten 31
donde
C1 = concentracioacuten de IPTG deseada
V1 = volumen del medio LB
C2 = concentracioacuten del stock de IPTG
V2 = volumen necesario de IPTG para alcanzar la concentracioacuten deseada
b Siacutentesis a partir del plaacutesmido pFN21K
Con el objetivo de llevar a cabo la expresioacuten y produccioacuten de proteiacutenas recombinantes ceacutelulas
derivadas de ovario de haacutemster chino Cricetulus griseus (ceacutelulas CHO) fueron transferidas con
el vector pFN21K construido especialmente para expresar el peacuteptido deseado 300 000 ceacutelulas
CHOpozo fueron sembradas en placas de seis pozos para cultivo celular en 1 mL de medio de
crecimiento completo (F-12K) e incubadas a una atmoacutesfera de 5 de CO2 y a 37 ordm C 24 horas
despueacutes las ceacutelulas CHO se transfectaron haciendo uso del kit XfetTM Transfection Reagent
siguiendo las instrucciones del fabricante y empleando 5 microg de plaacutesmido El cultivo celular
transfectado fue incubado durante 24 h en una atmosfera de 5 de CO2 y a 37 ordm C despueacutes de los
56
cuales el medio fue sustituido por medio celular nuevo y se incuboacute a las mismas condiciones de
CO2 y temperatura Se verificoacute la transfeccioacuten positiva de las ceacutelulas CHO y se procedioacute a la
extraccioacuten de proteiacutena total Las ceacutelulas CHO fueron lavadas dos veces con PBS frio esteacuteril a
continuacioacuten fueron antildeadidos a cada pozo 80 microL de buffer de lisis con una concentracioacuten final de
2X El complejo lisado fue recuperado en tubos de 15 mL y la proteiacutena se centrifugoacute a 14000
rpm a 4 ordmC por 20 min El sobrenadante fue recuperado Un anaacutelisis tipo Western blot fue
utilizado para verificar la expresioacuten del peacuteptido con ayuda de anticuerpos monoclonales El
primer paso de este anaacutelisis consistioacute en la separacioacuten de macromoleacuteculas proteicas mediante
geles de poliacrilamida al 10 Posteriormente las proteiacutenas se transfieren a una matriz de
nitrocelulosa la cual fue bloqueada con una solucioacuten de caseiacutena al 1 en amortiguador salino de
Tween20 al 01 Tris 100 mM pH 75 NaCl 09 (TTBS) Posteriormente se llevoacute a cabo una
serie de lavados utilizando solucioacuten amortiguadora de fosfatos (PBS) KHPO4 106 mM NaCl
15517 mM y NaPO4 297 mM pH 74 La deteccioacuten del peacuteptido deseado se realizoacute adicionando
como anticuerpo primario anti-HaloTagreg y como anticuerpo secundario anti-gallina acoplado a
la enzima peroxidasa de raacutebano (HRP) El revelado en una placa fotograacutefica para la deteccioacuten del
peacuteptido se llevoacute a cabo mediante la adicioacuten de luminol
353 Cargaliberacioacuten del peacuteptido
a Carga BaFe12O19-pF1AT7 Flexireg
10 mg de polvo de BaFe12O19 fueron puestos en contacto con 40 mL del peacuteptido DS producido a
partir del plaacutesmido pF1A T7 Flexireg mediante agitacioacuten lenta a temperatura ambiente durante 2 h
Los polvos de BaFe12O19 fueron recuperados del peacuteptido tomando 50 microL de la suspensioacuten a los
cuales se les agrego 50 microL de agua desionizada + 50 microL de buffer de lisis La mezcla se llevoacute a
ebullicioacuten por 10 min para su posterior carga en un gel de poliacrilamida para realizar un anaacutelisis
tipo Western
57
b Carga BaFe12O19-pFN21K
10 mg de polvo de BaFe12O19 fueron puestos en contacto con 40 mL de una solucioacuten acuosa del
peacuteptido DS-HaloTag mediante agitacioacuten lenta a temperatura ambiente Una aliacutecuota de la
solucioacuten fue tomada a tiempos predeterminados para medir la DO600 La disminucioacuten de DO
indica que el peacuteptido DS-HaloTag se ha absorbido en los sistemas nanoestructurados de
BaFe12O19
354 Liberacioacuten del peacuteptido DS de los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19
Los polvos de BaFe12O19 fueron recuperados de la solucioacuten acuosa que conteniacutea el peacuteptido DS-
HaloTag A continuacioacuten fueron colocados en medio F12K e incubados a una atmoacutesfera de 5
de CO2 a 37 ordmC Para verificar la liberacioacuten del peacuteptido Halo-DS a tiempos predeterminados una
aliacutecuota del medio fue tomada y medida la DO600
58
CAPIacuteTULO 4
RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN
59
CAPIacuteTULO 4 RESULTADOS Y DISCUSION
En este capiacutetulo se presentan los resultados obtenidos en el disentildeo y siacutentesis de los sistemas
nanoestructurados de BaFe12O19 fabricados a partir de un disentildeo experimental factorial 2f y
sintetizados a traveacutes del meacutetodo sol-gel y secado por aspersioacuten A partir de los resultados
obtenidos en la caracterizacioacuten estructural morfoloacutegica fisicoquiacutemica y magneacutetica de los
sistemas de BaFe12O19 asiacute como las pruebas bioloacutegicas que incluyen el estudio de carga y
liberacioacuten del peacuteptido DS utilizado como faacutermaco modelo se discute la capacidad de estos
sistemas para ser usados como sistemas de liberacioacuten de faacutermaco
41 DISENtildeO FACTORIAL 2f
La Tabla 4I muestra el total de 8 experimentos llevados a cabo cuando se realizoacute el disentildeo
experimental 2f asiacute como los valores obtenidos para el diaacutemetro promedio de agregado de
BaFe12O19 aacuterea superficial especiacutefica BET volumen de mesoporo y diaacutemetro promedio de
macroporo de los agregados de BaFe12O19el volumen de poro y el tamantildeo de aglomerado
promedio para todos los experimentos Se observa un efecto sobre el volumen de poro y el
tamantildeo de los agregados nanoestructurados macroporosos de BaFe12O19 Los diaacutemetros promedio
de los agregados esfeacutericos obtenidos despueacutes del proceso de secado por aspersioacuten y calcinados a
700 degC variaron de 150 a 173 microm Las partiacuteculas nanoestructuradas superparamagneacuteticas de
oacutexido de hierro desde 29 nm hasta 35 microm han sido sintetizadas por varios autores La mayoriacutea
de las aplicaciones son dependientes del tamantildeo En este trabajo se ha elegido sintetizar
agregados esfeacutericos macroporosos de tamantildeo micromeacutetrico con la finalidad de aumentar la carga
uacutetil en los sistemas de liberacioacuten de faacutermacos asegurando tambieacuten con ello la estabilidad de los
agregados durante el transporte en el torrente sanguiacuteneo Ademaacutes se ha tomado en cuenta que el
tamantildeo maacutes grande de agregado obtenido aquiacute sea capaz de ser inyectado auacuten en los capilares
(los cuales miden alrededor de 5 a 10 microacutemetros de diaacutemetro)
60
Un anaacutelisis estadiacutestico de variancia (ANOVA) fue llevado a cabo para establecer que los factores
A B y C correspondientes a la presioacuten (P) temperatura (T) y PS respectivamente asiacute como
sus interacciones AB AC BC y ABC afectan la morfologiacutea y el tamantildeo del agregado Para este
tipo de modelo la estadiacutestica de prueba (F0) para cada efecto principal e interaccioacuten pueden
construirse dividiendo el cuadrado medio (MS) correspondiente del efecto o interaccioacuten por el
cuadrado medio del error Mientras que el estadiacutestico de referencia (FT) es obtenido a partir de la
literatura El nuacutemero de grados de libertad (GL) de cualquier efecto principal es el nuacutemero de
niveles del factor menos uno y el nuacutemero de GL de una interaccioacuten es el producto del nuacutemero de
GL asociados con los componentes individuales de la interaccioacuten Cuando F0 gt FT los efectos
individuales o sus interacciones muestran un efecto significativo en las variables de respuesta
De acuerdo al anaacutelisis ANOVA en la Tabla 4II el cual analiza el diaacutemetro de agregado
promedio el uacutenico factor que tienen un efecto significativo sobre el tamantildeo del agregado es la
presioacuten de aire del aspersor Mientras que un efecto miacutenimo puede estar dado por la temperatura
o por la combinacioacuten de los factores presioacuten-temperatura y temperatura-poroacutegeno
De la misma manera un anaacutelisis ANOVA en la Tabla 4II donde se muestra el anaacutelisis de aacuterea
superficial especiacutefica BET de los agregados nanoestructurados muestra que los factores que
tienen un efecto significativo sobre BET estaacuten dados por la concentracioacuten del template por siacute
sola ademaacutes de la interaccioacuten entre los factores presioacuten-template y temperatura-template
Ademaacutes un anaacutelisis ANOVA fue llevado a cabo para analizar el volumen de mesoporos de los
agregados nanoestructurados obtenidos La Tabla 4II muestra que los efectos que tienen un
efecto significativo sobre el volumen de mesoporos son la presioacuten por siacute sola y la interaccioacuten de
los factores presioacuten-template y temperatura-template
Finalmente un anaacutelisis ANOVA fue llevado a cabo para analizar el diaacutemetro de macroporo La
Tabla 4II muestra que ninguacuten factor tiene un efecto significativo sobre el tamantildeo de macroporo
Pudiera ser considerado que los factores que tienen un miacutenimo efecto sobre el tamantildeo de
61
macroporo son la temperatura por si sola y las interacciones de los factores presioacuten-temperatura
y temperatura-poroacutegeno Se concluye que el tamantildeo de macroporo es determinado
principalmente por el tamantildeo del PS En este trabajo las esferas del agente poroacutegeno de PS
usadas fueron de 200 nm de diaacutemetro promedio
Tabla 4I Variables de respuesta (oslashagregado SBET Vmesoporo oslashmacroporo) del disentildeo experimental fraccionario 2f como
resultado del efecto de los factores P T y PS
1No Exp
2Factor
3oslashagregado
4SBET
5Vmesoporo
6oslashmacroporo
P T PS
1 - - - 169 2705 00743 1946
2 - + - 173 2456 00639 2340
3 + - - 171 3420 01686 2362
4 + + - 158 2199 00238 2213
5 - - + 150 2031 00463 2206
6 - + + 164 2064 00085 2435
7 + - + 172 1481 01015 2085
8 - - + 173 1116 00143 1971
1 = Nuacutemero de experimento 2 = Los factores de presioacuten (P Kgcm2) temperatura (T degC) y porcentaje en peso del
poliestireno (PS) usado como agente poroacutegeno muestran dos niveles nivel bajo (-) y nivel alto (+)
correspondientes a 15 Kgcm2 y 20 Kgcm
2 180 degC y 200 degC y 30 y 50 respectivamente 3 oslashagregado (microm) =
diaacutemetro promedio de agregado de BaFe12O19 SBET (m2g) = aacuterea superficial especiacutefica BET Vmesoporo (cm
3g)=
volumen de mesoporo oslashmacroporo (nm) = diaacutemetro promedio de macroporo de los agregados de BaFe12O19
62
Tabla 4II Anaacutelisis de variancia ANOVA
ANOVA
EFECTO FACTOR 1SS
2GL
3MS
4F0
5FT
oslashagregado
A 049 1 00150 574
532
B 039 1 00095 363
AB -035 1 00076 293
C -005 1 00001 005
AC 015 1 00014 053
BC 031 1 00060 229
ABC 017 1 00018 069
ERROR 0041 8 00026
TOTAL 0083 15
SBET
A -2235 1 31220 2300
532
B -1653 1 17070 1128
AB -2529 1 39970 294
C -5501 1 18910 1393
AC -3887 1 94420 6958
BC -4235 1 11200 8260
ABC -0590 1 00021 0001
ERROR 21713 8 1357
TOTAL 70108 15
Vmesoporo
A -079 1 0063 866
532
B -050 1 0168 398
AB 035 1 0023 174
C 046 1 0049 298
AC -065 1 0008 581
BC -066 1 0101 602
ABC 059 1 0014 479
ERROR 0073 8 00046
TOTAL 0227 15
oslashmacroporo
A 600 1 2250 001
532
B -656 1 2689 234
AB -766 1 3667 319
C 176 1 1936 016
AC -384 1 9216 080
BC -754 1 35532 309
ABC 480 1 14400 125
ERROR 18372 8 11483
TOTAL 30860 15
1SS = suma de cuadrados
2GL = grados de libertad
3MS = cuadrado promedio
4F0 = valor estadiacutestico de prueba F
5FT = valor estadiacutestico de referencia
63
42 CARACTERIZACIOacuteN
421 Difraccioacuten de rayos X
La Fig 41 presenta los espectros de XRD de las muestras obtenidas a temperaturas de
calcinacioacuten de 700 800 900 y 1000 degC La indexacioacuten de los espectros de XRD indicoacute la
coexistencia de las fases hexaferrita H = BaFe12O19 monoferrita O = BaFe2O4 y hematita F =
Fe2O3 en todas las muestras La fase H hexaferrita tiene una celda unitaria hexagonal (tarjeta
Crystallography Open Database COD 1008841) con paraacutemetros de red a = b =0589 nm y c =
2318 nm la fase monoferrita O tiene una celda unitaria ortorroacutembica (tarjeta COD 4107896) con
paraacutemetros de red a = 1899 nm b = 0538 nm c = 0844 nm y la fase hematita F tiene una celda
unitaria hexagonal (tarjeta COD 9015964) con paraacutemetros de red a = b = 0503 nm y c = 1374
nm Como puede observarse el contenido de la fase H aumenta con la temperatura y
simultaacuteneamente disminuye la fase F
Figura 41 Espectro DRX del polvo de las esferas de BaFe12O19 obtenidas despueacutes del proceso de secado por
aspersioacuten y calcinado a diferentes temperaturas Este presenta las fases H = BaFe12O19 (tarjeta Crystallography Open
Database COD 1008841) F = Fe2O3 (tarjeta COD 9015964)
64
422 Microscopiacutea electroacutenica de barrido
La Fig 42(a) muestra una imagen de SEM representativa de los agregados esfeacutericos de
BaFe12O19 de los polvos obtenidos despueacutes del proceso de secado por aspersioacuten y antes de ser
sometido a un tratamiento teacutermico Una amplificacioacuten a 20000 X (Fig 42(b)) muestra un
agregado de BaFe12O19 en el cual pueden ser observadas las esferas de poliestireno (PS) antes de
ser eliminadas durante el tratamiento teacutermico
Figura 42 Imaacutegen SEM de (a) agregados esfeacutericos de BaFe12O19 antes de ser tratados teacutermicamente y (b) una
amplificacioacuten a 20000 X que muestra un agregado de BaFe12O19 en el cual pueden ser observadas las esferas de
poliestireno (PS) antes de ser eliminadas
La Fig 43(a) y Fig 43(c) muestra imaacutegenes de SEM representativas de los agregados de
BaFe12O19 Las imaacutegenes fueron tomadas con electrones secundarios (SE) a 5 KV Se puede
observar que los agregados porosos nanoestructurados presentan una morfologiacutea esfeacuterica Los
insertos en la Fig 43(a) y Fig 43(c) muestran una amplificacioacuten de los agregados de BaFe12O19
Noacutetese que las esferas son macroporosas y policristalinas constituidas por cristales alargados o
fibras de tamantildeo micromeacutetrico formando una estructura tipo nido La macroporosidad fue
producto de la pirolisis de las esferas de poliestireno durante el tratamiento teacutermico Sin embargo
no existe evidencia clara en los espectros de DRX (Fig 41) de crecimiento preferencial de
ninguna de las fases
65
Las Fig 43(b) y Fig 43(d) muestra los histogramas de distribucioacuten de tamantildeo de agregado
correspondiente a las Fig 43(a) y Fig 43(c) respectivamente Los agregados tienen un diaacutemetro
promedio de aprox 17 microm el cual como se mencionoacute anteriormente cumple con el requisito de
ser menor de 50 microm para poder ser introducido en una suspensioacuten inyectable Los agregados
esfeacutericos observados en las muestras son praacutecticamente del mismo tamantildeo puesto que el tamantildeo
de estos agregados es resultado del tamantildeo de la gota producida en la boquilla del equipo de
secado pero tambieacuten puede estar influenciado por la reologiacutea de la suspensioacuten alimentada La
distribucioacuten de tamantildeo de agregado fue determinada a partir de imaacutegenes SEM mediante anaacutelisis
estadiacutestico usando el software linear Lynx Los histogramas describen el comportamiento en
cuanto a tendencia central forma y dispersioacuten del conjunto de datos analizados (agregados de
BaFe12O19 N = 300)
Ademaacutes se observa una morfologiacutea esfeacuterica homogeacutenea con un tamantildeo de macroporo de aprox
200 nm de diaacutemetro con una desviacioacuten estaacutendar de 50 nm Este resultado es loacutegico si
consideramos que la suspensioacuten alimentada estaacute constituida ademaacutes del gel por las esferas de
poliestireno monomodales cuyo tamantildeo promedio es de 223 nm Por lo tanto estos materiales
caen en la clasificacioacuten de materiales macroporosos de acuerdo a la IUPAC Ademaacutes la
distribucioacuten de los mesoporos de los agregados esfeacutericos obtenidos fue determinada por la teacutecnica
BJH En promedio los mesoporos son del orden de 12 nm con una desviacioacuten estaacutendar de 2 nm
Como se mencionoacute anteriormente debido al disentildeo factorial 2f un conjunto de 8 experimentos
fue realizado Todas las muestras tienen una estructura y morfologiacutea similar por lo tanto las
imaacutegenes representativas para cada una de las concentraciones de PS 30 y 50 en peso
respectivamente son mostradas La muestra en la Fig 43(a) fue sintetizada con una temperatura
interna de 200 degC y una presioacuten de 20 Kgcm2 correspondiente a los paraacutemetros de secado por
aspersioacuten y a una concentracioacuten de esferas de poliestireno de 50 La muestra en la Fig 43(c)
fue sintetizada con una temperatura interna de 180 degC y una presioacuten de 15 Kgcm2
correspondiente a los paraacutemetros de secado por aspersioacuten y una concentracioacuten de esferas de
poliestireno de 30 La diferencia principal entre las imaacutegenes de las Fig 44(3) y Fig 44(3) es
la distribucioacuten de tamantildeo de poro
66
Figura 43 Imaacutegenes de SEM de los agregados de BaFe12O19 y sus correspondientes histogramas de distribucioacuten de
tamantildeo (a) Muestra con 50 de PS bajo condiciones de secado por aspersioacuten de 200 degC y 20 Kgcm2 y su
correspondiente distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula (b) (c) Muestra con 30 de PS bajo condiciones de secado por
aspersioacuten de 180 degC y 15 Kgcm2 y su correspondiente distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula (d) Las muestras fueron
calcinadas a 700 degC
Una variedad de diferentes morfologiacuteas han sido reportadas en la literatura Por ejemplo
Okuyama y cols [75] han reportado la siacutentesis de partiacuteculas esfeacutericas completamente densas
partiacuteculas esfeacutericas rugosas partiacuteculas huecas partiacuteculas tipo dona partiacuteculas porosas partiacuteculas
encapsuladas y una mezcla de partiacuteculas Chiemi y cols [51] han reportado la siacutentesis de
partiacuteculas nuacutecleo-coraza Ademaacutes otras morfologiacuteas tales como nanoalambres nanocilindros
nanotubos y nanopartiacuteculas tipo gusano han sido reportadas en la literatura En este trabajo se han
obtenido agregados nanoestructurados de BaFe12O19 con una morfologiacutea esfeacuterica Una ventaja de
las partiacuteculas esfeacutericas es su importancia praacutectica debido a sus propiedades reoloacutegicas cuando se
67
comparan con otras morfologiacuteas Por ejemplo cuando se encuentran en los vasos sanguiacuteneos el
flujo de los microagregados de forma esfeacuterica en el torrente sanguiacuteneo se ve mejorado
El anaacutelisis EDS (Fig 44(a)) y su respectivo mapeo quiacutemico (Fig 44(b)) realizado en el SEM
indicoacute que los agregados de BaFe12O19 estaacuten compuestos como era de esperarse por los
elementos quiacutemicos Ba Fe y O El pico de C es producido por la cinta doble cara de carbono
usada como adhesivo en soporte Este resultado demuestra que la composicioacuten de las esferas
obtenidas contiene los mismos elementos que fueron introducidos en la siacutentesis y no presentan
contaminacioacuten
Figura 44 (a) Espectro EDS de los agregados de BaFe12O19 el cual indica la presencia de los elementos Ba Fe y O
El C es producido por la cinta doble cara de carbono usada como adhesivo en soporte (b) Mapeos quiacutemicos de EDS
de los agregados de BaFe12O19 Imagen SEM en el modo de electrones secundarios Las imaacutegenes de Ba (verde) Fe
(rojo) y O (azul) indican su distribucioacuten homogeacutenea y que estos elementos son los uacutenicos presentes en las muestras
423 Microscopiacutea electroacutenica de transmisioacuten
La Fig 45 presenta las imaacutegenes de STEM-ADF de los agregados de BaFe12O19 calcinadas a
700 degC Estas imaacutegenes confirman que las esferas estaacuten conformadas principalmente por cristales
alargados tipo platelets Estos cristales son tan alargados que llegan a alcanzar una longitud del
tamantildeo de la esfera Por ejemplo en la Fig 45(d) se observa una esfera de aproximadamente 921
nm de diaacutemetro y la longitud del cristal maacutes largo es de 700 nm aproximadamente El tamantildeo
68
promedio de las esferas fue de 17 +- 04 microm y de los cristales alargados de 2991 +- 801 nm en
longitud y 341 +- 77 nm en espesor
Figura 45 Imaacutegenes de STEM-ADF de los agregados de BaFe12O19 Las esferas estaacuten conformadas principalmente
por cristales alargados
La Fig 46 muestra imaacutegenes de STEM-ADF (Fig 46(a)) y de TEM (Fig 46(b) de una esfera
de BaFe12O19 de aproximadamente 1 microm de diaacutemetro Estas imaacutegenes permiten comparar el
contraste presentado por los cristales que conforman las esferas por estas teacutecnicas Noacutetese que la
esfera presenta un cristal alargado de aproximadamente 850 nm de largo y cuyo contraste es
mejor observado por STEM-ADF
Figura 46 Imaacutegenes de una misma esfera de BaFe12O19 en el modo (a) STEM-ADF y (b) TEM las cuales permiten
comparar el contraste de los cristales que la conforman
69
Es importante indicar que el uso del limpiador ultrasoacutenico permitioacute obtener las muestras
analizadas por TEM en este trabajo El limpiador produce una vibracioacuten de 42 KHz a una
potencia de 70 W y genera alternativamente ondas de alta y baja presioacuten que transmiten sonidos
de alta y baja frecuencia La baja presioacuten genera burbujas microscoacutepicas que explotan
raacutepidamente liberando asiacute la energiacutea Este proceso denominado cavitacioacuten puede llevar a la
desintegracioacuten de los materiales que conforman las esferas de BaFe12O19 El calor permite
acelerar el proceso
En la Fig 47 se presentan las imaacutegenes de TEM en el modo de campo claro (Fig 47(a) y Fig
47(c) y en el modo de campo oscuro (Fig 47(b) y Fig 47(d) del material que conforman los
agregados despueacutes de haber sido desaglomerados por el tratamiento ultrasoacutenico al que fueron
sometidas Este material fue por lo tanto estructuralmente estudiado por difraccioacuten electroacutenica
de aacuterea selecta (SAEDP) El inserto en la Fig 47(b) presenta el patroacuten SAEDP de anillos
provenientes del material presentado en la Fig 47(a) mientras que el inserto en la Fig 47(d)
presenta el patroacuten SAEDP del cristal alargado mostrado en la Figura 47(c) La indexacioacuten de
estos patrones indicoacute que todo el material corresponde a la estructura hexagonal de la BaFe12O19
con paraacutemetros de red a = b = 0589 nm y c = 2318 nm (tarjeta Crystallography Open Database
COD 1008841)
Figura 47 Imaacutegenes de TEM en campo claro (a y c) y en campo oscuro (b y d) del material que conforman las
esferas despueacutes de haber sido desbaratadas por el tratamiento ultrasoacutenico El inserto en (b) presenta el patroacuten SAEDP
proveniente del material presentado en (a) El inserto en (d) presenta el patroacuten SAEDP del cristal alargado
presentado en (c)
70
La Fig 48(a) y Fig 48(b) muestran imaacutegenes HRTEM de uno de los cristales alargados
individuales que conforman los agregados poros de BaFe12O19 obtenidos Ademaacutes la
coexistencia de las fases entre los cristales de BaFe12O19 y los cristales de BaFe2O4 son
mostrados en la Fig 48(c) Por otra parte la Fig 48(d) muestra la coexistencia de las fases entre
los cristales de BaFe12O19 y los cristales de Fe2O3
Figura 48 Imaacutegenes HRTEM de los cristales que conforman los agregados porosos de BaFe12O19 (a) y (b)
corresponden a cristales individuales de la fase BaFe12O19 (c) Coexistencia entre las fases BaFe12O19 y BaFe2O4 (d)
Coexistencia entre las fases BaFe12O19 y Fe2O3
Las fibras fueron tambieacuten observadas por HRTEM para analizar la estructura y el ordenamiento
que presentan los aacutetomos que conforman sus cristales La Fig 49(a) presenta la imagen de
HRTEM de uno de los cristales alargados El inserto en esta figura presenta la correspondiente
Transformada Raacutepida de Fourier (FFT) del cristal la cual indica que el eje de zona corresponde
al eje de la zona en la direccioacuten [2-110] En la Fig 49(b) se presenta la imagen digitalmente
procesada correspondiente al aacuterea del recuadro indicado en la Fig 49(a) y la cual fue obtenida
usando el filtro indicado por el inserto A parte del arreglo presentado esta imagen indica que el
eje de crecimiento de los cristales alargados es en la direccioacuten [10-10] En el estudio por HRTEM
no solo se observan cristales alargados perfectamente formados sino que una gran mayoriacutea
presenta defectos principalmente fallas de apilamiento La Fig 49(c) presenta una imagen de
HRTEM de otro de los cristales alargados en la cual se observa una gran cantidad de defectos
71
La imagen presentada en la Fig 49(d) corresponde a la imagen digitalmente procesada del aacuterea
indicada en el recuadro presentado en la Fig 49(c)
Figura 49 (a) Imagen de HRTEM de uno de los cristales alargados que conforman las esferas de BaFe12O19 El
inserto presenta la correspondiente FFT la cual indica que el eje de zona corresponde al eje en la direccioacuten [2-110]
(b) Imagen digitalmente procesada correspondiente al aacuterea del recuadro indicado en (a) El filtro usado para el
procesamiento es indicado en el inserto (c) Imagen de HRTEM de otro de los cristales alargados con defectos (d)
Imagen digitalmente procesada del aacuterea indicada en el recuadro en (c)
Usando los valores de las posiciones xyz reportadas para BaFe12O19 con grupo espacial P3mmc
[27] se obtuvo la celda unitaria y se simularon digitalmente las imaacutegenes de HRTEM La Fig
410 presenta la celda unitaria obtenida en las direcciones [10-10] (Fig 410(a) y [21-10] (Fig
410(b)
La estructura de BaFe12O19 se puede construir usando tres unidades baacutesicas [30-32] S R y T La
unidad S a su vez presenta dos sub-unidades S0 con una carga eleacutectrica neutra y con foacutermula
quiacutemica Me22+
Fe43+
O8 (donde Me representa metales divalentes tales como Mn2+
Fe2+
Co2+
Ni2+
Zn2+
Mg2+
) y S2+
con carga eleacutectrica 2+ y con foacutermula quiacutemica (Fe63+
O8)2+
La unidad R
presenta carga eleacutectrica 2- y con foacutermula quiacutemica (Ba2+
Fe 63+
O11)2-
La unidad T presenta carga
eleacutectrica neutra y con foacutermula quiacutemica Ba22+
Fe83+
O 14 Estas unidades se unen para dar lugar a la
estructura de diferentes oacutexidos ferromagneacuteticos Por ejemplo al unir la unidad S2+
con la unidad
R se obtiene la secuencia de apilamiento RS la cual presenta carga eleacutectrica neutra y con
foacutermula quiacutemica BaFe12O19 Asiacute la celda unitaria de la BaFe12O19 se obtiene con la secuencia
SRSR donde dignifica una rotacioacuten de 180ordm alrededor del eje c La Fig 410 presenta las
72
unidades S S R y R de la celda unitaria de la BaFe12O19 observadas en las direcciones [21-10]
y [10-10] respectivamente
Vale la pena comentar que si se designa como la unidad M a BaFe12O19 y definimos a ST con
foacutermula quiacutemica Ba22+
Me22+
Fe123+
O22 como la unidad Y las hexaferritas pueden representarse
como apilamientos de las unidades S M y Y [64] Por lo tanto la combinacioacuten de las unidades S
R y T da origen al apilamiento que generan las diferentes estructuras observadas en las ferritas
[6566] y es natural deducir la existencia de las estructuras tipo politipo con la misma
composicioacuten quiacutemica en estos compuestos En nuestro caso los patrones de difraccioacuten SAEDP
obtenidos en este trabajo no indican la presencia de estructuras tipo politipo ya que no se
presentaron reflexiones provenientes de suacuteper-redes
Figura 410 Celda unitaria de BaFe12O19 obtenidas usando los valores indicados en [27] y observada en la direccioacuten
[10-10] (a) y en la direccioacuten [21-10] (b) Tambieacuten se presentan las unidades S y R El plano que contiene a Ba es un
plano espejo Ba en verde Fe en amarillo y O en rojo
La Fig 411 muestra la simulacioacuten digital de las imaacutegenes de HRTEM y sus correspondientes
patrones de difraccioacuten de aacuterea selecta en la direccioacuten [0001] (Fig 411(a) en la direccioacuten [10-10]
(Fig 411(b) y en la direccioacuten [2-1-10] (Fig 411(c) En estas Figuras se presentan las posiciones
de los aacutetomos de Ba (en verde) Fe (en amarillo) y O (en rojo) dentro de la celda unitaria
hexagonal de BaFe12O19 en proyeccioacuten a lo largo de las direcciones [0001] [10-10] y [2-1-10]
respectivamente Las condiciones de simulacioacuten fueron V = 200 KV con desenfoque de Scherzer
en -5485 nm y 4x4x4 celdas Noacutetese que las liacuteneas oscuras corresponden a posiciones de los
73
aacutetomos de Ba con los aacutetomos de Fe Los resultados indicaron que los agregados de BaFe12O19
producidos consisten de varios pequentildeos cristales alargados platelets cuyos arreglos atoacutemicos
presentan en algunos casos un perfecto arreglo (regiones libres de defectos) pero tambieacuten se
observaron desajustes en el apilamiento (mismatches) en otros casos
Figura 411 Simulacioacuten computacional de imaacutegenes de HRTEM en las direcciones [0001] (a) [10-10] (b) y [2-1-
10] (c) Se presenta la proyeccioacuten de la celda BaFe12O19 en las direcciones indicadas la simulacioacuten de su imagen en
el desenfoque de Scherzer y su correspondiente patroacuten de difraccioacuten del aacuterea selecta simulado Las condiciones de
simulacioacuten fueron V = 200 KV desenfoque de Scherzer en -5485 nm y 4x4x4 celdas Ba en verde Fe en amarillo
y O en rojo
La Fig 412 muestra la imagen de HRTEM experimental en la direccioacuten [2-110] de uno de los
cristales alargados que conforman los agregados de BaFe12O19 junto con la imagen
computacional simulada en la misma direccioacuten En este caso la imagen de HRTEM no presenta
defectos (al menos no observables) y las franjas presentan una periodicidad de 1159 nm que
corresponden a la mitad de la periodicidad a lo largo del eje c Tambieacuten se incluye las posiciones
de la superposicioacuten de los aacutetomos de Ba con los aacutetomos de Fe
74
Figura 412 Imagen de HRTEM en la direccioacuten [1-100] de uno de los cristales alargados que conforman los
agregados de BaFe12O19 y la imagen computacionalmente simulada en la misma direccioacuten En este caso la imagen de
HRTEM no presenta defectos Tambieacuten se incluyen las posiciones de los aacutetomos en la celda unitaria Ba en verde Fe
en amarillo y O en rojo
424 Isotermas de adsorcioacutendesorcioacuten de nitroacutegeno
La Fig 413 muestra las isotermas tiacutepicas de adsorcioacutendesorcioacuten para las muestras de BaFe12O19
calcinadas a 700 degC con concentraciones de PS de 30 y 50 respectivamente La muestra en la
Fig 413(a) fue sintetizada con una temperatura interna de 200 degC y una presioacuten de 20 Kgcm2
correspondiente a los paraacutemetros de secado por aspersioacuten y una concentracioacuten de esferas de
poliestireno de 50 La muestra en la Fig 413(b) fue sintetizada con una temperatura interna de
180 degC y una presioacuten de 15 Kgcm2 correspondiente a los paraacutemetros de secado por aspersioacuten y
una concentracioacuten de esferas de poliestireno de 30 De acuerdo a la clasificacioacuten BET las
isotermas corresponden a una isoterma tiacutepica tipo II Este tipo de isoterma se caracteriza por
raacutepido aumento inicial del volumen de gas adsorbido con el incremento en la presioacuten relativa
cambiando a un incremento lento El punto de inflexioacuten corresponde tanto a la finalizacioacuten del
recubrimiento de la mono capa y el llenado de los poros por condensacioacuten capilar El resto de la
curva corresponde a la formacioacuten de la multicapa Este tipo de isoterma es usualmente
encontrado en partiacuteculas mesoporosas El aacuterea superficial es calculada a partir de las isotermas
usando el meacutetodo BET a una presioacuten relativa por debajo de 03 A partir de la ecuacioacuten BET el
aacuterea superficial especiacutefica SBET de las partiacuteculas porosas de BaFe12O19 fue determinada SBET de
75
los agregados de BaFe12O19 varioacute de 1116 hasta 2705 m2g (Tabla IV) Dos tipos de poro son
observados en los agregados de BaFe12O19 mesoporos y macroporos Los mesoporos se
presentan en los espacios entre las partiacuteculas primarias y son el resultado de la pirolisis de las
micelas formadas por el surfactante Los macroporos son obtenidos como resultado de la pirolisis
del poliestireno Los insertos en la Fig 413(a) y Fig 413(b) muestran la distribucioacuten de tamantildeo
de los mesoporos obtenidos por el meacutetodo BET de adsorcioacuten de N2 El diaacutemetro promedio de
mesoporo varioacute entre 34 nm y 12 nm aproximadamente
Figura 413 Isotermas de adsorcioacutendesorcioacuten BET para (a) muestra con 50 de esferas de PS bajo condiciones de
secado por aspersioacuten de 200 degC y 20 Kgcm2 y (b) muestra con 30 de esferas de PS bajo condiciones de secado
por aspersioacuten de 180 degC y 15 Kgcm2 Las muestras fueron calcinas a 700 degC
425 Espectroscopiacutea infrarroja
El espectro FTIR de los agregados de BaFe12O19 calcinados a 700 degC mostrado en la Fig 414
evidencia de las bandas de vibracioacuten tiacutepicas para la BaFe12O19 estequiomeacutetrica a 132740 cm-1
y
140412 cm-1
las cuales son asignadas a los modos de vibracioacuten Fe-O de los sitios tetraeacutedricos y
octaeacutedricos en BaFe12O19 Las posiciones de estas bandas dependen de la estequiometriacutea de la
BaFe12O19 Las posiciones de las bandas a 35508 cm-1
54503 cm-1
61631 cm-1
69926 cm-1
y
87333 cm-1
corresponden a los enlacesgrupos funcionales del peacuteptido DS La interaccioacuten entre
BaFe12O19 y el poliacutemero induce un cambio en los picos caracteriacutesticos de BaFe12O19 a nuacutemero de
76
onda mayores como una funcioacuten de la relacioacuten surfactantepoliacutemero La presencia de nuevas
bandas en el espectro correspondiente a la BaFe12O19 en 30984 cm-1
y 87333 cm-1
indica la
adsorcioacuten del peacuteptido La regioacuten de 600 a 1000 cm-1
contiene los grupos funcionales
correspondientes a los enlaces C-C C-O y C-N Asiacute mismo la regioacuten entre 750 y 900 cm-1
incluyen grupos aromaacuteticos por lo tanto los grupos funcionales correspondientes a la
fenilalanina o al triptoacutefano pueden corresponder a los observados en el espectro IR [84]
Figura 414 Espectro Infrarrojo (IR) que muestra los enlacesgrupos funcionales a nuacutemeros de onda (cm-1
)
especiacuteficos correspondientes al peacuteptido DS-HaloTag libre y los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 libres y
cargados con el peacuteptido
426 Propiedades magneacuteticas
Una manera de medir las propiedades magneacuteticas es a traveacutes de las curvas de histeacuteresis las cuales
permiten la evaluacioacuten de las propiedades macroscoacutepicas tales como la saturacioacuten magneacutetica Ms
remanencia magneacutetica Mr y coercitividad Hc Estas propiedades definen el caraacutecter magneacutetico
de los materiales sintetizados La Fig 415 muestra las curvas de histeacuteresis a diferentes
77
temperaturas de calcinacioacuten La Tabla 4III muestra las propiedades magneacuteticas de todas las
muestras En general Ms Mr y Hc muestran un incremento como una funcioacuten de la temperatura
de calcinacioacuten y Hc incrementa con la temperatura en todos los casos El valor maacutes bajo de Mr
se obtuvo para la muestra calcinada a 700 degC Ademaacutes hay un cambio claro en el
comportamiento magneacutetico asociado con las temperaturas del tratamiento teacutermico El cambio
tiene que estar relacionado con el porcentaje del contenido de las diferentes fases presentadas en
las muestras y tambieacuten tiene que estar relacionado al tamantildeo de los cristales que constituyen los
agregados de BaFe12O19 A partir de las curvas de histeacuteresis mostradas en la Fig 420 y basado en
los valores de coercitividad mostrados en la Tabla 4III se observa que uacutenicamente el material
obtenido a 700 degC se comporta como un material magneacutetico semi-duro mientras que para todas
las demaacutes temperaturas desde 800 a 1000 degC el material muestra un comportamiento magneacutetico
duro
Figura 415 Curvas de histeacuteresis de los agregados de BaFe12O19 calcinados a diferentes temperaturas Los valores de
las muestras fueron tomadas a temperatura ambiente y 5000 Oe
78
Tabla 4III Propiedades magneacuteticas de los agregados porosos de hexaferrita de bario
Propiedades magneacuteticas
Muestra Temperatura de
calcinacioacuten (ordmC) Ms (emug) Mr (emug) Hc (Oe)
1 700 1424 379 194650
2 800 1249 592 463160
3 900 2826 152 479146
4 1000 4511 241 427750
El anaacutelisis de la composicioacuten estructural de los agregados indican que las fases monoferrita (O) y
hematita (F) estaacuten presentes Sin embargo la fase hexagonal H es la fase mayoritaria a la
temperatura de calcinacioacuten de 1000 degC Como se muestra en la Tabla 4III un cambio
significativo ocurre como una funcioacuten de la temperatura de calcinacioacuten en las propiedades
magneacuteticas de las muestras Es evidente que el cambio estaacute relacionado con la presencia de las
diferentes fases La mejor combinacioacuten de las propiedades magneacuteticas fue Ms = 4511 emug
(1000 degC) y Hc = 479148 Oe (900 degC)
Estos valores de magnetizacioacuten son cercanos a los obtenidos por Xu y cols [23] quienes
sintetizaron esferas mesoporosas huecas de BaFe12O19 usando el meacutetodo de pirolisis por
aspersioacuten obteniendo un valor de Ms = 504 emug para muestras calcinadas a 1000 degC
Gonzaacutelez-Carrentildeo y cols [25] obtuvieron un valor Ms = 500 emug para esferas huecas de
BaFe12O19 calcinadas a la misma temperatura obtenidas a partir de pirolisis por aerosol La
diferencia en los valores de magnetizacioacuten obtenidos por eacutestos autores y los valores obtenidos en
eacuteste trabajo puede ser debida principalmente a la estructura de la BaFe12O19 dado que en todos
los casos la morfologiacutea de la BaFe12O19 fue esfeacuterica sin embargo la BaFe12019 obtenida en este
trabajo presento una estructura porosa mientras que la estructura de obtenida por Xu y
Gonzaacutelez-Carrentildeo obtuvieron una estructura hueca
Por otra parte no uacutenicamente la estructura y morfologiacutea de las BaFe12O19 afecta las propiedades
magneacuteticas sino tambieacuten el meacutetodo de preparacioacuten Por ejemplo An y cols [42] sintetizaron
79
BaFe12O19 con una morfologiacutea esfeacuterica a traveacutes de un meacutetodo ultrasoacutenico asistido por sales En
este caso los valores de magnetizacioacuten obtenidos por los autores fue Ms = 619 emug (T = 950
degC) lo cual dista del valor obtenido en el presente trabajo de investigacioacuten
43 PROPIEDADES BIOLOacuteGICAS
431 Extraccioacuten de ADN plasmiacutedico
La extraccioacuten de ADN plasmiacutedico se llevoacute a cabo para verificar la presencia del gen de intereacutes en
los plaacutesmidos replicados en la cepa T7 de la bacteria E coli a partir de la cual se sintetizoacute el
peacuteptido DS La Fig 416 obtenida con el Fotocodificador EL LOGIC 200 muestra la extraccioacuten
de ADN de naturaleza plasmiacutedica de la cepa T7 de E coli Se obtuvo una extraccioacuten exitosa del
plaacutesmido pF1A T7 con un rendimiento de 350 ngmL
Figura 416 Extraccioacuten de ADN plasmiacutedico La columna 1 es referida al marcador Kb Plus DNA Ladder de peso
molecular conocido (pares de bases pb) El marcador se compone de 20 bandas de ADN de alta pureza de doble
cadena que abarca 100 pb hasta 12000 pb La columna 2 representa el ADNp de la cepa NEB (New England Biolab)
T7 DS Ademaacutes puede ser observado en la columna 2 la presencia de tres bandas a) es referida al ADNp relajado
b) describe el ADNp enrollado y c) explica el ADNp suacuteper-enrrollado
80
432 Siacutentesis induccioacuten y expresioacuten del peacuteptido DS
a Siacutentesis a partir del plaacutesmido pF1A T7 Flexireg
La Fig 417 muestra un anaacutelisis electroforeacutetico en un gel de SDS-poliacrilamida (SDS-PAGE)
que revela la expresioacuten del peacuteptido DS En la Fig 417 la columna 1 es referida al marcador
Spectra Multicolor Broad Range Protein Ladder Las columnas 2-5 muestras los efectos de las
concentraciones del inductor IPTG 05 1 2 y 3 mM Cada una de las bandas observadas en el
gel SDS-PAGE representa una proteiacutena distinta En las columnas 2-5 se observa una banda a la
altura de aproximadamente 26 KDa lo cual indica la expresioacuten del peacuteptido DS y que estaacute de
acuerdo con los valores de la literatura Sin embargo la intensidad de la banda en la columna 4 es
maacutes intensa lo cual indica que una concentracioacuten 2 mM de IPTG tiene una mayor eficiencia en la
induccioacuten del peacuteptido DS Por otra parte un aumento en la concentracioacuten de IPTG a 3 mM inhibe
la expresioacuten del peacuteptido DS como se puede observar en la columna 5
Figura 417 Separacioacuten de proteiacutenas por electroforesis en gel SDS-PAGE
81
b Siacutentesis a partir del plaacutesmido pFN21K
La Fig 418(a) y Fig 418(b) muestra imaacutegenes de microscopiacutea oacuteptica a diferentes
magnificaciones Las ceacutelulas CHO normalmente ancladas a la superficie tienen forma
fibroblastoide y pueden adaptarse a crecer en suspensioacuten adquiriendo entonces una forma
esfeacuterica Las ceacutelulas transfectadas son faacuteciles de detectar ya que eacutestas adquieren una coloracioacuten
azul debida a la integracioacuten de un plaacutesmido que contiene un gen reportero el cual estaacute vinculado a
una secuencia regulatoria en el cultivo celular Estos genes otorgan caracteriacutesticas que facilitan su
expresioacuten identificacioacuten y medicioacuten La expresioacuten del gen reportero puede ser observada en la
Fig 418 Las ceacutelulas CHO son tentildeidas al momento de antildeadir una moleacutecula orgaacutenica X-gal que
degrada la beta-galactosidasa presente en las ceacutelulas CHO
Figura 418 Imaacutegenes del microscopio oacuteptico en las cuales se puede observar la expresioacuten de un gen reportero
indicando las ceacutelulas CHO han sido transfectadas
La Fig 419 muestra un anaacutelisis tipo Western blot En la placa fotograacutefica se observa la proteiacutena
de intereacutes DS-HaloTag a una altura de ~61 KDa sintetizada a partir del plaacutesmido pfN21K El
volumen final en los carriles 1-3 fue de 198 microl con una concentracioacuten de proteiacutena (microgmicroL) de 29
28 y 27 respectivamente De acuerdo a la literatura el peso molecular del peacuteptido DS es ~26
KDa y el peso molecular de HaloTag es ~34 KDa Por lo que el peso de 61 KDa observado en la
placa fotograacutefica corresponde al peso molecular de la proteiacutena de fusioacuten DS-HaloTag
82
Figura 419 Anaacutelisis tipo Western blot La proteiacutena de intereacutes DS-HaloTag aparece a una altura de 61 ~KDa
433 Caracterizacioacuten del peacuteptido DS
La correspondiente caracterizacioacuten del peacuteptido DS es mostrada en la Tabla 4IV la cual incluye
caracteriacutesticas tales como la longitud y peso del peacuteptido punto isoeleacutectrico residuos hidrofoacutebicos
e hidrofiacutelicos residuos cargados y distribucioacuten de los aminoaacutecidos presentes (Tabla 4V y Fig
420)
Tabla 4IV Informacioacuten de secuencia
Informacioacuten de secuencia
Secuencia Proteiacutena
Longitud 252
Organismo Dominio de unioacuten a Su(H) sin intron
Nombre DS sin introacuten marco de traduccioacuten +1
Peso 26371 KDa
Punto isoeleacutectrico 1075
Iacutendice alifaacutetico 60556
Residuos de aminoaacutecidos
Hidrofobicidad Cantidad Tipo de carga Cantidad
Hidrofoacutebico (A F G I L M P V W)1 121 Negativa (D E)
1 17
Hidrofiacutelico (C N Q S T Y)1 78 Positiva (R K)
1 32
1 = Abreviacioacuten de los aminoaacutecidos con una sola letra
83
Tabla 4V Tabla de distribucioacuten de aminoaacutecidos
Aminoaacutecido Cantidad Aminoaacutecido Cantidad
Alanina (A) 31 Metionina (M) 2
Cisteiacutena (C) 0 Asparagina (N) 9
Aacutecido aspaacutertico (D) 11 Prolina (P) 16
Aacutecido glutaacutemico (E) 6 Glutamina (Q) 7
Fenilalanina (F) 10 Arginina (R) 17
Glicina (G) 24 Serina (S) 35
Histidina (H) 4 Treonina (T) 24
Isoleucina (I) 9 Valina (V) 11
Lisina (K) 15 Triptofano (W) 4
Leucina (L) 14 Tirosina (Y) 3
Figura 420 Histograma de distribucioacuten de aminoaacutecidos
A nuestro mejor conocimiento el peacuteptido DS (Dominio de unioacuten a supresor de Hairless [Su(H)]
no ha sido probado como faacutermaco modelo en sistemas DDS Sin embargo cientos de peacuteptidos
derivados a partir de proteiacutenas presentes principalmente en el citosol mitocondria yo nuacutecleo han
sido identificados y probados [11] Li [13] produjo el peacuteptido LL-37 antimicrobiano en E coli el
84
cual exhibe diversas propiedades inmunomoduladoras tales como la habilidad de mediar la
quimiotaxis acelerar la angiogeacutenesis y promover la cicatrizacioacuten
En las uacuteltimas deacutecadas el desarrollo de terapias a partir de peacuteptidos ha llevado a un nuacutemero sin
precedentes de aprobaciones en el mercado Kaspar y cols [37] describen las direcciones futuras
en el desarrollo de terapias basadas en peacuteptidos Algunos peacuteptidos aprobados en 2012 por la FDA
son linaclotide utilizado para el tratamiento de desoacuterdenes gastrointestinales lucinactant usado
para prevenir el siacutendrome respiratorio peginesatide usado para el tratamiento de anemia entre
otros
44 PRUEBAS DE CARGALIBERACIOacuteN
En la Fig 421 se observa como disminuyen los valores de densidad oacuteptica (DO600) en la
interaccioacuten BaFe12O19-DS-HaloTag a medida que el tiempo transcurre La disminucioacuten de DO600
indica que el peacuteptido DS-HaloTag es absorbido sobre la superficie de los sistemas
nanoestructurados de BaFe12O19 Como puede ser observado en la Figura 45 los valores de
DO600 se mantienen constante en ~ 0243 en un tiempo de 140 min lo cual indica que en este
punto los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 han alcanzado su saturacioacuten y por lo tanto no
pueden absorber maacutes cantidad de peacuteptido DS-HaloTag A partir de la graacutefica se determinoacute la
concentracioacuten de peacuteptido DS-HaloTag absorbido por los sistemas nanoestructurados de
BaFe12O19 Sabiendo que la concentracioacuten inicial (C1) del peacuteptido DS-HaloTag fue de 24 microgmicroL
y calculando la concentracioacuten remanente (C2) del peacuteptido DS-HaloTag en la salucioacuten acuosa lo
cual corresponde al momento de saturacioacuten de los sistemas nanoparticulados de BaFe12O19 (140
min) a una longitud de onda λ = 595 nm a partir de la ecuacioacuten de regresioacuten polinomial de orden
2 y = 2Endash05x2 ndash 00069x + 07866 y con un coeficiente de correlacioacuten R2 = 096021 se obtiene
una concentracioacuten C2 = 0268 microgmicroL por lo tanto la concentracioacuten absorbida de peacuteptido DS-
HaloTag por los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 corresponde a C1 - C2 = 213 microgmicroL
Asiacute el porcentaje de peacuteptido DS-HaloTag puede ser calculado a partir de la siguiente expresioacuten
85
Ecuacioacuten 41
donde
Cab = absorcioacuten de DS-HaloTag sobre los sistemas de BaFe12O19
C1 = concentracioacuten inicial de DS-HaloTag
C2 = concentracioacuten remanente de DS-HaloTag en solucioacuten acuosa
Por lo tanto
Cab = 875
Figura 421 Interaccioacuten BaFe12O19-DS-HaloTag La disminucioacuten en los valores de DO a medida que el tiempo
transcurre indica la absorcioacuten del peacuteptido por los agregados de BaFe12O19
86
Una vez saturados los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 se tomaron 10 microL de la solucioacuten
acuosa que contiene el peacuteptido DS a los cuales se les agrego 50 microL de buffer de lisis La mezcla
se llevoacute a ebullicioacuten por 10 min para ser cargada en un gel de poliacrilamida La Fig 422
muestra una electroforesis de un gel SDS-PAGE llevada a cabo a 200 V por 40 min La Fig
428(a) muestra la interaccioacuten entre los agregados de BaFe12O19 y el plaacutesmido pFN1A T7 Flexireg
y advierte como la concentracioacuten de la proteiacutena (columna izquierda) decrece (la intensidad de las
bandas se ve disminuida) lo cual indica que el peacuteptido DS es absorbido por los agregados de
BaFe12O19
Figura 422 Anaacutelisis visual SDS-PAGE de la interaccioacuten BaFe12O19-DS-HaloTag que muestra coacutemo disminuye la
cantidad de proteiacutena libre en el medio
Adicionalmente el anaacutelisis FTIR mostrado en la Fig 414 confirma que el peacuteptido DS-HaloTag
fue absorbido por los sistemas nanoparticulados de BaFe12O19 El espectro IR mostrado en la Fig
419 exhibe los enlacesgrupos funcionales del peacuteptido DS a 35508 cm-1
54503 cm-1
61603
cm-1
69926 cm-1
y 87333 cm-1
Puede ser observado que el enlacegrupo funcional a 87333 cm-
1 aparece en los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 cargados con el peacuteptido lo que
confirma su absorcioacuten por el sistema asiacute mismo el enlacegrupo funcional que aparece a 30984
87
cm-1
en los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 pudiera corresponder al observado en el
peacuteptido DS-HaloTag por la proximidad que eacuteste presenta Por otra parte los enlacesgrupos
funcionales a 54503 cm-1
61631 cm-1
y 69926 cm-1
que no aparecen en los sistemas
nanoestructurados de BaFe12O19 cargados con el peacuteptido pudieran corresponder a la parte de la
proteiacutena de bajo peso molecular lo cual puede estar de acuerdo con los resultados mostrados en
la Figura puesto que el gel de poliacrilamida (10) revela que en la interaccioacuten BaFe12O19-DS-
HaloTag los peacuteptidos que en su mayoriacutea son absorbidos son aquellos que corresponden a un peso
molecular grande
La absorcioacuten del peacuteptido DS-HaloTag sobre los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 puede
ser explicada a partir del hecho de que el potencial zeta (Fig 423) del sistema nanoestructura de
BaFe12O19 ζ BaFe12O19 tiene un valor negativo a un pH de 74 (pH al cual se llevoacute a cabo la
interaccioacuten) mientras que la carga superficial del peacuteptido DS ζ DS al mismo pH tiene un valor
positivo
Figura 423 Carga superficial (mV) en funcioacuten del pH para el peacuteptido DS-HaloTag y los sistemas nanoestructurados
de BaFe12O19
Ademaacutes el peacuteptido DS presenta residuos de aminoaacutecidos (aa) hidrofoacutebicos (Alanina (A)
Fenilalanina (F) Glicina (G) Isoleucina (I) Leucina (L) Metionina (M) Prolina (P) Valina (V)
Triptoacutefano (W)) e hidrofiacutelicos (Cisteiacutena (C) Asparagina (N) Glutamina (Q) Serina (S) Treonina
88
(T) Tirosina (Y)) y tomando en cuenta que BaFe12O19 en solucioacuten acuosa puede formar
hidroxilos (grupos OH) que pueden reaccionar con los radicales (R) de los aminoaacutecidos se
propone un modelo (Fig 424) de las posibles interacciones entre los sistemas nanoestructurados
de BaFe12O19 y el peacuteptido DS-HaloTag
Figura 424 Modelo propuesto para las posibles interacciones BaFe12O19-DS-HaloTag
La Fig 425 muestra el perfil de liberacioacuten del peacuteptido DS-HaloTag de los sistemas
nanoestructurados de BaFe12O19 cuando eacutestos fueron colocados en medio de cultivo F12K bajo
una atmoacutesfera de 5 de CO2 a 37 ordmC Es bien sabido que entre mayor sea la diferencia de
potencial zeta ζ coexistiraacute una mayor atraccioacuten entre partiacuteculas de carga superficial opuesta Por
lo tanto como puede ser observado en la graacutefica de carga superficial los valores de pH a los
cuales se promoveriacutea una mayor absorcioacuten de peacuteptido DS-HaloTag sobre los sistemas
nanoestructurados de BaFe12O19 estariacutean en pH 58-6 Sin embargo se decidioacute trabajar a un valor
de pH 74 debido a que la solucioacuten acuosa en la cual se encuentra el peacuteptido DS-HaloTag
originalmente tiene este valor Otras razones por las cuales se optoacute trabajar con este valor es que
al pH 74 sigue existiendo una carga superficial opuesta entre el peacuteptido DS-HaloTag y los
sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 mientras que una disminucioacuten en el valor de pH
pudiera provocar una desnaturalizacioacuten de la proteiacutena Una vez incubado en medio F12K bajo
89
condiciones de 5 CO2 y temperatura de 37 ordmC el CO2 tiene la funcioacuten de contrarrestar la
alcalinizacioacuten del medio debido a la actividad metaboacutelica propia de las ceacutelulas en cultivo y una
variacioacuten de pH hacia lo aacutecido o lo baacutesico hace que el peacuteptido sea liberado por parte de los
sistemas nanoparticulados de BaFe12O19 El medio F12K es un medio celular que fue
desarrollado principalmente para ceacutelulas de hepatocito humano asiacute tambieacuten para ceacutelulas de
hiacutegado de rata y pollo en un ambiente de suero reducido Para el presente estudio se trabajoacute con
medio F12K incompleto libre de ceacutelulas con la finalidad de verificar que el peacuteptido DS-HaloTag
fuera liberado precisamente al hecho de que el CO2 acidifica el medio causando variaciones en el
potencial zeta ζ de cada uno de los integrantes de la mezcla es decir los sistemas
nanoestructurados de BaFe12O19 y el peacuteptido DS-HaloTag
Figura 425 Perfiles de liberacioacuten del peacuteptido DS-HaloTag que muestra un aumento de la DO600 a medida que
transcurre el tiempo (t) El aumento en los valores de la DO600 indica que el peacuteptido DS-HaloTag es liberado de los
sistemas nanoestructurados de BaFe12O19
El uso de un disentildeo experimental fraccionario 2f nos permite evaluar el efecto que tienen
determinados paraacutemetros sobre una variable de respuesta Especiacuteficamente para este trabajo de
90
investigacioacuten las variables oslashagregado SBET Vmesoporo y oslashmacroporo fueron evaluadas a partir del efecto
de la temperatura y presioacuten en el proceso de secado por aspersioacuten y la concentracioacuten de agente
poroacutegeno utilizado durante la siacutentesis sol-gel A partir de los datos estadiacutesticos arrojados por el
anaacutelisis de varianza ANOVA se establece queacute paraacutemetros tienen un efecto significativo sobre la
variable de respuesta De esta manera el disentildeo experimental fraccionario 2f nos permitiraacute
optimizar el proceso de siacutentesis de los agregados nanoestructurados de BaFe12O19 para obtener la
morfologiacutea y estructura deseada lo cual a su vez tendraacute un efecto sobre las propiedades fiacutesicas
quiacutemicas y magneacuteticas del producto final
El uso de las teacutecnicas XRD SEM TEM BET FTIR y VSM proporcionoacute detalles necesarios en
cuanto a la caracterizacioacuten estructural morfoloacutegica y magneacutetica de los agregados de BaFe12O19
Asiacute a partir de los espectros de XRD fue observada la presencia de tres fases la fase hexagonal
BaFe12O19 la monoferrita de bario BaFe2O4 y la fase hematita Fe2O3 cuya coexistencia fue
confirmada por TEM Las propiedades magneacuteticas (Ms Mr y Hc) determinadas a partir de las
curvas de histeacuteresis obtenidas a partir de un VSM son afectadas por la morfologiacutea y estructura
macro-mesoporosa (observada por SEM y BET) asiacute como la mezcla de fases presentes en los
agregados de BaFe12O19 Las propiedades magneacuteticas sobre todo un comportamiento
superparamagneacutetico es perseguido para aplicaciones biomeacutedicas tal como los sistemas DDS
debido a que esta caracteriacutestica permite dirigir y focalizar un faacutermaco a un sitio especifico de
accioacuten mediante la aplicacioacuten de un campo magneacutetico externo Por lo tanto la concentracioacuten y
nuacutemero de dosificaciones puede ser reducida disminuyendo los efectos secundarios no deseados
Las caracteriacutesticas obtenidas en el presente trabajo de investigacioacuten hacen de los sistemas
nanoestructurados de BaFe12O19 un candidato como sistema de liberacioacuten de faacutermacos Esto fue
corroborado al evaluar la capacidad de carga de los sistemas de BaFe12O19 al ser cargados con el
peacuteptido DS usado como faacutermaco modelo La capacidad de carga asiacute como el perfil de liberacioacuten
del peacuteptido fueron evaluados por teacutecnicas de espectroscopia UV-vis FTIR SDS-PAGE
potencial zeta y anaacutelisis tipo Western blot El porcentaje de absorcioacuten del peacuteptido fue del peacuteptido
fue de 875
91
CAPIacuteTULO 5
CONCLUSIONES
92
CAPIacuteTULO 5 CONCLUSIONES
1- Agregados esfeacutericos nanoestructurados de BaFe12O19 de 17 microm con tamantildeo de
macroporo de 223 nm y tamantildeo de mesoporo entre 34 y 12 nm fueron disentildeados y
sintetizados exitosamente usando un disentildeo experimental 2f a traveacutes del meacutetodo sol-gel y
secado por aspersioacuten
2- Mediante un anaacutelisis estadiacutestico de varianza ANOVA se determinoacute que la presioacuten (P) es
el uacutenico factor significativo que afecta el tamantildeo de agregado de BaFe12O19 Por otra
parte ninguacuten paraacutemetro evaluado en el disentildeo 2f tuvo un efecto significativo sobre el
tamantildeo de macroporo Sin embargo el aacuterea superficial especiacutefica BET se vio afectada por
la concentracioacuten de agente poroacutegeno ( esferas de PS) asiacute como las combinaciones presioacuten-
poroacutegeno y temperatura poroacutegeno Por uacuteltimo los factores que mostraron un efecto
significativo sobre el volumen de mesoporo fueron la presioacuten y las combinaciones entre
presioacuten-poroacutegeno y temperatura poroacutegeno
3- La saturacioacuten magneacutetica Ms delos agregados BaFe12O19 varioacute entre 1424-4511 emug y
los valores de coercitividad Hc estuvieron entre 19465-427750 Oe Mostrando un
comportamiento magneacutetico semiduro con valores de Ms = 1424 y Hc = 19463 Oe para la
muestra calcinada a 700 degC
4- A partir del plaacutesmido pF1A T7 de la cepa T7 de E coli fue posible sintetizar el peacuteptido
DS mediante la induccioacuten con IPTG 2mM Por otra parte tambieacuten fue posible la siacutentesis
del peacuteptido DS a traveacutes de la transfeccioacuten de ceacutelulas CHO en cultivo celular con el vector
pFN21K Asiacute mismo fue posible la imnunodeteccioacuten del peacuteptido DS mediante la
utilizacioacuten de anticuerpos monoclonales anti-HaloTag El peacuteptido DS tiene gran
probabilidad de bloquear el dominio intracelular de Notch (NICD) que es un activo en
ceacutelulas canceriacutegenas
5- La capacidad de absorcioacuten del peacuteptido DS sobre los sistemas nanoestructurados de
BaFe12O19 fue del 875
93
TRABAJO A FUTURO Y RECOMENDACIONES
La capacidad de carga y perfil de liberacioacuten del peacuteptido DS fue probado en el presente trabajo de
investigacioacuten Por lo tanto la formulacioacuten empleada para el disentildeo y siacutentesis de los sistemas
nanoestructurados de BaFe12O19 hacen de estos sistemas un candidato para ser aplicados como
sistemas de liberacioacuten de faacutermaco Sin embargo debido a que la biocompatibilidad es un
requisito fundamental para ser aplicados en los sistemas bioloacutegicos es imprescindible realizar
estudios de citotoxicidad ya sea in vitro o in vivo por ejemplo los ensayos MTT los cuales se
basan en la capacidad de las ceacutelulas viables para reducir y convertir la sal de tetrazolio Bromuro
de 3-(45-dimetiltiazol-2-il)-25-difeniltetrazolio compuesto relativamente incoloro en formazan
una sustancia fuertemente lipofiacutelica de color morado El ensayo MTT es considerado como una
prueba de viabilidad que trabaja eficientemente en la mayoriacutea de los casos por lo tanto es
frecuentemente usada por si sola para evaluar la citotoxicidad in vitro particularmente para
evaluacioacuten de citotoxicidad en las nanopartiacuteculas
Asiacute mismo se recomienda realizar estudios sobre la modificacioacuten superficial de los agregados
nanoestructurados de BaFe12O19 por ejemplo a traveacutes de la PEGilacion el cual es un proceso de
unioacuten tanto covalente como no covalente de polietilenglicol (PEG) hacia la moleacutecula o estructura
a modificar O bien la modificacioacuten superficial pudiera llevarse a cabo empleando alguacuten otro
tipo de moleacutecula ya sean poliacutemeros proteiacutenas ADN etc Asiacute la modificacioacuten superficial
reduciraacute la inmunogenecidad y antigenecidad de la BaFe12O19 empleado como sistema portador
de faacutermaco Ademaacutes la modificacioacuten superficial permitiraacute enmascarar a la BaFe12O19 lo que le
permitiraacute evadir el sistema retiacuteculo endotelial y aumentar el tiempo de circulacioacuten en el torrente
sanguiacuteneo por lo tanto llegando a su sitio de accioacuten con mayor facilidad
94
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101
ANEXOS
CONSEJO NACIONAL DE CIENICA Y TECNOLOGIacuteA
CURRICULUM VITAE UacuteNICO
TORRES CADENAS SAMUEL
PRODUCCIOacuteN CIENTIFICA
ARTIacuteCULOS
2017 S Torres-Cadenas J Reyes-Gasga A Bravo-Patintildeo I Betancourt ME Contreras-Garciacutea Morphological
and magnetic properties of sol-gel synthetized meso and macroporous spheres of barium hexaferrite
(BaFe12O19) Journal of Magnetism and Magnetic Materials (2017) doi
httpdxdoiorg101016jjmmm201702018
2016 S Torres A Bravo ME Contreras BaO6Fe2O3 as DDS using tetracycline as model drug IOSR Journal of
Engineering (IOSRJEN) 11 (2016) 20-24 httpwwwiosrjenorgpagesvolume6-issue11(part-1)html
2016 S Torres-Cadenas A Bravo-Patiacutentildeo J Zarate-Medina ME Contreras-Garciacutea Nest-Like Barium
Hexaferrite Microspheres With Hierarchical Porous Structure for Drug Delivery Journal of Silicate Based
and Composite Materials
PARTICIPACIONES EN CONGRESOS
2016 Esferas Bioceramicas de Baomiddot6Fe2O3 con Estructura Tipo Nido Nacional VIII Congreso Nacional de
Cristalografiacutea II reunioacuten de la Sociedad Latinoamericana de Cristalografiacutea A Bravo-Patintildeo VS
Loacutepez-Aacutelvarez ME Contreras-Garciacutea Meacuterida Yucataacuten
2016 Nest-Like Barium Hexaferrite Microspheres With Hierarchical Porous Structure for Drug Delivery
Extranjero 4th
International Conference on Competitive Materials and Technology Processes A
Bravo-Patintildeo M E Contreras-Garciacutea Miskolc-Lillafured Hungay
2015 Baobull6Fe2O3A Vehicle for Drug Delivery Extranjero 14th
International Union of Materials Research
Societies-International Conference on Advanced Materials Alejandro Bravo Patintildeo Humberto
Contreras Cornejo Joseacute Antonio Rodriguez Torres Maria Eugenia Contreras Garciacutea Rep Popular
Democraacutetica Corea
2014 BaFe12O19 as Drug Delivery Vehicle A Morphological and Structural Studio Nacional 18th
International Microscopy Congress Alejandro Bravo Patintildeo Victor Sayil Loacutepez Aacutelvarez Mariacutea Eugenia
Contreras Garciacutea Meacutexico
102
2014 BaFe12O19 Como Sistema Nanoestructurado para Liberacioacuten de Faacutermacos Nacional AMIDIQ ldquoLa
Interdisciplinariedad en la Ingenieriacutea Quiacutemicardquo Alejandro Bravo Patintildeo Joseacute Antonio Rodriacuteguez Torres
Mariacutea Eugenia Contreras Garciacutea Meacutexico
2013 BaFe12O19 Nanoparticles ndash A scheme for Drug Delivery Internacional 12th
Inter-American
Microscopy Congress Alejandro Bravo Patintildeo Joseacute Antonio Rodriguez Torres Mariacutea Eugenia Contreras
Garciacutea Meacutexico
2013 Escuela de Materia Condensada y Nanociencia Nacional International Multidisciplinar Joint
Meeting Nanocience and Condensed Matter Physis Meacutexico
2013 IV Foro de Vinculacioacuten Universidad-Industria Nacional VIII Escuela de Materiales y
Nanotecnologiacutea Meacutexico
2013 Magnetic Nanoparticles Engineered To Drug Delivery Internacional XXII International Materials
Research Congress Alejandro Bravo Patioacute Maria Eugenia Contreras Garciacutea Meacutexico
2013 Microscopiacutea Electroacutenica de Barrido con FE SEM y Teacutecnicas EDS Extranjero 12th Inter-American
Microscopy Congress Colombia
Accepted Manuscript
Morphological and magnetic properties of sol-gel synthetized meso and mac-roporous spheres of barium hexaferrite (BaFe12O19)
S Torres-Cadenas Joseacute Reyes-Gasga A Bravo-Patintildeo I Betancourt MEContreras-Garciacutea
PII S0304-8853(16)32862-1DOI httpdxdoiorg101016jjmmm201702018Reference MAGMA 62474
To appear in Journal of Magnetism and Magnetic Materials
Received Date 31 October 2016Accepted Date 11 February 2017
Please cite this article as S Torres-Cadenas J Reyes-Gasga A Bravo-Patintildeo I Betancourt ME Contreras-Garciacutea Morphological and magnetic properties of sol-gel synthetized meso and macroporous spheres of bariumhexaferrite (BaFe12O19) Journal of Magnetism and Magnetic Materials (2017) doi httpdxdoiorg101016jjmmm201702018
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MORPHOLOGICAL AND MAGNETIC PROPERTIES OF SOL-GEL
SYNTHETIZED MESO AND MACROPOROUS SPHERES OF BARIUM
HEXAFERRITE (BaFe12O19)
S Torres-Cadenasa Joseacute Reyes-Gasgab A Bravo-Patintildeoc I Betancourtd M
E Contreras-Garciacuteaa
aInstituto de Investigaciones Metaluacutergicas y Materiales UMSNH Edificio U Ciudad Universitaria Santiago Tapia 403 Colonia Centro 58030 Morelia Meacutexico Email storres_chotmailcom eucontregmailcom
bInstituto de Fiacutesica UNAM Circuito de la Investigacioacuten sn Ciudad Universitaria
04510 Coyoacaacuten Meacutexico DF Meacutexico Email jreyesfisicaunammx
cCentro Multidisciplinario de Estudios en Biotecnologiacutea (CMEB) de la FMVZ UMSNH Posta Zooteacutecnica Km 85 carretera Morelia-Zinapecuaro CP 58890 col La Palma Tarimbaro Michoacaacuten Meacutexico Email brapalhotmailcom
dInstituto de Investigaciones en Materiales UNAM Ciudad de Meacutexico CP 04510 Meacutexico Email israelbiimunammx
Corresponding Author
Dr Joseacute Reyes-Gasga Instituto de Fiacutesica UNAM Circuito de la Investigacioacuten sn Ciudad Universitaria 04510 Coyoacaacuten Meacutexico DF Meacutexico Tel (5255) 56225083 Email jreyesfisicaunammx
Highlights
bull 15 microm porous spheres of BaFe12O19 were synthetized by the sol-gel
method
bull Surfactant Tween20 (C58H114O26) enabled the creation of the mesoporous
structure
bull Polystyrene spheres (PS) were used as the template for the formation of
macropores
bull Spheres resembled a nest or ball-of-yarn type of elongated BaFe12O19
crystals
bull Magnetic properties are evaluated as function of the calcination
temperature
Abstract
Porous spherical aggregates of barium hexaferrite (BaFe12O19) with 15 microm in
diameter were synthetized by the surfactant-assisted sol-gel method The
surfactant Tween20 (C58H114O26) which enables mesoporous structures as well
as polystyrene spheres (PS) as the template agent for the formation of
macropores were used Two synthetic routes (hereafter named A and B) whose
difference was the absence or presence of PS were followed for synthesis X-ray
diffraction (XRD) scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron
microscopy (TEM) in high resolution mode (HRTEM) were used for
characterization Size and morphology of the spheres were similar in both cases
and they resemble a nest or ball-of-yarn type structure Pore size and BaFe12O19
crystal size produced by the two routes are different The magnetic properties of
the spheres were evaluated using a vibrating sample magnetometer (VSM) as
function of the calcination temperature The spheres present ferromagnetic
behavior in both routes
Key words Barium hexaferrite Porous spherical aggregates Surfactant-assisted
sol-gel synthesis Morphological properties Magnetic properties
1 Introduction
In recent decades ceramic materials represent a prominent alternative in scientific
and technological development in a wide range of research fields Specifically
biomedical ceramic materials have been used in orthopedic applications dental
implants tissue regeneration and as drug delivery systems [1] Iron-oxide-based
materials including barium hexaferrite (BaFe12O19) are good Drug Delivery
System (DDS) candidates [2-4] because of their physical chemical and magnetic
properties These magnetic properties are highly necessary for response to an
external magnetic field to target for example the drug into a specific site in the
human body Moreover the BaFe12O19 magnetic microparticles with spherical
morphology have different applications such as permanent magnets [5] electronic
devices [6] gas sensors [7] catalytic supports [8] and more recently in biomedical
applications such as advanced functional magnetic materials for the treatment of
cancer through magnetic hyperthermia [9] contrast agents for MRI [10] and drug
delivery systems [11]
A variety of methods have been used for the synthesis of iron-oxide-based
bioceramics including co-precipitation hydrolysis hydrothermal synthesis inverse
microemulsion and the sol-gel method [12-14] Of these methods sol-gel has
attracted special interest because it allows the development of new materials with
good homogeneity and purity [15-17] In addition it is a relatively fast simple and
inexpensive method Moreover the kinetics of the chemical reactions carried out in
the synthesis is easily controlled by low temperatures processing [17] Unlike
classical methods for powder ceramic processing of BaFe12O19 that require high
calcination temperatures (1200-1300 degC) sol-gel produces the BaFe12O19
microparticles at rather low calcination temperature [18] In addition the use of
surfactant-assisted sol gel synthesis allows more disperse systems enabling the
formation of a larger number of ordered structures and the surfactant allows the
formation of micelles that also act as templates resulting in the formation of
mesopores after elimination of the surfactant by calcination during the thermal
treatment
Surfactant-assisted sol-gel synthesis as structure-directing agents or dispersants
and templates as macropore-forming agents is investigated in this work for the
production of ceramic microstructures designed with hierarchical porosity for
biomedical applications that require highly specific surface areas and the unique
design of materials capable of conducting fluids and interacting with cell tissues
Among the materials designed for these applications pore size distribution and
their interconnectivity determine the viability of the material for a such specific
application
Therefore in the present study BaFe12O19 spherical magnetic macro- and meso-
porous microparticles were synthetized by the surfactant-assisted sol-gel method
as well as polystyrene spheres (PS) as templates for formation microspheres and
dried by spray drying The morphological characterization and magnetic properties
of the spheres are compared as a function of thermal treatment temperature
2 Materials method and experimental procedure
21 Materials
Commercial reagent grade products were used without purification The reagents
were from Aldrich iron nitrate (III) nonahydrate Fe(NO3)3 9H2O barium carbonate
BaCO3 and surfactant Tween20 and from Merck ammonium hydroxide NH4OH
The hydrophilic nonionic surfactant Tween20 (C58H114O26) is an ester of
polyoxyethylene sorbitan with a molecular weight of 1225 Daltons calculated
assuming 20 units of ethylene oxide 1 sorbitol and lauric acid as the primary fatty
acid Monodisperse Polystyrene microspheres (PS) synthesized in the laboratory
were used as the pore-forming agent
22 Synthesis of BaFe12O19
Spheres of barium hexaferrite were synthesized by the sol-gel method either
assisted by surfactants (route A) or assisted by surfactants and templates (route
B) Figure 1 shows the flow diagram of routes A and B Two suspensions were
prepared in each route The first was composed of Fe(NO3)39H2O and BaCO3
salts with a stoichiometric molar ratio dissolved in deionized water The second
was formed by the surfactant Tween20 in aqueous solution Both suspensions
were mixed with constant magnetic stirring and during the reaction the pH of the
slurry was adjusted to 8 with NH4OH Route B included a third suspension
consisting of 30 wt polystyrene spheres in deionized water The PS were
monodispersed with a mean diameter of 200nm The PS suspension was added
to the mixture with constant magnetic stirring for 1h
The resulting suspension was subjected to spray drying using a Mini Spray Dryer
(Yamato ADL31) The conditions in the spray drying equipment for both routes
were determined by experimental design as drying temperature (T = 175 degC) and
drying pressure (P = 15 Kgcm2)
Powders obtained after spray drying (xerogels) were subjected to thermal
treatment for the elimination of organic agents surfactant and template (in each
case) structural water the formation of oxides and crystallization Four different
temperatures were evaluated in both routes for thermal treatment 700 800 900
and 1000 degC
23 Structural morphological chemical and magnetic characterization
Structural chemical and morphological analysis of the spheres was performed by
X-ray diffraction (XRD) scanning electron microscopy (SEM) and transmission
electron microscopy (TEM) in high resolution mode (HRTEM)
Samples were analyzed by X-ray diffraction on a Bruker diffractometer model D8
Advance using Cu Kα radiation (45 kV 30 mA) to determine the crystal structures
and phases presented Samples were scanned from 20deg to 80deg in 2θ and a
constant step of 002ordmseg
For microstructural characterization of the samples the scanning electron
microscope JEOL JSM-7600F and the transmission electron microscope FEG
Phillips Technai F20 were used The SEM was coupled with energy dispersive X-
ray spectroscopy equipment (EDS)
The Digital Micrograph software (Gatan Inc) was used for image analysis and the
linear Lynx software (Verfuumlgbare Software) was used for the statistical analysis of
the data Size distribution of the pores in the spherical aggregates was measured
by the Barrett-Joyner-Halenda (BJH) technique using a Quantachrome (St 1 on
NOVA touch 1LX) instrument
The analysis of the magnetic properties of the samples was performed using a
vibrating sample magnetometer (VSM LDJ 9600) at room temperature applying a
constant magnetic field of 5000 Oe Magnetic saturation (Ms) remnant
magnetization (Mr) and coercivity (Hc) values were obtained from the hysteresis
curves
3 Results
31 X-ray diffraction
Figure 2 shows the x-ray diffraction spectra of the samples obtained from routes A
and B at the calcination temperatures of 700 800 900 and 1000 degC as indicated
in Figure 1
Indexing the x-ray spectra indicates the coexistence of hexaferrite H = BaFe12O19
monoferrite O = BaFe2O4 and hematite F = Fe2O3 in all samples The phase H
(hexaferrite) is hexagonal (Open Database Crystallography card COD No
1008841) with lattice parameters a = b = 0589 nm and c = 2318 nm The O
(monoferrite) phase is orthorhombic (COD card No 4107896) with lattice
parameters a = 1899 nm b = 0538 nm c = 0844 nm The F (hematite) phase is
hexagonal (COD card No 9015964) with lattice parameters a = b = 0503 nm and
c = 1374 nm It is noteworthy that at the calcination temperature of 1000 degC the
major phase is H phase in both routes
As shown in Figure 2 the content of the H phase increases as the content of the F
phase decreases with temperature in both routes In route A the O phase is
present in all samples in route B the O occurs phase only in the sample treated at
700 degC However there is no clear evidence of preferential growth direction of any
phase in the XRD spectra
32 SEM images EDS spectra and spheres and pores size
SEM images indicate that all the samples obtained in routes A and B calcined at
different temperatures are spherical and substantially the same size Figure 3
shows the SEM image of the spheres obtained in route A and the insert which
shows a magnification of these spheres indicates that the spheres are
polycrystalline composed of mesopores and elongated nanometric crystals Figure
4 shows the SEM image of the spheres obtained through route B and the insert
shows that these spheres are also polycrystalline composed of meso- and macro-
pores and micrometric elongated crystals
Figure 5 shows the size distribution of the spheres observed in the samples of
routes A (Figure 5A) and B (Figure 5B) thermally treated at 700degC respectively
Although the average size is slightly different for the samples calcined at different
temperatures all these values are within the range indicated by the standard
deviation at about 15 microns Therefore all the spherical aggregates are
practically the same size The aggregate size is the result of the droplet size
produced in the nozzle of the spray dryer although the size can also be influenced
by the rheology of the gel slurry fed to the spray dryer
Figure 6 shows the size distribution of the pores in the spherical aggregates of
routes A and B For the mesoporous range as mentioned above this size
distribution was measured by the BJH technique In Figure 6A for the samples of
route A the average diameter of the pores in these samples are on the order of 57
plusmn 2 nm Figure 6B shows the case of the mesopores observed in the spheres
obtained by route B they are on the order of 12 plusmn 55 nm The macropores in the
spheres of route B have an average size of about 220 plusmn 53 nm (Figure 6C) This
last result is logical because the suspension fed in route B consists of spheres of
monomodal polystyrene whose average size is of about 250 nm in addition to the
gel
The micrometric-size spheres obtained by route A and route B are both composed
of elongated crystals or fibers but these crystals are of nanometric size for route
A while they are of 35 plusmn 7 nm wide and 300 plusmn 80 nm long for route B The
existence of an interconnected hierarchical pore structure in these spheres is
evident
EDS spectra from the spheres showed the characteristic peaks of barium (Ba) iron
(Fe) and oxygen (O) (Figure 7) [19] In these spectra the Cu peak comes from the
sample holder Therefore the composition of spheres obtained by both routes
contains the same elements as already shown by XRD This results also confirm
that no contamination was present in either route
33 TEM images
Figure 8 shows some of the HRTEM images of the elongated crystals which
conform the spheres obtained in routes A and B Note the nanometric size of the
elongated crystals of BaFe12O19 In some cases the coexistence of crystals of
BaFe12O19 with crystals of BaFe2O4 and Fe2O3 were observed These images
agree quite well with the results obtained by XRD and show the coexistence of a
mixture of phases in the synthesized spheres in both routes
34 Hysteresis loops and magnetic properties
One way to measure the magnetic properties is through the hysteresis loops
which affords the evaluation of macroscopic properties such as saturation
magnetization Ms remanence magnetization Mr and coercive field These
properties define the soft or hard magnetic character of the synthesized materials
Figure 9 shows the hysteresis loops at different calcination temperatures for the
samples obtained by the route A (Figure 9A) and the route B (Figure 9B) The
highest magnetization values are observed in the case of route B Table 1 shows
the magnetic properties of all the samples In general Ms Mr and Hc show an
increment as a function of the calcination temperature and coercivity (Hc)
increases with temperature in all the samples The lowest value of Mr is obtained in
the sample treated at 800 degC for route A In route B the lowest Mr value is obtained
for the sample treated at 700 degC There is also a clear change in the magnetic
behavior associated with the temperatures of the calcination treatment This
change must be related to the percentage of content of the different phases
presented in the samples and it must also be related to the size of the crystals
constituting the spherical aggregates
From Figure 9A and based on the values of coercivity shown in Table 1 the
samples obtained in the route A at temperatures of 700 800 and 900 degC behave as
semi-hard magnetic materials whereas the one obtained at 1000 degC behaves as a
hard magnetic material The shape of the hysteresis loop in the sample at 900 degC
is characteristic of a sample in which two phases coexist On the other hand
Figure 9B indicates that only the material obtained at 700 degC through route B
behaves as a semi-hard magnetic material the others show hard magnetic
material behavior The semi-hard ferromagnetic behavior in these materials makes
them good candidates for biomedical applications [20]
4 Discussion
The results clearly indicate that we succeed in developing a route for the synthesis
of porous spheres of barium hexaferrite with different pore sizes The porous
structures are of great interest in research because of their prominent applications
in different fields of science [21] For example they can be used to charge an
adequate amount of different types of molecules (ie drugs proteins andor
peptides) within the interior of the pore (and also on the surface of the structure)
thus acting as a drug carrier system [22] Mesopores are useful in applications
where interaction with fluids is part of the integration process in which molecules
will be exchanged in the system as in the case of drug delivery Macropores allow
the adsorption of large molecules such as proteins or peptides or even cells that
are currently of great interest in the development of new medical treatments based
on the lsquoin sitursquo drug delivery such as magnetofection [23] gene therapy [24] and
cell labeling [25]
In obtaining macropores the surface charge of the PS spheres and steric factors
play an important role in the self-assembly of BaFe12O19 precursor ions into the PS
particles [26] Pores in the spherical aggregates are consequently produced when
the system is subjected to thermal treatment (700 800 900 and 1000 degC) resulting
in the pyrolysis of the surfactant and the PS Thus the BaFe12O19 precursor ions
are adsorbed into the PS surface being embedded within the micrometer size
spherical aggregate during the spray drying This reaction can be considered a
typical polymerization reaction which means that polymerization takes place
between BaFe12O19 and PS particles contained in an aqueous phase [27] As a
result the PSBaFe12O19 hybrid particles are obtained
In regard to magnetic behavior the hysteresis loops indicate that materials
produced at temperatures of 700 800 and 900 degC in route A fall within the range of
semi-hard magnetic materials whereas at 1000 degC the material becomes a hard
magnetic material In the case of route B the material behaves like a semi-hard
magnetic material only at 700 degC The obtained materials behave like hard
magnetic materials from 800 degC to 1000 degC Analysis of the structural composition
of the spheres indicated that monoferrite (O) and hematite (F) phases are present
However the H phase is the major phase at the calcination temperature of 1000
degC
As shown in Table 1 a significant change occurred as function of calcination
temperature in the magnetic properties of the samples This change has also to be
related to the presence of the different phases Best combinations of magnetic
properties were Ms = 4467 emug and Hc = 479012 Oe for route A and Ms =
4511 emug and Hc = 479146 Oe for route B respectively
The coexistence of the H O and F phases has been reported as a general fact in
obtaining barium hexaferrite [28] The O phase presents an anomalous resonance
near 400 degC that could indicate a phase with magnetic behavior [29] The F phase
has anti-ferromagnetic ordering [30] and thus a characteristic low Ms (1105
emug) [31-33] Therefore for route B it is possible to attribute the observed Ms
variations to the variable content of this phase so that the sample with greater
amount of Fe2O3 (at 700 degC) presents a very low value of Ms Decreasing presence
of Fe2O3 (by progressively increasing the temperature) increases the proportion of
the hexaferrite phase and consequently the Ms values are significantly recovered
In route A the larger value of Ms is coupled with a larger value of Hc which must
be attributed to the presence of a large amount of hexaferrite phase By contrast in
the route B the largest value of Ms of the sample sintered at 1000 degC does not
imply a larger value of Hc (which is recorded for the sample sintered at 900 degC)
which is most like due to significance differences in particle size between the two
phases Samples with Hc gt 4000 Oe can be considered as materials with hard
magnetic behavior
Therefore it seems in this study a larger amount of the Fe2O3 phase obtained at
lower temperatures contributes to a decrement in the magnetic properties resulting
in semi-hard magnetic behavior while an increment in hard magnetic behavior can
mainly be attributed to a decrement in the amount of the Fe2O3 phase as the
BaFe12O19 phase increases
5 Conclusions
Porous spherical aggregates of barium hexaferrite (BaFe12O19) of approximately
15 microm in diameter and 200 nm pores were obtained by the sol-gel chemical
synthesis method using polystyrene (PS) as the pore-forming agent The
morphology of the spheres resembles a nest or ball-of-yarn type structure in which
the crystals belong to the barium hexaferrite phase as the major phase in
coexistence with the monoferrite (BaFe2O4) and hematite (Fe2O3) phases
However the barium hexaferrite phase is the major phase at the calcination
temperature of 1000 degC The magnetic properties of the spheres indicate that the
samples calcined at 700 degC present semi-hard magnetic behavior suggesting they
would be good candidates for use in biomedical applications
Acknowledgements
We thank to V S Loacutepez Alvarez and A Rodriguez Torres for the technical support STC acknowledges the Consejo Nacional de Ciencia y Tecnologiacutea (CONACYT) by scholarship and CIC-UMSNH for the financial support to this research
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Captions for figures
Figure 1 Flowchart of routes A and B followed for the synthesis of the barium hexaferrite spheres The main difference between the routes is that in route B the polystyrene spheres (PS) were added for generating macropores
Figure 2 XRD spectra of the samples obtained by the route A (A) and the route B (B) at the indicated calcination temperature H = BaFe12O19 O = BaFe2O4 F = Fe2O3 Note that at 1000 degC the phase H is the major both cases
Figure 3 SEM image of the spheres obtained in the synthesis route A The spheres are polycrystalline consisting of elongated crystals and nano-sized mesopores The insert shows a magnified view
Figure 4 SEM image of the spheres obtained in the synthesis route B The spheres are polycrystalline with elongated crystals of micrometer size and with meso- and macro-mesoporous structure The insert shows a magnified view
Figure 5 A) Size distribution of the spheres in samples of route A B) Size distribution of the spheres in samples of route B
Figure 6 Size distribution of the mesopores of the spheres measured by the BJH technique A) Route A 57 plusmn 2 nm B) Route B 12 plusmn 55 nm C) Size distribution of the macropores in the spheres of route B on average they are on the order of 220 plusmn 53 nm
Figure 7 EDS spectra of the spheres obtained in the route A (A) and in the route B (B) The spectra are similar for both routes and correspond to the elements Ba Fe and O
Figure 8 HRTEM images of the crystals of BaFe12O19 that make up the spheres obtained in the routes A (A-B) and B (C-D)
Figure 9 Hysteresis loops registered in the samples obtained by route A (A) and route B (B) at different calcination temperatures Note the difference in the magnetic behavior between the two routes in relation to the calcination temperature reaching higher magnetization values in the case of route B
Captions for table
Table 1
Magnetic properties of the samples calcined at different temperatures according to route A (A) and route B (B) The values were obtained from the hysteresis loops shown in Figure 9
Table 1
Magnetic Properties
Route Calcination temperature (degC)
Ms
(emug)
Mr
(emug)
Hc
(Oe)
A
700 2461 593 24220
800 1728 273 23451
900 2371 910 66740
1000 4467 2412 479012
B
700 1424 379 19465
800 1249 592 463160
900 2826 1527 479146
1000 4511 2410 427750
MORPHOLOGICAL AND MAGNETIC PROPERTIES OF SOL-GEL
SYNTHETIZED MESO AND MACROPOROUS SPHERES OF BARIUM
HEXAFERRITE (BaFe12O19)
S Torres-Cadenasa Joseacute Reyes-Gasgab A Bravo-Patintildeoc I Betancourtd M
E Contreras-Garciacuteaa
HIGHLIGHTS
bull 15 microm porous spheres of BaFe12O19 were synthetized by the sol-gel
method
bull Surfactant Tween20 (C58H114O26) enabled the creation of the mesoporous
structure
bull Polystyrene spheres (PS) were used as the template for the formation of
macropores
bull Spheres resembled a nest or ball-of-yarn type of elongated BaFe12O19
crystals
bull Magnetic properties are evaluated as function of the calcination
temperature
265-RXUQDORI(QJLQHHULQJ265-(1 ZZZLRVUMHQRUJ661H661S9ROVVXH 1RY__9__33
QWHUQDWLRQDORUJDQL]DWLRQRI6FLHQWLILF5HVHDUFK _3 D J H
D2ā)H2 DV6XVLQJWHWUDFFOLQHDVPRGHOGUXJ67RUUHV$UDYR0(ampRQWUHUDV
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Publisher Szilikaacutetipari Tudomaacutenyos Egyesuumllet 1034 Budapest Beacutecsi uacutet 122-124 Telephonefax 06-1201-9360 E-mail infoszteorghu WEB wwwszteorghu Editor-in-Chief Dr Borosnyoacutei Adorjaacuten E-mail epitoanyagszteorghu WEB wwwepitoanyagorghu
A c c e p t a n c e o f M a n u s c r i p t
Dear authors
We are happy to inform you that the Editorial Board of eacutepiacutetőanyag ndash Journal of Silicate Based and
Composite Materials has made a decision on the following manuscript
S Torres-Cadenas A Bravo-Patintildeo J Zarate-Medina ME Contreras-Garciacutea
Nest-like BaObull6Fe2O3 microspheres with hierarchical porous structure for drug delivery
Suggestion accepted for publication
Your manuscript is now with the Editorial Office We call your attention that publication of the
paper will be possible after the approval of the final proof of the manuscript
Thank you for submitting your scientific results to eacutepiacutetőanyag ndash Journal of Silicate Based and
Composite Materials We wish further success for your research activities
Budapest 5 January 2017
Dr Borosnyoacutei Adorjaacuten
Editor-in-Chief
- TD STC (2)
- ANEXO 1
- ANEXO 2
- ANEXO 3
-
- Dear authors
-
- Budapest 5 January 2017
-
3
CONTENIDO
RESUMENhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 10
ABSTRACThelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip11
Capiacutetulo 1 INTRODUCCIOacuteN 13
11 OBJETIVOS 15
111 Objetivo General 15
112 Objetivos Especiacuteficos 15
12 HIPOacuteTESIS 17
13 JUSTIFICACIOacuteN 18
Capiacutetulo 2 REVISIOacuteN DEL ESTADO DEL ARTE 22
21 BIOMATERIALES 22
211 Aplicaciones 23
22 SISTEMAS DE LIBERACIOacuteN DE FAacuteRMACO 26
221 Liposomas 26
222 Nanopartiacuteculas polimeacutericas 27
223 Micelas 27
224 Dendriacutemeros 28
225 Nanopartiacuteculas Magneacuteticas 28
23 CLASIFICACIOacuteN DE LOS MATERIALES MAGNEacuteTICOS 29
231 Diamagnetismo 29
232 Paramagnetismo 29
233 Ferromagnetismo 30
234 Antiferromagnetismo 30
235 Ferrimagnetismo 31
236 Superparamagnetismo 31
24 FERRITAS HEXAGONALES 32
25 METODOS DE SIacuteNTESIS 33
4
251 Siacutentesis sol-gel 33
252 Secado por aspersioacuten 36
26 ESTUDIOS REALIZADOS SOBRE LA SIacuteNTESIS Y APLICACIOacuteN DE
MATERIALES NANOESTRUCTURADOS A BASE DE OXIDO DE HIERRO COMO
SISTEMAS DDS 39
Capiacutetulo 3 DESARROLLO EXPERIMENTAL 44
31 MATERIALES INICIALES 44
32 DISENtildeO EXPERIMENTAL FRACCIONARIO 2f 49
33 SIacuteNTESIS DE AGREGADOS DE BaFe12O19 49
34 CARACTERIZACIOacuteN 50
341 Difraccioacuten de rayos X 50
342 Microscopiacutea electroacutenica de barrido 50
343 Microscopiacutea electroacutenica de transmisioacuten 51
344 Isotermas de adsorcioacutendesorcioacuten de nitroacutegeno 51
345 Espectroscopiacutea infrarroja 52
346 Propiedades magneacuteticas 52
347 Potencial zeta ζ 52
35 PRUEBAS BIOLOacuteGICAS 52
351 Extraccioacuten de ADN plasmiacutedico 52
352 Siacutentesis del peacuteptido DS 53
353 Cargaliberacioacuten del peacuteptido 56
354 Liberacioacuten del peacuteptido DS de los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 57
Capiacutetulo 4 RESULTADOS Y DISCUSION 59
41 DISENtildeO FACTORIAL 2f 59
42 CARACTERIZACIOacuteN 63
421 Difraccioacuten de rayos X 63
422 Microscopiacutea electroacutenica de barrido 64
423 Microscopiacutea electroacutenica de transmisioacuten 67
5
424 Isotermas de adsorcioacutendesorcioacuten de nitroacutegeno 74
425 Espectroscopiacutea infrarroja 75
426 Propiedades magneacuteticas 76
43 PROPIEDADES BIOLOacuteGICAS 79
431 Extraccioacuten de ADN plasmiacutedico 79
432 Siacutentesis induccioacuten y expresioacuten del peacuteptido DS 80
433 Caracterizacioacuten del peacuteptido DS 82
44 PRUEBAS DE CARGALIBERACIOacuteN 84
Capiacutetulo 5 CONCLUSIONES 92
TRABAJO A FUTURO Y RECOMENDACIONEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip93
REFERENCIAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip94
ANEXOS helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip101
IacuteNDICE DE FIGURAS
Figura 11 Nuacutemero de artiacuteculos publicados anualmente en la revista Journal of Controlled
Released desde 1984 18
Figura 12 Meacutetodos de siacutentesis de los sistemas nanoestructurados dirigidos a aplicaciones
biomeacutedicas Las tres rutas principales incluyen meacutetodos quiacutemicos fiacutesicos y bioloacutegicos Fuente
Instituto de Informacioacuten Cientiacutefica Modificado de M Mahmoudi [16] 20
Figura 21 Categoriacuteas esenciales de los materiales usados como DDS i) Materiales orgaacutenicos
dendriacutemeros micelas liposomas i) Materiales inorgaacutenicos nanopartiacuteculas de oro sistemas
nanoestructurados a base de oacutexido de hierro quantum dots (Modificado de Grumezescu [40] y
Riggio [45]) 26
Figura 22 (a) Clasificacioacuten de los materiales seguacuten su comportamiento magneacutetico
paramagneacuteticos ferromagneacuteticos antiferromagneacuteticos y ferrimagneacuteticos (b) Los materiales
superparamagneacuteticos son observados en los nanomateriales ferro- y ferrimagneacuteticos que se
componen de un soacutelo dominio magneacutetico 29
6
Figura 23 (a) seccioacuten transversal de la estructura de la ferrita tipo M (BaFe12O19) Tomado de
Robert C Pullar [60] 33
Figura 24 Rutas de siacutentesis derivadas del meacutetodo sol-gel Tomado de
httpsstrllnlgovstrMay05Satcherhtml 35
Figura 25 Configuracioacuten del equipo de secado por aspersioacuten (a) secador por aspersioacuten
concurrente misma direccioacuten de flujo y (b) secador por aspersioacuten a contracorriente (c)
Evolucioacuten de la temperatura en el proceso de secado en una gotita liacutequida [Handscomb y cols]
En la separacioacuten y recoleccioacuten del polvo se pueden emplear (d) separadores tipo cicloacuten yo (e)
filtros de bolsa 36
Figura 31 Disentildeo experimental fraccionario 2f Las variables de entrada son la presioacuten (P)
Temperatura (T) y porcentaje de agente poroacutegeno (PS) Las variables de respuesta son la
morfologiacutea y tamantildeo de agregado aacuterea superficial BET volumen de mesoporo y tamantildeo de
macroporo 46
Figura 32 Diagrama de flujo que muestra las etapas principales en el desarrollo experimental en
la siacutentesis de agregados nanoestructurados de BaFe12O19 i) Disentildeo y Siacutentesis ii) Caracterizacioacuten
y iii) pruebas bioloacutegicas 48
Figura 33 Extraccioacuten de ADN plasmiacutedico (a) Pasos generales en la extraccioacuten de ADNp y (b)
procedimiento del Kit Pure YieldTM Plasmid Miniprep System 53
Figura 34 Diagrama de siacutentesis del peacuteptido DS a partir del plaacutesmido pFN21K El Diagrama
incluye los pasos desde la expresioacuten del peacuteptido hasta su deteccioacuten y revelado con luminol en un
anaacutelisis tipo Western 54
Figura 41 Espectro DRX del polvo de las esferas de BaFe12O19 obtenidas despueacutes del proceso
de secado por aspersioacuten y calcinado a diferentes temperaturas Este presenta las fases H =
BaFe12O19 (tarjeta Crystallography Open Database COD 1008841) F = Fe2O3 (tarjeta COD
9015964) 63
Figura 42 Imaacutegen SEM de (a) agregados esfeacutericos de BaFe12O19 antes de ser tratados
teacutermicamente y (b) una amplificacioacuten a 20000 X que muestra un agregado de BaFe12O19 en el
cual pueden ser observadas las esferas de poliestireno (PS) antes de ser eliminadas 64
7
Figura 43 Imaacutegenes de SEM de los agregados de BaFe12O19 y sus correspondientes histogramas
de distribucioacuten de tamantildeo (a) Muestra con 50 de PS bajo condiciones de secado por aspersioacuten
de 200 degC y 20 Kgcm2 y su correspondiente distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula (b) (c) Muestra
con 30 de PS bajo condiciones de secado por aspersioacuten de 180 degC y 15 Kgcm2 y su
correspondiente distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula (d) Las muestras fueron calcinadas a 700
degC 66
Figura 44 (a) Espectro EDS de los agregados de BaFe12O19 el cual indica la presencia de los
elementos Ba Fe y O El C es producido por la cinta doble cara de carbono usada como adhesivo
en soporte (b) Mapeos quiacutemicos de EDS de los agregados de BaFe12O19 Imagen SEM en el
modo de electrones secundarios Las imaacutegenes de Ba (verde) Fe (rojo) y O (azul) indican su
distribucioacuten homogeacutenea y que estos elementos son los uacutenicos presentes en las muestras 67
Figura 45 Imaacutegenes de STEM-ADF de los agregados de BaFe12O19 Las esferas estaacuten
conformadas principalmente por cristales alargados 68
Figura 46 Imaacutegenes de una misma esfera de BaFe12O19 en el modo (a) STEM-ADF y (b) TEM
las cuales permiten comparar el contraste de los cristales que la conforman 68
Figura 47 Imaacutegenes de TEM en campo claro (a y c) y en campo oscuro (b y d) del material que
conforman las esferas despueacutes de haber sido desbaratadas por el tratamiento ultrasoacutenico El
inserto en (b) presenta el patroacuten SAEDP proveniente del material presentado en (a) El inserto en
(d) presenta el patroacuten SAEDP del cristal alargado presentado en (c) 69
Figura 48 Imaacutegenes HRTEM de los cristales que conforman los agregados porosos de
BaFe12O19 (a) y (b) corresponden a cristales individuales de la fase BaFe12O19 (c) Coexistencia
entre las fases BaFe12O19 y BaFe2O4 (d) Coexistencia entre las fases BaFe12O19 y Fe2O3 70
Figura 49 (a) Imagen de HRTEM de uno de los cristales alargados que conforman las esferas de
BaFe12O19 El inserto presenta la correspondiente FFT la cual indica que el eje de zona
corresponde al eje en la direccioacuten [2-110] (b) Imagen digitalmente procesada correspondiente al
aacuterea del recuadro indicado en (a) El filtro usado para el procesamiento es indicado en el inserto
(c) Imagen de HRTEM de otro de los cristales alargados con defectos (d) Imagen digitalmente
procesada del aacuterea indicada en el recuadro en (c) 71
8
Figura 410 Celda unitaria de BaFe12O19 obtenidas usando los valores indicados en [27] y
observada en la direccioacuten [10-10] (a) y en la direccioacuten [21-10] (b) Tambieacuten se presentan las
unidades S y R El plano que contiene a Ba es un plano espejo Ba en verde Fe en amarillo y O
en rojo 72
Figura 411 Simulacioacuten computacional de imaacutegenes de HRTEM en las direcciones [0001] (a)
[10-10] (b) y [2-1-10] (c) Se presenta la proyeccioacuten de la celda BaFe12O19 en las direcciones
indicadas la simulacioacuten de su imagen en el desenfoque de Scherzer y su correspondiente patroacuten
de difraccioacuten del aacuterea selecta simulado Las condiciones de simulacioacuten fueron V = 200 KV
desenfoque de Scherzer en -5485 nm y 4x4x4 celdas Ba en verde Fe en amarillo y O en rojo73
Figura 412 Imagen de HRTEM en la direccioacuten [1-100] de uno de los cristales alargados que
conforman los agregados de BaFe12O19 y la imagen computacionalmente simulada en la misma
direccioacuten En este caso la imagen de HRTEM no presenta defectos Tambieacuten se incluyen las
posiciones de los aacutetomos en la celda unitaria Ba en verde Fe en amarillo y O en rojo 74
Figura 413 Isotermas de adsorcioacutendesorcioacuten BET para (a) muestra con 50 de esferas de PS
bajo condiciones de secado por aspersioacuten de 200 degC y 20 Kgcm2 y (b) muestra con 30 de
esferas de PS bajo condiciones de secado por aspersioacuten de 180 degC y 15 Kgcm2 Las muestras
fueron calcinas a 700 degC 75
Figura 414 Espectro Infrarrojo (IR) que muestra los enlacesgrupos funcionales a nuacutemeros de
onda (cm-1
) especiacuteficos correspondientes al peacuteptido DS-HaloTag libre y los sistemas
nanoestructurados de BaFe12O19 libres y cargados con el peacuteptido 76
Figura 415 Curvas de histeacuteresis de los agregados de BaFe12O19 calcinados a diferentes
temperaturas Los valores de las muestras fueron tomadas a temperatura ambiente y 5000 Oe 77
Figura 416 Extraccioacuten de ADN plasmiacutedico La columna 1 es referida al marcador Kb Plus
DNA Ladder de peso molecular conocido (pares de bases pb) El marcador se compone de 20
bandas de ADN de alta pureza de doble cadena que abarca 100 pb hasta 12000 pb La columna 2
representa el ADNp de la cepa NEB (New England Biolab) T7 DS Ademaacutes puede ser observado
en la columna 2 la presencia de tres bandas a) es referida al ADNp relajado b) describe el ADNp
enrollado y c) explica el ADNp suacuteper-enrrollado 79
Figura 417 Separacioacuten de proteiacutenas por electroforesis en gel SDS-PAGE 80
9
Figura 418 Imaacutegenes del microscopio oacuteptico en las cuales se puede observar la expresioacuten de un
gen reportero indicando las ceacutelulas CHO han sido transfectadas 81
Figura 419 Anaacutelisis tipo Western blot La proteiacutena de intereacutes DS-HaloTag aparece a una altura
de 61 ~KDa 82
Figura 420 Histograma de distribucioacuten de aminoaacutecidos 83
Figura 421 Interaccioacuten BaFe12O19-DS-HaloTag La disminucioacuten en los valores de DO a medida
que el tiempo transcurre indica la absorcioacuten del peacuteptido por los agregados de BaFe12O19 85
Figura 422 Anaacutelisis visual SDS-PAGE de la interaccioacuten BaFe12O19-DS-HaloTag que muestra
coacutemo disminuye la cantidad de proteiacutena libre en el medio 86
Figura 423 Carga superficial (mV) en funcioacuten del pH para el peacuteptido DS-HaloTag y los
sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 87
Figura 424 Modelo propuesto para las posibles interacciones BaFe12O19-DS-HaloTag 88
Figura 425 Perfiles de liberacioacuten del peacuteptido DS 89
IacuteNDICE DE TABLAS
Tabla 3I Factores a evaluar en el disentildeo experimental A) Presioacuten (P) B) Temperatura (T) y C)
Concentracioacuten de poliestireno usado como agente poroacutegeno (PS) Cada uno de los paraacutemetros
presenta un nivel bajo (-) y un nivel alto (+) 46
Tabla 3II Matriz del disentildeo experimental 47
Tabla 4I Variables de respuesta (oslashagregado SBET Vmesoporo oslashmacroporo) del disentildeo experimental
fraccionario 2f como resultado del efecto de los factores P T y PS 61
Tabla 4II Anaacutelisis de variancia ANOVA 62
Tabla 4III Propiedades magneacuteticas de los agregados porosos de hexaferrita de bario 78
Tabla 4IV Informacioacuten de secuencia 82
Tabla 4V Tabla de distribucioacuten de aminoaacutecidos 83
10
RESUMEN
Hoy en diacutea existe una gran variedad de formulaciones para la siacutentesis de materiales
nanoestructurados a base de oacutexido de hierro para aplicaciones biomeacutedicas El objetivo del
presente trabajo fue disentildear y sintetizar agregados nanoestructurados de hexaferrita de bario
(BaFe12O19) de tamantildeo micromeacutetrico con jerarquiacutea meso-macroporosa usando el meacutetodo sol-gel
y secado por aspersioacuten Usando un disentildeo experimental factorial 2f se evaluaron la concentracioacuten
( peso) de agente poroacutegeno y los paraacutemetros de temperatura (T) y presioacuten (P) en el proceso de
secado por aspersioacuten para determinar el efecto de estas variables sobre el tamantildeo de agregado de
BaFe12O19 y el tamantildeo de macroporo A parir de teacutecnicas de caracterizacioacuten tales como XRD
SEM y TEM se determinoacute la estructura morfologiacutea y composicioacuten de los polvos de BaFe12O19
Se obtuvieron agregados esfeacutericos de 17 μm de diaacutemetro con una estructura meso-macroporosa
determinada a partir de SEM y BET El tamantildeo de macroporo fue de aproximadamente 223 nm y
el tamantildeo de mesoporo varioacute entre 34 nm y 12 nm Asiacute mismo mediante VSM se obtuvieron
curvas de histeacuteresis a partir de las cuales se determinoacute las propiedades magneacuteticas de los
agregados de BaFe12O19 A una temperatura de calcinacioacuten de 700 degC se obtuvo un material con
comportamiento semiduro cuyos valores de magnetizacioacuten de saturacioacuten y campo coercitivo
fueron Ms = 1424 emug y Hc = 19465 Oe respectivamente Finalmente los agregados de
BaFe12O19 fueron probados como portadores de moleacuteculas con actividad bioloacutegica para ello se
usoacute el peacuteptido DS como faacutermaco modelo sintetizado a partir de los plaacutesmidos pF1A T7 Flexireg y
pFN21K a partir de la cepa T7 de Escherichia coli Se determinoacute la capacidad de carga y perfil de
liberacioacuten del peacuteptido DS mediante las teacutecnicas de SDS-PAGE FTIR anaacutelisis tipo Wester blot y
UV-vis El porcentaje de absorcioacuten del peacuteptido DS por los agregados nanoestructurados de
BaFe12O19 fue de 875 Por lo tanto los agregados esfeacutericos nanoestructurados con jerarquiacutea
meso-macroporosa obtenidos en el presente trabajo de investigacioacuten pueden ser considerados
como candidatos para ser aplicados en el aacuterea biomeacutedica como sistemas de liberacioacuten de faacutermaco
Palabras clave BaFe12O19 sistemas nanoestructurados macro-mesoporosidad meacutetodo sol-gel
secado por aspersioacuten disentildeo experimental
11
ABSTRACT
Nowadays there is a great variety of formulations for the synthesis of nanostructured materials
based on iron oxide with biomedical applications The aim of the present work was to design and
synthesize nanostructured macro-mesoporous hierarchical spherical aggregates of barium
hexagonal ferrite BaFe12O19 using the sol-gel method through molecular self-assembly and spray-
drying Therefore using a 2f
factorial experimental design the concentration (wt) of template
and the parameters of temperature (T) and pressure (P) in the spray drying process were
evaluated to determine the effect of these variables on the aggregate size of BaFe12O19 and the
size of macropore Characterization techniques such as XRD SEM and TEM determined the
structure morphology and composition of the BaFe12O19 powders obtained after the spray-drying
process Spherical aggregates of 17 μm were obtained with a meso-macroporous structure
determined from SEM and BET The macropore size was about 223 nm and the mesopore size
varied between 34 nm and 12 nm Hysteresis loops were obtained from VSM technique and the
magnetic properties of BaFe12O19 aggregates were determined At a calcination temperature of
700 deg C a material with semi-hard behavior was obtained whose saturation magnetization and
coercive field values were Ms = 1424 emug and Hc = 19465 Oe respectively Finally the
BaFe12O19 aggregates were tested as carriers of biologically active molecules For this purpose
the peptide DS (Hairless suppressor binding domain [Su (H)] was used as the template drug
synthesized from the plasmids pF1A T7 Flexireg and pFN21K from the T7 strain of Escherichia
coli The loading capacity and release profile of the DS peptide was determined by the SDS-
PAGE FTIR Wester blot and UV-vis techniques Absorption performance of DS peptide by the
nanostructured aggregates of BaFe12O19 was 875Therefore the nanostructured macro-
mesoporous hierarchical spherical aggregates of barium hexagonal ferrite BaFe12O19 obtained in
the present research can be considered as candidates to be applied in the biomedical area as drug
delivery systems
12
CAPIacuteTULO 1
INTRODUCCIOacuteN
13
CAPIacuteTULO 1 INTRODUCCIOacuteN
La nanotecnologiacutea es un campo cientiacutefico multidisciplinario que aplica los principios de
ingenieriacutea y fabricacioacuten para el disentildeo siacutentesis caracterizacioacuten y aplicacioacuten de materiales a
escala nanomeacutetrica En las uacuteltimas deacutecadas la nanotecnologiacutea se ha desarrollado en diversas
aacutereas de investigacioacuten abarcando las matemaacuteticas quiacutemica fiacutesica biologiacutea electroacutenica
ingenieriacutea biomeacutedica y ciencia de materiales entre otras
Dentro del sector biomeacutedico una gran variedad de materiales orgaacutenicos e inorgaacutenicos tales como
micelas poliacutemeros liposomas lipoproteiacutenas dendriacutemeros y nanopartiacuteculas magneacuteticas han sido
investigados ampliamente para diferentes aplicaciones incluyendo terapia celular reparacioacuten de
tejidos imagen de resonancia magneacutetica hipertermia marcadores bioloacutegicos y como sistemas de
liberacioacuten de faacutermacos (DDS) Sin duda las partiacuteculas magneacuteticas son los materiales maacutes
prominentes usados como DDS debido a sus propiedades fiacutesicas quiacutemicas teacutermicas mecaacutenicas y
magneacuteticas que las hacen herramientas ideales para ser usadas en las aplicaciones antes
mencionadas Como plataformas para la liberacioacuten de faacutermacos estos sistemas pueden ofrecer
muchas ventajas por ejemplo (i) se estabilizan sin alterar la actividad farmacoloacutegica del
medicamento (ii) previenen la degradacioacuten metaboacutelica prematura en la circulacioacuten sisteacutemica o
interaccioacuten con el ambiente bioloacutegico de manera que alcance el objetivo pretendido en su estado
priacutestino (iii) liberan el medicamento en el sitio o tumor deseado y (iv) presentan una toxicidad
menor o similar que la del faacutermaco libre
Recientemente un gran nuacutemero de faacutermacos macromoleculares tales como peacuteptidos proteiacutenas y
aacutecidos nucleicos han sido descubiertos Sin embargo estos faacutermacos muestran pobre estabilidad
en la mayoriacutea de los ambientes bioloacutegicos y pobre penetracioacuten a traveacutes de la barrera
hematoencefaacutelica lo cual limita su administracioacuten a traveacutes de rutas parentales Ademaacutes cuando
estos faacutermacos son administrados parentalmente estaacuten expuestos a la degradacioacuten quiacutemico-
enzimaacutetica antes de alcanzar su sitio de destino debido a su estabilidad limitada y corta vida
media Por lo tanto una gran cantidad de trabajos se ha enfocado al desarrollo de sistemas DDS
para proporcionan una manera maacutes efectiva de liberar y proteger los peacuteptidos y proteiacutenas
14
Existen numerosos meacutetodos (i) fiacutesicos (ii) quiacutemicos (iii) bioloacutegicos e (hiacutebridos) para la siacutentesis
de nanopartiacuteculas El meacutetodo de preparacioacuten de los nanomateriales determinaraacute el tamantildeo y
distribucioacuten de las partiacuteculas su morfologiacutea quiacutemica superficial y consecuentemente sus
propiedades magneacuteticas
En esta investigacioacuten agregados esfeacutericos nanoestructurados de hexaferrita de bario (BaFe12O19)
de tamantildeo micromeacutetrico con jerarquiacutea macro-mesoporosa fueron sintetizados usando el meacutetodo
quiacutemico huacutemedo sol-gel mediante autoensamble molecular y secado por aspersioacuten aplicando un
disentildeo experimental factorial 2f En el procesamiento de los materiales dirigidos a una aplicacioacuten
especiacutefica una informacioacuten detallada sobre las caracteriacutesticas del material es requerida para
alcanzar el objetivo deseado Asiacute los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 se caracterizaron
mediante difraccioacuten de rayos x (XRD por sus siglas en ingleacutes) microscopiacutea electroacutenica de
barrido (SEM por sus siglas en ingleacutes) microscopiacutea electroacutenica de transmisioacuten (TEM por sus
siglas en ingleacutes) aacuterea superficial especiacutefica BET espectroscopiacutea infrarroja por transformada de
Fourier (FTIR por sus siglas en ingleacutes) y por magnetoacutemetro de muestra vibrante (VSM por sus
siglas en ingleacutes) para la determinacioacuten de las propiedades magneacuteticas
Finalmente los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 se evaluaron como portadores de
moleacuteculas bioloacutegicas El peacuteptido DS (Dominio de unioacuten a supresor de Hairless [Su(H)] se usoacute
como faacutermaco modelo para evaluar la capacidad de carga de los sistemas nanoestructurados de
BaFe12O19 como DDS Despueacutes de ser cargados los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 con
el peacuteptido se llevaron a cabo los estudios de liberacioacuten El peacuteptido DS se sintetizoacute a partir de los
plaacutesmidos pF1A T7 Flexireg pFN21K y pFN18K empleando la cepa T7 Express Iq Competent
XL-1 blue (T7) de Escherichia coli A su vez isopropil-β-D-1-tiogalactopiranoacutediso (IPTG) se
usoacute para inducir la produccioacuten del peacuteptido El IPTG es una moleacutecula de uso comuacuten en biologiacutea
molecular Se usa como un anaacutelogo no hidrolizable de la alolactosa un metabolito de la lactosa
que desencadena la transcripcioacuten del operoacuten lac y por lo tanto se usa para inducir la expresioacuten de
proteiacutenas cuando el gen estaacute bajo el control del operoacuten lac
15
11 OBJETIVOS
111 Objetivo General
Disentildear sintetizar y caracterizar sistemas nanoparticulados de hexaferrita de bario (BaFe12O19)
conformados en agregados micromeacutetricos con jerarquiacutea macro-mesoporosa a partir de un disentildeo
experimental factorial fraccionario 2f usando el meacutetodo quiacutemico sol-gel con autoensamble
molecular asistido por surfactante Tween 20 y esferas de poliestireno usadas como agente
poroacutegeno y mediante secado por aspersioacuten para ser usados como portadores de moleacuteculas con
actividad bioloacutegica
112 Objetivos Especiacuteficos
- Evaluar la concentracioacuten ( peso) de agente poroacutegeno y los paraacutemetros de temperatura
(T) y presioacuten (P) en el proceso de secado por aspersioacuten para determinar el efecto de estas
variables sobre el tamantildeo de agregado de BaFe12O19 y el tamantildeo de macroporo
- Sintetizar sistemas de BaFe12O19 mediante el meacutetodo quiacutemico sol-gel asistido por Tween
20 y esferas de poliestireno para producir agregados esfeacutericos nanoestructurados de
tamantildeo micromeacutetrico con jerarquiacutea macro-mesoporosa
-
- Caracterizar estructural morfoloacutegica y fisicoquiacutemicamente los sistemas nanoparticulados
de BaFe12O19 mediante teacutecnicas de XRD SEM TEM BET FTIR y VSM para
proporcionar los detalles necesarios respecto a las propiedades fiacutesicas quiacutemicas y
magneacuteticas de los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19
16
- Sintetizar y caracterizar el peacuteptido DS a partir de los plaacutesmidos pF1A T7 Flexireg
pFN21K y pFN18K empleando la cepa T7 de Escherichia coli el cual seraacute utilizado
como faacutermaco modelo
- Determinar las propiedades magneacuteticas de los sistemas nanoparticulados de BaFe12O19
incluyendo su magnetizacioacuten magneacutetica (Ms) remanencia magneacutetica (Mr) y coercitividad
(Hc) para ser explotadas en la entrega y direccionamiento del peacuteptido DS
- Determinar la carga superficial de los sistemas nanoparticulados de BaFe12O19 para
permitir una mejora en el rendimiento de adsorcioacuten del peacuteptido DS
-
- Determinar la capacidad de carga de los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 y
evaluar el perfil de liberacioacuten del peacuteptido DS para evaluar los sistemas de BaFe12O19
como candidatos para sistemas de liberacioacuten de faacutermaco
17
12 HIPOacuteTESIS
La obtencioacuten de agregados esfeacutericos de nanopartiacuteculas superparamagneacuteticas con nanoestructura y
macroporosidad disentildeada obtenidas utilizando teacutecnicas de autoensamblaje molecular con agentes
poroacutegenos y mediante secado por aspersioacuten permitiraacute la obtencioacuten de un portador de moleacuteculas
con actividad bioloacutegica maacutes viable que tenga un mejor desempentildeo en cuanto a la adsorcioacuten de
ciertas moleacuteculas bioloacutegicas sin perder las propiedades superparamagneacuteticas caracteriacutesticas de las
nanopartiacuteculas
18
13 JUSTIFICACIOacuteN
A pesar de los avances significativos en el diagnoacutestico y tratamiento del caacutencer eacutesta es una de las
enfermedades maacutes devastadoras que amenazan con la salud humana y es la segunda causa maacutes
comuacuten de mortalidad Actualmente la cirugiacutea radioterapia quimioterapia e inmunoterapia son
los meacutetodos de tratamiento maacutes utilizados sin embargo ninguno de estos meacutetodos ofrece una
verdadera recuperacioacuten total En muchos casos la erradicacioacuten quiruacutergica o tratamiento por
radiacioacuten no son factibles
Por otra parte el mayor problema de la quimioterapia es la limitada eficacia de los agentes
quimioterapeacuteuticos y su falta de especificidad a las ceacutelulas tumorales asiacute como a las altas
concentraciones de faacutermaco utilizadas Para superar este problema altas concentraciones o
frecuencias de dosificacioacuten de los agentes quimioterapeacuteuticos son requeridas resultando asiacute en
efectos secundarios severos no deseados debido a la alta citotoxicidad del faacutermaco Por lo tanto
surge la necesidad de desarrollar meacutetodos eficaces de administracioacuten de faacutermacos capaces de
mantener los niveles del faacutermaco en una concentracioacuten estrecha necesaria para evitar toxicidad
Ademaacutes de dirigir el medicamento a las ceacutelulas cancerosas mientras se reducen los efectos
secundarios en la mayor medida posible Esta necesidad se ve reflejada en coacutemo ha ido
incrementando gradualmente el nuacutemero de publicaciones a lo largo de los antildeos ya que la
tecnologiacutea basada en sistemas de liberacioacuten de faacutermaco (DDS) ha progresado en las uacuteltimas
deacutecadas Por ejemplo la revista Journal of Controlled Released (JCR) ha recibido
sustancialmente maacutes artiacuteculos de lo que publica (Fig 11)
Figura 11 Nuacutemero de artiacuteculos publicados anualmente en la revista Journal of Controlled Released desde 1984
19
Una amplia variedad de biomateriales compuestos de diversas formulaciones han sido usados
como DDS No obstante en las uacuteltimas dos deacutecadas las nanopartiacuteculas magneacuteticas han atraiacutedo
mucha atencioacuten como DDS [12] ademaacutes de otras aplicaciones tales como imagen de resonancia
magneacutetica (MRI) [34] reparacioacuten de tejidos [56] hipertermia magneacutetica [78] e inmunoensayos
[9] debido a su biocompatibilidad faacutecil modificacioacuten superficial y sus propiedades fiacutesicas
quiacutemicas y magneacuteticas uacutenicas Una de las caracteriacutesticas maacutes importantes de las nanopartiacuteculas
magneacuteticas es su comportamiento superparamagneacutetico donde la energiacutea teacutermica es
suficientemente fuerte para cambiar la direccioacuten de la magnetizacioacuten [10] por ejemplo las
fluctuaciones teacutermicas desmagnetizan espontaacuteneamente un ensamble previamente saturado
Como resultado de esta propiedad las partiacuteculas magneacuteticas muestran un potencial para mejorar
las caracteriacutesticas de contraste en MRI DDS e hipertermia Ademaacutes el comportamiento
superparamagneacutetico permite la manipulacioacuten de las partiacuteculas en presencia de un campo
magneacutetico externo Asiacute un sistema DDS puede ser guiado magneacuteticamente hasta el sitio de
accioacuten en el cual el faacutermaco seraacute liberado reduciendo de esta manera la concentracioacuten del
faacutermaco y su frecuencia de dosificacioacuten para evitar efectos secundarios no deseados Ademaacutes
Una vez eliminando el campo magneacutetico las nanopartiacuteculas magneacuteticas no muestran una
interaccioacuten magneacutetica ya que no retienen magnetismo [11] Por lo tanto la ausencia de
coercitividad prevendraacute la agregacioacuten potencial de las partiacuteculas que pudieran faacutecilmente causar
la formacioacuten de embolismo en los vasos sanguiacuteneos [12]
Maacutes auacuten los sistemas micromeacutetricos nanoestructurados permiten la preservacioacuten de las
propiedades a escala nanomeacutetrica pero con partiacuteculas a escala micromeacutetriacuteca Esto es importante
debido a que las partiacuteculas de tamantildeo micromeacutetrico son maacutes faacuteciles de manejar que las partiacuteculas
nanomeacutetricas Ademaacutes una jerarquiacutea macro-mesoporosa presentan una arquitectura que exhiben
alta aacuterea superficial baja densidad y buena estabilidad fisicoquiacutemica [13] Asiacute mismo la
estructura jeraacuterquica juega un papel importante en muchas de las propiedades y aplicaciones
funcionales del material [14] por ejemplo los materiales macro-mesoporosos muestran un
incremento considerable en la capacidad de carga de un faacutermaco En los materiales macro-
mesoporosos los macroporos proporcionan una interconectividad que mejora la difusioacuten o flujo
20
de fluidos Mientras que los mesoporos aumentan considerablemente el aacuterea superficial
especiacutefica y por lo tanto tienen una mayor capacidad para que las moleacuteculas puedan ser
adsorbidas [15] Por otra parte la morfologiacutea de las partiacuteculas juega un papel importante en el
tiempo de circulacioacuten en el torrente sanguiacuteneo Ademaacutes una morfologiacutea esfeacuterica es de
importancia praacutectica ya que en general eacutesta presenta mejores propiedades reoloacutegicas comparado
con otras morfologiacuteas Una gran variedad de meacutetodos han sido estudiados para la siacutentesis de
sistemas nanoestructurados dirigidos a aplicaciones biomeacutedicas La Fig 12 muestra las tres rutas
de siacutentesis maacutes importantes Sin duda los meacutetodos de siacutentesis quiacutemica huacutemeda principalmente el
meacutetodo sol-gel es el meacutetodo fundamental maacutes empleado en la siacutentesis de materiales para
aplicaciones biomeacutedicas debido a sus muchas ventajas i) los precursores pueden mezclarse a
nivel molecular lo cual permite la formacioacuten de soluciones soacutelidas del material a temperaturas de
procesamiento relativamente bajas cuando se compara con los meacutetodos tradicionales ii) es un
meacutetodo faacutecil sencillo y versaacutetil iii) permite un control quiacutemico y estructural es decir la
nucleacioacuten y crecimiento de las partiacuteculas coloidales primarias puede ser controlada para dar
partiacuteculas con tamantildeo y forma deseada ademaacutes de la composicioacuten quiacutemica deseada iv) los
materiales sintetizados a partir de este meacutetodo son obtenidos con una alta pureza
Figura 12 Meacutetodos de siacutentesis de los sistemas nanoestructurados dirigidos a aplicaciones biomeacutedicas Las tres rutas
principales incluyen meacutetodos quiacutemicos fiacutesicos y bioloacutegicos Fuente Instituto de Informacioacuten Cientiacutefica Modificado
de M Mahmoudi [16]
21
CAPIacuteTULO 2
REVISIOacuteN DEL ESTADO DEL ARTE
22
CAPIacuteTULO 2 REVISIOacuteN DEL ESTADO DEL ARTE
En el presente capiacutetulo se aborda coacutemo la nanotecnologiacutea ha revolucionado los diferentes
aspectos de la investigacioacuten cientiacutefica y tecnologiacutea en diversos campos tales como la electroacutenica
semiconductores quiacutemica fiacutesica ciencia de los materiales bioingenieriacutea medicina etc [17-27]
En las uacuteltimas deacutecadas la nanotecnologiacutea ha contribuido a avances significativos en el desarrollo
de los biomateriales y el aacuterea de la medicina a traveacutes de la terapia y diagnoacutestico cliacutenico para el
tratamiento de diversos tipos de caacutencer mediante el disentildeo e ingenieriacutea de materiales
nanoestructurados capaces de interactuar con los sistemas bioloacutegicos a escala molecular Las
aplicaciones maacutes prominentes de estos nanodispositivos incluyen terapia geacutenica MRI [28-30]
hipertermia [31-33] sistemas de liberacioacuten de faacutermacos (DDS) [3535] Una gran variedad de
materiales orgaacutenicos e inorgaacutenicos han sido investigados como sistemas DDS Sin embargo los
materiales magneacuteticos nanoestructurados de oacutexido de hierro son considerados los materiales maacutes
prominentes debido a sus caracteriacutesticas uacutenicas tales como biocompatibilidad alta aacuterea
superficial y comportamiento superparamagneacutetico lo que los hace una herramienta ideal para las
aplicaciones antes mencionas [36]
21 BIOMATERIALES
Un biomaterial puede ser definido como cualquier material natural o sinteacutetico usado para la
fabricacioacuten de dispositivos que reemplacen una parte de un sistema vivo o bien que realice una
funcioacuten en contacto iacutentimo con el tejido vivo de una manera segura confiable y fisioloacutegicamente
aceptable [37] Por lo tanto un biomaterial tiene que presentar propiedades compatibles con el
tejido a interactuar para obtener el efecto deseado El Consejo Asesor para Biomateriales de la
Universidad de Clemson ha definido formalmente un biomaterial como una sustancia de
actividad sisteacutemica y farmacoloacutegicamente inerte para su implantacioacuten o incorporacioacuten dentro o
con el sistema vivo
23
Debido a que los biomateriales tienen como objetivo interactuar con los tejidos o fluidos
bioloacutegicos del cuerpo humano es fundamental que estos cumplan con ciertos requisitos para
evitar inducir cambios o provocar reacciones no deseadas en el cuerpo humano Un requisito
fundamental es la biocompatibilidad la cual se refiere a la capacidad del material para realizar
con eficiencia una respuesta apropiada en el hueacutesped en una aplicacioacuten deseada es decir el
material y el entorno de los tejidos deben coexistir sin tener ninguacuten efecto no deseado o
inapropiado entre ellos [36] Otras caracteriacutesticas importantes son su baja toxicidad estabilidad
quiacutemica densidad y peso adecuado ademaacutes es deseable que sean econoacutemicos
211 Aplicaciones
En las uacuteltimas deacutecadas la siacutentesis y aplicacioacuten de biomateriales ha llegado a ser una de las aacutereas
de investigacioacuten maacutes activa y prometedora posicionada en la interseccioacuten de la quiacutemica ciencia
de los materiales bioingenieriacutea y la medicina
Una de las aplicaciones de los biomateriales que ha atraiacutedo cada vez maacutes la atencioacuten de los
cientiacuteficos es su uso como sistemas de liberacioacuten de faacutermaco Una gran variedad de materiales
han sido estudiados para esta aplicacioacuten por ejemplo dendriacutemeros micelas emulsiones
liposomas y sistemas nanoestructurados Especialmente las nanopartiacuteculas magneacuteticas a base de
hierro han sido de gran intereacutes debido a las oportunidades en la terapia de caacutencer y el tratamiento
de otras enfermedades Su potencial deriva de las propiedades intriacutensecas de sus nuacutecleos
magneacuteticos combinados con la capacidad de carga del faacutermaco y las propiedades bioquiacutemicas que
pueden ser adquiridas mediante su recubrimiento adecuado Ademaacutes las nanopartiacuteculas pueden
actuar a nivel tisular o celular lo cual implica que pueden ser endocitadas o fagocitadas
resultando en su internalizacioacuten En eacuteste proceso las nanopartiacuteculas pueden llegar maacutes allaacute de la
membrana citoplasmaacutetica
24
Entre las aplicaciones maacutes usadas de las nanopartiacuteculas como biomateriales se encuentran la
imagen de resonancia magneacutetica hipertermia y sistemas de liberacioacuten de faacutermacos las cuales se
explican a continuacioacuten
a Imagen de resonancia magneacutetica
Los avances en el desarrollo de nuevas estrategias y tecnologiacuteas para tratamiento y evaluacioacuten
precliacutenica de caacutencer mediante el uso de faacutermacos antitumorales destacan la creciente necesidad
de una evaluacioacuten a tratamientos tumorales in vivo mediante el uso de biomarcadores de imagen
La imagen de resonancia magneacutetica (MRI) se ha establecido como la herramienta principal en el
monitoreo in vivo de cambios morfoloacutegicos funcionales y metaboacutelicos en tumores soacutelidos debido
a su excelente contraste en tejidos blandos excelente resolucioacuten espacial y naturaleza no-
invasiva MRI es una teacutecnica que usa el magnetismo y pulso por radiofrecuencia (RF) para
producir imaacutegenes de tejidos u oacuterganos compuestos de elementos sensibles a la resonancia
magneacutetica tales como hidroacutegeno (H) La MRI se basa en los principios de la resonancia
magneacutetica nuclear El cuerpo bioloacutegico se compone de numerosos protones contenidos en el
nuacutecleo del H los cuales giran en sus ejes con la llamada frecuencia de Larmor produciendo un
campo magneacutetico representado por el momento o vector magneacutetico Una gran cantidad de
protones en el cuerpo resultaraacute en un vector magneacutetico neto que se alinea con el campo
magneacutetico externo o paralelo al eje longitudinal del magneto Esta alineacioacuten de protones es
llamada magnetizacioacuten longitudinal Cuando la magnetizacioacuten longitudinal se inclina
transversalmente debido a un impulso de RF se induce una corriente eleacutectrica o sentildeal de
resonancia magneacutetica que puede ser recibida por una bobina de RF En esencia la MRI se lleva a
cabo aplicando de manera alterna pulsos de RF al tejido bioloacutegico La Aplicacioacuten de pulsos de
RF en cierto tiempo de repeticioacuten (TR) y las sentildeales recibidas en un tiempo predefinido o tiempo
de repeticioacuten (TE) produce el contraste en las imaacutegenes de MRI Tales sentildeales de resonancia
magneacutetica son entonces codificadas en fase y frecuencia a imaacutegenes de resonancia magneacutetica por
la teacutecnica de transformada de Fourier
25
b Hipertermia
La hipertermia implica el tratamiento de ceacutelulas canceriacutegenas a traveacutes de la generacioacuten de calor
[38] Este enfoque involucra el aumento de la temperatura del ambiente local del tumor
resultando en un cambio en la fisiologiacutea de las ceacutelulas enfermas llevaacutendolas finalmente a la
apoptosis Dependiendo del grado en el aumento de la temperatura el tratamiento por hipertermia
puede ser clasificado como i) ablacioacuten teacutermica [39] en el cual el tumor es sometido a altas
temperaturas de calor mayores a 46 degC pudiendo llegar a los 56 degC causando que las ceacutelulas
experimenten necrosis coagulacioacuten o carbonizacioacuten ii) Hipertermia moderada [39] con
temperaturas entre 41 degC y 46 degC tiene efectos tanto a nivel celular como tisular las ceacutelulas
experimentan estreacutes teacutermico resultando en la activacioacuten yo iniciacioacuten de muchos mecanismos de
degradacioacuten intra- y extracelular tal como la degradacioacuten o pliegue iii) Diatermia [39] implica
temperaturas menores a 41 degC para el tratamiento de enfermedades reumaacuteticas en la fisioterapia
c Sistemas de liberacioacuten de faacutermaco
Los sistemas de liberacioacuten de faacutermaco tienen como objetivo la entrega y liberacioacuten de faacutermacos
a sitios de accioacuten especiacuteficos manteniendo la concentracioacuten del faacutermaco a un nivel terapeacuteutico
adecuado durante un periacuteodo de tiempo determinado Es decir un sistema ideal para la liberacioacuten
de faacutermacos debe ser capaz de controlar la liberacioacuten y focalizacioacuten del faacutermaco para garantizar
una alta eficiencia del faacutermaco a la vez que se disminuyen los efectos secundarios causados por
los faacutermacos anticanceriacutegenos que no uacutenicamente actuacutean sobre las ceacutelulas cancerosas sino
ademaacutes sobre las ceacutelulas sanas Un sistema nanoestructurado para la liberacioacuten de faacutermacos
puede penetrar en el cuerpo ya que su tamantildeo le permite ser administrado viacutea intravenosa o a
traveacutes de otras rutas de administracioacuten Ademaacutes los sistemas de liberacioacuten de faacutermaco deben
permanecer estables tanto fiacutesica como quiacutemicamente antes de llegar a su destino
26
22 SISTEMAS DE LIBERACIOacuteN DE FAacuteRMACO
En la Fig 21 se presentan los diferentes tipos de sistemas nanoparticulados empleados en la
liberacioacuten de faacutermacos los cuales se describen brevemente
Figura 21 Categoriacuteas esenciales de los materiales usados como DDS i) Materiales orgaacutenicos dendriacutemeros
micelas liposomas i) Materiales inorgaacutenicos nanopartiacuteculas de oro sistemas nanoestructurados a base de oacutexido de
hierro quantum dots (Modificado de Grumezescu [40] y Riggio [45])
221 Liposomas
Los liposomas tienen una larga historia como sistemas de liberacioacuten de faacutermaco debido a su faacutecil
preparacioacuten baja toxicidad y biodegradabilidad [4142] Los liposomas son estructuras
coloidales autoensambladas compuestas de bicapas lipiacutedicas que rodean un compartimiento
27
acuoso y puede encapsular una amplia variedad de faacutermacos quimioterapeacuteuticos ya sean
hidroacutefilos o hidroacutefobos [4344] Los liposomas se pueden clasificar como liposomas de primera
generacioacuten o liposomas desnudos con una superficie de fosfoliacutepido no modificado de segunda
generacioacuten o liposomas furtivos con una capa de carbohidratos o poliacutemeros hidroacutefilos
generalmente de PEG en la superficie de las vesiacuteculas y liposomas de tercera generacioacuten que
incorporan ligandos superficiales para mejorar el iacutendice terapeacuteutico del faacutermaco mediante el
aumento de la selectividad y la especificidad del complejo En la Fig 21 se representa
esquemaacuteticamente la estructura de los liposomas
222 Nanopartiacuteculas polimeacutericas
Las nanopartiacuteculas polimeacutericas (Fig 21) son portadores que van de 10 a 100 nm conformados
de poliacutemeros naturales o artificiales generalmente biodegradables donde los faacutermacos
terapeacuteuticos puede ser adsorbidos disueltos atrapados encapsulados o enlazados
covalentemente a la cadena principal del poliacutemero por medio de un enlace sencillo eacutester o amida
que se pueden hidrolizar in vivo a traveacutes de un cambio de pH
Los poliacutemeros sinteacuteticos que incluyen al aacutecido polilaacutectico (PLA) [46] aacutecido poliglicoacutelico (PGA)
[47] poli etilenglicol (PEG) [48] y sus copoliacutemeros han sido los maacutes ampliamente investigados
debido a su biocompatibilidad y biodegradabilidad Otros poliacutemeros naturales como el quitosano
y alginato han sido ampliamente probados [49]
223 Micelas
Las micelas son portadores esfeacutericos biodegradables con un intervalo de tamantildeo de 10-200 nm
Eacutestas son formadas por autoensamblaje de bloques de copoliacutemeros compuestos de dos o maacutes
cadenas de poliacutemeros con diferente hidrofobicidad Estos copoliacutemeros espontaacuteneamente se
28
ensamblan para formar una estructura de nuacutecleo-coraza en un medio acuoso para minimizar la
energiacutea libre del sistema (Fig 21) Los segmentos hidroacutefobos forman el nuacutecleo interior
hidroacutefobo para minimizar su exposicioacuten al medio ambiente mientras que las cadenas hidroacutefilas
forman la coraza hidroacutefila externa para estabilizar el nuacutecleo a traveacutes del contacto directo con el
agua [50]
224 Dendriacutemeros
Los dendriacutemeros son macromoleacuteculas altamente ramificadas esfeacutericas y sinteacuteticas con tamantildeo y
forma ajustable Contienen muacuteltiples capas con grupos terminales activos tambieacuten conocidos
como generaciones que se extienden hacia fuera desde un nuacutecleo iniciador llamado generacioacuten
cero (Fig 21) El tamantildeo de los dendriacutemeros estaacute generalmente en el rango de 1-15 nmLas
ramificaciones de estos poliacutemeros proporcionan un aacuterea superficial grande para que moleacuteculas
yo medicamentos quimioterapeacuteuticos puedan ser unidos a traveacutes de la conjugacioacuten covalente o
adsorcioacuten electrostaacutetica Alternativamente los agentes terapeacuteuticos se pueden cargar en las
cavidades de las regiones centrales a traveacutes de interaccioacuten hidrofoacutebica enlaces de hidroacutegeno o
enlace quiacutemico Los dendriacutemeros maacutes comuacutenmente estudiados pertenecen a la familia de los
dendriacutemeros PAMAM (poliamidoamina) Estos poliacutemeros han mostrado un gran potencial para la
liberacioacuten de medicamentos ya que son biodegradables y biocompatibles y tienen alta
solubilidad en agua [51]
225 Nanopartiacuteculas Magneacuteticas
La liberacioacuten controlada de faacutermacos con materiales funcionales nanoestructurados
especialmente las nanopartiacuteculas magneacuteticas estaacute atrayendo cada vez maacutes la atencioacuten debido a
las oportunidades en la terapia de caacutencer y el tratamiento de otras enfermedades El potencial de
las nanopartiacuteculas magneacuteticas deriva de las propiedades intriacutensecas de sus nuacutecleos magneacuteticos
combinados con su capacidad de carga del medicamento y las propiedades bioquiacutemicas que
pueden ser otorgados a estas por medio de un recubrimiento adecuado
29
23 CLASIFICACIOacuteN DE LOS MATERIALES MAGNEacuteTICOS
Desde el punto de vista del comportamiento magneacutetico podemos clasificar los materiales en
diamagneacuteticos paramagneacuteticos ferromagneacuteticos antiferromagneacuteticos ferrimagneacuteticos (Fig 22)
Figura 22 (a) Clasificacioacuten de los materiales seguacuten su comportamiento magneacutetico paramagneacuteticos
ferromagneacuteticos antiferromagneacuteticos y ferrimagneacuteticos (b) Los materiales superparamagneacuteticos son observados en
los nanomateriales ferro- y ferrimagneacuteticos que se componen de un soacutelo dominio magneacutetico
231 Diamagnetismo
El diamagnetismo se basa en la interaccioacuten entre el campo aplicado y los electrones moacuteviles del
material [52] El diamagnetismo se caracteriza por i) una magnetizacioacuten deacutebil del material en el
sentido opuesto al campo magneacutetico aplicado [53] ii) una susceptibilidad magneacutetica negativa y
pequentildea con permeabilidad relativa ligeramente menor que 1 iii) intensidad de respuesta muy
pequentildea
232 Paramagnetismo
En los materiales paramagneacuteticos los momentos magneacuteticos se encuentran desordenados por lo
que no mantiene un momento magneacutetico neto Estos materiales se caracterizan por i) requerir un
gran campo magneacutetico para poder adquirir una alta magnetizacioacuten ii) magnetizacioacuten deacutebil en el
30
mismo sentido que el campo magneacutetico aplicado iii) susceptibilidad magneacutetica positiva y
pequentildea con permeabilidad relativa ligeramente mayor que 1 iv) intensidad de respuesta muy
pequentildea Ejemplos de estos materiales son el Cr Mn y los gases diatoacutemicos La Fig 22(a)
muestra el ordenamiento magneacutetico de estos materiales
233 Ferromagnetismo
En los materiales ferromagneacuteticos los momentos magneacuteticos individuales de grupos de aacutetomos o
moleacuteculas se mantienen alineados entre siacute debido a un fuerte acoplamiento auacuten en ausencia de
campo exterior [54] Estos grupos se denominan dominios y actuacutean como un pequentildeo imaacuten
permanente En ausencia de campo aplicado los dominios tienen sus momentos magneacuteticos netos
distribuidos al azar Cuando se aplica un campo exterior los dominios tienden a alinearse con el
campo Este alineamiento puede permanecer en algunos casos con un muy fuerte acoplamiento
cuando se retira el campo creando un imaacuten permanente [55] Los materiales ferromagneacuteticos se
caracterizan por i) una fuertemente magnetizacioacuten en el mismo sentido que el campo magneacutetico
aplicado ii) susceptibilidad magneacutetica positiva y grande con permeabilidad relativa mucho
mayor que 1 iv) la agitacioacuten teacutermica tiende a desalinear los dominios A temperatura normal la
energiacutea teacutermica no es en general suficiente para desmagnetizar un material magnetizado sin
embargo por encima de la temperatura de Curie [56] el material se vuelve paramagneacutetico
debido a que los efectos teacutermicos de desorden son mayores que los efectos de alineamiento de la
interaccioacuten magneacutetica entre dominios La Fig 22(a) muestra el alineamiento de los materiales
ferromagneacuteticos
234 Antiferromagnetismo
Los materiales antiferromagneacuteticos tienen un estado natural en el cual los espines atoacutemicos de
aacutetomos adyacentes son opuestos de manera que el momento magneacutetico neto es nulo [57] Este
estado hace difiacutecil que el material se magnetice aunque de todas formas adopta una
31
permeabilidad relativa ligeramente mayor que 1 Por encima de una temperatura criacutetica llamada
temperatura de Neel un material antiferromagneacutetico se vuelve paramagneacutetico La Fig 22(a)
esquematiza el ordenamiento magneacutetico de los materiales antiferromagneacuteticos
235 Ferrimagnetismo
Los materiales ferrimagneacuteticos son similares a los antiferromagneacuteticos salvo que las especies de
aacutetomos alternados son diferentes (por ejemplo por la existencia de dos subredes cristalinas
entrelazadas) y tienen momentos magneacuteticos diferentes [58] Existe entonces una magnetizacioacuten
neta que puede ser en algunos casos muy intensa
236 Superparamagnetismo
El superparamagnetismo es una forma de magnetismo observado en los nanomateriales ferro- y
ferrimagneacuteticos que se componen de un soacutelo dominio magneacutetico [59] (Fig 22(b)) Debido a su
tamantildeo tan pequentildeo no hay orden de largo alcance en estos materiales Estos materiales se
caracterizan por i) alcanzar una magnetizacioacuten relativamente alta con bajos campos magneacuteticos
aplicados [59] ii) por debajo de la temperatura Curie los momentos magneacuteticos dentro de un
dominio magneacutetico se alinean paralelamente a un campo aplicado para producir la alta
magnetizacioacuten [59] iii) despueacutes de que un campo magneacutetico aplicado se ha eliminado no queda
magnetizacioacuten remanente (Mr) neta [59] La falta de Mr se debe al hecho de que la
magnetizacioacuten de cada dominio faacutecilmente salta entre dos orientaciones estables que estaacuten
separados por una pequentildea diferencia de energiacutea De hecho la diferencia de energiacutea es tan
pequentildea que la energiacutea teacutermica cancela la magnetizacioacuten total de la partiacutecula Compuestos de
hierro cobalto y niacutequel y sus aleaciones elementos de tierras raras intermetaacutelicos de gadolinio
oro y vanadio son ferromagneacuteticos que pueden ser utilizados para producir partiacuteculas
superparamagneacuteticas cuando el tamantildeo del dominio magneacutetico se encuentra a escala
nanomeacutetrica Otros materiales pueden ser utilizados incluyendo ferritas compuesto por oacutexidos
32
de hierro o con otros elementos como el aluminio cobre cobalto niacutequel manganeso magnesio
hierro y zinc Ademaacutes tambieacuten se pueden utilizar las ferritas hexagonales
24 FERRITAS HEXAGONALES
Desde el descubrimiento de las ferritas en la deacutecada de 1950 ha habido un gran intereacutes en las
ferritas hexagonales tambieacuten conocidas como hexaferritas Este intereacutes tanto cientiacutefico como
tecnoloacutegico ha ido creciendo exponencialmente hasta el diacutea de hoy Ademaacutes de su uso como
imanes permanentes las hexaferritas tienen aplicaciones como material de grabacioacuten magneacutetica
en almacenamiento de datos y como componentes en dispositivos eleacutectricos
Existen diferentes tipos de ferritas hexagonales indicadas como M W X Y Z y U todas ellas
con estrechas estructuras cristalinas altamente complejas De los diferentes tipos de ferritas
hexagonales las hexaferritas de mayor importancia comercial son las tipo M dentro de las cuales
se encuentran las hexaferritas de bario BaFe12O19 y las ferritas de estroncio con Sr reemplazando
al Ba en la misma foacutermula La importancia de estas ferritas es debido a su bajo costo y sus
propiedades como estabilidad quiacutemica alta resistividad magnetizacioacuten de saturacioacuten
conveniente y alta coercitividad magneacutetica etc
La unidad molecular de la ferrita tipo M estaacute formada por un bloque S y un bloque R con una
superposicioacuten de capas cuacutebicas y hexagonales (Fig 23(a) El plano basal que contiene el aacutetomo
de bario es un plano espejo y los dos bloques S por encima y por debajo del bloque R son por lo
tanto rotaciones de 180ordm alrededor del eje c de cada una Un bloque R espejo R es entonces
requerido para continuar la estructura y es por esta razoacuten que la ceacutelula unitaria requiere dos
unidades moleculares M dando la foacutermula de celda unitaria SRSR donde es una rotacioacuten del
bloque a 180ordm alrededor del eje c (Fig 23(a)) Los paraacutemetros reticulares de la BaFe12O19 son
2317 Aring para la longitud del eje c y 589 Aring para a la anchura del plano basal y este paraacutemetro a
es constante para todas las hexaferritas de bario La relacioacuten de altura a ancho es de 394 por lo
que BaFe12O19 tiene una gran anisotropiacutea cristalina Las vistas en perspectiva de la estructura son
33
tambieacuten mostradas en la Fig 23(b) y Fig 23(c) mientras que los poliedros de la estructura M
incluyendo el sitio bipiramidal del bloque R se muestran en la Fig 23(d) La Fig 23(e)
representa el apilamiento de los bloques R y S en la estructura M
Figura 23 (a) seccioacuten transversal de la estructura de la ferrita tipo M (BaFe12O19) Tomado de Robert C Pullar [60]
25 METODOS DE SIacuteNTESIS
251 Siacutentesis sol-gel
El meacutetodo sol-gel es un meacutetodo de siacutentesis quiacutemica huacutemeda el cual permite la fabricacioacuten de una
amplia gama de materiales con diversas configuraciones por ejemplo fibras peliacuteculas delgadas
monolitos y revestimientos Ademaacutes el meacutetodo sol-gel permite sintetizar materiales hiacutebridos
orgaacutenicos-inorgaacutenicos con una gran variedad de aplicaciones potenciales en diversos campos de
34
la investigacioacuten incluyendo la oacuteptica electroacutenica semiconductores superconductores y
biomateriales El meacutetodo sol gel ofrece una serie de ventajas i) los precursores pueden mezclarse
a nivel molecular lo cual permite la formacioacuten de soluciones soacutelidas del material a temperaturas
de procesamiento relativamente bajas cuando se compara con los meacutetodos tradicionales ii) es un
meacutetodo faacutecil sencillo y versaacutetil iii) permite un control quiacutemico y estructural es decir la
nucleacioacuten y crecimiento de las partiacuteculas coloidales primarias puede ser controlada para dar
partiacuteculas con tamantildeo y forma deseada ademaacutes de la composicioacuten quiacutemica deseada
Actualmente existe una amplia gama de rutas de siacutentesis derivadas del meacutetodo sol-gel (Fig 24)
En teacuterminos simples el meacutetodo sol-gel implica dos fases distintas La primera fase una
suspensioacuten coloidal la cual es una suspensioacuten estable de partiacuteculas soacutelidas coloidales dentro de
un liacutequido donde las partiacuteculas soacutelidas deben ser maacutes densas que el liacutequido de los alrededores y
suficientemente pequentildeas (2 nm a 1 microm lo cual corresponde a 103-10
9 aacutetomos por partiacutecula) para
que las fuerzas responsables de la dispersioacuten sean maacutes grandes que las fuerzas de gravedad La
segunda fase constituida por un gel el cual es una red soacutelida porosa tridimensionalmente
interconectada que forma una entidad continuacutea a lo largo de una fase secundaria usualmente
liacutequida
Se han dedicado esfuerzos considerables en el desarrollo de micro y nanopartiacuteculas de oacutexido de
hierro con propiedades magneacuteticas adecuadas para la investigacioacuten biomeacutedica Las
nanopartiacuteculas de oacutexido de hierro son las maacutes ampliamente investigadas en el campo meacutedico y
farmaceacuteutico debido a sus excelentes propiedades de biocompatibilidad estabilidad quiacutemica y
baja toxicidad El meacutetodo sol gel es un meacutetodo faacutecil y conveniente para sintetizar oacutexidos de
hierro a partir de soluciones acuosas de sales metaacutelicas Ademaacutes el tamantildeo la forma y la
composicioacuten de las partiacuteculas magneacuteticas dependen en gran medida del tipo de precursores
utilizados relacioacuten Fe2+
a Fe3+
temperatura de reaccioacuten valor de pH y la fuerza ioacutenica del medio
Por lo tanto el control del proceso mediante estos paraacutemetros es esencial en la produccioacuten
35
partiacuteculas monodispersas de oacutexido de hierro El meacutetodo sol-gel parte de una suspensioacuten coloidal
(sol) y la subsiguiente formacioacuten del (gel) En la preparacioacuten del sol los precursores tanto
orgaacutenicos como inorgaacutenicos experimentan reacciones de hidrolisis y condensacioacuten (o
polimerizacioacuten) para formar pequentildeas partiacuteculas soacutelidas en un liacutequido (ya sea un solvente
orgaacutenico o acuoso) Las partiacuteculas soacutelidas son tan pequentildeas (1-1000 nm) que las fuerzas
gravitacionales son despreciables y las interacciones estaacuten dominadas por fuerzas esteacutericas de
van der Waals y Coulombicas
Figura 24 Rutas de siacutentesis derivadas del meacutetodo sol-gel Tomado de httpsstrllnlgovstrMay05Satcherhtml
Varios grupos de investigacioacuten [61-63] han descrito la siacutentesis de partiacuteculas magneacuteticas
nanoestructurados de base de oacutexido de hierro a partir del meacutetodo sol-gel para aplicaciones en el
control de liberacioacuten de faacutermacos
36
Los avances en nanotecnologiacutea y ciencia de los materiales sugieren que algunos de los problemas
actuales de los materiales podriacutean ser resueltos o al menos mejorados mediante la modificacioacuten
superficial
252 Secado por aspersioacuten
El secado por aspersioacuten es un meacutetodo que permite la conversioacuten continua de fluidos (soluciones
emulsiones suspensiones mezclas pastas) en polvos soacutelidos mediante un proceso de secado
dirigido a disentildear y producir materiales con un gran potencial para diversos sectores industriales
tales como la industria quiacutemica cosmeacutetica alimentaria y farmaceacuteutica Este proceso es un
meacutetodo raacutepido simple sencillo de escalabilidad industrial y bajo costo El principio del meacutetodo
se basa en la eliminacioacuten de la humedad mediante la aplicacioacuten de calor al fluido alimentado El
secado por aspersioacuten consiste de tres etapas principales (a) atomizacioacuten del fluido (b)
vaporizacioacuten o secado del liacutequido mediante una corriente de gas y (c) separacioacuten y recoleccioacuten de
las partiacuteculas
Figura 25 Configuracioacuten del equipo de secado por aspersioacuten (a) secador por aspersioacuten concurrente misma
direccioacuten de flujo y (b) secador por aspersioacuten a contracorriente (c) Evolucioacuten de la temperatura en el proceso de
secado en una gotita liacutequida [Handscomb y cols] En la separacioacuten y recoleccioacuten del polvo se pueden emplear (d)
separadores tipo cicloacuten yo (e) filtros de bolsa
37
a Atomizacioacuten
La atomizacioacuten es el primer paso que experimenta el fluido alimentado durante el secado por
aspersioacuten la cual involucra el rompimiento del liacutequido a granel en un nuacutemero grande de gotitas
impulsado por el proceso de secado por aspersioacuten mediante la reduccioacuten de la resistencia interna
a la transferencia de humedad desde la gotita hasta el medio de los alrededores La atomizacioacuten
es una etapa criacutetica en el proceso de secado debido a su influencia en la forma estructura
velocidad y distribucioacuten de la gotita generada y por lo tanto la naturaleza y tamantildeo de partiacutecula
del producto final Consecuentemente hay una peacuterdida miacutenima de calor sensible y
eventualmente se producen las partiacuteculas con las caracteriacutesticas fiacutesicas y morfoloacutegicas deseadas
La Fig 25 presenta el diagrama de dos tipos de secadores por aspersioacuten (Fig 25(a) secador por
aspersioacuten concurrente y (Fig 25(b) secador por aspersioacuten a contracorriente
b Vaporizacioacuten
En esta etapa se constituye la formacioacuten de fase de la partiacutecula Con el liacutequido a granel
atomizado en pequentildeas gotas el siguiente paso involucra el contacto iacutentimo de la gotita con el
gas acarreador Esto permite la raacutepida evaporacioacuten de la humedad de la superficie de todas las
gotitas de una manera uniforme Aquiacute el requerimiento es un flujo de gas uniforme en la caacutemara
de secado Las gotas usualmente se encuentran en contacto con aire caliente en la caacutemara de
secado ya sea en la misma direccioacuten de flujo o a contracorriente
El paso maacutes criacutetico en la formacioacuten de la partiacutecula involucra la evaporacioacuten de la humedad ya
que este paso estaacute asociado con la formacioacuten del producto final La evaporacioacuten de la humedad
durante el proceso de secado puede ser visualizada en dos fases un periodo de velocidad
constante y un periodo de caiacuteda de velocidad Inicialmente cuando la gotita estaacute expuesta a una
corriente de gas caliente la raacutepida evaporacioacuten toma lugar Durante esta exposicioacuten la gotita se
calienta desde una temperatura inicial (T0) a la temperatura de evaporacioacuten de equilibrio (Teq)
38
(Fig 25(c)-AB) Durante este periodo la eliminacioacuten de la humedad sigue la curva del periodo
de velocidad constante a medida que la humedad es removida constantemente a partir de la
superficie de la gotita manteniendo el enfriamiento suficiente La superficie de la gotita
permanece saturada con la humedad en esta fase y su temperatura es constante e igual a la
temperatura de bulbo huacutemedo (Fig 25(c)-BC) A medida que se elimina la humedad de la gotita
el soluto disuelto en el liacutequido alcanza una concentracioacuten maacutes allaacute de su concentracioacuten de
saturacioacuten y tiende a formar una coraza delgada en la superficie de la gotita descrita como
formacioacuten de coraza El comienzo de formacioacuten de coraza es una caracteriacutestica cineacutetica
importante del proceso de secado por aspersioacuten Despueacutes de esta fase la eliminacioacuten de la
humedad regresa al proceso de difusioacuten controlada y la velocidad de evaporacioacuten es dependiente
de la velocidad de difusioacuten de vapor de agua a traveacutes de la coraza superficial Esto constituye el
periodo de caiacuteda de velocidad Durante el periodo de caiacuteda de velocidad aunque la partiacutecula
comenzaraacute a calentarse (Fig 25(c)-CD) es casi la parte maacutes friacutea del equipo de secado donde el
gas de secado estaacute en o cerca de la temperatura de salida del equipo de secado
c Separacioacuten y recoleccioacuten
Los sistemas empleados para la separacioacuten y recoleccioacuten del producto final incluyen separadores
tipo cicloacuten (Fig 25(d)) yo filtros de bolsa (Fig 25(e))
El disentildeo e ingenieriacutea de micro y nanopartiacuteculas a traveacutes del secado por aspersioacuten ha sido
investigado como una alternativa de proceso de manufacturacioacuten en la industria farmaceacuteutica
debido a su amplia aplicabilidad El secado por aspersioacuten ha sido exitosamente usado en la
industria farmaceacuteutica para producir productos con propiedades fiacutesicas y quiacutemicas definidas por
ejemplo tamantildeo y forma de partiacutecula controlada para incrementar la solubilidad del faacutermaco y la
biodisponibilidad de las sustancias activas Ademaacutes el ajuste de los paraacutemetros del proceso de
secado por aspersioacuten permite la manipulacioacuten de varias propiedades de la partiacutecula con respecto
a los requerimientos de la aplicacioacuten deseada
39
26 ESTUDIOS REALIZADOS SOBRE LA SIacuteNTESIS Y APLICACIOacuteN DE
MATERIALES NANOESTRUCTURADOS A BASE DE OXIDO DE HIERRO COMO
SISTEMAS DDS
Como se mencionoacute anteriormente los biomateriales han llegado a ser una de las aacutereas maacutes
atractivas en la investigacioacuten cientiacutefica y tecnoloacutegica para el desarrollo de dispositivos con
aplicaciones biomeacutedicas sorprendentes tal como ocurre con los sistemas de liberacioacuten de
faacutermaco Diversos biomateriales han sido investigados como DDS incluyendo dendriacutemeros
micelas liposomas poliacutemeros y partiacuteculas magneacuteticas A este respecto Szulc y colaboradores
[64] han estudiado dendrimeros de poli(propileno imina) modificados con azuacutecar como DDS para
liberacioacuten de citarabina Mientras Song y colaboradores [65] han estudiado un sistema DDS
micelar termosensible exitosamente cargado con Doxorubicina (DOX) cuya eficiencia de carga
fue de 17 Por otra parte Vahed y colaboradores [66] han estudiado un sistema DDS basado en
liposomas enfocaacutendose en estrategias de quimioterapia combinada para la co-liberacioacuten de dos
faacutermacos quimioterapeacuteuticos un agente quimioterapeacuteutico con metales anticanceriacutegenos y un
agente quimioterapeacuteutico con agentes geacutenicos Duggan y colaboradores [67] han estudiados
poliacutemeros tiolados como DDS mucoadhesivos
Actualmente los sistemas nanoestructurados de partiacuteculas magneacuteticas han ganado atencioacuten
considerable como DDS debido a su biocompatibilidad faacutecil modificacioacuten superficial y sus
propiedades fiacutesicas quiacutemicas y magneacuteticas uacutenicas Oka y colaboradores [68] estudiaron un
compoacutesito nuacutecleo-coraza para liberacioacuten localizada de faacutermaco El compoacutesito estaacute estructurado
por un nuacutecleo de poliacutemero biodegradable y una coraza de nanopartiacuteculas de oacutexido de hierro
preparado a partir de una emulsioacuten Pickering Ademaacutes estudiaron la capacidad de carga del
sistema nuacutecleo-coraza cargando partiacuteculas de pireno cuya presencia fue confirmada mediante un
anaacutelisis de fluorescencia despueacutes de ser expuestas a rayos UV Ademaacutes la caracterizacioacuten
morfoloacutegica del sistema nuacutecleo-coraza fue estudiada por SEM y TEM Las propiedades
cristalograacuteficas se estudiaron mediante XRD Finalmente se estudiaron sus propiedades
magneacuteticas usando un sistema de medicioacuten de propiedades fiacutesicas (Quantum Desing)
40
Por otra parte Chandra y colaboradores [69] estudiaron un compoacutesito dendrimero-
nanopartiacuteculas magneacuteticas como un vehiacuteculo de liberacioacuten enzimaacutetica de faacutermaco sensible a
estiacutemulos simples El sistema fue caracterizado por diferentes teacutecnicas microestructurales y
espectroscoacutepicas Ellos obtuvieron partiacuteculas mesoporosas con propiedades superparamagneacuteticas
Ademaacutes exploraron su uso en la liberacioacuten de DOX alcanzando una alta eficiencia (superior a
95) con velocidades de liberacioacuten controlada bajo pH y temperatura sostenida La interaccioacuten
quiacutemica entre la DOX y las nanopartiacuteculas fue confirmada por un cambio en el potencial zeta y
una disminucioacuten en la intensidad de fluorescencia Otros estudios sobre DDS basados en
nanopartiacuteculas magneacuteticas pueden ser encontrados en la literatura [70-74]
Los sistemas DDS pueden ser disentildeados con gran variedad de diferentes morfologiacuteas las cuales
han sido reportadas en la literatura [75] Estas morfologiacuteas incluyen partiacuteculas esfeacutericas
completamente densas partiacuteculas rugosas partiacuteculas huecas partiacuteculas tipo dona y partiacuteculas
porosas Estas uacuteltimas muestran caracteriacutesticas notables sobre todo aquellas partiacuteculas con una
jerarquiacutea macro-mesoporosa ya que exhiben alta aacuterea superficial baja densidad y buena
estabilidad fisicoquiacutemica Ademaacutes dichos materiales pueden incrementar considerablemente la
capacidad de carga de un faacutermaco debido a que proporcionan una interconectividad que mejora
la difusioacuten o flujo de fluidos a la vez que aumentan considerablemente el aacuterea superficial
especiacutefica Por lo tanto estos sistemas aumentan la capacidad para que las moleacuteculas puedan ser
adsorbidas
Muchos estudios sobre sistemas nanoestructurados (macromeso)porosos han sido reportados en
la literatura Por ejemplo Liu y colaboradores [76] estudiaron materiales magneacuteticos
macroporosos siliacuteceos ordenados tridimensionalmente los cuales fueron fabricados por la
combinacioacuten de una co-sedimentacioacuten simple de un sistema coloidal binario de esferas de
PMMA y partiacuteculas de magnetita y la infiltracioacuten de precursores de silicio A partir de la
caracterizacioacuten por SEM y TEM establecen que los materiales macroporosos presentan una
estructura de empaquetamiento cubico centrado en las caras (fcc) con macroporos del orden de
200 nm Ademaacutes la caracterizacioacuten magneacutetica mostroacute que los materiales poseen una alta
magnetizacioacuten (192 emug) y comportamiento superparamagneacutetico
41
Por otra parte Santamariacutea y colaboradores [77] sintetizaron un sistema estructurado meso-
macroporoso de siacutelice para liberacioacuten controlada de ibuprofeno (IBU) El sistema fue sintetizado
usando una emulsioacuten WO usando decano como fase dispersa Los materiales obtenidos fueron
caracterizados por TEM SEM dispersioacuten de difraccioacuten de rayos x a bajo aacutengulo (SAXS) e
isotermas de adsorcioacuten-desorcioacuten de N2 Los resultados obtenidos mostraron que la carga del IBU
incrementa a medida que la presencia de macroporos en el material incrementa Esto uacuteltimo lo
atribuyen suponiendo que los macroporos permiten que el faacutermaco acceda a los poros internos
Pero establecen que cuando uacutenicamente mesoporos estuvieron en el material el IBU fue
probablemente adsorbido uacutenicamente sobre los mesoporos uacutenicamente cercanos a la superficie
Maacutes aun sentildealan que mientras maacutes cantidad de macroporos estaacuten presentes en el material maacutes
bajo fue el comportamiento de liberacioacuten del IBU debido a que el ibuprofeno adsorbido en los
poros internos tiene que difundirse a lo largo de los canales macroporos hasta la superficie del
material
Una amplia gama de meacutetodos han sido estudiados para la siacutentesis de sistemas magneacuteticos
nanoestructurados siendo los meacutetodos quiacutemicos los mayormente usados entre estos meacutetodos la
teacutecnica sol-gel sobresale debido a ventajas tales como el uso temperaturas de procesamiento
relativamente bajas comparadas con los meacutetodos tradicionales la facilidad sencillez y
versatilidad del meacutetodo el control sobre el tamantildeo y morfologiacutea del material y la obtencioacuten de
materiales relativamente puros Por ejemplo Anjaneyulu y Vijayalakshmi [82] fabricaron un
compoacutesito [HAP (Ca)10(PO4)6(OH)2] magnetita (Fe3O4) derivado del meacutetodo sol-gel sobre una
aleacioacuten Ti-6Al-4V El compoacutesito fue caracterizado por XRD SEM-EDAX y mediciones de
aacutengulo de contacto Ademaacutes realizaron un estudio de bioactividad in vitro el cual conformo que
el Ti-6Al-4V revestido por el compoacutesito fue altamente bioactivo e indujo la formacioacuten de apatita
en la presencia de las nanopartiacuteculas de Fe3O4 Por lo tanto su estudio sugiere que los implantes
recubiertos con HAPFe3O4 pueden ser usados para aplicaciones biomeacutedicas Ademaacutes una
revisioacuten detallada sobre materiales para aplicaciones biomeacutedicas sintetizados por el meacutetodo sol-
gel es proporcionada por G J Owens y colaboradores [83] en la revista Progress in Materials
Science publicada en 2016 Los materiales sintetizados por este meacutetodo incluyen los materiales a
42
base de siacutelice materiales a base de fosfatos materiales a base de metales (FendashO TindashO ZnndashO
etc) y materiales hiacutebridos orgaacutenicos-inorgaacutenicos
El aumento en el nuacutemero de artiacuteculos publicados en una gran variedad de revistas cientiacuteficas
dirigidas al disentildeo siacutentesis e ingenieriacutea de una amplia gama de materiales con diversas
formulaciones por ejemplo los liposomas dendriacutemeros micelas partiacuteculas polimeacutericas y
materiales magneacuteticos nanoestructurados revela que el aacuterea biomeacutedica ha llegado a ser un aacuterea
de gran intereacutes debido al potencial de estos materiales para ser usados en una gran variedad de
aplicaciones tal como agentes de contraste para MRI tratamiento de caacutencer mediante
hipertermia y como DDS
Dentro de los materiales maacutes prominentes para este tipo de aplicaciones se encuentran los
materiales magneacuteticos a base de oacutexido de hierro dentro de los cuales podemos incluir a los
sistemas nanoestructurados de hexaferrita de bario (BaFe12O19) disentildeados y sintetizados en el
presente trabajo de investigacioacuten La relevancia de estos materiales se basa en su
biocompatibilidad aprobados por la Federal Drug Administration (FDA) para su uso biomeacutedico
Una ventaja de los materiales porosos en especial aquellos materiales con una jerarquiacutea macro-
mesoporosa tal es el caso de los sistemas de BaFe12O19 sintetizados aquiacute es la presencia de una
arquitectura que exhiba alta aacuterea superficial baja densidad y buena estabilidad fisicoquiacutemica lo
cual reflejariacutea un incremento considerable en la capacidad de carga de moleacuteculas con actividad
bioloacutegica usadas como faacutermaco modelo ya sea de naturaleza hidrofoacutebica o hidrofiacutelica Ademaacutes
mediante la aplicacioacuten de un campo magneacutetico externo las propiedades magneacuteticas pueden ser
aprovechadas para dirigir y focalizar el faacutermaco a un sitio especiacutefico de accioacuten logrando un perfil
de liberacioacuten controlado Por lo tanto la concentracioacuten y nuacutemero de dosificaciones del faacutermaco
se reduciriacutea lo cual se veriacutea reflejado en la disminucioacuten de efectos secundarios no deseados en el
tratamiento de enfermedades tales como el caacutencer
43
CAPIacuteTULO 3
DESARROLLO EXPERIMENTAL
44
CAPIacuteTULO 3 DESARROLLO EXPERIMENTAL
En el presente capiacutetulo se describe el procedimiento experimental llevado a cabo durante el
trabajo de investigacioacuten La Fig 32 muestra las tres etapas principales que constituyen el
procedimiento experimental para el estudio de los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 I)
Disentildeo (Fig 31) y Siacutentesis II) Caracterizacioacuten y III) Pruebas bioloacutegicas La Tabla 3I muestra
los factores a evaluar en el disentildeo experimental fraccionario 2f
31 MATERIALES INICIALES
Se usaron productos comerciales grado reactivo sin purificacioacuten alguna Los reactivos usados
para la siacutentesis de la hexaferrita de bario fueron marca Sigma-Aldrich Nitrato de hierro (III)
nonahidratado Fe(NO3)39H2O carbonato de bario BaCO3 e hidroacutexido de amonio El surfactante
utilizado fue el Tween 20 (Merck) El surfactante hidrofiacutelico no-ioacutenico Tween 20 (C58H114O26) es
un eacutester de polioxietileno sorbitan (con un peso molecular calculado de 1225 Daltones asumiendo
20 unidades de oacutexido de etileno 1 sornitol y un aacutecido laacuteurico como aacutecido graso primario
Microesferas de poliestireno (PS) monodispersas sintetizadas en el laboratorio fueron usadas
como agente poroacutegeno o agente formador de poro
La primera etapa establece el disentildeo y siacutentesis de agregados esfeacutericos nanoestructurados de
hexaferrita de bario de tamantildeo micromeacutetrico con jerarquiacutea macro-mesoporosa (de aquiacute en
adelante llamados simplemente agregados de BaFe12O19) En esta etapa un disentildeo factorial 2f fue
usado para disentildear y evaluar los efectos de la temperatura (T) presioacuten (P) y concentracioacuten de
agente poroacutegeno ( en peso) en el meacutetodo de siacutentesis sol-gel acoplado a secado por aspersioacuten La
siacutentesis sol-gel se inicioacute con el uso de nitrato de hierro (III) nonahidratado Fe(NO)3 y carbonato
45
de bario BaCO3 como sales precursoras las cuales son disueltas en agua desionizada A su vez
Tween 20 se usoacute como surfactante para permitir la creacioacuten de la estructura mesoporosa
La mezcla de sales precursoras + Tween 20 se agitoacute por 30 min mediante agitacioacuten magneacutetica
modificando el pH a 8 usando NH4OH A continuacioacuten se agregoacute una suspensioacuten acuosa de
esferas de poliestireno (PS) usada como agente poroacutegeno con una concentracioacuten de 30 o 50
de acuerdo al disentildeo factorial 2f La suspensioacuten resultante se sometioacute al proceso de secado por
aspersioacuten donde se evaluaron los paraacutemetros de temperatura (T degC) y presioacuten (P Kgcm2) de
acuerdo a los valores del disentildeo factorial 2f Como resultado se obtuvo un compoacutesito
ceraacutemicopoliacutemero el cual fue sometido a un tratamiento teacutermico a temperaturas de 700 degC hasta
1000 degC para obtener el material macro-mesoporoso con estructura y morfologiacutea deseada
La segunda etapa se enfoca en la caracterizacioacuten Esta etapa del proceso aborda las teacutecnicas de
caracterizacioacuten estructural morfoloacutegica fiacutesica quiacutemica y magneacutetica de los agregados de
BaFe12O19 Difraccioacuten de rayos X (XRD) fue usada para determinar la estructura y cristalinidad
de los agregados de BaFe12O19 Microscopiacutea electroacutenica de barrido (SEM) fue usada para
determinar la morfologiacutea y tamantildeo de los agregados de BaFe12O19 ademaacutes de caracterizarlos
quiacutemicamente mediante anaacutelisis EDS y mapeo quiacutemico Microscopiacutea electroacutenica de transmisioacuten
(TEM) fue usada para determinar la morfologiacutea y estructura de los agregados de BaFe12O19
usando las modalidades de campo claro (BF) campo oscuro (DF) alta resolucioacuten (HRTEM)
barrido-transmisioacuten (STEM) en su modalidad de campo oscuro anular (STEM-ADF) y difraccioacuten
electroacutenica de aacuterea selecta (SAEDP) Determinacioacuten de aacuterea superficial especiacutefica BET mediante
adsorcioacutendesorcioacuten de N2 Espectroscopiacutea infrarroja por transformada de Fourier (FTIR)
Potencial zeta ζ El Magnetoacutemetro de muestra vibrante (VSM) fue usada para determinacioacuten de
las propiedades magneacuteticas (saturacioacuten magneacutetica Ms remanencia magneacutetica Mr y coercitividad
Hc) La tercera etapa evaluacutea las pruebas bioloacutegicas Los agregados de BaFe12O19 se evaluaron
como DDS al probar su capacidad de carga usando el peacuteptido DS como faacutermaco modelo El
peacuteptido DS se sintetizoacute a partir de los plaacutesmidos pF1A T7 Flexireg pFN21K y pFN18K
empleando la cepa T7 de Escherichia coli A su vez isopropil-β-D-1-tiogalactopiranoacutediso
(IPTG) se usoacute para inducir la produccioacuten del peacuteptido
46
Figura 31 Disentildeo experimental fraccionario 2f Las variables de entrada son la presioacuten (P) Temperatura (T) y
porcentaje de agente poroacutegeno (PS) Las variables de respuesta son la morfologiacutea y tamantildeo de agregado aacuterea
superficial BET volumen de mesoporo y tamantildeo de macroporo
Tabla 3I Factores a evaluar en el disentildeo experimental A) Presioacuten (P) B) Temperatura (T) y C) Concentracioacuten de
poliestireno usado como agente poroacutegeno (PS) Cada uno de los paraacutemetros presenta un nivel bajo (-) y un nivel
alto (+)
Factor Paraacutemetro Nivel
Bajo (-) Alto (+)
A P (Kgcm2) 15 2
B T (degC) 180 200
C PS 30 50
Los disentildeos factoriales se usan ampliamente en experimentos que incluyen varios factores
cuando es necesario estudiar el efecto conjunto de los factores sobre una respuesta El disentildeo 2f
es de particular importancia ya que proporciona el menor nuacutemero de corridas con las que pueden
estudiarse f factores en un disentildeo factorial completo
El resultado total del disentildeo factorial 2f es representado en la Tabla 3II El nivel alto para cada
factor estaacute representado por el siacutembolo maacutes (+) mientras el siacutembolo menos (-) representa el nivel
bajo Los resultados del disentildeo factorial de dos factores pueden ampliarse en el caso general en
que hay a niveles del factor A b niveles del factor B y c niveles del factor C dispuestos en un
experimento factorial En general habraacute abchellipn observaciones totales si se hacen n reacuteplicas del
47
experimento completo Es necesario un miacutenimo de dos replicas (n ge 2) para determinar una suma
de cuadrados debida al error si todas las interacciones posibles estaacuten incluidas en el modelo
Cuando todos los factores del experimento son fijos es sencillo formular y probar hipoacutetesis
acerca de los efectos principales y las interacciones
Tabla 3II Matriz del disentildeo experimental
A B AB C AC BC ABC
(1) - - + - + + -
a + - - - - + +
b - + - - - - +
ab + + + - - - -
c - - + + - - +
ac + - - + + - -
bc - + - + + + -
abc + + + + + + +
48
Figura 32 Diagrama de flujo que muestra las etapas principales en el desarrollo experimental en la siacutentesis de
agregados nanoestructurados de BaFe12O19 i) Disentildeo y Siacutentesis ii) Caracterizacioacuten y iii) pruebas bioloacutegicas
49
32 DISENtildeO EXPERIMENTAL FRACCIONARIO 2f
El disentildeo del sistema de los agregados esfeacutericos nanoestructurados macroporosos de BaFe12O19
fue llevado a cabo usando un disentildeo factorial 2f El teacutermino 2
f mide la cantidad de condiciones
experimentales siendo f el nuacutemero de factores a evaluar En este caso particular cada factor
presenta dos niveles lo cual estaacute representado por el nuacutemero 2 en el teacutermino 2f El disentildeo
permitioacute evaluar el efecto de los paraacutemetros del secado por aspersioacuten tales como la presioacuten del
aire (P Kgcm2) y la temperatura de entrada (T degC) Asiacute tambieacuten como la concentracioacuten del
poroacutegeno () en el tamantildeo y volumen de los aglomerados esfeacutericos obtenidos en el proceso de
secado por aspersioacuten
33 SIacuteNTESIS DE AGREGADOS DE BaFe12O19
Las esferas de BaFe12O19 fueron sintetizadas por el meacutetodo sol-gel asistido por surfactantes y
agentes poroacutegenos Durante la siacutentesis dos suspensiones fueron preparadas la primera
compuesta por las sales de Fe(NO3)39H2O y BaCO3 las cuales fueron disueltas en agua
desionizada y agitadas magneacuteticamente con una relacioacuten molar estequiometria la segunda
formada por el surfactante Tween 20 en solucioacuten acuosa Ambas suspensiones fueron mezcladas
con agitacioacuten magneacutetica constante Durante el proceso de reaccioacuten el pH de la suspensioacuten fue
ajustado a 80 usando NH4OH Una tercera suspensioacuten compuesta por esferas de poliestireno
dispersas en agua desionizada fue adicionada a la mezcla con agitacioacuten magneacutetica constante por 1
h variando la concentracioacuten de acuerdo al disentildeo experimental
La mezcla coloidal resultante fue alimentada a una caacutemara de secado tubular de un equipo Mini
Spray Dryer (Yamato ADL31) a traveacutes de un flujo concurrente de aire caliente como gas
acarreador El proceso de secado fue iniciado por la generacioacuten de pequentildeas gotas a partir de la
suspensioacuten coloidal seguida por la atomizacioacuten del liacutequido a una temperatura y presioacuten variando
de acuerdo al disentildeo experimental resultando en la produccioacuten de polvos (xerogeles) compuestos
de partiacuteculas soacutelidas Finalmente el polvo fue recolectado mediante un cicloacuten y sometido a un
50
tratamiento teacutermico para la eliminacioacuten total de los agentes orgaacutenicos surfactante y el agente
poroacutegeno la eliminacioacuten total de agua estructural la formacioacuten de oacutexidos y la cristalizacioacuten de
los mismos Cuatro diferentes temperaturas de tratamiento isoteacutermico fueron evaluadas 700 800
900 y 1000 degC a una velocidad de calentamiento de 3 degCmin por 2 h con el objeto de seguir la
cristalizacioacuten y la formacioacuten de las fases de hexaferrita de bario asiacute como la evaluacioacuten de la
microestructura y de las propiedades magneacuteticas en funcioacuten de la temperatura de tratamiento
teacutermico
34 CARACTERIZACIOacuteN
341 Difraccioacuten de rayos X
Las fases y estructuras cristalinas de la BaFe12O19 fueron analizadas por difraccioacuten de rayos x en
un difractoacutemetro Bruker modelo D8 Advance usando radiacioacuten Cu Kα (45 KV 30 mA) Las
muestras analizadas fueron escaneadas en un rango 2θ a partir de 20 a 80 deg y una amplitud de
paso constante de 002deg
342 Microscopiacutea electroacutenica de barrido
La caracterizacioacuten estructural y morfoloacutegica de la BaFe12O19 fue llevada a cabo en un
microscopio electroacutenico de barrido (SEM) de emisioacuten de campo JEOL JSM-7600F asiacute como su
caracterizacioacuten quiacutemica usando la teacutecnica de espectroscopiacutea de divisioacuten de energiacutea de los rayos
caracteriacutesticos (EDS) El tamantildeo de los agregados de BaFe12O19 fue determinado a partir de
imaacutegenes de SEM mediante la medicioacuten y anaacutelisis estadiacutestico de los datos usando el programa
Lince linear intercept (Verfuumlgbare Software)
51
343 Microscopiacutea electroacutenica de transmisioacuten
El microscopio electroacutenico de transmisioacuten (TEM) de emisioacuten de campo FEG Phillips Tecnai F20
fue usado para la obtencioacuten y estudio de la cristalinidad de las esferas de BaFe12O19 usando las
teacutecnicas de difraccioacuten de aacuterea selecta (SAEDP) alta resolucioacuten (HRTEM) y microscopia
electroacutenica de barrido-transmisioacuten (STEM) en su modalidad de campo oscuro anular (STEM-
ADF) Para su observacioacuten por TEM 10 mg del polvo obtenido despueacutes del secado por
aspersioacuten y calcinado a 700 degC se dispersoacute en 10 mL de etanol (Sigma-Aldrich) en un tubo para
micro-centrifuga de 15 ml (Eppendorf) Despueacutes la solucioacuten se dispersoacute usando un equipo
limpiador de vibracioacuten ultrasoacutenica Branson 1510 (42 KHz a 70 W) por 30 min Con ayuda de un
capilar una gota de la suspensioacuten homogeacutenea se depositoacute sobre una rejilla de cobre de 300 mesh
previamente recubierta con colodioacuten y una peliacutecula delgada de carboacuten La rejilla se secoacute a
temperatura ambiente por toda la noche El anaacutelisis y procesamiento computacional de las
imaacutegenes de TEM asiacute como la obtencioacuten de su transformada raacutepida de Fourier (FFT) se
analizaron con el software Digital Micrograph de la compantildeiacutea Gatan Tomando en cuenta las
posiciones xyz reportadas para la BaFe12O19 con grupo espacial P3mmc [47] se simularon
computacionalmente las imaacutegenes de HRTEM Para esto se crecioacute la celda a una supercelda de
4x4x4 celdas con el programa Diamond Crystal and Molecular Visualization [48] y se simularon
las imaacutegenes de TEM en el programa Simulatem [49] Las condiciones para la simulacioacuten fueron
200 Kv Cs de 12 mm y foco de Scherzer -5485 nm
344 Isotermas de adsorcioacutendesorcioacuten de nitroacutegeno
Las isotermas de adsorcioacutendesorcioacuten de nitroacutegeno a 77 K fueron obtenidas en un instrumento
Quantachrome Antes de su anaacutelisis las muestras (014 ndash 038 g) fueron colocadas en un tubo
bajo atmosfera de N2 y entonces degasificadas por 4 h a 100 degC Ademaacutes la distribucioacuten de
tamantildeo de mesoporo fue medida mediante la teacutecnica Barrett-Joyner-Halenda (BJH)
52
345 Espectroscopiacutea infrarroja
Las mediciones de espectroscopiacutea infrarroja (IR) fueron llevadas a cabo a temperatura ambiente
(46 HR) en un espectrofotoacutemetro con Transformada de Fourier Marca Bruker Modelo Tensor
27 Los espectrogramas fueron obtenidos en un rango de longitud de onda de 4000 a 400 cm-1
(tiempo de escaneo 32 scans) con una resolucioacuten de 4 cm-1
Los espectros fueron obtenidos a
partir de muestras en polvo con una correccioacuten de liacutenea base y suavizado usando el software
Tensor
346 Propiedades magneacuteticas
El anaacutelisis de las propiedades magneacuteticas de los agregados de BaFe12O19 fueron llevas a cabo
usando un magnetoacutemetro de muestra vibrante (VSM LDJ 9600) a temperatura ambiente
aplicando un campo magneacutetico constante de 5000 Oe Los valores de saturacioacuten magneacutetica (Ms)
magnetizacioacuten remanente (Mr) y coercitividad (Hc) fueron obtenidos a partir de la curva de
histeacuteresis
347 Potencial zeta ζ
Las mediciones de potencial zeta de los agregados de BaFe12O19 fueron obtenidos usando un
equipo ZetaMeter (Zetasizer Modelo Malverin 300 HSA) Se prepararon diferentes suspensiones
de polvo de BaFe12O19 (0011g) en 20 mL de agua destilada Para cada suspension el valor de pH
fue modificado a valores aacutecidos y baacutesicos desde 20 hasta 100 usando como modificadores de
pH aacutecido niacutetrico HNO3 e hidroacutexido de amonio NH4OH respectivamente
35 PRUEBAS BIOLOacuteGICAS
351 Extraccioacuten de ADN plasmiacutedico
La Fig 33 muestra el diagrama de extraccioacuten de ADN plasmidico Las etapas principales en la
extraccioacuten de ADNp incluye la preparacioacuten del lisado lavado y elucioacuten (Fig 33(a)) El plaacutesmido
53
recombinante presente en la cepa T7 Express Iq Competent de Escherichia coli [MiniF
laqIq(CamR)fhuA2 lacZT7 gene1 [Ion] ompT gal sulA11 R(mcr-73miniTn10mdashTets)2[dcm]
R(zgb-210Tn10mdashTets) endA1 Δ(mcrC-mrr)114IS10] fue aislado de acuerdo a las
instrucciones del Kit PureYieldTM Plasmid Miniprep System (Fig 33(b)) 30 microL de ADN + 10
microL de buffer de carga fueron cargados en un gel de agarosa al 08 para determinar la presencia
del plaacutesmido mediante electroforesis La electroforesis se llevoacute a cabo a 90 V por 30 min El gel
fue analizado en un Fotocodificador EL LOGIC 200
Figura 33 Extraccioacuten de ADN plasmiacutedico (a) Pasos generales en la extraccioacuten de ADNp y (b) procedimiento del
Kit Pure YieldTM Plasmid Miniprep System
352 Siacutentesis del peacuteptido DS
La Fig 34 muestra el diagrama general de siacutentesis del peacuteptido DS El Diagrama incluye los
pasos desde la expresioacuten del peacuteptido hasta su deteccioacuten y revelado con luminol
54
Figura 34 Diagrama de siacutentesis del peacuteptido DS a partir del plaacutesmido pFN21K El Diagrama incluye los pasos desde
la expresioacuten del peacuteptido hasta su deteccioacuten y revelado con luminol en un anaacutelisis tipo Western
a Siacutentesis a partir del plaacutesmido pF1A T7 Flexireg
Un pre-inoacuteculo de E coli fue preparado tomando una asada de la cepa T7 modificada para
sintetizar el peacuteptido pF1A T7 Flexi la cual se inoculo en 30 mL del medio de cultivo Luria-
Bertani (LB) El cultivo fue incubado a 37 degC por 18 h en agitacioacuten a 150 rpm La induccioacuten se
llevoacute a cabo distribuyendo 200 microL de pre-inoacuteculo + 20 microL de ampicilina (100 microgmL) en 20 mL
de LB El medio de cultivo fue incubado hasta alcanzar una densidad oacuteptica (DO) de 04 ndash 06
Los valores de DO fueron medidos en un Espectro Cary 50 Probe UV-vis spectro usando una
longitud de onda λ = 600 nm Una vez alcanzada la DO diferentes concentraciones de isopropil-
β-D-1-tiogalactopiranoacutesido (IPTG) fueron agregadas para inducir la concentracioacuten del peacuteptido
La concentracioacuten de IPTG fue calculada usando la Ecuacioacuten 1 La induccioacuten se incuboacute a 37 degC
por 3 h 10 mL de la induccioacuten fue tomado y centrifugado a 13000 rpm por 1 min el
sobrenadante fue descartado y fueron agregados al sedimento 100 microL de buffer de lisis La
muestra se hirvioacute por 10 min 50 microL de muestra fueron cargados en un gel de poliacrilamida para
determinar la expresioacuten del peacuteptido de intereacutes La muestra fue tratada con dodecil sulfato de
sodio (SDS CH3(CH2)10CH2OSO3-
Na+) La electroforesis se llevoacute a cabo a 200 V por 40 min
El fundamento de la electroforesis se basa en el movimiento de las partiacuteculas cargadas en un
campo eleacutectrico hacia un electrodo con carga opuesta El anioacuten del SDS se une con fuerza a las
55
proteiacutenas por adsorcioacuten no especiacutefica cuanto mayor es la proteiacutena maacutes cantidad del anioacuten
adsorberaacute El SDS desnaturaliza por completo a las proteiacutenas rompiendo todas las interacciones
no covalentes Como resultado las proteiacutenas adquieren una carga negativa a consecuencia de la
adsorcioacuten del anioacuten SO3-
La movilidad de las macromoleacuteculas depende de su carga forma y
tamantildeo Sin embargo dado que todas las proteiacutenas de la muestra tienen casi la misma forma y
carga el tamantildeo de las proteiacutenas se convierte en el factor determinante para su separacioacuten
Ecuacioacuten 31
donde
C1 = concentracioacuten de IPTG deseada
V1 = volumen del medio LB
C2 = concentracioacuten del stock de IPTG
V2 = volumen necesario de IPTG para alcanzar la concentracioacuten deseada
b Siacutentesis a partir del plaacutesmido pFN21K
Con el objetivo de llevar a cabo la expresioacuten y produccioacuten de proteiacutenas recombinantes ceacutelulas
derivadas de ovario de haacutemster chino Cricetulus griseus (ceacutelulas CHO) fueron transferidas con
el vector pFN21K construido especialmente para expresar el peacuteptido deseado 300 000 ceacutelulas
CHOpozo fueron sembradas en placas de seis pozos para cultivo celular en 1 mL de medio de
crecimiento completo (F-12K) e incubadas a una atmoacutesfera de 5 de CO2 y a 37 ordm C 24 horas
despueacutes las ceacutelulas CHO se transfectaron haciendo uso del kit XfetTM Transfection Reagent
siguiendo las instrucciones del fabricante y empleando 5 microg de plaacutesmido El cultivo celular
transfectado fue incubado durante 24 h en una atmosfera de 5 de CO2 y a 37 ordm C despueacutes de los
56
cuales el medio fue sustituido por medio celular nuevo y se incuboacute a las mismas condiciones de
CO2 y temperatura Se verificoacute la transfeccioacuten positiva de las ceacutelulas CHO y se procedioacute a la
extraccioacuten de proteiacutena total Las ceacutelulas CHO fueron lavadas dos veces con PBS frio esteacuteril a
continuacioacuten fueron antildeadidos a cada pozo 80 microL de buffer de lisis con una concentracioacuten final de
2X El complejo lisado fue recuperado en tubos de 15 mL y la proteiacutena se centrifugoacute a 14000
rpm a 4 ordmC por 20 min El sobrenadante fue recuperado Un anaacutelisis tipo Western blot fue
utilizado para verificar la expresioacuten del peacuteptido con ayuda de anticuerpos monoclonales El
primer paso de este anaacutelisis consistioacute en la separacioacuten de macromoleacuteculas proteicas mediante
geles de poliacrilamida al 10 Posteriormente las proteiacutenas se transfieren a una matriz de
nitrocelulosa la cual fue bloqueada con una solucioacuten de caseiacutena al 1 en amortiguador salino de
Tween20 al 01 Tris 100 mM pH 75 NaCl 09 (TTBS) Posteriormente se llevoacute a cabo una
serie de lavados utilizando solucioacuten amortiguadora de fosfatos (PBS) KHPO4 106 mM NaCl
15517 mM y NaPO4 297 mM pH 74 La deteccioacuten del peacuteptido deseado se realizoacute adicionando
como anticuerpo primario anti-HaloTagreg y como anticuerpo secundario anti-gallina acoplado a
la enzima peroxidasa de raacutebano (HRP) El revelado en una placa fotograacutefica para la deteccioacuten del
peacuteptido se llevoacute a cabo mediante la adicioacuten de luminol
353 Cargaliberacioacuten del peacuteptido
a Carga BaFe12O19-pF1AT7 Flexireg
10 mg de polvo de BaFe12O19 fueron puestos en contacto con 40 mL del peacuteptido DS producido a
partir del plaacutesmido pF1A T7 Flexireg mediante agitacioacuten lenta a temperatura ambiente durante 2 h
Los polvos de BaFe12O19 fueron recuperados del peacuteptido tomando 50 microL de la suspensioacuten a los
cuales se les agrego 50 microL de agua desionizada + 50 microL de buffer de lisis La mezcla se llevoacute a
ebullicioacuten por 10 min para su posterior carga en un gel de poliacrilamida para realizar un anaacutelisis
tipo Western
57
b Carga BaFe12O19-pFN21K
10 mg de polvo de BaFe12O19 fueron puestos en contacto con 40 mL de una solucioacuten acuosa del
peacuteptido DS-HaloTag mediante agitacioacuten lenta a temperatura ambiente Una aliacutecuota de la
solucioacuten fue tomada a tiempos predeterminados para medir la DO600 La disminucioacuten de DO
indica que el peacuteptido DS-HaloTag se ha absorbido en los sistemas nanoestructurados de
BaFe12O19
354 Liberacioacuten del peacuteptido DS de los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19
Los polvos de BaFe12O19 fueron recuperados de la solucioacuten acuosa que conteniacutea el peacuteptido DS-
HaloTag A continuacioacuten fueron colocados en medio F12K e incubados a una atmoacutesfera de 5
de CO2 a 37 ordmC Para verificar la liberacioacuten del peacuteptido Halo-DS a tiempos predeterminados una
aliacutecuota del medio fue tomada y medida la DO600
58
CAPIacuteTULO 4
RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN
59
CAPIacuteTULO 4 RESULTADOS Y DISCUSION
En este capiacutetulo se presentan los resultados obtenidos en el disentildeo y siacutentesis de los sistemas
nanoestructurados de BaFe12O19 fabricados a partir de un disentildeo experimental factorial 2f y
sintetizados a traveacutes del meacutetodo sol-gel y secado por aspersioacuten A partir de los resultados
obtenidos en la caracterizacioacuten estructural morfoloacutegica fisicoquiacutemica y magneacutetica de los
sistemas de BaFe12O19 asiacute como las pruebas bioloacutegicas que incluyen el estudio de carga y
liberacioacuten del peacuteptido DS utilizado como faacutermaco modelo se discute la capacidad de estos
sistemas para ser usados como sistemas de liberacioacuten de faacutermaco
41 DISENtildeO FACTORIAL 2f
La Tabla 4I muestra el total de 8 experimentos llevados a cabo cuando se realizoacute el disentildeo
experimental 2f asiacute como los valores obtenidos para el diaacutemetro promedio de agregado de
BaFe12O19 aacuterea superficial especiacutefica BET volumen de mesoporo y diaacutemetro promedio de
macroporo de los agregados de BaFe12O19el volumen de poro y el tamantildeo de aglomerado
promedio para todos los experimentos Se observa un efecto sobre el volumen de poro y el
tamantildeo de los agregados nanoestructurados macroporosos de BaFe12O19 Los diaacutemetros promedio
de los agregados esfeacutericos obtenidos despueacutes del proceso de secado por aspersioacuten y calcinados a
700 degC variaron de 150 a 173 microm Las partiacuteculas nanoestructuradas superparamagneacuteticas de
oacutexido de hierro desde 29 nm hasta 35 microm han sido sintetizadas por varios autores La mayoriacutea
de las aplicaciones son dependientes del tamantildeo En este trabajo se ha elegido sintetizar
agregados esfeacutericos macroporosos de tamantildeo micromeacutetrico con la finalidad de aumentar la carga
uacutetil en los sistemas de liberacioacuten de faacutermacos asegurando tambieacuten con ello la estabilidad de los
agregados durante el transporte en el torrente sanguiacuteneo Ademaacutes se ha tomado en cuenta que el
tamantildeo maacutes grande de agregado obtenido aquiacute sea capaz de ser inyectado auacuten en los capilares
(los cuales miden alrededor de 5 a 10 microacutemetros de diaacutemetro)
60
Un anaacutelisis estadiacutestico de variancia (ANOVA) fue llevado a cabo para establecer que los factores
A B y C correspondientes a la presioacuten (P) temperatura (T) y PS respectivamente asiacute como
sus interacciones AB AC BC y ABC afectan la morfologiacutea y el tamantildeo del agregado Para este
tipo de modelo la estadiacutestica de prueba (F0) para cada efecto principal e interaccioacuten pueden
construirse dividiendo el cuadrado medio (MS) correspondiente del efecto o interaccioacuten por el
cuadrado medio del error Mientras que el estadiacutestico de referencia (FT) es obtenido a partir de la
literatura El nuacutemero de grados de libertad (GL) de cualquier efecto principal es el nuacutemero de
niveles del factor menos uno y el nuacutemero de GL de una interaccioacuten es el producto del nuacutemero de
GL asociados con los componentes individuales de la interaccioacuten Cuando F0 gt FT los efectos
individuales o sus interacciones muestran un efecto significativo en las variables de respuesta
De acuerdo al anaacutelisis ANOVA en la Tabla 4II el cual analiza el diaacutemetro de agregado
promedio el uacutenico factor que tienen un efecto significativo sobre el tamantildeo del agregado es la
presioacuten de aire del aspersor Mientras que un efecto miacutenimo puede estar dado por la temperatura
o por la combinacioacuten de los factores presioacuten-temperatura y temperatura-poroacutegeno
De la misma manera un anaacutelisis ANOVA en la Tabla 4II donde se muestra el anaacutelisis de aacuterea
superficial especiacutefica BET de los agregados nanoestructurados muestra que los factores que
tienen un efecto significativo sobre BET estaacuten dados por la concentracioacuten del template por siacute
sola ademaacutes de la interaccioacuten entre los factores presioacuten-template y temperatura-template
Ademaacutes un anaacutelisis ANOVA fue llevado a cabo para analizar el volumen de mesoporos de los
agregados nanoestructurados obtenidos La Tabla 4II muestra que los efectos que tienen un
efecto significativo sobre el volumen de mesoporos son la presioacuten por siacute sola y la interaccioacuten de
los factores presioacuten-template y temperatura-template
Finalmente un anaacutelisis ANOVA fue llevado a cabo para analizar el diaacutemetro de macroporo La
Tabla 4II muestra que ninguacuten factor tiene un efecto significativo sobre el tamantildeo de macroporo
Pudiera ser considerado que los factores que tienen un miacutenimo efecto sobre el tamantildeo de
61
macroporo son la temperatura por si sola y las interacciones de los factores presioacuten-temperatura
y temperatura-poroacutegeno Se concluye que el tamantildeo de macroporo es determinado
principalmente por el tamantildeo del PS En este trabajo las esferas del agente poroacutegeno de PS
usadas fueron de 200 nm de diaacutemetro promedio
Tabla 4I Variables de respuesta (oslashagregado SBET Vmesoporo oslashmacroporo) del disentildeo experimental fraccionario 2f como
resultado del efecto de los factores P T y PS
1No Exp
2Factor
3oslashagregado
4SBET
5Vmesoporo
6oslashmacroporo
P T PS
1 - - - 169 2705 00743 1946
2 - + - 173 2456 00639 2340
3 + - - 171 3420 01686 2362
4 + + - 158 2199 00238 2213
5 - - + 150 2031 00463 2206
6 - + + 164 2064 00085 2435
7 + - + 172 1481 01015 2085
8 - - + 173 1116 00143 1971
1 = Nuacutemero de experimento 2 = Los factores de presioacuten (P Kgcm2) temperatura (T degC) y porcentaje en peso del
poliestireno (PS) usado como agente poroacutegeno muestran dos niveles nivel bajo (-) y nivel alto (+)
correspondientes a 15 Kgcm2 y 20 Kgcm
2 180 degC y 200 degC y 30 y 50 respectivamente 3 oslashagregado (microm) =
diaacutemetro promedio de agregado de BaFe12O19 SBET (m2g) = aacuterea superficial especiacutefica BET Vmesoporo (cm
3g)=
volumen de mesoporo oslashmacroporo (nm) = diaacutemetro promedio de macroporo de los agregados de BaFe12O19
62
Tabla 4II Anaacutelisis de variancia ANOVA
ANOVA
EFECTO FACTOR 1SS
2GL
3MS
4F0
5FT
oslashagregado
A 049 1 00150 574
532
B 039 1 00095 363
AB -035 1 00076 293
C -005 1 00001 005
AC 015 1 00014 053
BC 031 1 00060 229
ABC 017 1 00018 069
ERROR 0041 8 00026
TOTAL 0083 15
SBET
A -2235 1 31220 2300
532
B -1653 1 17070 1128
AB -2529 1 39970 294
C -5501 1 18910 1393
AC -3887 1 94420 6958
BC -4235 1 11200 8260
ABC -0590 1 00021 0001
ERROR 21713 8 1357
TOTAL 70108 15
Vmesoporo
A -079 1 0063 866
532
B -050 1 0168 398
AB 035 1 0023 174
C 046 1 0049 298
AC -065 1 0008 581
BC -066 1 0101 602
ABC 059 1 0014 479
ERROR 0073 8 00046
TOTAL 0227 15
oslashmacroporo
A 600 1 2250 001
532
B -656 1 2689 234
AB -766 1 3667 319
C 176 1 1936 016
AC -384 1 9216 080
BC -754 1 35532 309
ABC 480 1 14400 125
ERROR 18372 8 11483
TOTAL 30860 15
1SS = suma de cuadrados
2GL = grados de libertad
3MS = cuadrado promedio
4F0 = valor estadiacutestico de prueba F
5FT = valor estadiacutestico de referencia
63
42 CARACTERIZACIOacuteN
421 Difraccioacuten de rayos X
La Fig 41 presenta los espectros de XRD de las muestras obtenidas a temperaturas de
calcinacioacuten de 700 800 900 y 1000 degC La indexacioacuten de los espectros de XRD indicoacute la
coexistencia de las fases hexaferrita H = BaFe12O19 monoferrita O = BaFe2O4 y hematita F =
Fe2O3 en todas las muestras La fase H hexaferrita tiene una celda unitaria hexagonal (tarjeta
Crystallography Open Database COD 1008841) con paraacutemetros de red a = b =0589 nm y c =
2318 nm la fase monoferrita O tiene una celda unitaria ortorroacutembica (tarjeta COD 4107896) con
paraacutemetros de red a = 1899 nm b = 0538 nm c = 0844 nm y la fase hematita F tiene una celda
unitaria hexagonal (tarjeta COD 9015964) con paraacutemetros de red a = b = 0503 nm y c = 1374
nm Como puede observarse el contenido de la fase H aumenta con la temperatura y
simultaacuteneamente disminuye la fase F
Figura 41 Espectro DRX del polvo de las esferas de BaFe12O19 obtenidas despueacutes del proceso de secado por
aspersioacuten y calcinado a diferentes temperaturas Este presenta las fases H = BaFe12O19 (tarjeta Crystallography Open
Database COD 1008841) F = Fe2O3 (tarjeta COD 9015964)
64
422 Microscopiacutea electroacutenica de barrido
La Fig 42(a) muestra una imagen de SEM representativa de los agregados esfeacutericos de
BaFe12O19 de los polvos obtenidos despueacutes del proceso de secado por aspersioacuten y antes de ser
sometido a un tratamiento teacutermico Una amplificacioacuten a 20000 X (Fig 42(b)) muestra un
agregado de BaFe12O19 en el cual pueden ser observadas las esferas de poliestireno (PS) antes de
ser eliminadas durante el tratamiento teacutermico
Figura 42 Imaacutegen SEM de (a) agregados esfeacutericos de BaFe12O19 antes de ser tratados teacutermicamente y (b) una
amplificacioacuten a 20000 X que muestra un agregado de BaFe12O19 en el cual pueden ser observadas las esferas de
poliestireno (PS) antes de ser eliminadas
La Fig 43(a) y Fig 43(c) muestra imaacutegenes de SEM representativas de los agregados de
BaFe12O19 Las imaacutegenes fueron tomadas con electrones secundarios (SE) a 5 KV Se puede
observar que los agregados porosos nanoestructurados presentan una morfologiacutea esfeacuterica Los
insertos en la Fig 43(a) y Fig 43(c) muestran una amplificacioacuten de los agregados de BaFe12O19
Noacutetese que las esferas son macroporosas y policristalinas constituidas por cristales alargados o
fibras de tamantildeo micromeacutetrico formando una estructura tipo nido La macroporosidad fue
producto de la pirolisis de las esferas de poliestireno durante el tratamiento teacutermico Sin embargo
no existe evidencia clara en los espectros de DRX (Fig 41) de crecimiento preferencial de
ninguna de las fases
65
Las Fig 43(b) y Fig 43(d) muestra los histogramas de distribucioacuten de tamantildeo de agregado
correspondiente a las Fig 43(a) y Fig 43(c) respectivamente Los agregados tienen un diaacutemetro
promedio de aprox 17 microm el cual como se mencionoacute anteriormente cumple con el requisito de
ser menor de 50 microm para poder ser introducido en una suspensioacuten inyectable Los agregados
esfeacutericos observados en las muestras son praacutecticamente del mismo tamantildeo puesto que el tamantildeo
de estos agregados es resultado del tamantildeo de la gota producida en la boquilla del equipo de
secado pero tambieacuten puede estar influenciado por la reologiacutea de la suspensioacuten alimentada La
distribucioacuten de tamantildeo de agregado fue determinada a partir de imaacutegenes SEM mediante anaacutelisis
estadiacutestico usando el software linear Lynx Los histogramas describen el comportamiento en
cuanto a tendencia central forma y dispersioacuten del conjunto de datos analizados (agregados de
BaFe12O19 N = 300)
Ademaacutes se observa una morfologiacutea esfeacuterica homogeacutenea con un tamantildeo de macroporo de aprox
200 nm de diaacutemetro con una desviacioacuten estaacutendar de 50 nm Este resultado es loacutegico si
consideramos que la suspensioacuten alimentada estaacute constituida ademaacutes del gel por las esferas de
poliestireno monomodales cuyo tamantildeo promedio es de 223 nm Por lo tanto estos materiales
caen en la clasificacioacuten de materiales macroporosos de acuerdo a la IUPAC Ademaacutes la
distribucioacuten de los mesoporos de los agregados esfeacutericos obtenidos fue determinada por la teacutecnica
BJH En promedio los mesoporos son del orden de 12 nm con una desviacioacuten estaacutendar de 2 nm
Como se mencionoacute anteriormente debido al disentildeo factorial 2f un conjunto de 8 experimentos
fue realizado Todas las muestras tienen una estructura y morfologiacutea similar por lo tanto las
imaacutegenes representativas para cada una de las concentraciones de PS 30 y 50 en peso
respectivamente son mostradas La muestra en la Fig 43(a) fue sintetizada con una temperatura
interna de 200 degC y una presioacuten de 20 Kgcm2 correspondiente a los paraacutemetros de secado por
aspersioacuten y a una concentracioacuten de esferas de poliestireno de 50 La muestra en la Fig 43(c)
fue sintetizada con una temperatura interna de 180 degC y una presioacuten de 15 Kgcm2
correspondiente a los paraacutemetros de secado por aspersioacuten y una concentracioacuten de esferas de
poliestireno de 30 La diferencia principal entre las imaacutegenes de las Fig 44(3) y Fig 44(3) es
la distribucioacuten de tamantildeo de poro
66
Figura 43 Imaacutegenes de SEM de los agregados de BaFe12O19 y sus correspondientes histogramas de distribucioacuten de
tamantildeo (a) Muestra con 50 de PS bajo condiciones de secado por aspersioacuten de 200 degC y 20 Kgcm2 y su
correspondiente distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula (b) (c) Muestra con 30 de PS bajo condiciones de secado por
aspersioacuten de 180 degC y 15 Kgcm2 y su correspondiente distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula (d) Las muestras fueron
calcinadas a 700 degC
Una variedad de diferentes morfologiacuteas han sido reportadas en la literatura Por ejemplo
Okuyama y cols [75] han reportado la siacutentesis de partiacuteculas esfeacutericas completamente densas
partiacuteculas esfeacutericas rugosas partiacuteculas huecas partiacuteculas tipo dona partiacuteculas porosas partiacuteculas
encapsuladas y una mezcla de partiacuteculas Chiemi y cols [51] han reportado la siacutentesis de
partiacuteculas nuacutecleo-coraza Ademaacutes otras morfologiacuteas tales como nanoalambres nanocilindros
nanotubos y nanopartiacuteculas tipo gusano han sido reportadas en la literatura En este trabajo se han
obtenido agregados nanoestructurados de BaFe12O19 con una morfologiacutea esfeacuterica Una ventaja de
las partiacuteculas esfeacutericas es su importancia praacutectica debido a sus propiedades reoloacutegicas cuando se
67
comparan con otras morfologiacuteas Por ejemplo cuando se encuentran en los vasos sanguiacuteneos el
flujo de los microagregados de forma esfeacuterica en el torrente sanguiacuteneo se ve mejorado
El anaacutelisis EDS (Fig 44(a)) y su respectivo mapeo quiacutemico (Fig 44(b)) realizado en el SEM
indicoacute que los agregados de BaFe12O19 estaacuten compuestos como era de esperarse por los
elementos quiacutemicos Ba Fe y O El pico de C es producido por la cinta doble cara de carbono
usada como adhesivo en soporte Este resultado demuestra que la composicioacuten de las esferas
obtenidas contiene los mismos elementos que fueron introducidos en la siacutentesis y no presentan
contaminacioacuten
Figura 44 (a) Espectro EDS de los agregados de BaFe12O19 el cual indica la presencia de los elementos Ba Fe y O
El C es producido por la cinta doble cara de carbono usada como adhesivo en soporte (b) Mapeos quiacutemicos de EDS
de los agregados de BaFe12O19 Imagen SEM en el modo de electrones secundarios Las imaacutegenes de Ba (verde) Fe
(rojo) y O (azul) indican su distribucioacuten homogeacutenea y que estos elementos son los uacutenicos presentes en las muestras
423 Microscopiacutea electroacutenica de transmisioacuten
La Fig 45 presenta las imaacutegenes de STEM-ADF de los agregados de BaFe12O19 calcinadas a
700 degC Estas imaacutegenes confirman que las esferas estaacuten conformadas principalmente por cristales
alargados tipo platelets Estos cristales son tan alargados que llegan a alcanzar una longitud del
tamantildeo de la esfera Por ejemplo en la Fig 45(d) se observa una esfera de aproximadamente 921
nm de diaacutemetro y la longitud del cristal maacutes largo es de 700 nm aproximadamente El tamantildeo
68
promedio de las esferas fue de 17 +- 04 microm y de los cristales alargados de 2991 +- 801 nm en
longitud y 341 +- 77 nm en espesor
Figura 45 Imaacutegenes de STEM-ADF de los agregados de BaFe12O19 Las esferas estaacuten conformadas principalmente
por cristales alargados
La Fig 46 muestra imaacutegenes de STEM-ADF (Fig 46(a)) y de TEM (Fig 46(b) de una esfera
de BaFe12O19 de aproximadamente 1 microm de diaacutemetro Estas imaacutegenes permiten comparar el
contraste presentado por los cristales que conforman las esferas por estas teacutecnicas Noacutetese que la
esfera presenta un cristal alargado de aproximadamente 850 nm de largo y cuyo contraste es
mejor observado por STEM-ADF
Figura 46 Imaacutegenes de una misma esfera de BaFe12O19 en el modo (a) STEM-ADF y (b) TEM las cuales permiten
comparar el contraste de los cristales que la conforman
69
Es importante indicar que el uso del limpiador ultrasoacutenico permitioacute obtener las muestras
analizadas por TEM en este trabajo El limpiador produce una vibracioacuten de 42 KHz a una
potencia de 70 W y genera alternativamente ondas de alta y baja presioacuten que transmiten sonidos
de alta y baja frecuencia La baja presioacuten genera burbujas microscoacutepicas que explotan
raacutepidamente liberando asiacute la energiacutea Este proceso denominado cavitacioacuten puede llevar a la
desintegracioacuten de los materiales que conforman las esferas de BaFe12O19 El calor permite
acelerar el proceso
En la Fig 47 se presentan las imaacutegenes de TEM en el modo de campo claro (Fig 47(a) y Fig
47(c) y en el modo de campo oscuro (Fig 47(b) y Fig 47(d) del material que conforman los
agregados despueacutes de haber sido desaglomerados por el tratamiento ultrasoacutenico al que fueron
sometidas Este material fue por lo tanto estructuralmente estudiado por difraccioacuten electroacutenica
de aacuterea selecta (SAEDP) El inserto en la Fig 47(b) presenta el patroacuten SAEDP de anillos
provenientes del material presentado en la Fig 47(a) mientras que el inserto en la Fig 47(d)
presenta el patroacuten SAEDP del cristal alargado mostrado en la Figura 47(c) La indexacioacuten de
estos patrones indicoacute que todo el material corresponde a la estructura hexagonal de la BaFe12O19
con paraacutemetros de red a = b = 0589 nm y c = 2318 nm (tarjeta Crystallography Open Database
COD 1008841)
Figura 47 Imaacutegenes de TEM en campo claro (a y c) y en campo oscuro (b y d) del material que conforman las
esferas despueacutes de haber sido desbaratadas por el tratamiento ultrasoacutenico El inserto en (b) presenta el patroacuten SAEDP
proveniente del material presentado en (a) El inserto en (d) presenta el patroacuten SAEDP del cristal alargado
presentado en (c)
70
La Fig 48(a) y Fig 48(b) muestran imaacutegenes HRTEM de uno de los cristales alargados
individuales que conforman los agregados poros de BaFe12O19 obtenidos Ademaacutes la
coexistencia de las fases entre los cristales de BaFe12O19 y los cristales de BaFe2O4 son
mostrados en la Fig 48(c) Por otra parte la Fig 48(d) muestra la coexistencia de las fases entre
los cristales de BaFe12O19 y los cristales de Fe2O3
Figura 48 Imaacutegenes HRTEM de los cristales que conforman los agregados porosos de BaFe12O19 (a) y (b)
corresponden a cristales individuales de la fase BaFe12O19 (c) Coexistencia entre las fases BaFe12O19 y BaFe2O4 (d)
Coexistencia entre las fases BaFe12O19 y Fe2O3
Las fibras fueron tambieacuten observadas por HRTEM para analizar la estructura y el ordenamiento
que presentan los aacutetomos que conforman sus cristales La Fig 49(a) presenta la imagen de
HRTEM de uno de los cristales alargados El inserto en esta figura presenta la correspondiente
Transformada Raacutepida de Fourier (FFT) del cristal la cual indica que el eje de zona corresponde
al eje de la zona en la direccioacuten [2-110] En la Fig 49(b) se presenta la imagen digitalmente
procesada correspondiente al aacuterea del recuadro indicado en la Fig 49(a) y la cual fue obtenida
usando el filtro indicado por el inserto A parte del arreglo presentado esta imagen indica que el
eje de crecimiento de los cristales alargados es en la direccioacuten [10-10] En el estudio por HRTEM
no solo se observan cristales alargados perfectamente formados sino que una gran mayoriacutea
presenta defectos principalmente fallas de apilamiento La Fig 49(c) presenta una imagen de
HRTEM de otro de los cristales alargados en la cual se observa una gran cantidad de defectos
71
La imagen presentada en la Fig 49(d) corresponde a la imagen digitalmente procesada del aacuterea
indicada en el recuadro presentado en la Fig 49(c)
Figura 49 (a) Imagen de HRTEM de uno de los cristales alargados que conforman las esferas de BaFe12O19 El
inserto presenta la correspondiente FFT la cual indica que el eje de zona corresponde al eje en la direccioacuten [2-110]
(b) Imagen digitalmente procesada correspondiente al aacuterea del recuadro indicado en (a) El filtro usado para el
procesamiento es indicado en el inserto (c) Imagen de HRTEM de otro de los cristales alargados con defectos (d)
Imagen digitalmente procesada del aacuterea indicada en el recuadro en (c)
Usando los valores de las posiciones xyz reportadas para BaFe12O19 con grupo espacial P3mmc
[27] se obtuvo la celda unitaria y se simularon digitalmente las imaacutegenes de HRTEM La Fig
410 presenta la celda unitaria obtenida en las direcciones [10-10] (Fig 410(a) y [21-10] (Fig
410(b)
La estructura de BaFe12O19 se puede construir usando tres unidades baacutesicas [30-32] S R y T La
unidad S a su vez presenta dos sub-unidades S0 con una carga eleacutectrica neutra y con foacutermula
quiacutemica Me22+
Fe43+
O8 (donde Me representa metales divalentes tales como Mn2+
Fe2+
Co2+
Ni2+
Zn2+
Mg2+
) y S2+
con carga eleacutectrica 2+ y con foacutermula quiacutemica (Fe63+
O8)2+
La unidad R
presenta carga eleacutectrica 2- y con foacutermula quiacutemica (Ba2+
Fe 63+
O11)2-
La unidad T presenta carga
eleacutectrica neutra y con foacutermula quiacutemica Ba22+
Fe83+
O 14 Estas unidades se unen para dar lugar a la
estructura de diferentes oacutexidos ferromagneacuteticos Por ejemplo al unir la unidad S2+
con la unidad
R se obtiene la secuencia de apilamiento RS la cual presenta carga eleacutectrica neutra y con
foacutermula quiacutemica BaFe12O19 Asiacute la celda unitaria de la BaFe12O19 se obtiene con la secuencia
SRSR donde dignifica una rotacioacuten de 180ordm alrededor del eje c La Fig 410 presenta las
72
unidades S S R y R de la celda unitaria de la BaFe12O19 observadas en las direcciones [21-10]
y [10-10] respectivamente
Vale la pena comentar que si se designa como la unidad M a BaFe12O19 y definimos a ST con
foacutermula quiacutemica Ba22+
Me22+
Fe123+
O22 como la unidad Y las hexaferritas pueden representarse
como apilamientos de las unidades S M y Y [64] Por lo tanto la combinacioacuten de las unidades S
R y T da origen al apilamiento que generan las diferentes estructuras observadas en las ferritas
[6566] y es natural deducir la existencia de las estructuras tipo politipo con la misma
composicioacuten quiacutemica en estos compuestos En nuestro caso los patrones de difraccioacuten SAEDP
obtenidos en este trabajo no indican la presencia de estructuras tipo politipo ya que no se
presentaron reflexiones provenientes de suacuteper-redes
Figura 410 Celda unitaria de BaFe12O19 obtenidas usando los valores indicados en [27] y observada en la direccioacuten
[10-10] (a) y en la direccioacuten [21-10] (b) Tambieacuten se presentan las unidades S y R El plano que contiene a Ba es un
plano espejo Ba en verde Fe en amarillo y O en rojo
La Fig 411 muestra la simulacioacuten digital de las imaacutegenes de HRTEM y sus correspondientes
patrones de difraccioacuten de aacuterea selecta en la direccioacuten [0001] (Fig 411(a) en la direccioacuten [10-10]
(Fig 411(b) y en la direccioacuten [2-1-10] (Fig 411(c) En estas Figuras se presentan las posiciones
de los aacutetomos de Ba (en verde) Fe (en amarillo) y O (en rojo) dentro de la celda unitaria
hexagonal de BaFe12O19 en proyeccioacuten a lo largo de las direcciones [0001] [10-10] y [2-1-10]
respectivamente Las condiciones de simulacioacuten fueron V = 200 KV con desenfoque de Scherzer
en -5485 nm y 4x4x4 celdas Noacutetese que las liacuteneas oscuras corresponden a posiciones de los
73
aacutetomos de Ba con los aacutetomos de Fe Los resultados indicaron que los agregados de BaFe12O19
producidos consisten de varios pequentildeos cristales alargados platelets cuyos arreglos atoacutemicos
presentan en algunos casos un perfecto arreglo (regiones libres de defectos) pero tambieacuten se
observaron desajustes en el apilamiento (mismatches) en otros casos
Figura 411 Simulacioacuten computacional de imaacutegenes de HRTEM en las direcciones [0001] (a) [10-10] (b) y [2-1-
10] (c) Se presenta la proyeccioacuten de la celda BaFe12O19 en las direcciones indicadas la simulacioacuten de su imagen en
el desenfoque de Scherzer y su correspondiente patroacuten de difraccioacuten del aacuterea selecta simulado Las condiciones de
simulacioacuten fueron V = 200 KV desenfoque de Scherzer en -5485 nm y 4x4x4 celdas Ba en verde Fe en amarillo
y O en rojo
La Fig 412 muestra la imagen de HRTEM experimental en la direccioacuten [2-110] de uno de los
cristales alargados que conforman los agregados de BaFe12O19 junto con la imagen
computacional simulada en la misma direccioacuten En este caso la imagen de HRTEM no presenta
defectos (al menos no observables) y las franjas presentan una periodicidad de 1159 nm que
corresponden a la mitad de la periodicidad a lo largo del eje c Tambieacuten se incluye las posiciones
de la superposicioacuten de los aacutetomos de Ba con los aacutetomos de Fe
74
Figura 412 Imagen de HRTEM en la direccioacuten [1-100] de uno de los cristales alargados que conforman los
agregados de BaFe12O19 y la imagen computacionalmente simulada en la misma direccioacuten En este caso la imagen de
HRTEM no presenta defectos Tambieacuten se incluyen las posiciones de los aacutetomos en la celda unitaria Ba en verde Fe
en amarillo y O en rojo
424 Isotermas de adsorcioacutendesorcioacuten de nitroacutegeno
La Fig 413 muestra las isotermas tiacutepicas de adsorcioacutendesorcioacuten para las muestras de BaFe12O19
calcinadas a 700 degC con concentraciones de PS de 30 y 50 respectivamente La muestra en la
Fig 413(a) fue sintetizada con una temperatura interna de 200 degC y una presioacuten de 20 Kgcm2
correspondiente a los paraacutemetros de secado por aspersioacuten y una concentracioacuten de esferas de
poliestireno de 50 La muestra en la Fig 413(b) fue sintetizada con una temperatura interna de
180 degC y una presioacuten de 15 Kgcm2 correspondiente a los paraacutemetros de secado por aspersioacuten y
una concentracioacuten de esferas de poliestireno de 30 De acuerdo a la clasificacioacuten BET las
isotermas corresponden a una isoterma tiacutepica tipo II Este tipo de isoterma se caracteriza por
raacutepido aumento inicial del volumen de gas adsorbido con el incremento en la presioacuten relativa
cambiando a un incremento lento El punto de inflexioacuten corresponde tanto a la finalizacioacuten del
recubrimiento de la mono capa y el llenado de los poros por condensacioacuten capilar El resto de la
curva corresponde a la formacioacuten de la multicapa Este tipo de isoterma es usualmente
encontrado en partiacuteculas mesoporosas El aacuterea superficial es calculada a partir de las isotermas
usando el meacutetodo BET a una presioacuten relativa por debajo de 03 A partir de la ecuacioacuten BET el
aacuterea superficial especiacutefica SBET de las partiacuteculas porosas de BaFe12O19 fue determinada SBET de
75
los agregados de BaFe12O19 varioacute de 1116 hasta 2705 m2g (Tabla IV) Dos tipos de poro son
observados en los agregados de BaFe12O19 mesoporos y macroporos Los mesoporos se
presentan en los espacios entre las partiacuteculas primarias y son el resultado de la pirolisis de las
micelas formadas por el surfactante Los macroporos son obtenidos como resultado de la pirolisis
del poliestireno Los insertos en la Fig 413(a) y Fig 413(b) muestran la distribucioacuten de tamantildeo
de los mesoporos obtenidos por el meacutetodo BET de adsorcioacuten de N2 El diaacutemetro promedio de
mesoporo varioacute entre 34 nm y 12 nm aproximadamente
Figura 413 Isotermas de adsorcioacutendesorcioacuten BET para (a) muestra con 50 de esferas de PS bajo condiciones de
secado por aspersioacuten de 200 degC y 20 Kgcm2 y (b) muestra con 30 de esferas de PS bajo condiciones de secado
por aspersioacuten de 180 degC y 15 Kgcm2 Las muestras fueron calcinas a 700 degC
425 Espectroscopiacutea infrarroja
El espectro FTIR de los agregados de BaFe12O19 calcinados a 700 degC mostrado en la Fig 414
evidencia de las bandas de vibracioacuten tiacutepicas para la BaFe12O19 estequiomeacutetrica a 132740 cm-1
y
140412 cm-1
las cuales son asignadas a los modos de vibracioacuten Fe-O de los sitios tetraeacutedricos y
octaeacutedricos en BaFe12O19 Las posiciones de estas bandas dependen de la estequiometriacutea de la
BaFe12O19 Las posiciones de las bandas a 35508 cm-1
54503 cm-1
61631 cm-1
69926 cm-1
y
87333 cm-1
corresponden a los enlacesgrupos funcionales del peacuteptido DS La interaccioacuten entre
BaFe12O19 y el poliacutemero induce un cambio en los picos caracteriacutesticos de BaFe12O19 a nuacutemero de
76
onda mayores como una funcioacuten de la relacioacuten surfactantepoliacutemero La presencia de nuevas
bandas en el espectro correspondiente a la BaFe12O19 en 30984 cm-1
y 87333 cm-1
indica la
adsorcioacuten del peacuteptido La regioacuten de 600 a 1000 cm-1
contiene los grupos funcionales
correspondientes a los enlaces C-C C-O y C-N Asiacute mismo la regioacuten entre 750 y 900 cm-1
incluyen grupos aromaacuteticos por lo tanto los grupos funcionales correspondientes a la
fenilalanina o al triptoacutefano pueden corresponder a los observados en el espectro IR [84]
Figura 414 Espectro Infrarrojo (IR) que muestra los enlacesgrupos funcionales a nuacutemeros de onda (cm-1
)
especiacuteficos correspondientes al peacuteptido DS-HaloTag libre y los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 libres y
cargados con el peacuteptido
426 Propiedades magneacuteticas
Una manera de medir las propiedades magneacuteticas es a traveacutes de las curvas de histeacuteresis las cuales
permiten la evaluacioacuten de las propiedades macroscoacutepicas tales como la saturacioacuten magneacutetica Ms
remanencia magneacutetica Mr y coercitividad Hc Estas propiedades definen el caraacutecter magneacutetico
de los materiales sintetizados La Fig 415 muestra las curvas de histeacuteresis a diferentes
77
temperaturas de calcinacioacuten La Tabla 4III muestra las propiedades magneacuteticas de todas las
muestras En general Ms Mr y Hc muestran un incremento como una funcioacuten de la temperatura
de calcinacioacuten y Hc incrementa con la temperatura en todos los casos El valor maacutes bajo de Mr
se obtuvo para la muestra calcinada a 700 degC Ademaacutes hay un cambio claro en el
comportamiento magneacutetico asociado con las temperaturas del tratamiento teacutermico El cambio
tiene que estar relacionado con el porcentaje del contenido de las diferentes fases presentadas en
las muestras y tambieacuten tiene que estar relacionado al tamantildeo de los cristales que constituyen los
agregados de BaFe12O19 A partir de las curvas de histeacuteresis mostradas en la Fig 420 y basado en
los valores de coercitividad mostrados en la Tabla 4III se observa que uacutenicamente el material
obtenido a 700 degC se comporta como un material magneacutetico semi-duro mientras que para todas
las demaacutes temperaturas desde 800 a 1000 degC el material muestra un comportamiento magneacutetico
duro
Figura 415 Curvas de histeacuteresis de los agregados de BaFe12O19 calcinados a diferentes temperaturas Los valores de
las muestras fueron tomadas a temperatura ambiente y 5000 Oe
78
Tabla 4III Propiedades magneacuteticas de los agregados porosos de hexaferrita de bario
Propiedades magneacuteticas
Muestra Temperatura de
calcinacioacuten (ordmC) Ms (emug) Mr (emug) Hc (Oe)
1 700 1424 379 194650
2 800 1249 592 463160
3 900 2826 152 479146
4 1000 4511 241 427750
El anaacutelisis de la composicioacuten estructural de los agregados indican que las fases monoferrita (O) y
hematita (F) estaacuten presentes Sin embargo la fase hexagonal H es la fase mayoritaria a la
temperatura de calcinacioacuten de 1000 degC Como se muestra en la Tabla 4III un cambio
significativo ocurre como una funcioacuten de la temperatura de calcinacioacuten en las propiedades
magneacuteticas de las muestras Es evidente que el cambio estaacute relacionado con la presencia de las
diferentes fases La mejor combinacioacuten de las propiedades magneacuteticas fue Ms = 4511 emug
(1000 degC) y Hc = 479148 Oe (900 degC)
Estos valores de magnetizacioacuten son cercanos a los obtenidos por Xu y cols [23] quienes
sintetizaron esferas mesoporosas huecas de BaFe12O19 usando el meacutetodo de pirolisis por
aspersioacuten obteniendo un valor de Ms = 504 emug para muestras calcinadas a 1000 degC
Gonzaacutelez-Carrentildeo y cols [25] obtuvieron un valor Ms = 500 emug para esferas huecas de
BaFe12O19 calcinadas a la misma temperatura obtenidas a partir de pirolisis por aerosol La
diferencia en los valores de magnetizacioacuten obtenidos por eacutestos autores y los valores obtenidos en
eacuteste trabajo puede ser debida principalmente a la estructura de la BaFe12O19 dado que en todos
los casos la morfologiacutea de la BaFe12O19 fue esfeacuterica sin embargo la BaFe12019 obtenida en este
trabajo presento una estructura porosa mientras que la estructura de obtenida por Xu y
Gonzaacutelez-Carrentildeo obtuvieron una estructura hueca
Por otra parte no uacutenicamente la estructura y morfologiacutea de las BaFe12O19 afecta las propiedades
magneacuteticas sino tambieacuten el meacutetodo de preparacioacuten Por ejemplo An y cols [42] sintetizaron
79
BaFe12O19 con una morfologiacutea esfeacuterica a traveacutes de un meacutetodo ultrasoacutenico asistido por sales En
este caso los valores de magnetizacioacuten obtenidos por los autores fue Ms = 619 emug (T = 950
degC) lo cual dista del valor obtenido en el presente trabajo de investigacioacuten
43 PROPIEDADES BIOLOacuteGICAS
431 Extraccioacuten de ADN plasmiacutedico
La extraccioacuten de ADN plasmiacutedico se llevoacute a cabo para verificar la presencia del gen de intereacutes en
los plaacutesmidos replicados en la cepa T7 de la bacteria E coli a partir de la cual se sintetizoacute el
peacuteptido DS La Fig 416 obtenida con el Fotocodificador EL LOGIC 200 muestra la extraccioacuten
de ADN de naturaleza plasmiacutedica de la cepa T7 de E coli Se obtuvo una extraccioacuten exitosa del
plaacutesmido pF1A T7 con un rendimiento de 350 ngmL
Figura 416 Extraccioacuten de ADN plasmiacutedico La columna 1 es referida al marcador Kb Plus DNA Ladder de peso
molecular conocido (pares de bases pb) El marcador se compone de 20 bandas de ADN de alta pureza de doble
cadena que abarca 100 pb hasta 12000 pb La columna 2 representa el ADNp de la cepa NEB (New England Biolab)
T7 DS Ademaacutes puede ser observado en la columna 2 la presencia de tres bandas a) es referida al ADNp relajado
b) describe el ADNp enrollado y c) explica el ADNp suacuteper-enrrollado
80
432 Siacutentesis induccioacuten y expresioacuten del peacuteptido DS
a Siacutentesis a partir del plaacutesmido pF1A T7 Flexireg
La Fig 417 muestra un anaacutelisis electroforeacutetico en un gel de SDS-poliacrilamida (SDS-PAGE)
que revela la expresioacuten del peacuteptido DS En la Fig 417 la columna 1 es referida al marcador
Spectra Multicolor Broad Range Protein Ladder Las columnas 2-5 muestras los efectos de las
concentraciones del inductor IPTG 05 1 2 y 3 mM Cada una de las bandas observadas en el
gel SDS-PAGE representa una proteiacutena distinta En las columnas 2-5 se observa una banda a la
altura de aproximadamente 26 KDa lo cual indica la expresioacuten del peacuteptido DS y que estaacute de
acuerdo con los valores de la literatura Sin embargo la intensidad de la banda en la columna 4 es
maacutes intensa lo cual indica que una concentracioacuten 2 mM de IPTG tiene una mayor eficiencia en la
induccioacuten del peacuteptido DS Por otra parte un aumento en la concentracioacuten de IPTG a 3 mM inhibe
la expresioacuten del peacuteptido DS como se puede observar en la columna 5
Figura 417 Separacioacuten de proteiacutenas por electroforesis en gel SDS-PAGE
81
b Siacutentesis a partir del plaacutesmido pFN21K
La Fig 418(a) y Fig 418(b) muestra imaacutegenes de microscopiacutea oacuteptica a diferentes
magnificaciones Las ceacutelulas CHO normalmente ancladas a la superficie tienen forma
fibroblastoide y pueden adaptarse a crecer en suspensioacuten adquiriendo entonces una forma
esfeacuterica Las ceacutelulas transfectadas son faacuteciles de detectar ya que eacutestas adquieren una coloracioacuten
azul debida a la integracioacuten de un plaacutesmido que contiene un gen reportero el cual estaacute vinculado a
una secuencia regulatoria en el cultivo celular Estos genes otorgan caracteriacutesticas que facilitan su
expresioacuten identificacioacuten y medicioacuten La expresioacuten del gen reportero puede ser observada en la
Fig 418 Las ceacutelulas CHO son tentildeidas al momento de antildeadir una moleacutecula orgaacutenica X-gal que
degrada la beta-galactosidasa presente en las ceacutelulas CHO
Figura 418 Imaacutegenes del microscopio oacuteptico en las cuales se puede observar la expresioacuten de un gen reportero
indicando las ceacutelulas CHO han sido transfectadas
La Fig 419 muestra un anaacutelisis tipo Western blot En la placa fotograacutefica se observa la proteiacutena
de intereacutes DS-HaloTag a una altura de ~61 KDa sintetizada a partir del plaacutesmido pfN21K El
volumen final en los carriles 1-3 fue de 198 microl con una concentracioacuten de proteiacutena (microgmicroL) de 29
28 y 27 respectivamente De acuerdo a la literatura el peso molecular del peacuteptido DS es ~26
KDa y el peso molecular de HaloTag es ~34 KDa Por lo que el peso de 61 KDa observado en la
placa fotograacutefica corresponde al peso molecular de la proteiacutena de fusioacuten DS-HaloTag
82
Figura 419 Anaacutelisis tipo Western blot La proteiacutena de intereacutes DS-HaloTag aparece a una altura de 61 ~KDa
433 Caracterizacioacuten del peacuteptido DS
La correspondiente caracterizacioacuten del peacuteptido DS es mostrada en la Tabla 4IV la cual incluye
caracteriacutesticas tales como la longitud y peso del peacuteptido punto isoeleacutectrico residuos hidrofoacutebicos
e hidrofiacutelicos residuos cargados y distribucioacuten de los aminoaacutecidos presentes (Tabla 4V y Fig
420)
Tabla 4IV Informacioacuten de secuencia
Informacioacuten de secuencia
Secuencia Proteiacutena
Longitud 252
Organismo Dominio de unioacuten a Su(H) sin intron
Nombre DS sin introacuten marco de traduccioacuten +1
Peso 26371 KDa
Punto isoeleacutectrico 1075
Iacutendice alifaacutetico 60556
Residuos de aminoaacutecidos
Hidrofobicidad Cantidad Tipo de carga Cantidad
Hidrofoacutebico (A F G I L M P V W)1 121 Negativa (D E)
1 17
Hidrofiacutelico (C N Q S T Y)1 78 Positiva (R K)
1 32
1 = Abreviacioacuten de los aminoaacutecidos con una sola letra
83
Tabla 4V Tabla de distribucioacuten de aminoaacutecidos
Aminoaacutecido Cantidad Aminoaacutecido Cantidad
Alanina (A) 31 Metionina (M) 2
Cisteiacutena (C) 0 Asparagina (N) 9
Aacutecido aspaacutertico (D) 11 Prolina (P) 16
Aacutecido glutaacutemico (E) 6 Glutamina (Q) 7
Fenilalanina (F) 10 Arginina (R) 17
Glicina (G) 24 Serina (S) 35
Histidina (H) 4 Treonina (T) 24
Isoleucina (I) 9 Valina (V) 11
Lisina (K) 15 Triptofano (W) 4
Leucina (L) 14 Tirosina (Y) 3
Figura 420 Histograma de distribucioacuten de aminoaacutecidos
A nuestro mejor conocimiento el peacuteptido DS (Dominio de unioacuten a supresor de Hairless [Su(H)]
no ha sido probado como faacutermaco modelo en sistemas DDS Sin embargo cientos de peacuteptidos
derivados a partir de proteiacutenas presentes principalmente en el citosol mitocondria yo nuacutecleo han
sido identificados y probados [11] Li [13] produjo el peacuteptido LL-37 antimicrobiano en E coli el
84
cual exhibe diversas propiedades inmunomoduladoras tales como la habilidad de mediar la
quimiotaxis acelerar la angiogeacutenesis y promover la cicatrizacioacuten
En las uacuteltimas deacutecadas el desarrollo de terapias a partir de peacuteptidos ha llevado a un nuacutemero sin
precedentes de aprobaciones en el mercado Kaspar y cols [37] describen las direcciones futuras
en el desarrollo de terapias basadas en peacuteptidos Algunos peacuteptidos aprobados en 2012 por la FDA
son linaclotide utilizado para el tratamiento de desoacuterdenes gastrointestinales lucinactant usado
para prevenir el siacutendrome respiratorio peginesatide usado para el tratamiento de anemia entre
otros
44 PRUEBAS DE CARGALIBERACIOacuteN
En la Fig 421 se observa como disminuyen los valores de densidad oacuteptica (DO600) en la
interaccioacuten BaFe12O19-DS-HaloTag a medida que el tiempo transcurre La disminucioacuten de DO600
indica que el peacuteptido DS-HaloTag es absorbido sobre la superficie de los sistemas
nanoestructurados de BaFe12O19 Como puede ser observado en la Figura 45 los valores de
DO600 se mantienen constante en ~ 0243 en un tiempo de 140 min lo cual indica que en este
punto los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 han alcanzado su saturacioacuten y por lo tanto no
pueden absorber maacutes cantidad de peacuteptido DS-HaloTag A partir de la graacutefica se determinoacute la
concentracioacuten de peacuteptido DS-HaloTag absorbido por los sistemas nanoestructurados de
BaFe12O19 Sabiendo que la concentracioacuten inicial (C1) del peacuteptido DS-HaloTag fue de 24 microgmicroL
y calculando la concentracioacuten remanente (C2) del peacuteptido DS-HaloTag en la salucioacuten acuosa lo
cual corresponde al momento de saturacioacuten de los sistemas nanoparticulados de BaFe12O19 (140
min) a una longitud de onda λ = 595 nm a partir de la ecuacioacuten de regresioacuten polinomial de orden
2 y = 2Endash05x2 ndash 00069x + 07866 y con un coeficiente de correlacioacuten R2 = 096021 se obtiene
una concentracioacuten C2 = 0268 microgmicroL por lo tanto la concentracioacuten absorbida de peacuteptido DS-
HaloTag por los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 corresponde a C1 - C2 = 213 microgmicroL
Asiacute el porcentaje de peacuteptido DS-HaloTag puede ser calculado a partir de la siguiente expresioacuten
85
Ecuacioacuten 41
donde
Cab = absorcioacuten de DS-HaloTag sobre los sistemas de BaFe12O19
C1 = concentracioacuten inicial de DS-HaloTag
C2 = concentracioacuten remanente de DS-HaloTag en solucioacuten acuosa
Por lo tanto
Cab = 875
Figura 421 Interaccioacuten BaFe12O19-DS-HaloTag La disminucioacuten en los valores de DO a medida que el tiempo
transcurre indica la absorcioacuten del peacuteptido por los agregados de BaFe12O19
86
Una vez saturados los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 se tomaron 10 microL de la solucioacuten
acuosa que contiene el peacuteptido DS a los cuales se les agrego 50 microL de buffer de lisis La mezcla
se llevoacute a ebullicioacuten por 10 min para ser cargada en un gel de poliacrilamida La Fig 422
muestra una electroforesis de un gel SDS-PAGE llevada a cabo a 200 V por 40 min La Fig
428(a) muestra la interaccioacuten entre los agregados de BaFe12O19 y el plaacutesmido pFN1A T7 Flexireg
y advierte como la concentracioacuten de la proteiacutena (columna izquierda) decrece (la intensidad de las
bandas se ve disminuida) lo cual indica que el peacuteptido DS es absorbido por los agregados de
BaFe12O19
Figura 422 Anaacutelisis visual SDS-PAGE de la interaccioacuten BaFe12O19-DS-HaloTag que muestra coacutemo disminuye la
cantidad de proteiacutena libre en el medio
Adicionalmente el anaacutelisis FTIR mostrado en la Fig 414 confirma que el peacuteptido DS-HaloTag
fue absorbido por los sistemas nanoparticulados de BaFe12O19 El espectro IR mostrado en la Fig
419 exhibe los enlacesgrupos funcionales del peacuteptido DS a 35508 cm-1
54503 cm-1
61603
cm-1
69926 cm-1
y 87333 cm-1
Puede ser observado que el enlacegrupo funcional a 87333 cm-
1 aparece en los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 cargados con el peacuteptido lo que
confirma su absorcioacuten por el sistema asiacute mismo el enlacegrupo funcional que aparece a 30984
87
cm-1
en los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 pudiera corresponder al observado en el
peacuteptido DS-HaloTag por la proximidad que eacuteste presenta Por otra parte los enlacesgrupos
funcionales a 54503 cm-1
61631 cm-1
y 69926 cm-1
que no aparecen en los sistemas
nanoestructurados de BaFe12O19 cargados con el peacuteptido pudieran corresponder a la parte de la
proteiacutena de bajo peso molecular lo cual puede estar de acuerdo con los resultados mostrados en
la Figura puesto que el gel de poliacrilamida (10) revela que en la interaccioacuten BaFe12O19-DS-
HaloTag los peacuteptidos que en su mayoriacutea son absorbidos son aquellos que corresponden a un peso
molecular grande
La absorcioacuten del peacuteptido DS-HaloTag sobre los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 puede
ser explicada a partir del hecho de que el potencial zeta (Fig 423) del sistema nanoestructura de
BaFe12O19 ζ BaFe12O19 tiene un valor negativo a un pH de 74 (pH al cual se llevoacute a cabo la
interaccioacuten) mientras que la carga superficial del peacuteptido DS ζ DS al mismo pH tiene un valor
positivo
Figura 423 Carga superficial (mV) en funcioacuten del pH para el peacuteptido DS-HaloTag y los sistemas nanoestructurados
de BaFe12O19
Ademaacutes el peacuteptido DS presenta residuos de aminoaacutecidos (aa) hidrofoacutebicos (Alanina (A)
Fenilalanina (F) Glicina (G) Isoleucina (I) Leucina (L) Metionina (M) Prolina (P) Valina (V)
Triptoacutefano (W)) e hidrofiacutelicos (Cisteiacutena (C) Asparagina (N) Glutamina (Q) Serina (S) Treonina
88
(T) Tirosina (Y)) y tomando en cuenta que BaFe12O19 en solucioacuten acuosa puede formar
hidroxilos (grupos OH) que pueden reaccionar con los radicales (R) de los aminoaacutecidos se
propone un modelo (Fig 424) de las posibles interacciones entre los sistemas nanoestructurados
de BaFe12O19 y el peacuteptido DS-HaloTag
Figura 424 Modelo propuesto para las posibles interacciones BaFe12O19-DS-HaloTag
La Fig 425 muestra el perfil de liberacioacuten del peacuteptido DS-HaloTag de los sistemas
nanoestructurados de BaFe12O19 cuando eacutestos fueron colocados en medio de cultivo F12K bajo
una atmoacutesfera de 5 de CO2 a 37 ordmC Es bien sabido que entre mayor sea la diferencia de
potencial zeta ζ coexistiraacute una mayor atraccioacuten entre partiacuteculas de carga superficial opuesta Por
lo tanto como puede ser observado en la graacutefica de carga superficial los valores de pH a los
cuales se promoveriacutea una mayor absorcioacuten de peacuteptido DS-HaloTag sobre los sistemas
nanoestructurados de BaFe12O19 estariacutean en pH 58-6 Sin embargo se decidioacute trabajar a un valor
de pH 74 debido a que la solucioacuten acuosa en la cual se encuentra el peacuteptido DS-HaloTag
originalmente tiene este valor Otras razones por las cuales se optoacute trabajar con este valor es que
al pH 74 sigue existiendo una carga superficial opuesta entre el peacuteptido DS-HaloTag y los
sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 mientras que una disminucioacuten en el valor de pH
pudiera provocar una desnaturalizacioacuten de la proteiacutena Una vez incubado en medio F12K bajo
89
condiciones de 5 CO2 y temperatura de 37 ordmC el CO2 tiene la funcioacuten de contrarrestar la
alcalinizacioacuten del medio debido a la actividad metaboacutelica propia de las ceacutelulas en cultivo y una
variacioacuten de pH hacia lo aacutecido o lo baacutesico hace que el peacuteptido sea liberado por parte de los
sistemas nanoparticulados de BaFe12O19 El medio F12K es un medio celular que fue
desarrollado principalmente para ceacutelulas de hepatocito humano asiacute tambieacuten para ceacutelulas de
hiacutegado de rata y pollo en un ambiente de suero reducido Para el presente estudio se trabajoacute con
medio F12K incompleto libre de ceacutelulas con la finalidad de verificar que el peacuteptido DS-HaloTag
fuera liberado precisamente al hecho de que el CO2 acidifica el medio causando variaciones en el
potencial zeta ζ de cada uno de los integrantes de la mezcla es decir los sistemas
nanoestructurados de BaFe12O19 y el peacuteptido DS-HaloTag
Figura 425 Perfiles de liberacioacuten del peacuteptido DS-HaloTag que muestra un aumento de la DO600 a medida que
transcurre el tiempo (t) El aumento en los valores de la DO600 indica que el peacuteptido DS-HaloTag es liberado de los
sistemas nanoestructurados de BaFe12O19
El uso de un disentildeo experimental fraccionario 2f nos permite evaluar el efecto que tienen
determinados paraacutemetros sobre una variable de respuesta Especiacuteficamente para este trabajo de
90
investigacioacuten las variables oslashagregado SBET Vmesoporo y oslashmacroporo fueron evaluadas a partir del efecto
de la temperatura y presioacuten en el proceso de secado por aspersioacuten y la concentracioacuten de agente
poroacutegeno utilizado durante la siacutentesis sol-gel A partir de los datos estadiacutesticos arrojados por el
anaacutelisis de varianza ANOVA se establece queacute paraacutemetros tienen un efecto significativo sobre la
variable de respuesta De esta manera el disentildeo experimental fraccionario 2f nos permitiraacute
optimizar el proceso de siacutentesis de los agregados nanoestructurados de BaFe12O19 para obtener la
morfologiacutea y estructura deseada lo cual a su vez tendraacute un efecto sobre las propiedades fiacutesicas
quiacutemicas y magneacuteticas del producto final
El uso de las teacutecnicas XRD SEM TEM BET FTIR y VSM proporcionoacute detalles necesarios en
cuanto a la caracterizacioacuten estructural morfoloacutegica y magneacutetica de los agregados de BaFe12O19
Asiacute a partir de los espectros de XRD fue observada la presencia de tres fases la fase hexagonal
BaFe12O19 la monoferrita de bario BaFe2O4 y la fase hematita Fe2O3 cuya coexistencia fue
confirmada por TEM Las propiedades magneacuteticas (Ms Mr y Hc) determinadas a partir de las
curvas de histeacuteresis obtenidas a partir de un VSM son afectadas por la morfologiacutea y estructura
macro-mesoporosa (observada por SEM y BET) asiacute como la mezcla de fases presentes en los
agregados de BaFe12O19 Las propiedades magneacuteticas sobre todo un comportamiento
superparamagneacutetico es perseguido para aplicaciones biomeacutedicas tal como los sistemas DDS
debido a que esta caracteriacutestica permite dirigir y focalizar un faacutermaco a un sitio especifico de
accioacuten mediante la aplicacioacuten de un campo magneacutetico externo Por lo tanto la concentracioacuten y
nuacutemero de dosificaciones puede ser reducida disminuyendo los efectos secundarios no deseados
Las caracteriacutesticas obtenidas en el presente trabajo de investigacioacuten hacen de los sistemas
nanoestructurados de BaFe12O19 un candidato como sistema de liberacioacuten de faacutermacos Esto fue
corroborado al evaluar la capacidad de carga de los sistemas de BaFe12O19 al ser cargados con el
peacuteptido DS usado como faacutermaco modelo La capacidad de carga asiacute como el perfil de liberacioacuten
del peacuteptido fueron evaluados por teacutecnicas de espectroscopia UV-vis FTIR SDS-PAGE
potencial zeta y anaacutelisis tipo Western blot El porcentaje de absorcioacuten del peacuteptido fue del peacuteptido
fue de 875
91
CAPIacuteTULO 5
CONCLUSIONES
92
CAPIacuteTULO 5 CONCLUSIONES
1- Agregados esfeacutericos nanoestructurados de BaFe12O19 de 17 microm con tamantildeo de
macroporo de 223 nm y tamantildeo de mesoporo entre 34 y 12 nm fueron disentildeados y
sintetizados exitosamente usando un disentildeo experimental 2f a traveacutes del meacutetodo sol-gel y
secado por aspersioacuten
2- Mediante un anaacutelisis estadiacutestico de varianza ANOVA se determinoacute que la presioacuten (P) es
el uacutenico factor significativo que afecta el tamantildeo de agregado de BaFe12O19 Por otra
parte ninguacuten paraacutemetro evaluado en el disentildeo 2f tuvo un efecto significativo sobre el
tamantildeo de macroporo Sin embargo el aacuterea superficial especiacutefica BET se vio afectada por
la concentracioacuten de agente poroacutegeno ( esferas de PS) asiacute como las combinaciones presioacuten-
poroacutegeno y temperatura poroacutegeno Por uacuteltimo los factores que mostraron un efecto
significativo sobre el volumen de mesoporo fueron la presioacuten y las combinaciones entre
presioacuten-poroacutegeno y temperatura poroacutegeno
3- La saturacioacuten magneacutetica Ms delos agregados BaFe12O19 varioacute entre 1424-4511 emug y
los valores de coercitividad Hc estuvieron entre 19465-427750 Oe Mostrando un
comportamiento magneacutetico semiduro con valores de Ms = 1424 y Hc = 19463 Oe para la
muestra calcinada a 700 degC
4- A partir del plaacutesmido pF1A T7 de la cepa T7 de E coli fue posible sintetizar el peacuteptido
DS mediante la induccioacuten con IPTG 2mM Por otra parte tambieacuten fue posible la siacutentesis
del peacuteptido DS a traveacutes de la transfeccioacuten de ceacutelulas CHO en cultivo celular con el vector
pFN21K Asiacute mismo fue posible la imnunodeteccioacuten del peacuteptido DS mediante la
utilizacioacuten de anticuerpos monoclonales anti-HaloTag El peacuteptido DS tiene gran
probabilidad de bloquear el dominio intracelular de Notch (NICD) que es un activo en
ceacutelulas canceriacutegenas
5- La capacidad de absorcioacuten del peacuteptido DS sobre los sistemas nanoestructurados de
BaFe12O19 fue del 875
93
TRABAJO A FUTURO Y RECOMENDACIONES
La capacidad de carga y perfil de liberacioacuten del peacuteptido DS fue probado en el presente trabajo de
investigacioacuten Por lo tanto la formulacioacuten empleada para el disentildeo y siacutentesis de los sistemas
nanoestructurados de BaFe12O19 hacen de estos sistemas un candidato para ser aplicados como
sistemas de liberacioacuten de faacutermaco Sin embargo debido a que la biocompatibilidad es un
requisito fundamental para ser aplicados en los sistemas bioloacutegicos es imprescindible realizar
estudios de citotoxicidad ya sea in vitro o in vivo por ejemplo los ensayos MTT los cuales se
basan en la capacidad de las ceacutelulas viables para reducir y convertir la sal de tetrazolio Bromuro
de 3-(45-dimetiltiazol-2-il)-25-difeniltetrazolio compuesto relativamente incoloro en formazan
una sustancia fuertemente lipofiacutelica de color morado El ensayo MTT es considerado como una
prueba de viabilidad que trabaja eficientemente en la mayoriacutea de los casos por lo tanto es
frecuentemente usada por si sola para evaluar la citotoxicidad in vitro particularmente para
evaluacioacuten de citotoxicidad en las nanopartiacuteculas
Asiacute mismo se recomienda realizar estudios sobre la modificacioacuten superficial de los agregados
nanoestructurados de BaFe12O19 por ejemplo a traveacutes de la PEGilacion el cual es un proceso de
unioacuten tanto covalente como no covalente de polietilenglicol (PEG) hacia la moleacutecula o estructura
a modificar O bien la modificacioacuten superficial pudiera llevarse a cabo empleando alguacuten otro
tipo de moleacutecula ya sean poliacutemeros proteiacutenas ADN etc Asiacute la modificacioacuten superficial
reduciraacute la inmunogenecidad y antigenecidad de la BaFe12O19 empleado como sistema portador
de faacutermaco Ademaacutes la modificacioacuten superficial permitiraacute enmascarar a la BaFe12O19 lo que le
permitiraacute evadir el sistema retiacuteculo endotelial y aumentar el tiempo de circulacioacuten en el torrente
sanguiacuteneo por lo tanto llegando a su sitio de accioacuten con mayor facilidad
94
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101
ANEXOS
CONSEJO NACIONAL DE CIENICA Y TECNOLOGIacuteA
CURRICULUM VITAE UacuteNICO
TORRES CADENAS SAMUEL
PRODUCCIOacuteN CIENTIFICA
ARTIacuteCULOS
2017 S Torres-Cadenas J Reyes-Gasga A Bravo-Patintildeo I Betancourt ME Contreras-Garciacutea Morphological
and magnetic properties of sol-gel synthetized meso and macroporous spheres of barium hexaferrite
(BaFe12O19) Journal of Magnetism and Magnetic Materials (2017) doi
httpdxdoiorg101016jjmmm201702018
2016 S Torres A Bravo ME Contreras BaO6Fe2O3 as DDS using tetracycline as model drug IOSR Journal of
Engineering (IOSRJEN) 11 (2016) 20-24 httpwwwiosrjenorgpagesvolume6-issue11(part-1)html
2016 S Torres-Cadenas A Bravo-Patiacutentildeo J Zarate-Medina ME Contreras-Garciacutea Nest-Like Barium
Hexaferrite Microspheres With Hierarchical Porous Structure for Drug Delivery Journal of Silicate Based
and Composite Materials
PARTICIPACIONES EN CONGRESOS
2016 Esferas Bioceramicas de Baomiddot6Fe2O3 con Estructura Tipo Nido Nacional VIII Congreso Nacional de
Cristalografiacutea II reunioacuten de la Sociedad Latinoamericana de Cristalografiacutea A Bravo-Patintildeo VS
Loacutepez-Aacutelvarez ME Contreras-Garciacutea Meacuterida Yucataacuten
2016 Nest-Like Barium Hexaferrite Microspheres With Hierarchical Porous Structure for Drug Delivery
Extranjero 4th
International Conference on Competitive Materials and Technology Processes A
Bravo-Patintildeo M E Contreras-Garciacutea Miskolc-Lillafured Hungay
2015 Baobull6Fe2O3A Vehicle for Drug Delivery Extranjero 14th
International Union of Materials Research
Societies-International Conference on Advanced Materials Alejandro Bravo Patintildeo Humberto
Contreras Cornejo Joseacute Antonio Rodriguez Torres Maria Eugenia Contreras Garciacutea Rep Popular
Democraacutetica Corea
2014 BaFe12O19 as Drug Delivery Vehicle A Morphological and Structural Studio Nacional 18th
International Microscopy Congress Alejandro Bravo Patintildeo Victor Sayil Loacutepez Aacutelvarez Mariacutea Eugenia
Contreras Garciacutea Meacutexico
102
2014 BaFe12O19 Como Sistema Nanoestructurado para Liberacioacuten de Faacutermacos Nacional AMIDIQ ldquoLa
Interdisciplinariedad en la Ingenieriacutea Quiacutemicardquo Alejandro Bravo Patintildeo Joseacute Antonio Rodriacuteguez Torres
Mariacutea Eugenia Contreras Garciacutea Meacutexico
2013 BaFe12O19 Nanoparticles ndash A scheme for Drug Delivery Internacional 12th
Inter-American
Microscopy Congress Alejandro Bravo Patintildeo Joseacute Antonio Rodriguez Torres Mariacutea Eugenia Contreras
Garciacutea Meacutexico
2013 Escuela de Materia Condensada y Nanociencia Nacional International Multidisciplinar Joint
Meeting Nanocience and Condensed Matter Physis Meacutexico
2013 IV Foro de Vinculacioacuten Universidad-Industria Nacional VIII Escuela de Materiales y
Nanotecnologiacutea Meacutexico
2013 Magnetic Nanoparticles Engineered To Drug Delivery Internacional XXII International Materials
Research Congress Alejandro Bravo Patioacute Maria Eugenia Contreras Garciacutea Meacutexico
2013 Microscopiacutea Electroacutenica de Barrido con FE SEM y Teacutecnicas EDS Extranjero 12th Inter-American
Microscopy Congress Colombia
Accepted Manuscript
Morphological and magnetic properties of sol-gel synthetized meso and mac-roporous spheres of barium hexaferrite (BaFe12O19)
S Torres-Cadenas Joseacute Reyes-Gasga A Bravo-Patintildeo I Betancourt MEContreras-Garciacutea
PII S0304-8853(16)32862-1DOI httpdxdoiorg101016jjmmm201702018Reference MAGMA 62474
To appear in Journal of Magnetism and Magnetic Materials
Received Date 31 October 2016Accepted Date 11 February 2017
Please cite this article as S Torres-Cadenas J Reyes-Gasga A Bravo-Patintildeo I Betancourt ME Contreras-Garciacutea Morphological and magnetic properties of sol-gel synthetized meso and macroporous spheres of bariumhexaferrite (BaFe12O19) Journal of Magnetism and Magnetic Materials (2017) doi httpdxdoiorg101016jjmmm201702018
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MORPHOLOGICAL AND MAGNETIC PROPERTIES OF SOL-GEL
SYNTHETIZED MESO AND MACROPOROUS SPHERES OF BARIUM
HEXAFERRITE (BaFe12O19)
S Torres-Cadenasa Joseacute Reyes-Gasgab A Bravo-Patintildeoc I Betancourtd M
E Contreras-Garciacuteaa
aInstituto de Investigaciones Metaluacutergicas y Materiales UMSNH Edificio U Ciudad Universitaria Santiago Tapia 403 Colonia Centro 58030 Morelia Meacutexico Email storres_chotmailcom eucontregmailcom
bInstituto de Fiacutesica UNAM Circuito de la Investigacioacuten sn Ciudad Universitaria
04510 Coyoacaacuten Meacutexico DF Meacutexico Email jreyesfisicaunammx
cCentro Multidisciplinario de Estudios en Biotecnologiacutea (CMEB) de la FMVZ UMSNH Posta Zooteacutecnica Km 85 carretera Morelia-Zinapecuaro CP 58890 col La Palma Tarimbaro Michoacaacuten Meacutexico Email brapalhotmailcom
dInstituto de Investigaciones en Materiales UNAM Ciudad de Meacutexico CP 04510 Meacutexico Email israelbiimunammx
Corresponding Author
Dr Joseacute Reyes-Gasga Instituto de Fiacutesica UNAM Circuito de la Investigacioacuten sn Ciudad Universitaria 04510 Coyoacaacuten Meacutexico DF Meacutexico Tel (5255) 56225083 Email jreyesfisicaunammx
Highlights
bull 15 microm porous spheres of BaFe12O19 were synthetized by the sol-gel
method
bull Surfactant Tween20 (C58H114O26) enabled the creation of the mesoporous
structure
bull Polystyrene spheres (PS) were used as the template for the formation of
macropores
bull Spheres resembled a nest or ball-of-yarn type of elongated BaFe12O19
crystals
bull Magnetic properties are evaluated as function of the calcination
temperature
Abstract
Porous spherical aggregates of barium hexaferrite (BaFe12O19) with 15 microm in
diameter were synthetized by the surfactant-assisted sol-gel method The
surfactant Tween20 (C58H114O26) which enables mesoporous structures as well
as polystyrene spheres (PS) as the template agent for the formation of
macropores were used Two synthetic routes (hereafter named A and B) whose
difference was the absence or presence of PS were followed for synthesis X-ray
diffraction (XRD) scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron
microscopy (TEM) in high resolution mode (HRTEM) were used for
characterization Size and morphology of the spheres were similar in both cases
and they resemble a nest or ball-of-yarn type structure Pore size and BaFe12O19
crystal size produced by the two routes are different The magnetic properties of
the spheres were evaluated using a vibrating sample magnetometer (VSM) as
function of the calcination temperature The spheres present ferromagnetic
behavior in both routes
Key words Barium hexaferrite Porous spherical aggregates Surfactant-assisted
sol-gel synthesis Morphological properties Magnetic properties
1 Introduction
In recent decades ceramic materials represent a prominent alternative in scientific
and technological development in a wide range of research fields Specifically
biomedical ceramic materials have been used in orthopedic applications dental
implants tissue regeneration and as drug delivery systems [1] Iron-oxide-based
materials including barium hexaferrite (BaFe12O19) are good Drug Delivery
System (DDS) candidates [2-4] because of their physical chemical and magnetic
properties These magnetic properties are highly necessary for response to an
external magnetic field to target for example the drug into a specific site in the
human body Moreover the BaFe12O19 magnetic microparticles with spherical
morphology have different applications such as permanent magnets [5] electronic
devices [6] gas sensors [7] catalytic supports [8] and more recently in biomedical
applications such as advanced functional magnetic materials for the treatment of
cancer through magnetic hyperthermia [9] contrast agents for MRI [10] and drug
delivery systems [11]
A variety of methods have been used for the synthesis of iron-oxide-based
bioceramics including co-precipitation hydrolysis hydrothermal synthesis inverse
microemulsion and the sol-gel method [12-14] Of these methods sol-gel has
attracted special interest because it allows the development of new materials with
good homogeneity and purity [15-17] In addition it is a relatively fast simple and
inexpensive method Moreover the kinetics of the chemical reactions carried out in
the synthesis is easily controlled by low temperatures processing [17] Unlike
classical methods for powder ceramic processing of BaFe12O19 that require high
calcination temperatures (1200-1300 degC) sol-gel produces the BaFe12O19
microparticles at rather low calcination temperature [18] In addition the use of
surfactant-assisted sol gel synthesis allows more disperse systems enabling the
formation of a larger number of ordered structures and the surfactant allows the
formation of micelles that also act as templates resulting in the formation of
mesopores after elimination of the surfactant by calcination during the thermal
treatment
Surfactant-assisted sol-gel synthesis as structure-directing agents or dispersants
and templates as macropore-forming agents is investigated in this work for the
production of ceramic microstructures designed with hierarchical porosity for
biomedical applications that require highly specific surface areas and the unique
design of materials capable of conducting fluids and interacting with cell tissues
Among the materials designed for these applications pore size distribution and
their interconnectivity determine the viability of the material for a such specific
application
Therefore in the present study BaFe12O19 spherical magnetic macro- and meso-
porous microparticles were synthetized by the surfactant-assisted sol-gel method
as well as polystyrene spheres (PS) as templates for formation microspheres and
dried by spray drying The morphological characterization and magnetic properties
of the spheres are compared as a function of thermal treatment temperature
2 Materials method and experimental procedure
21 Materials
Commercial reagent grade products were used without purification The reagents
were from Aldrich iron nitrate (III) nonahydrate Fe(NO3)3 9H2O barium carbonate
BaCO3 and surfactant Tween20 and from Merck ammonium hydroxide NH4OH
The hydrophilic nonionic surfactant Tween20 (C58H114O26) is an ester of
polyoxyethylene sorbitan with a molecular weight of 1225 Daltons calculated
assuming 20 units of ethylene oxide 1 sorbitol and lauric acid as the primary fatty
acid Monodisperse Polystyrene microspheres (PS) synthesized in the laboratory
were used as the pore-forming agent
22 Synthesis of BaFe12O19
Spheres of barium hexaferrite were synthesized by the sol-gel method either
assisted by surfactants (route A) or assisted by surfactants and templates (route
B) Figure 1 shows the flow diagram of routes A and B Two suspensions were
prepared in each route The first was composed of Fe(NO3)39H2O and BaCO3
salts with a stoichiometric molar ratio dissolved in deionized water The second
was formed by the surfactant Tween20 in aqueous solution Both suspensions
were mixed with constant magnetic stirring and during the reaction the pH of the
slurry was adjusted to 8 with NH4OH Route B included a third suspension
consisting of 30 wt polystyrene spheres in deionized water The PS were
monodispersed with a mean diameter of 200nm The PS suspension was added
to the mixture with constant magnetic stirring for 1h
The resulting suspension was subjected to spray drying using a Mini Spray Dryer
(Yamato ADL31) The conditions in the spray drying equipment for both routes
were determined by experimental design as drying temperature (T = 175 degC) and
drying pressure (P = 15 Kgcm2)
Powders obtained after spray drying (xerogels) were subjected to thermal
treatment for the elimination of organic agents surfactant and template (in each
case) structural water the formation of oxides and crystallization Four different
temperatures were evaluated in both routes for thermal treatment 700 800 900
and 1000 degC
23 Structural morphological chemical and magnetic characterization
Structural chemical and morphological analysis of the spheres was performed by
X-ray diffraction (XRD) scanning electron microscopy (SEM) and transmission
electron microscopy (TEM) in high resolution mode (HRTEM)
Samples were analyzed by X-ray diffraction on a Bruker diffractometer model D8
Advance using Cu Kα radiation (45 kV 30 mA) to determine the crystal structures
and phases presented Samples were scanned from 20deg to 80deg in 2θ and a
constant step of 002ordmseg
For microstructural characterization of the samples the scanning electron
microscope JEOL JSM-7600F and the transmission electron microscope FEG
Phillips Technai F20 were used The SEM was coupled with energy dispersive X-
ray spectroscopy equipment (EDS)
The Digital Micrograph software (Gatan Inc) was used for image analysis and the
linear Lynx software (Verfuumlgbare Software) was used for the statistical analysis of
the data Size distribution of the pores in the spherical aggregates was measured
by the Barrett-Joyner-Halenda (BJH) technique using a Quantachrome (St 1 on
NOVA touch 1LX) instrument
The analysis of the magnetic properties of the samples was performed using a
vibrating sample magnetometer (VSM LDJ 9600) at room temperature applying a
constant magnetic field of 5000 Oe Magnetic saturation (Ms) remnant
magnetization (Mr) and coercivity (Hc) values were obtained from the hysteresis
curves
3 Results
31 X-ray diffraction
Figure 2 shows the x-ray diffraction spectra of the samples obtained from routes A
and B at the calcination temperatures of 700 800 900 and 1000 degC as indicated
in Figure 1
Indexing the x-ray spectra indicates the coexistence of hexaferrite H = BaFe12O19
monoferrite O = BaFe2O4 and hematite F = Fe2O3 in all samples The phase H
(hexaferrite) is hexagonal (Open Database Crystallography card COD No
1008841) with lattice parameters a = b = 0589 nm and c = 2318 nm The O
(monoferrite) phase is orthorhombic (COD card No 4107896) with lattice
parameters a = 1899 nm b = 0538 nm c = 0844 nm The F (hematite) phase is
hexagonal (COD card No 9015964) with lattice parameters a = b = 0503 nm and
c = 1374 nm It is noteworthy that at the calcination temperature of 1000 degC the
major phase is H phase in both routes
As shown in Figure 2 the content of the H phase increases as the content of the F
phase decreases with temperature in both routes In route A the O phase is
present in all samples in route B the O occurs phase only in the sample treated at
700 degC However there is no clear evidence of preferential growth direction of any
phase in the XRD spectra
32 SEM images EDS spectra and spheres and pores size
SEM images indicate that all the samples obtained in routes A and B calcined at
different temperatures are spherical and substantially the same size Figure 3
shows the SEM image of the spheres obtained in route A and the insert which
shows a magnification of these spheres indicates that the spheres are
polycrystalline composed of mesopores and elongated nanometric crystals Figure
4 shows the SEM image of the spheres obtained through route B and the insert
shows that these spheres are also polycrystalline composed of meso- and macro-
pores and micrometric elongated crystals
Figure 5 shows the size distribution of the spheres observed in the samples of
routes A (Figure 5A) and B (Figure 5B) thermally treated at 700degC respectively
Although the average size is slightly different for the samples calcined at different
temperatures all these values are within the range indicated by the standard
deviation at about 15 microns Therefore all the spherical aggregates are
practically the same size The aggregate size is the result of the droplet size
produced in the nozzle of the spray dryer although the size can also be influenced
by the rheology of the gel slurry fed to the spray dryer
Figure 6 shows the size distribution of the pores in the spherical aggregates of
routes A and B For the mesoporous range as mentioned above this size
distribution was measured by the BJH technique In Figure 6A for the samples of
route A the average diameter of the pores in these samples are on the order of 57
plusmn 2 nm Figure 6B shows the case of the mesopores observed in the spheres
obtained by route B they are on the order of 12 plusmn 55 nm The macropores in the
spheres of route B have an average size of about 220 plusmn 53 nm (Figure 6C) This
last result is logical because the suspension fed in route B consists of spheres of
monomodal polystyrene whose average size is of about 250 nm in addition to the
gel
The micrometric-size spheres obtained by route A and route B are both composed
of elongated crystals or fibers but these crystals are of nanometric size for route
A while they are of 35 plusmn 7 nm wide and 300 plusmn 80 nm long for route B The
existence of an interconnected hierarchical pore structure in these spheres is
evident
EDS spectra from the spheres showed the characteristic peaks of barium (Ba) iron
(Fe) and oxygen (O) (Figure 7) [19] In these spectra the Cu peak comes from the
sample holder Therefore the composition of spheres obtained by both routes
contains the same elements as already shown by XRD This results also confirm
that no contamination was present in either route
33 TEM images
Figure 8 shows some of the HRTEM images of the elongated crystals which
conform the spheres obtained in routes A and B Note the nanometric size of the
elongated crystals of BaFe12O19 In some cases the coexistence of crystals of
BaFe12O19 with crystals of BaFe2O4 and Fe2O3 were observed These images
agree quite well with the results obtained by XRD and show the coexistence of a
mixture of phases in the synthesized spheres in both routes
34 Hysteresis loops and magnetic properties
One way to measure the magnetic properties is through the hysteresis loops
which affords the evaluation of macroscopic properties such as saturation
magnetization Ms remanence magnetization Mr and coercive field These
properties define the soft or hard magnetic character of the synthesized materials
Figure 9 shows the hysteresis loops at different calcination temperatures for the
samples obtained by the route A (Figure 9A) and the route B (Figure 9B) The
highest magnetization values are observed in the case of route B Table 1 shows
the magnetic properties of all the samples In general Ms Mr and Hc show an
increment as a function of the calcination temperature and coercivity (Hc)
increases with temperature in all the samples The lowest value of Mr is obtained in
the sample treated at 800 degC for route A In route B the lowest Mr value is obtained
for the sample treated at 700 degC There is also a clear change in the magnetic
behavior associated with the temperatures of the calcination treatment This
change must be related to the percentage of content of the different phases
presented in the samples and it must also be related to the size of the crystals
constituting the spherical aggregates
From Figure 9A and based on the values of coercivity shown in Table 1 the
samples obtained in the route A at temperatures of 700 800 and 900 degC behave as
semi-hard magnetic materials whereas the one obtained at 1000 degC behaves as a
hard magnetic material The shape of the hysteresis loop in the sample at 900 degC
is characteristic of a sample in which two phases coexist On the other hand
Figure 9B indicates that only the material obtained at 700 degC through route B
behaves as a semi-hard magnetic material the others show hard magnetic
material behavior The semi-hard ferromagnetic behavior in these materials makes
them good candidates for biomedical applications [20]
4 Discussion
The results clearly indicate that we succeed in developing a route for the synthesis
of porous spheres of barium hexaferrite with different pore sizes The porous
structures are of great interest in research because of their prominent applications
in different fields of science [21] For example they can be used to charge an
adequate amount of different types of molecules (ie drugs proteins andor
peptides) within the interior of the pore (and also on the surface of the structure)
thus acting as a drug carrier system [22] Mesopores are useful in applications
where interaction with fluids is part of the integration process in which molecules
will be exchanged in the system as in the case of drug delivery Macropores allow
the adsorption of large molecules such as proteins or peptides or even cells that
are currently of great interest in the development of new medical treatments based
on the lsquoin sitursquo drug delivery such as magnetofection [23] gene therapy [24] and
cell labeling [25]
In obtaining macropores the surface charge of the PS spheres and steric factors
play an important role in the self-assembly of BaFe12O19 precursor ions into the PS
particles [26] Pores in the spherical aggregates are consequently produced when
the system is subjected to thermal treatment (700 800 900 and 1000 degC) resulting
in the pyrolysis of the surfactant and the PS Thus the BaFe12O19 precursor ions
are adsorbed into the PS surface being embedded within the micrometer size
spherical aggregate during the spray drying This reaction can be considered a
typical polymerization reaction which means that polymerization takes place
between BaFe12O19 and PS particles contained in an aqueous phase [27] As a
result the PSBaFe12O19 hybrid particles are obtained
In regard to magnetic behavior the hysteresis loops indicate that materials
produced at temperatures of 700 800 and 900 degC in route A fall within the range of
semi-hard magnetic materials whereas at 1000 degC the material becomes a hard
magnetic material In the case of route B the material behaves like a semi-hard
magnetic material only at 700 degC The obtained materials behave like hard
magnetic materials from 800 degC to 1000 degC Analysis of the structural composition
of the spheres indicated that monoferrite (O) and hematite (F) phases are present
However the H phase is the major phase at the calcination temperature of 1000
degC
As shown in Table 1 a significant change occurred as function of calcination
temperature in the magnetic properties of the samples This change has also to be
related to the presence of the different phases Best combinations of magnetic
properties were Ms = 4467 emug and Hc = 479012 Oe for route A and Ms =
4511 emug and Hc = 479146 Oe for route B respectively
The coexistence of the H O and F phases has been reported as a general fact in
obtaining barium hexaferrite [28] The O phase presents an anomalous resonance
near 400 degC that could indicate a phase with magnetic behavior [29] The F phase
has anti-ferromagnetic ordering [30] and thus a characteristic low Ms (1105
emug) [31-33] Therefore for route B it is possible to attribute the observed Ms
variations to the variable content of this phase so that the sample with greater
amount of Fe2O3 (at 700 degC) presents a very low value of Ms Decreasing presence
of Fe2O3 (by progressively increasing the temperature) increases the proportion of
the hexaferrite phase and consequently the Ms values are significantly recovered
In route A the larger value of Ms is coupled with a larger value of Hc which must
be attributed to the presence of a large amount of hexaferrite phase By contrast in
the route B the largest value of Ms of the sample sintered at 1000 degC does not
imply a larger value of Hc (which is recorded for the sample sintered at 900 degC)
which is most like due to significance differences in particle size between the two
phases Samples with Hc gt 4000 Oe can be considered as materials with hard
magnetic behavior
Therefore it seems in this study a larger amount of the Fe2O3 phase obtained at
lower temperatures contributes to a decrement in the magnetic properties resulting
in semi-hard magnetic behavior while an increment in hard magnetic behavior can
mainly be attributed to a decrement in the amount of the Fe2O3 phase as the
BaFe12O19 phase increases
5 Conclusions
Porous spherical aggregates of barium hexaferrite (BaFe12O19) of approximately
15 microm in diameter and 200 nm pores were obtained by the sol-gel chemical
synthesis method using polystyrene (PS) as the pore-forming agent The
morphology of the spheres resembles a nest or ball-of-yarn type structure in which
the crystals belong to the barium hexaferrite phase as the major phase in
coexistence with the monoferrite (BaFe2O4) and hematite (Fe2O3) phases
However the barium hexaferrite phase is the major phase at the calcination
temperature of 1000 degC The magnetic properties of the spheres indicate that the
samples calcined at 700 degC present semi-hard magnetic behavior suggesting they
would be good candidates for use in biomedical applications
Acknowledgements
We thank to V S Loacutepez Alvarez and A Rodriguez Torres for the technical support STC acknowledges the Consejo Nacional de Ciencia y Tecnologiacutea (CONACYT) by scholarship and CIC-UMSNH for the financial support to this research
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Captions for figures
Figure 1 Flowchart of routes A and B followed for the synthesis of the barium hexaferrite spheres The main difference between the routes is that in route B the polystyrene spheres (PS) were added for generating macropores
Figure 2 XRD spectra of the samples obtained by the route A (A) and the route B (B) at the indicated calcination temperature H = BaFe12O19 O = BaFe2O4 F = Fe2O3 Note that at 1000 degC the phase H is the major both cases
Figure 3 SEM image of the spheres obtained in the synthesis route A The spheres are polycrystalline consisting of elongated crystals and nano-sized mesopores The insert shows a magnified view
Figure 4 SEM image of the spheres obtained in the synthesis route B The spheres are polycrystalline with elongated crystals of micrometer size and with meso- and macro-mesoporous structure The insert shows a magnified view
Figure 5 A) Size distribution of the spheres in samples of route A B) Size distribution of the spheres in samples of route B
Figure 6 Size distribution of the mesopores of the spheres measured by the BJH technique A) Route A 57 plusmn 2 nm B) Route B 12 plusmn 55 nm C) Size distribution of the macropores in the spheres of route B on average they are on the order of 220 plusmn 53 nm
Figure 7 EDS spectra of the spheres obtained in the route A (A) and in the route B (B) The spectra are similar for both routes and correspond to the elements Ba Fe and O
Figure 8 HRTEM images of the crystals of BaFe12O19 that make up the spheres obtained in the routes A (A-B) and B (C-D)
Figure 9 Hysteresis loops registered in the samples obtained by route A (A) and route B (B) at different calcination temperatures Note the difference in the magnetic behavior between the two routes in relation to the calcination temperature reaching higher magnetization values in the case of route B
Captions for table
Table 1
Magnetic properties of the samples calcined at different temperatures according to route A (A) and route B (B) The values were obtained from the hysteresis loops shown in Figure 9
Table 1
Magnetic Properties
Route Calcination temperature (degC)
Ms
(emug)
Mr
(emug)
Hc
(Oe)
A
700 2461 593 24220
800 1728 273 23451
900 2371 910 66740
1000 4467 2412 479012
B
700 1424 379 19465
800 1249 592 463160
900 2826 1527 479146
1000 4511 2410 427750
MORPHOLOGICAL AND MAGNETIC PROPERTIES OF SOL-GEL
SYNTHETIZED MESO AND MACROPOROUS SPHERES OF BARIUM
HEXAFERRITE (BaFe12O19)
S Torres-Cadenasa Joseacute Reyes-Gasgab A Bravo-Patintildeoc I Betancourtd M
E Contreras-Garciacuteaa
HIGHLIGHTS
bull 15 microm porous spheres of BaFe12O19 were synthetized by the sol-gel
method
bull Surfactant Tween20 (C58H114O26) enabled the creation of the mesoporous
structure
bull Polystyrene spheres (PS) were used as the template for the formation of
macropores
bull Spheres resembled a nest or ball-of-yarn type of elongated BaFe12O19
crystals
bull Magnetic properties are evaluated as function of the calcination
temperature
265-RXUQDORI(QJLQHHULQJ265-(1 ZZZLRVUMHQRUJ661H661S9ROVVXH 1RY__9__33
QWHUQDWLRQDORUJDQL]DWLRQRI6FLHQWLILF5HVHDUFK _3 D J H
D2ā)H2 DV6XVLQJWHWUDFFOLQHDVPRGHOGUXJ67RUUHV$UDYR0(ampRQWUHUDV
QVWLWXWRGHQYHVWLJDFLRQHV0HWDO~UJLFDV0DWHULDOHV8061+0RUHOLD0LFKRDFiQ0p[LFRampHQWUR0XOWLGLVFLSOLQDULRGH(VWXGLRVHQLRWHFQRORJtD8061+7DULPEDUR0LFKRDFiQ0p[LFR
$EVWUDFW 7KLVSDSHUIRFXVHVRQWKHORDGLQJDQGUHOHDVHVWXGLHVRIWHWUDFFOLQHDVPRGHOGUXJIURPVSKHULFDODJJUHJDWHVRIPLFURQVL]HDSSUR[ P LQGLDPHWHURIEDULXPKH[DIHUULWH D2ā)H2VQWKHWL]HGIURPZHWFKHPLFDOVROJHOPHWKRGYLDVSUDGULQJ D2ā)H2 DJJUHJDWHVZHUHFKDUDFWHUL]HGXVLQJ[UDGLIIUDFWLRQDQGVFDQQLQJHOHFWURQPLFURVFRS7KH ORDGFDSDFLWRID2ā)H2 VVWHPVZDVUHDFKHGDWPLQXWHVDIWHUFRQWDFW ZLWK WHWUDFFOLQH GUXJ 5HOHDVH RI WHWUDFFOLQH ZDV FRQILUP IURP ( FROL EDFWHULDO GHDWK ZKHQD2ā)H2 SDUWLFOHVZHUHLQFRQWDFWZLWKWKHEDFWHULDHZRUGV DULXP+H[DIHUULWHUXJHOLYHU6VWHP6ROHO0HWKRG7HWUDFFOLQH
17528amp721QUHFHQWGHFDGHVWKHELRPHGLFDOILHOGKDVDJUHDWVFLHQWLILFOHDSDYDULHWRIPDWHULDOVIRUH[DPSOH
GHQGULPHUPLFHOOHVHPXOVLRQVOLSRVRPHVQDQRSDUWLFOHVVWHPVgt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ā)H2 VQWKHVL]HGE WKH VROJHODQGVSUDGULQJPHWKRGZDVLQYHVWLJDWHG
(3(50(17$D2ā)H2 VQWKHVLV1DQRVWUXFWXUHGPDJQHWLFVSKHULFDODJJUHJDWHVRIEDULXPKH[DIHUULWHD2ā)H2ZHUHVQWKHVL]HGEPROHFXODU VHOIDVVHPEO E FKHPLFDO VROJHO PHWKRG DQG VSUD GULQJ Q EULHI VDOWV RI LURQ QLWUDWHQRQDKGUDWH)H12+26LJPD$OGULFKDQGEDULXPFDUERQDWHDamp2 6LJPD$OGULFKZHUHGLVVROYHG LQGHLRQL]HG ZDWHU E PDJQHWLF VWLUULQJ USP IRU PLQ LQ D PRODU UDWLR RI $ VHFRQG VXVSHQVLRQIRUPHG E VXUIDFWDQW 7ZHHQ 0HUFN ZDV GLVSHUVHG LQ GHLRQL]HG ZDWHU IRU PLQ DW USP RWKVXVSHQVLRQVZHUHPL[HGDJDLQEFRQVWDQWPDJQHWLFVWLUULQJIRUKRXUV7KHS+RIWKHUHVXOWLQJPL[WXUHZDVDGMXVWHG WR S+ XVLQJ DPPRQLXP KGUR[LGH1+2+7KHQ WKH UHVXOWLQJPL[WXUH ZDV IHG D WXEXODU GULQJFKDPEHURID0LQL6SUDUHUltDPDWR$WKURXJKDIORZRIKRWDLUDVFDUULHUJDV7KH SURFHVVRIVSUDGULQJZDVLQLWLDWHGEWKHJHQHUDWLRQRIGURSOHWVIURPWKHFROORLGDOVXVSHQVLRQIROORZHGEWKHDWRPL]DWLRQRIWKH OLTXLGDWD WHPSHUDWXUH7 ampDQGDSUHVVXUH3 NJFP UHVXOWLQJ LQ WKHSURGXFWLRQRISRZGHUVFRPSRXQGVRI VROLGSDUWLFOHV7KHQ WKHSRZGHUZDVFROOHFWHGEDFFORQHDQGVXEMHFWHG WRKHDW WUHDWPHQWRIampDWDKHDWLQJ UDWHRI ampPLQ IRUKRXUV IRU IXUWKHUFKDUDFWHUL]DWLRQ)LQDOO WKH ORDGLQJDQG UHOHDVHFDSDELOLWIURPWKHD2ā)H2 VVWHPVZDVWHVWHGXVLQJDQWLELRWLFWHWUDFFOLQHDVPRGHOGUXJD2ā)H2 ampKDUDFWHUL]DWLRQ7KHSRZGHUVKHDW WUHDWHGDWampDIWHU WKHSURFHVVRI VSUDGULQJZHUHFKDUDFWHUL]HGXVLQJ[UDGLIIUDFWLRQ RQ D UXNHU PRGHO $GYDQFH XVLQJ UDGLDWLRQ ampX Į N9 P$ DQG VFDQQLQJ HOHFWURQPLFURVFRSILHOGHPLVVLRQ)(6(0XVLQJDPLFURVFRSH-(2-60)
RDGLQJDQGUHOHDVHVWXGRIWHWUDFFOLQH7KHORDGFDSDFLWRID2ā)H2 VVWHPVZHUHGHWHUPLQHGESODFLQJPJRID2ā)H2 SRZGHULQFRQWDFW ZLWK D VWDQGDUG VROXWLRQ RI WHWUDFFOLQH PJP LQ FRQVWDQW PDJQHWLF VWLUULQJ 7HWUDFFOLQH LV D
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D2Acirc)H2 DV6XVLQJWHWUDFFOLQHDVPRGHOGUXJ
QWHUQDWLRQDORUJDQL]DWLRQRI6FLHQWLILF5HVHDUFK _3 D J H
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5(6876 $16amp866217KHSDWWHUQRI[UDGLIIUDFWLRQIRUWKHVDPSOHFDOFLQHGDWampVKRZQLQ)LJXUHLQGLFDWHVWKDWWKH
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D2Acirc)H2 DV6XVLQJWHWUDFFOLQHDVPRGHOGUXJ
QWHUQDWLRQDORUJDQL]DWLRQRI6FLHQWLILF5HVHDUFK _3 D J H
WKHEDFWHULDKDYHDFRPSOHWHOGLIIHUHQWEHKDYLRUGHFUHDVLQJWKHamp)8 LQLWLDOOWRKDYHDPLQLPXPPLQXWHVDQG WKHQ JUDGXDOO LQFUHDVH KHQ LQ WKH PHGLD FRQWDLQLQJ WKH D2ā)H2 QDQRSDUWLFOHV ORDGHG ZLWKWHWUDFFOLQH WKH EHKDYLRU RI WKH JURZWK FXUYH FKDQJHV FRPSOHWHO VLQFH IURP WKH ILUVW PLQXWHV DQ HIIHFWVXJJHVWLQJLQKLELWLRQDQGGHDWKRIWKHEDFWHULDLVSUHVHQWHGVXJJHVWLQJWKDWWKHUHOHDVHWHWUDFFOLQHLVJLYHQLQDJUDGXDOZD
)LJ YDULDWLRQLQRSWLFDOGHQVLWYDOXHVGXHWRWKHHIIHFWRIWKHD2ā)H2 SDUWLFOHVORDGHGZLWKWHWUDFFOLQHRQJURZWKRIEDFWHULD
)LJ YDULDWLRQLQamp)8RI(FROL GXHWRWKHHIIHFWRID2ā)H2 SDUWLFOHVORDGHGZLWKWHWUDFFOLQHRQJURZWKRIEDFWHULD9 amp21amp8621
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gt 0$UUXHER5)HUQiQGH]3DFKHFR05EDUUDDQG-6DQWDPDUtD0DJQHWLFQDQRSDUWLFOHVIRUGUXJGHOLYHU1DQRWRGD
gt )HOLFH 0 3 3UDEKDNDUDQ $ 3 5RGUtJXH] 6 5DPDNULVKQD UXJ GHOLYHU YHKLFOHV RQ D QDQRHQJLQHHULQJ SHUVSHFWLYH0DWHULDOV6FLHQFHDQG(QJLQHHULQJamp
gt 7 RQ]iOH]ampDUUHxR 03 0RUDOHV amp- 6HUQD DULXP IHUULWH QDQRSDUWLFOHV SUHSDUHG GLUHFWO E DHURVRO SUROVLV 0DWHULDOVHWWHUV plusmn
D2Acirc)H2 DV6XVLQJWHWUDFFOLQHDVPRGHOGUXJ
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gt 3 5HQ - XDQ ampKHQJ QIOXHQFH RI KHDW WUHDWPHQW FRQGLWLRQV RQ WKH VWUXFWXUH DQG PDJQHWLF SURSHUWLHV RI EDULXP IHUULWHD)H2 KROORZPLFURVSKHUHVRIORZGHQVLW0DWHULDOVampKHPLVWUDQG3KVLFV plusmn
gt $$WDLHDQG$0DOLampKDUDFWHULVWLFVRIEDULXPKH[DIHUULWH QDQRFUVWDOOLQHSRZGHUVSUHSDUHGEDVROJHOFRPEXVWLRQPHWKRGXVLQJLQRUJDQLFDJHQW-(OHFWURFHUDPLF
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Publisher Szilikaacutetipari Tudomaacutenyos Egyesuumllet 1034 Budapest Beacutecsi uacutet 122-124 Telephonefax 06-1201-9360 E-mail infoszteorghu WEB wwwszteorghu Editor-in-Chief Dr Borosnyoacutei Adorjaacuten E-mail epitoanyagszteorghu WEB wwwepitoanyagorghu
A c c e p t a n c e o f M a n u s c r i p t
Dear authors
We are happy to inform you that the Editorial Board of eacutepiacutetőanyag ndash Journal of Silicate Based and
Composite Materials has made a decision on the following manuscript
S Torres-Cadenas A Bravo-Patintildeo J Zarate-Medina ME Contreras-Garciacutea
Nest-like BaObull6Fe2O3 microspheres with hierarchical porous structure for drug delivery
Suggestion accepted for publication
Your manuscript is now with the Editorial Office We call your attention that publication of the
paper will be possible after the approval of the final proof of the manuscript
Thank you for submitting your scientific results to eacutepiacutetőanyag ndash Journal of Silicate Based and
Composite Materials We wish further success for your research activities
Budapest 5 January 2017
Dr Borosnyoacutei Adorjaacuten
Editor-in-Chief
- TD STC (2)
- ANEXO 1
- ANEXO 2
- ANEXO 3
-
- Dear authors
-
- Budapest 5 January 2017
-
4
251 Siacutentesis sol-gel 33
252 Secado por aspersioacuten 36
26 ESTUDIOS REALIZADOS SOBRE LA SIacuteNTESIS Y APLICACIOacuteN DE
MATERIALES NANOESTRUCTURADOS A BASE DE OXIDO DE HIERRO COMO
SISTEMAS DDS 39
Capiacutetulo 3 DESARROLLO EXPERIMENTAL 44
31 MATERIALES INICIALES 44
32 DISENtildeO EXPERIMENTAL FRACCIONARIO 2f 49
33 SIacuteNTESIS DE AGREGADOS DE BaFe12O19 49
34 CARACTERIZACIOacuteN 50
341 Difraccioacuten de rayos X 50
342 Microscopiacutea electroacutenica de barrido 50
343 Microscopiacutea electroacutenica de transmisioacuten 51
344 Isotermas de adsorcioacutendesorcioacuten de nitroacutegeno 51
345 Espectroscopiacutea infrarroja 52
346 Propiedades magneacuteticas 52
347 Potencial zeta ζ 52
35 PRUEBAS BIOLOacuteGICAS 52
351 Extraccioacuten de ADN plasmiacutedico 52
352 Siacutentesis del peacuteptido DS 53
353 Cargaliberacioacuten del peacuteptido 56
354 Liberacioacuten del peacuteptido DS de los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 57
Capiacutetulo 4 RESULTADOS Y DISCUSION 59
41 DISENtildeO FACTORIAL 2f 59
42 CARACTERIZACIOacuteN 63
421 Difraccioacuten de rayos X 63
422 Microscopiacutea electroacutenica de barrido 64
423 Microscopiacutea electroacutenica de transmisioacuten 67
5
424 Isotermas de adsorcioacutendesorcioacuten de nitroacutegeno 74
425 Espectroscopiacutea infrarroja 75
426 Propiedades magneacuteticas 76
43 PROPIEDADES BIOLOacuteGICAS 79
431 Extraccioacuten de ADN plasmiacutedico 79
432 Siacutentesis induccioacuten y expresioacuten del peacuteptido DS 80
433 Caracterizacioacuten del peacuteptido DS 82
44 PRUEBAS DE CARGALIBERACIOacuteN 84
Capiacutetulo 5 CONCLUSIONES 92
TRABAJO A FUTURO Y RECOMENDACIONEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip93
REFERENCIAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip94
ANEXOS helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip101
IacuteNDICE DE FIGURAS
Figura 11 Nuacutemero de artiacuteculos publicados anualmente en la revista Journal of Controlled
Released desde 1984 18
Figura 12 Meacutetodos de siacutentesis de los sistemas nanoestructurados dirigidos a aplicaciones
biomeacutedicas Las tres rutas principales incluyen meacutetodos quiacutemicos fiacutesicos y bioloacutegicos Fuente
Instituto de Informacioacuten Cientiacutefica Modificado de M Mahmoudi [16] 20
Figura 21 Categoriacuteas esenciales de los materiales usados como DDS i) Materiales orgaacutenicos
dendriacutemeros micelas liposomas i) Materiales inorgaacutenicos nanopartiacuteculas de oro sistemas
nanoestructurados a base de oacutexido de hierro quantum dots (Modificado de Grumezescu [40] y
Riggio [45]) 26
Figura 22 (a) Clasificacioacuten de los materiales seguacuten su comportamiento magneacutetico
paramagneacuteticos ferromagneacuteticos antiferromagneacuteticos y ferrimagneacuteticos (b) Los materiales
superparamagneacuteticos son observados en los nanomateriales ferro- y ferrimagneacuteticos que se
componen de un soacutelo dominio magneacutetico 29
6
Figura 23 (a) seccioacuten transversal de la estructura de la ferrita tipo M (BaFe12O19) Tomado de
Robert C Pullar [60] 33
Figura 24 Rutas de siacutentesis derivadas del meacutetodo sol-gel Tomado de
httpsstrllnlgovstrMay05Satcherhtml 35
Figura 25 Configuracioacuten del equipo de secado por aspersioacuten (a) secador por aspersioacuten
concurrente misma direccioacuten de flujo y (b) secador por aspersioacuten a contracorriente (c)
Evolucioacuten de la temperatura en el proceso de secado en una gotita liacutequida [Handscomb y cols]
En la separacioacuten y recoleccioacuten del polvo se pueden emplear (d) separadores tipo cicloacuten yo (e)
filtros de bolsa 36
Figura 31 Disentildeo experimental fraccionario 2f Las variables de entrada son la presioacuten (P)
Temperatura (T) y porcentaje de agente poroacutegeno (PS) Las variables de respuesta son la
morfologiacutea y tamantildeo de agregado aacuterea superficial BET volumen de mesoporo y tamantildeo de
macroporo 46
Figura 32 Diagrama de flujo que muestra las etapas principales en el desarrollo experimental en
la siacutentesis de agregados nanoestructurados de BaFe12O19 i) Disentildeo y Siacutentesis ii) Caracterizacioacuten
y iii) pruebas bioloacutegicas 48
Figura 33 Extraccioacuten de ADN plasmiacutedico (a) Pasos generales en la extraccioacuten de ADNp y (b)
procedimiento del Kit Pure YieldTM Plasmid Miniprep System 53
Figura 34 Diagrama de siacutentesis del peacuteptido DS a partir del plaacutesmido pFN21K El Diagrama
incluye los pasos desde la expresioacuten del peacuteptido hasta su deteccioacuten y revelado con luminol en un
anaacutelisis tipo Western 54
Figura 41 Espectro DRX del polvo de las esferas de BaFe12O19 obtenidas despueacutes del proceso
de secado por aspersioacuten y calcinado a diferentes temperaturas Este presenta las fases H =
BaFe12O19 (tarjeta Crystallography Open Database COD 1008841) F = Fe2O3 (tarjeta COD
9015964) 63
Figura 42 Imaacutegen SEM de (a) agregados esfeacutericos de BaFe12O19 antes de ser tratados
teacutermicamente y (b) una amplificacioacuten a 20000 X que muestra un agregado de BaFe12O19 en el
cual pueden ser observadas las esferas de poliestireno (PS) antes de ser eliminadas 64
7
Figura 43 Imaacutegenes de SEM de los agregados de BaFe12O19 y sus correspondientes histogramas
de distribucioacuten de tamantildeo (a) Muestra con 50 de PS bajo condiciones de secado por aspersioacuten
de 200 degC y 20 Kgcm2 y su correspondiente distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula (b) (c) Muestra
con 30 de PS bajo condiciones de secado por aspersioacuten de 180 degC y 15 Kgcm2 y su
correspondiente distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula (d) Las muestras fueron calcinadas a 700
degC 66
Figura 44 (a) Espectro EDS de los agregados de BaFe12O19 el cual indica la presencia de los
elementos Ba Fe y O El C es producido por la cinta doble cara de carbono usada como adhesivo
en soporte (b) Mapeos quiacutemicos de EDS de los agregados de BaFe12O19 Imagen SEM en el
modo de electrones secundarios Las imaacutegenes de Ba (verde) Fe (rojo) y O (azul) indican su
distribucioacuten homogeacutenea y que estos elementos son los uacutenicos presentes en las muestras 67
Figura 45 Imaacutegenes de STEM-ADF de los agregados de BaFe12O19 Las esferas estaacuten
conformadas principalmente por cristales alargados 68
Figura 46 Imaacutegenes de una misma esfera de BaFe12O19 en el modo (a) STEM-ADF y (b) TEM
las cuales permiten comparar el contraste de los cristales que la conforman 68
Figura 47 Imaacutegenes de TEM en campo claro (a y c) y en campo oscuro (b y d) del material que
conforman las esferas despueacutes de haber sido desbaratadas por el tratamiento ultrasoacutenico El
inserto en (b) presenta el patroacuten SAEDP proveniente del material presentado en (a) El inserto en
(d) presenta el patroacuten SAEDP del cristal alargado presentado en (c) 69
Figura 48 Imaacutegenes HRTEM de los cristales que conforman los agregados porosos de
BaFe12O19 (a) y (b) corresponden a cristales individuales de la fase BaFe12O19 (c) Coexistencia
entre las fases BaFe12O19 y BaFe2O4 (d) Coexistencia entre las fases BaFe12O19 y Fe2O3 70
Figura 49 (a) Imagen de HRTEM de uno de los cristales alargados que conforman las esferas de
BaFe12O19 El inserto presenta la correspondiente FFT la cual indica que el eje de zona
corresponde al eje en la direccioacuten [2-110] (b) Imagen digitalmente procesada correspondiente al
aacuterea del recuadro indicado en (a) El filtro usado para el procesamiento es indicado en el inserto
(c) Imagen de HRTEM de otro de los cristales alargados con defectos (d) Imagen digitalmente
procesada del aacuterea indicada en el recuadro en (c) 71
8
Figura 410 Celda unitaria de BaFe12O19 obtenidas usando los valores indicados en [27] y
observada en la direccioacuten [10-10] (a) y en la direccioacuten [21-10] (b) Tambieacuten se presentan las
unidades S y R El plano que contiene a Ba es un plano espejo Ba en verde Fe en amarillo y O
en rojo 72
Figura 411 Simulacioacuten computacional de imaacutegenes de HRTEM en las direcciones [0001] (a)
[10-10] (b) y [2-1-10] (c) Se presenta la proyeccioacuten de la celda BaFe12O19 en las direcciones
indicadas la simulacioacuten de su imagen en el desenfoque de Scherzer y su correspondiente patroacuten
de difraccioacuten del aacuterea selecta simulado Las condiciones de simulacioacuten fueron V = 200 KV
desenfoque de Scherzer en -5485 nm y 4x4x4 celdas Ba en verde Fe en amarillo y O en rojo73
Figura 412 Imagen de HRTEM en la direccioacuten [1-100] de uno de los cristales alargados que
conforman los agregados de BaFe12O19 y la imagen computacionalmente simulada en la misma
direccioacuten En este caso la imagen de HRTEM no presenta defectos Tambieacuten se incluyen las
posiciones de los aacutetomos en la celda unitaria Ba en verde Fe en amarillo y O en rojo 74
Figura 413 Isotermas de adsorcioacutendesorcioacuten BET para (a) muestra con 50 de esferas de PS
bajo condiciones de secado por aspersioacuten de 200 degC y 20 Kgcm2 y (b) muestra con 30 de
esferas de PS bajo condiciones de secado por aspersioacuten de 180 degC y 15 Kgcm2 Las muestras
fueron calcinas a 700 degC 75
Figura 414 Espectro Infrarrojo (IR) que muestra los enlacesgrupos funcionales a nuacutemeros de
onda (cm-1
) especiacuteficos correspondientes al peacuteptido DS-HaloTag libre y los sistemas
nanoestructurados de BaFe12O19 libres y cargados con el peacuteptido 76
Figura 415 Curvas de histeacuteresis de los agregados de BaFe12O19 calcinados a diferentes
temperaturas Los valores de las muestras fueron tomadas a temperatura ambiente y 5000 Oe 77
Figura 416 Extraccioacuten de ADN plasmiacutedico La columna 1 es referida al marcador Kb Plus
DNA Ladder de peso molecular conocido (pares de bases pb) El marcador se compone de 20
bandas de ADN de alta pureza de doble cadena que abarca 100 pb hasta 12000 pb La columna 2
representa el ADNp de la cepa NEB (New England Biolab) T7 DS Ademaacutes puede ser observado
en la columna 2 la presencia de tres bandas a) es referida al ADNp relajado b) describe el ADNp
enrollado y c) explica el ADNp suacuteper-enrrollado 79
Figura 417 Separacioacuten de proteiacutenas por electroforesis en gel SDS-PAGE 80
9
Figura 418 Imaacutegenes del microscopio oacuteptico en las cuales se puede observar la expresioacuten de un
gen reportero indicando las ceacutelulas CHO han sido transfectadas 81
Figura 419 Anaacutelisis tipo Western blot La proteiacutena de intereacutes DS-HaloTag aparece a una altura
de 61 ~KDa 82
Figura 420 Histograma de distribucioacuten de aminoaacutecidos 83
Figura 421 Interaccioacuten BaFe12O19-DS-HaloTag La disminucioacuten en los valores de DO a medida
que el tiempo transcurre indica la absorcioacuten del peacuteptido por los agregados de BaFe12O19 85
Figura 422 Anaacutelisis visual SDS-PAGE de la interaccioacuten BaFe12O19-DS-HaloTag que muestra
coacutemo disminuye la cantidad de proteiacutena libre en el medio 86
Figura 423 Carga superficial (mV) en funcioacuten del pH para el peacuteptido DS-HaloTag y los
sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 87
Figura 424 Modelo propuesto para las posibles interacciones BaFe12O19-DS-HaloTag 88
Figura 425 Perfiles de liberacioacuten del peacuteptido DS 89
IacuteNDICE DE TABLAS
Tabla 3I Factores a evaluar en el disentildeo experimental A) Presioacuten (P) B) Temperatura (T) y C)
Concentracioacuten de poliestireno usado como agente poroacutegeno (PS) Cada uno de los paraacutemetros
presenta un nivel bajo (-) y un nivel alto (+) 46
Tabla 3II Matriz del disentildeo experimental 47
Tabla 4I Variables de respuesta (oslashagregado SBET Vmesoporo oslashmacroporo) del disentildeo experimental
fraccionario 2f como resultado del efecto de los factores P T y PS 61
Tabla 4II Anaacutelisis de variancia ANOVA 62
Tabla 4III Propiedades magneacuteticas de los agregados porosos de hexaferrita de bario 78
Tabla 4IV Informacioacuten de secuencia 82
Tabla 4V Tabla de distribucioacuten de aminoaacutecidos 83
10
RESUMEN
Hoy en diacutea existe una gran variedad de formulaciones para la siacutentesis de materiales
nanoestructurados a base de oacutexido de hierro para aplicaciones biomeacutedicas El objetivo del
presente trabajo fue disentildear y sintetizar agregados nanoestructurados de hexaferrita de bario
(BaFe12O19) de tamantildeo micromeacutetrico con jerarquiacutea meso-macroporosa usando el meacutetodo sol-gel
y secado por aspersioacuten Usando un disentildeo experimental factorial 2f se evaluaron la concentracioacuten
( peso) de agente poroacutegeno y los paraacutemetros de temperatura (T) y presioacuten (P) en el proceso de
secado por aspersioacuten para determinar el efecto de estas variables sobre el tamantildeo de agregado de
BaFe12O19 y el tamantildeo de macroporo A parir de teacutecnicas de caracterizacioacuten tales como XRD
SEM y TEM se determinoacute la estructura morfologiacutea y composicioacuten de los polvos de BaFe12O19
Se obtuvieron agregados esfeacutericos de 17 μm de diaacutemetro con una estructura meso-macroporosa
determinada a partir de SEM y BET El tamantildeo de macroporo fue de aproximadamente 223 nm y
el tamantildeo de mesoporo varioacute entre 34 nm y 12 nm Asiacute mismo mediante VSM se obtuvieron
curvas de histeacuteresis a partir de las cuales se determinoacute las propiedades magneacuteticas de los
agregados de BaFe12O19 A una temperatura de calcinacioacuten de 700 degC se obtuvo un material con
comportamiento semiduro cuyos valores de magnetizacioacuten de saturacioacuten y campo coercitivo
fueron Ms = 1424 emug y Hc = 19465 Oe respectivamente Finalmente los agregados de
BaFe12O19 fueron probados como portadores de moleacuteculas con actividad bioloacutegica para ello se
usoacute el peacuteptido DS como faacutermaco modelo sintetizado a partir de los plaacutesmidos pF1A T7 Flexireg y
pFN21K a partir de la cepa T7 de Escherichia coli Se determinoacute la capacidad de carga y perfil de
liberacioacuten del peacuteptido DS mediante las teacutecnicas de SDS-PAGE FTIR anaacutelisis tipo Wester blot y
UV-vis El porcentaje de absorcioacuten del peacuteptido DS por los agregados nanoestructurados de
BaFe12O19 fue de 875 Por lo tanto los agregados esfeacutericos nanoestructurados con jerarquiacutea
meso-macroporosa obtenidos en el presente trabajo de investigacioacuten pueden ser considerados
como candidatos para ser aplicados en el aacuterea biomeacutedica como sistemas de liberacioacuten de faacutermaco
Palabras clave BaFe12O19 sistemas nanoestructurados macro-mesoporosidad meacutetodo sol-gel
secado por aspersioacuten disentildeo experimental
11
ABSTRACT
Nowadays there is a great variety of formulations for the synthesis of nanostructured materials
based on iron oxide with biomedical applications The aim of the present work was to design and
synthesize nanostructured macro-mesoporous hierarchical spherical aggregates of barium
hexagonal ferrite BaFe12O19 using the sol-gel method through molecular self-assembly and spray-
drying Therefore using a 2f
factorial experimental design the concentration (wt) of template
and the parameters of temperature (T) and pressure (P) in the spray drying process were
evaluated to determine the effect of these variables on the aggregate size of BaFe12O19 and the
size of macropore Characterization techniques such as XRD SEM and TEM determined the
structure morphology and composition of the BaFe12O19 powders obtained after the spray-drying
process Spherical aggregates of 17 μm were obtained with a meso-macroporous structure
determined from SEM and BET The macropore size was about 223 nm and the mesopore size
varied between 34 nm and 12 nm Hysteresis loops were obtained from VSM technique and the
magnetic properties of BaFe12O19 aggregates were determined At a calcination temperature of
700 deg C a material with semi-hard behavior was obtained whose saturation magnetization and
coercive field values were Ms = 1424 emug and Hc = 19465 Oe respectively Finally the
BaFe12O19 aggregates were tested as carriers of biologically active molecules For this purpose
the peptide DS (Hairless suppressor binding domain [Su (H)] was used as the template drug
synthesized from the plasmids pF1A T7 Flexireg and pFN21K from the T7 strain of Escherichia
coli The loading capacity and release profile of the DS peptide was determined by the SDS-
PAGE FTIR Wester blot and UV-vis techniques Absorption performance of DS peptide by the
nanostructured aggregates of BaFe12O19 was 875Therefore the nanostructured macro-
mesoporous hierarchical spherical aggregates of barium hexagonal ferrite BaFe12O19 obtained in
the present research can be considered as candidates to be applied in the biomedical area as drug
delivery systems
12
CAPIacuteTULO 1
INTRODUCCIOacuteN
13
CAPIacuteTULO 1 INTRODUCCIOacuteN
La nanotecnologiacutea es un campo cientiacutefico multidisciplinario que aplica los principios de
ingenieriacutea y fabricacioacuten para el disentildeo siacutentesis caracterizacioacuten y aplicacioacuten de materiales a
escala nanomeacutetrica En las uacuteltimas deacutecadas la nanotecnologiacutea se ha desarrollado en diversas
aacutereas de investigacioacuten abarcando las matemaacuteticas quiacutemica fiacutesica biologiacutea electroacutenica
ingenieriacutea biomeacutedica y ciencia de materiales entre otras
Dentro del sector biomeacutedico una gran variedad de materiales orgaacutenicos e inorgaacutenicos tales como
micelas poliacutemeros liposomas lipoproteiacutenas dendriacutemeros y nanopartiacuteculas magneacuteticas han sido
investigados ampliamente para diferentes aplicaciones incluyendo terapia celular reparacioacuten de
tejidos imagen de resonancia magneacutetica hipertermia marcadores bioloacutegicos y como sistemas de
liberacioacuten de faacutermacos (DDS) Sin duda las partiacuteculas magneacuteticas son los materiales maacutes
prominentes usados como DDS debido a sus propiedades fiacutesicas quiacutemicas teacutermicas mecaacutenicas y
magneacuteticas que las hacen herramientas ideales para ser usadas en las aplicaciones antes
mencionadas Como plataformas para la liberacioacuten de faacutermacos estos sistemas pueden ofrecer
muchas ventajas por ejemplo (i) se estabilizan sin alterar la actividad farmacoloacutegica del
medicamento (ii) previenen la degradacioacuten metaboacutelica prematura en la circulacioacuten sisteacutemica o
interaccioacuten con el ambiente bioloacutegico de manera que alcance el objetivo pretendido en su estado
priacutestino (iii) liberan el medicamento en el sitio o tumor deseado y (iv) presentan una toxicidad
menor o similar que la del faacutermaco libre
Recientemente un gran nuacutemero de faacutermacos macromoleculares tales como peacuteptidos proteiacutenas y
aacutecidos nucleicos han sido descubiertos Sin embargo estos faacutermacos muestran pobre estabilidad
en la mayoriacutea de los ambientes bioloacutegicos y pobre penetracioacuten a traveacutes de la barrera
hematoencefaacutelica lo cual limita su administracioacuten a traveacutes de rutas parentales Ademaacutes cuando
estos faacutermacos son administrados parentalmente estaacuten expuestos a la degradacioacuten quiacutemico-
enzimaacutetica antes de alcanzar su sitio de destino debido a su estabilidad limitada y corta vida
media Por lo tanto una gran cantidad de trabajos se ha enfocado al desarrollo de sistemas DDS
para proporcionan una manera maacutes efectiva de liberar y proteger los peacuteptidos y proteiacutenas
14
Existen numerosos meacutetodos (i) fiacutesicos (ii) quiacutemicos (iii) bioloacutegicos e (hiacutebridos) para la siacutentesis
de nanopartiacuteculas El meacutetodo de preparacioacuten de los nanomateriales determinaraacute el tamantildeo y
distribucioacuten de las partiacuteculas su morfologiacutea quiacutemica superficial y consecuentemente sus
propiedades magneacuteticas
En esta investigacioacuten agregados esfeacutericos nanoestructurados de hexaferrita de bario (BaFe12O19)
de tamantildeo micromeacutetrico con jerarquiacutea macro-mesoporosa fueron sintetizados usando el meacutetodo
quiacutemico huacutemedo sol-gel mediante autoensamble molecular y secado por aspersioacuten aplicando un
disentildeo experimental factorial 2f En el procesamiento de los materiales dirigidos a una aplicacioacuten
especiacutefica una informacioacuten detallada sobre las caracteriacutesticas del material es requerida para
alcanzar el objetivo deseado Asiacute los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 se caracterizaron
mediante difraccioacuten de rayos x (XRD por sus siglas en ingleacutes) microscopiacutea electroacutenica de
barrido (SEM por sus siglas en ingleacutes) microscopiacutea electroacutenica de transmisioacuten (TEM por sus
siglas en ingleacutes) aacuterea superficial especiacutefica BET espectroscopiacutea infrarroja por transformada de
Fourier (FTIR por sus siglas en ingleacutes) y por magnetoacutemetro de muestra vibrante (VSM por sus
siglas en ingleacutes) para la determinacioacuten de las propiedades magneacuteticas
Finalmente los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 se evaluaron como portadores de
moleacuteculas bioloacutegicas El peacuteptido DS (Dominio de unioacuten a supresor de Hairless [Su(H)] se usoacute
como faacutermaco modelo para evaluar la capacidad de carga de los sistemas nanoestructurados de
BaFe12O19 como DDS Despueacutes de ser cargados los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 con
el peacuteptido se llevaron a cabo los estudios de liberacioacuten El peacuteptido DS se sintetizoacute a partir de los
plaacutesmidos pF1A T7 Flexireg pFN21K y pFN18K empleando la cepa T7 Express Iq Competent
XL-1 blue (T7) de Escherichia coli A su vez isopropil-β-D-1-tiogalactopiranoacutediso (IPTG) se
usoacute para inducir la produccioacuten del peacuteptido El IPTG es una moleacutecula de uso comuacuten en biologiacutea
molecular Se usa como un anaacutelogo no hidrolizable de la alolactosa un metabolito de la lactosa
que desencadena la transcripcioacuten del operoacuten lac y por lo tanto se usa para inducir la expresioacuten de
proteiacutenas cuando el gen estaacute bajo el control del operoacuten lac
15
11 OBJETIVOS
111 Objetivo General
Disentildear sintetizar y caracterizar sistemas nanoparticulados de hexaferrita de bario (BaFe12O19)
conformados en agregados micromeacutetricos con jerarquiacutea macro-mesoporosa a partir de un disentildeo
experimental factorial fraccionario 2f usando el meacutetodo quiacutemico sol-gel con autoensamble
molecular asistido por surfactante Tween 20 y esferas de poliestireno usadas como agente
poroacutegeno y mediante secado por aspersioacuten para ser usados como portadores de moleacuteculas con
actividad bioloacutegica
112 Objetivos Especiacuteficos
- Evaluar la concentracioacuten ( peso) de agente poroacutegeno y los paraacutemetros de temperatura
(T) y presioacuten (P) en el proceso de secado por aspersioacuten para determinar el efecto de estas
variables sobre el tamantildeo de agregado de BaFe12O19 y el tamantildeo de macroporo
- Sintetizar sistemas de BaFe12O19 mediante el meacutetodo quiacutemico sol-gel asistido por Tween
20 y esferas de poliestireno para producir agregados esfeacutericos nanoestructurados de
tamantildeo micromeacutetrico con jerarquiacutea macro-mesoporosa
-
- Caracterizar estructural morfoloacutegica y fisicoquiacutemicamente los sistemas nanoparticulados
de BaFe12O19 mediante teacutecnicas de XRD SEM TEM BET FTIR y VSM para
proporcionar los detalles necesarios respecto a las propiedades fiacutesicas quiacutemicas y
magneacuteticas de los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19
16
- Sintetizar y caracterizar el peacuteptido DS a partir de los plaacutesmidos pF1A T7 Flexireg
pFN21K y pFN18K empleando la cepa T7 de Escherichia coli el cual seraacute utilizado
como faacutermaco modelo
- Determinar las propiedades magneacuteticas de los sistemas nanoparticulados de BaFe12O19
incluyendo su magnetizacioacuten magneacutetica (Ms) remanencia magneacutetica (Mr) y coercitividad
(Hc) para ser explotadas en la entrega y direccionamiento del peacuteptido DS
- Determinar la carga superficial de los sistemas nanoparticulados de BaFe12O19 para
permitir una mejora en el rendimiento de adsorcioacuten del peacuteptido DS
-
- Determinar la capacidad de carga de los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 y
evaluar el perfil de liberacioacuten del peacuteptido DS para evaluar los sistemas de BaFe12O19
como candidatos para sistemas de liberacioacuten de faacutermaco
17
12 HIPOacuteTESIS
La obtencioacuten de agregados esfeacutericos de nanopartiacuteculas superparamagneacuteticas con nanoestructura y
macroporosidad disentildeada obtenidas utilizando teacutecnicas de autoensamblaje molecular con agentes
poroacutegenos y mediante secado por aspersioacuten permitiraacute la obtencioacuten de un portador de moleacuteculas
con actividad bioloacutegica maacutes viable que tenga un mejor desempentildeo en cuanto a la adsorcioacuten de
ciertas moleacuteculas bioloacutegicas sin perder las propiedades superparamagneacuteticas caracteriacutesticas de las
nanopartiacuteculas
18
13 JUSTIFICACIOacuteN
A pesar de los avances significativos en el diagnoacutestico y tratamiento del caacutencer eacutesta es una de las
enfermedades maacutes devastadoras que amenazan con la salud humana y es la segunda causa maacutes
comuacuten de mortalidad Actualmente la cirugiacutea radioterapia quimioterapia e inmunoterapia son
los meacutetodos de tratamiento maacutes utilizados sin embargo ninguno de estos meacutetodos ofrece una
verdadera recuperacioacuten total En muchos casos la erradicacioacuten quiruacutergica o tratamiento por
radiacioacuten no son factibles
Por otra parte el mayor problema de la quimioterapia es la limitada eficacia de los agentes
quimioterapeacuteuticos y su falta de especificidad a las ceacutelulas tumorales asiacute como a las altas
concentraciones de faacutermaco utilizadas Para superar este problema altas concentraciones o
frecuencias de dosificacioacuten de los agentes quimioterapeacuteuticos son requeridas resultando asiacute en
efectos secundarios severos no deseados debido a la alta citotoxicidad del faacutermaco Por lo tanto
surge la necesidad de desarrollar meacutetodos eficaces de administracioacuten de faacutermacos capaces de
mantener los niveles del faacutermaco en una concentracioacuten estrecha necesaria para evitar toxicidad
Ademaacutes de dirigir el medicamento a las ceacutelulas cancerosas mientras se reducen los efectos
secundarios en la mayor medida posible Esta necesidad se ve reflejada en coacutemo ha ido
incrementando gradualmente el nuacutemero de publicaciones a lo largo de los antildeos ya que la
tecnologiacutea basada en sistemas de liberacioacuten de faacutermaco (DDS) ha progresado en las uacuteltimas
deacutecadas Por ejemplo la revista Journal of Controlled Released (JCR) ha recibido
sustancialmente maacutes artiacuteculos de lo que publica (Fig 11)
Figura 11 Nuacutemero de artiacuteculos publicados anualmente en la revista Journal of Controlled Released desde 1984
19
Una amplia variedad de biomateriales compuestos de diversas formulaciones han sido usados
como DDS No obstante en las uacuteltimas dos deacutecadas las nanopartiacuteculas magneacuteticas han atraiacutedo
mucha atencioacuten como DDS [12] ademaacutes de otras aplicaciones tales como imagen de resonancia
magneacutetica (MRI) [34] reparacioacuten de tejidos [56] hipertermia magneacutetica [78] e inmunoensayos
[9] debido a su biocompatibilidad faacutecil modificacioacuten superficial y sus propiedades fiacutesicas
quiacutemicas y magneacuteticas uacutenicas Una de las caracteriacutesticas maacutes importantes de las nanopartiacuteculas
magneacuteticas es su comportamiento superparamagneacutetico donde la energiacutea teacutermica es
suficientemente fuerte para cambiar la direccioacuten de la magnetizacioacuten [10] por ejemplo las
fluctuaciones teacutermicas desmagnetizan espontaacuteneamente un ensamble previamente saturado
Como resultado de esta propiedad las partiacuteculas magneacuteticas muestran un potencial para mejorar
las caracteriacutesticas de contraste en MRI DDS e hipertermia Ademaacutes el comportamiento
superparamagneacutetico permite la manipulacioacuten de las partiacuteculas en presencia de un campo
magneacutetico externo Asiacute un sistema DDS puede ser guiado magneacuteticamente hasta el sitio de
accioacuten en el cual el faacutermaco seraacute liberado reduciendo de esta manera la concentracioacuten del
faacutermaco y su frecuencia de dosificacioacuten para evitar efectos secundarios no deseados Ademaacutes
Una vez eliminando el campo magneacutetico las nanopartiacuteculas magneacuteticas no muestran una
interaccioacuten magneacutetica ya que no retienen magnetismo [11] Por lo tanto la ausencia de
coercitividad prevendraacute la agregacioacuten potencial de las partiacuteculas que pudieran faacutecilmente causar
la formacioacuten de embolismo en los vasos sanguiacuteneos [12]
Maacutes auacuten los sistemas micromeacutetricos nanoestructurados permiten la preservacioacuten de las
propiedades a escala nanomeacutetrica pero con partiacuteculas a escala micromeacutetriacuteca Esto es importante
debido a que las partiacuteculas de tamantildeo micromeacutetrico son maacutes faacuteciles de manejar que las partiacuteculas
nanomeacutetricas Ademaacutes una jerarquiacutea macro-mesoporosa presentan una arquitectura que exhiben
alta aacuterea superficial baja densidad y buena estabilidad fisicoquiacutemica [13] Asiacute mismo la
estructura jeraacuterquica juega un papel importante en muchas de las propiedades y aplicaciones
funcionales del material [14] por ejemplo los materiales macro-mesoporosos muestran un
incremento considerable en la capacidad de carga de un faacutermaco En los materiales macro-
mesoporosos los macroporos proporcionan una interconectividad que mejora la difusioacuten o flujo
20
de fluidos Mientras que los mesoporos aumentan considerablemente el aacuterea superficial
especiacutefica y por lo tanto tienen una mayor capacidad para que las moleacuteculas puedan ser
adsorbidas [15] Por otra parte la morfologiacutea de las partiacuteculas juega un papel importante en el
tiempo de circulacioacuten en el torrente sanguiacuteneo Ademaacutes una morfologiacutea esfeacuterica es de
importancia praacutectica ya que en general eacutesta presenta mejores propiedades reoloacutegicas comparado
con otras morfologiacuteas Una gran variedad de meacutetodos han sido estudiados para la siacutentesis de
sistemas nanoestructurados dirigidos a aplicaciones biomeacutedicas La Fig 12 muestra las tres rutas
de siacutentesis maacutes importantes Sin duda los meacutetodos de siacutentesis quiacutemica huacutemeda principalmente el
meacutetodo sol-gel es el meacutetodo fundamental maacutes empleado en la siacutentesis de materiales para
aplicaciones biomeacutedicas debido a sus muchas ventajas i) los precursores pueden mezclarse a
nivel molecular lo cual permite la formacioacuten de soluciones soacutelidas del material a temperaturas de
procesamiento relativamente bajas cuando se compara con los meacutetodos tradicionales ii) es un
meacutetodo faacutecil sencillo y versaacutetil iii) permite un control quiacutemico y estructural es decir la
nucleacioacuten y crecimiento de las partiacuteculas coloidales primarias puede ser controlada para dar
partiacuteculas con tamantildeo y forma deseada ademaacutes de la composicioacuten quiacutemica deseada iv) los
materiales sintetizados a partir de este meacutetodo son obtenidos con una alta pureza
Figura 12 Meacutetodos de siacutentesis de los sistemas nanoestructurados dirigidos a aplicaciones biomeacutedicas Las tres rutas
principales incluyen meacutetodos quiacutemicos fiacutesicos y bioloacutegicos Fuente Instituto de Informacioacuten Cientiacutefica Modificado
de M Mahmoudi [16]
21
CAPIacuteTULO 2
REVISIOacuteN DEL ESTADO DEL ARTE
22
CAPIacuteTULO 2 REVISIOacuteN DEL ESTADO DEL ARTE
En el presente capiacutetulo se aborda coacutemo la nanotecnologiacutea ha revolucionado los diferentes
aspectos de la investigacioacuten cientiacutefica y tecnologiacutea en diversos campos tales como la electroacutenica
semiconductores quiacutemica fiacutesica ciencia de los materiales bioingenieriacutea medicina etc [17-27]
En las uacuteltimas deacutecadas la nanotecnologiacutea ha contribuido a avances significativos en el desarrollo
de los biomateriales y el aacuterea de la medicina a traveacutes de la terapia y diagnoacutestico cliacutenico para el
tratamiento de diversos tipos de caacutencer mediante el disentildeo e ingenieriacutea de materiales
nanoestructurados capaces de interactuar con los sistemas bioloacutegicos a escala molecular Las
aplicaciones maacutes prominentes de estos nanodispositivos incluyen terapia geacutenica MRI [28-30]
hipertermia [31-33] sistemas de liberacioacuten de faacutermacos (DDS) [3535] Una gran variedad de
materiales orgaacutenicos e inorgaacutenicos han sido investigados como sistemas DDS Sin embargo los
materiales magneacuteticos nanoestructurados de oacutexido de hierro son considerados los materiales maacutes
prominentes debido a sus caracteriacutesticas uacutenicas tales como biocompatibilidad alta aacuterea
superficial y comportamiento superparamagneacutetico lo que los hace una herramienta ideal para las
aplicaciones antes mencionas [36]
21 BIOMATERIALES
Un biomaterial puede ser definido como cualquier material natural o sinteacutetico usado para la
fabricacioacuten de dispositivos que reemplacen una parte de un sistema vivo o bien que realice una
funcioacuten en contacto iacutentimo con el tejido vivo de una manera segura confiable y fisioloacutegicamente
aceptable [37] Por lo tanto un biomaterial tiene que presentar propiedades compatibles con el
tejido a interactuar para obtener el efecto deseado El Consejo Asesor para Biomateriales de la
Universidad de Clemson ha definido formalmente un biomaterial como una sustancia de
actividad sisteacutemica y farmacoloacutegicamente inerte para su implantacioacuten o incorporacioacuten dentro o
con el sistema vivo
23
Debido a que los biomateriales tienen como objetivo interactuar con los tejidos o fluidos
bioloacutegicos del cuerpo humano es fundamental que estos cumplan con ciertos requisitos para
evitar inducir cambios o provocar reacciones no deseadas en el cuerpo humano Un requisito
fundamental es la biocompatibilidad la cual se refiere a la capacidad del material para realizar
con eficiencia una respuesta apropiada en el hueacutesped en una aplicacioacuten deseada es decir el
material y el entorno de los tejidos deben coexistir sin tener ninguacuten efecto no deseado o
inapropiado entre ellos [36] Otras caracteriacutesticas importantes son su baja toxicidad estabilidad
quiacutemica densidad y peso adecuado ademaacutes es deseable que sean econoacutemicos
211 Aplicaciones
En las uacuteltimas deacutecadas la siacutentesis y aplicacioacuten de biomateriales ha llegado a ser una de las aacutereas
de investigacioacuten maacutes activa y prometedora posicionada en la interseccioacuten de la quiacutemica ciencia
de los materiales bioingenieriacutea y la medicina
Una de las aplicaciones de los biomateriales que ha atraiacutedo cada vez maacutes la atencioacuten de los
cientiacuteficos es su uso como sistemas de liberacioacuten de faacutermaco Una gran variedad de materiales
han sido estudiados para esta aplicacioacuten por ejemplo dendriacutemeros micelas emulsiones
liposomas y sistemas nanoestructurados Especialmente las nanopartiacuteculas magneacuteticas a base de
hierro han sido de gran intereacutes debido a las oportunidades en la terapia de caacutencer y el tratamiento
de otras enfermedades Su potencial deriva de las propiedades intriacutensecas de sus nuacutecleos
magneacuteticos combinados con la capacidad de carga del faacutermaco y las propiedades bioquiacutemicas que
pueden ser adquiridas mediante su recubrimiento adecuado Ademaacutes las nanopartiacuteculas pueden
actuar a nivel tisular o celular lo cual implica que pueden ser endocitadas o fagocitadas
resultando en su internalizacioacuten En eacuteste proceso las nanopartiacuteculas pueden llegar maacutes allaacute de la
membrana citoplasmaacutetica
24
Entre las aplicaciones maacutes usadas de las nanopartiacuteculas como biomateriales se encuentran la
imagen de resonancia magneacutetica hipertermia y sistemas de liberacioacuten de faacutermacos las cuales se
explican a continuacioacuten
a Imagen de resonancia magneacutetica
Los avances en el desarrollo de nuevas estrategias y tecnologiacuteas para tratamiento y evaluacioacuten
precliacutenica de caacutencer mediante el uso de faacutermacos antitumorales destacan la creciente necesidad
de una evaluacioacuten a tratamientos tumorales in vivo mediante el uso de biomarcadores de imagen
La imagen de resonancia magneacutetica (MRI) se ha establecido como la herramienta principal en el
monitoreo in vivo de cambios morfoloacutegicos funcionales y metaboacutelicos en tumores soacutelidos debido
a su excelente contraste en tejidos blandos excelente resolucioacuten espacial y naturaleza no-
invasiva MRI es una teacutecnica que usa el magnetismo y pulso por radiofrecuencia (RF) para
producir imaacutegenes de tejidos u oacuterganos compuestos de elementos sensibles a la resonancia
magneacutetica tales como hidroacutegeno (H) La MRI se basa en los principios de la resonancia
magneacutetica nuclear El cuerpo bioloacutegico se compone de numerosos protones contenidos en el
nuacutecleo del H los cuales giran en sus ejes con la llamada frecuencia de Larmor produciendo un
campo magneacutetico representado por el momento o vector magneacutetico Una gran cantidad de
protones en el cuerpo resultaraacute en un vector magneacutetico neto que se alinea con el campo
magneacutetico externo o paralelo al eje longitudinal del magneto Esta alineacioacuten de protones es
llamada magnetizacioacuten longitudinal Cuando la magnetizacioacuten longitudinal se inclina
transversalmente debido a un impulso de RF se induce una corriente eleacutectrica o sentildeal de
resonancia magneacutetica que puede ser recibida por una bobina de RF En esencia la MRI se lleva a
cabo aplicando de manera alterna pulsos de RF al tejido bioloacutegico La Aplicacioacuten de pulsos de
RF en cierto tiempo de repeticioacuten (TR) y las sentildeales recibidas en un tiempo predefinido o tiempo
de repeticioacuten (TE) produce el contraste en las imaacutegenes de MRI Tales sentildeales de resonancia
magneacutetica son entonces codificadas en fase y frecuencia a imaacutegenes de resonancia magneacutetica por
la teacutecnica de transformada de Fourier
25
b Hipertermia
La hipertermia implica el tratamiento de ceacutelulas canceriacutegenas a traveacutes de la generacioacuten de calor
[38] Este enfoque involucra el aumento de la temperatura del ambiente local del tumor
resultando en un cambio en la fisiologiacutea de las ceacutelulas enfermas llevaacutendolas finalmente a la
apoptosis Dependiendo del grado en el aumento de la temperatura el tratamiento por hipertermia
puede ser clasificado como i) ablacioacuten teacutermica [39] en el cual el tumor es sometido a altas
temperaturas de calor mayores a 46 degC pudiendo llegar a los 56 degC causando que las ceacutelulas
experimenten necrosis coagulacioacuten o carbonizacioacuten ii) Hipertermia moderada [39] con
temperaturas entre 41 degC y 46 degC tiene efectos tanto a nivel celular como tisular las ceacutelulas
experimentan estreacutes teacutermico resultando en la activacioacuten yo iniciacioacuten de muchos mecanismos de
degradacioacuten intra- y extracelular tal como la degradacioacuten o pliegue iii) Diatermia [39] implica
temperaturas menores a 41 degC para el tratamiento de enfermedades reumaacuteticas en la fisioterapia
c Sistemas de liberacioacuten de faacutermaco
Los sistemas de liberacioacuten de faacutermaco tienen como objetivo la entrega y liberacioacuten de faacutermacos
a sitios de accioacuten especiacuteficos manteniendo la concentracioacuten del faacutermaco a un nivel terapeacuteutico
adecuado durante un periacuteodo de tiempo determinado Es decir un sistema ideal para la liberacioacuten
de faacutermacos debe ser capaz de controlar la liberacioacuten y focalizacioacuten del faacutermaco para garantizar
una alta eficiencia del faacutermaco a la vez que se disminuyen los efectos secundarios causados por
los faacutermacos anticanceriacutegenos que no uacutenicamente actuacutean sobre las ceacutelulas cancerosas sino
ademaacutes sobre las ceacutelulas sanas Un sistema nanoestructurado para la liberacioacuten de faacutermacos
puede penetrar en el cuerpo ya que su tamantildeo le permite ser administrado viacutea intravenosa o a
traveacutes de otras rutas de administracioacuten Ademaacutes los sistemas de liberacioacuten de faacutermaco deben
permanecer estables tanto fiacutesica como quiacutemicamente antes de llegar a su destino
26
22 SISTEMAS DE LIBERACIOacuteN DE FAacuteRMACO
En la Fig 21 se presentan los diferentes tipos de sistemas nanoparticulados empleados en la
liberacioacuten de faacutermacos los cuales se describen brevemente
Figura 21 Categoriacuteas esenciales de los materiales usados como DDS i) Materiales orgaacutenicos dendriacutemeros
micelas liposomas i) Materiales inorgaacutenicos nanopartiacuteculas de oro sistemas nanoestructurados a base de oacutexido de
hierro quantum dots (Modificado de Grumezescu [40] y Riggio [45])
221 Liposomas
Los liposomas tienen una larga historia como sistemas de liberacioacuten de faacutermaco debido a su faacutecil
preparacioacuten baja toxicidad y biodegradabilidad [4142] Los liposomas son estructuras
coloidales autoensambladas compuestas de bicapas lipiacutedicas que rodean un compartimiento
27
acuoso y puede encapsular una amplia variedad de faacutermacos quimioterapeacuteuticos ya sean
hidroacutefilos o hidroacutefobos [4344] Los liposomas se pueden clasificar como liposomas de primera
generacioacuten o liposomas desnudos con una superficie de fosfoliacutepido no modificado de segunda
generacioacuten o liposomas furtivos con una capa de carbohidratos o poliacutemeros hidroacutefilos
generalmente de PEG en la superficie de las vesiacuteculas y liposomas de tercera generacioacuten que
incorporan ligandos superficiales para mejorar el iacutendice terapeacuteutico del faacutermaco mediante el
aumento de la selectividad y la especificidad del complejo En la Fig 21 se representa
esquemaacuteticamente la estructura de los liposomas
222 Nanopartiacuteculas polimeacutericas
Las nanopartiacuteculas polimeacutericas (Fig 21) son portadores que van de 10 a 100 nm conformados
de poliacutemeros naturales o artificiales generalmente biodegradables donde los faacutermacos
terapeacuteuticos puede ser adsorbidos disueltos atrapados encapsulados o enlazados
covalentemente a la cadena principal del poliacutemero por medio de un enlace sencillo eacutester o amida
que se pueden hidrolizar in vivo a traveacutes de un cambio de pH
Los poliacutemeros sinteacuteticos que incluyen al aacutecido polilaacutectico (PLA) [46] aacutecido poliglicoacutelico (PGA)
[47] poli etilenglicol (PEG) [48] y sus copoliacutemeros han sido los maacutes ampliamente investigados
debido a su biocompatibilidad y biodegradabilidad Otros poliacutemeros naturales como el quitosano
y alginato han sido ampliamente probados [49]
223 Micelas
Las micelas son portadores esfeacutericos biodegradables con un intervalo de tamantildeo de 10-200 nm
Eacutestas son formadas por autoensamblaje de bloques de copoliacutemeros compuestos de dos o maacutes
cadenas de poliacutemeros con diferente hidrofobicidad Estos copoliacutemeros espontaacuteneamente se
28
ensamblan para formar una estructura de nuacutecleo-coraza en un medio acuoso para minimizar la
energiacutea libre del sistema (Fig 21) Los segmentos hidroacutefobos forman el nuacutecleo interior
hidroacutefobo para minimizar su exposicioacuten al medio ambiente mientras que las cadenas hidroacutefilas
forman la coraza hidroacutefila externa para estabilizar el nuacutecleo a traveacutes del contacto directo con el
agua [50]
224 Dendriacutemeros
Los dendriacutemeros son macromoleacuteculas altamente ramificadas esfeacutericas y sinteacuteticas con tamantildeo y
forma ajustable Contienen muacuteltiples capas con grupos terminales activos tambieacuten conocidos
como generaciones que se extienden hacia fuera desde un nuacutecleo iniciador llamado generacioacuten
cero (Fig 21) El tamantildeo de los dendriacutemeros estaacute generalmente en el rango de 1-15 nmLas
ramificaciones de estos poliacutemeros proporcionan un aacuterea superficial grande para que moleacuteculas
yo medicamentos quimioterapeacuteuticos puedan ser unidos a traveacutes de la conjugacioacuten covalente o
adsorcioacuten electrostaacutetica Alternativamente los agentes terapeacuteuticos se pueden cargar en las
cavidades de las regiones centrales a traveacutes de interaccioacuten hidrofoacutebica enlaces de hidroacutegeno o
enlace quiacutemico Los dendriacutemeros maacutes comuacutenmente estudiados pertenecen a la familia de los
dendriacutemeros PAMAM (poliamidoamina) Estos poliacutemeros han mostrado un gran potencial para la
liberacioacuten de medicamentos ya que son biodegradables y biocompatibles y tienen alta
solubilidad en agua [51]
225 Nanopartiacuteculas Magneacuteticas
La liberacioacuten controlada de faacutermacos con materiales funcionales nanoestructurados
especialmente las nanopartiacuteculas magneacuteticas estaacute atrayendo cada vez maacutes la atencioacuten debido a
las oportunidades en la terapia de caacutencer y el tratamiento de otras enfermedades El potencial de
las nanopartiacuteculas magneacuteticas deriva de las propiedades intriacutensecas de sus nuacutecleos magneacuteticos
combinados con su capacidad de carga del medicamento y las propiedades bioquiacutemicas que
pueden ser otorgados a estas por medio de un recubrimiento adecuado
29
23 CLASIFICACIOacuteN DE LOS MATERIALES MAGNEacuteTICOS
Desde el punto de vista del comportamiento magneacutetico podemos clasificar los materiales en
diamagneacuteticos paramagneacuteticos ferromagneacuteticos antiferromagneacuteticos ferrimagneacuteticos (Fig 22)
Figura 22 (a) Clasificacioacuten de los materiales seguacuten su comportamiento magneacutetico paramagneacuteticos
ferromagneacuteticos antiferromagneacuteticos y ferrimagneacuteticos (b) Los materiales superparamagneacuteticos son observados en
los nanomateriales ferro- y ferrimagneacuteticos que se componen de un soacutelo dominio magneacutetico
231 Diamagnetismo
El diamagnetismo se basa en la interaccioacuten entre el campo aplicado y los electrones moacuteviles del
material [52] El diamagnetismo se caracteriza por i) una magnetizacioacuten deacutebil del material en el
sentido opuesto al campo magneacutetico aplicado [53] ii) una susceptibilidad magneacutetica negativa y
pequentildea con permeabilidad relativa ligeramente menor que 1 iii) intensidad de respuesta muy
pequentildea
232 Paramagnetismo
En los materiales paramagneacuteticos los momentos magneacuteticos se encuentran desordenados por lo
que no mantiene un momento magneacutetico neto Estos materiales se caracterizan por i) requerir un
gran campo magneacutetico para poder adquirir una alta magnetizacioacuten ii) magnetizacioacuten deacutebil en el
30
mismo sentido que el campo magneacutetico aplicado iii) susceptibilidad magneacutetica positiva y
pequentildea con permeabilidad relativa ligeramente mayor que 1 iv) intensidad de respuesta muy
pequentildea Ejemplos de estos materiales son el Cr Mn y los gases diatoacutemicos La Fig 22(a)
muestra el ordenamiento magneacutetico de estos materiales
233 Ferromagnetismo
En los materiales ferromagneacuteticos los momentos magneacuteticos individuales de grupos de aacutetomos o
moleacuteculas se mantienen alineados entre siacute debido a un fuerte acoplamiento auacuten en ausencia de
campo exterior [54] Estos grupos se denominan dominios y actuacutean como un pequentildeo imaacuten
permanente En ausencia de campo aplicado los dominios tienen sus momentos magneacuteticos netos
distribuidos al azar Cuando se aplica un campo exterior los dominios tienden a alinearse con el
campo Este alineamiento puede permanecer en algunos casos con un muy fuerte acoplamiento
cuando se retira el campo creando un imaacuten permanente [55] Los materiales ferromagneacuteticos se
caracterizan por i) una fuertemente magnetizacioacuten en el mismo sentido que el campo magneacutetico
aplicado ii) susceptibilidad magneacutetica positiva y grande con permeabilidad relativa mucho
mayor que 1 iv) la agitacioacuten teacutermica tiende a desalinear los dominios A temperatura normal la
energiacutea teacutermica no es en general suficiente para desmagnetizar un material magnetizado sin
embargo por encima de la temperatura de Curie [56] el material se vuelve paramagneacutetico
debido a que los efectos teacutermicos de desorden son mayores que los efectos de alineamiento de la
interaccioacuten magneacutetica entre dominios La Fig 22(a) muestra el alineamiento de los materiales
ferromagneacuteticos
234 Antiferromagnetismo
Los materiales antiferromagneacuteticos tienen un estado natural en el cual los espines atoacutemicos de
aacutetomos adyacentes son opuestos de manera que el momento magneacutetico neto es nulo [57] Este
estado hace difiacutecil que el material se magnetice aunque de todas formas adopta una
31
permeabilidad relativa ligeramente mayor que 1 Por encima de una temperatura criacutetica llamada
temperatura de Neel un material antiferromagneacutetico se vuelve paramagneacutetico La Fig 22(a)
esquematiza el ordenamiento magneacutetico de los materiales antiferromagneacuteticos
235 Ferrimagnetismo
Los materiales ferrimagneacuteticos son similares a los antiferromagneacuteticos salvo que las especies de
aacutetomos alternados son diferentes (por ejemplo por la existencia de dos subredes cristalinas
entrelazadas) y tienen momentos magneacuteticos diferentes [58] Existe entonces una magnetizacioacuten
neta que puede ser en algunos casos muy intensa
236 Superparamagnetismo
El superparamagnetismo es una forma de magnetismo observado en los nanomateriales ferro- y
ferrimagneacuteticos que se componen de un soacutelo dominio magneacutetico [59] (Fig 22(b)) Debido a su
tamantildeo tan pequentildeo no hay orden de largo alcance en estos materiales Estos materiales se
caracterizan por i) alcanzar una magnetizacioacuten relativamente alta con bajos campos magneacuteticos
aplicados [59] ii) por debajo de la temperatura Curie los momentos magneacuteticos dentro de un
dominio magneacutetico se alinean paralelamente a un campo aplicado para producir la alta
magnetizacioacuten [59] iii) despueacutes de que un campo magneacutetico aplicado se ha eliminado no queda
magnetizacioacuten remanente (Mr) neta [59] La falta de Mr se debe al hecho de que la
magnetizacioacuten de cada dominio faacutecilmente salta entre dos orientaciones estables que estaacuten
separados por una pequentildea diferencia de energiacutea De hecho la diferencia de energiacutea es tan
pequentildea que la energiacutea teacutermica cancela la magnetizacioacuten total de la partiacutecula Compuestos de
hierro cobalto y niacutequel y sus aleaciones elementos de tierras raras intermetaacutelicos de gadolinio
oro y vanadio son ferromagneacuteticos que pueden ser utilizados para producir partiacuteculas
superparamagneacuteticas cuando el tamantildeo del dominio magneacutetico se encuentra a escala
nanomeacutetrica Otros materiales pueden ser utilizados incluyendo ferritas compuesto por oacutexidos
32
de hierro o con otros elementos como el aluminio cobre cobalto niacutequel manganeso magnesio
hierro y zinc Ademaacutes tambieacuten se pueden utilizar las ferritas hexagonales
24 FERRITAS HEXAGONALES
Desde el descubrimiento de las ferritas en la deacutecada de 1950 ha habido un gran intereacutes en las
ferritas hexagonales tambieacuten conocidas como hexaferritas Este intereacutes tanto cientiacutefico como
tecnoloacutegico ha ido creciendo exponencialmente hasta el diacutea de hoy Ademaacutes de su uso como
imanes permanentes las hexaferritas tienen aplicaciones como material de grabacioacuten magneacutetica
en almacenamiento de datos y como componentes en dispositivos eleacutectricos
Existen diferentes tipos de ferritas hexagonales indicadas como M W X Y Z y U todas ellas
con estrechas estructuras cristalinas altamente complejas De los diferentes tipos de ferritas
hexagonales las hexaferritas de mayor importancia comercial son las tipo M dentro de las cuales
se encuentran las hexaferritas de bario BaFe12O19 y las ferritas de estroncio con Sr reemplazando
al Ba en la misma foacutermula La importancia de estas ferritas es debido a su bajo costo y sus
propiedades como estabilidad quiacutemica alta resistividad magnetizacioacuten de saturacioacuten
conveniente y alta coercitividad magneacutetica etc
La unidad molecular de la ferrita tipo M estaacute formada por un bloque S y un bloque R con una
superposicioacuten de capas cuacutebicas y hexagonales (Fig 23(a) El plano basal que contiene el aacutetomo
de bario es un plano espejo y los dos bloques S por encima y por debajo del bloque R son por lo
tanto rotaciones de 180ordm alrededor del eje c de cada una Un bloque R espejo R es entonces
requerido para continuar la estructura y es por esta razoacuten que la ceacutelula unitaria requiere dos
unidades moleculares M dando la foacutermula de celda unitaria SRSR donde es una rotacioacuten del
bloque a 180ordm alrededor del eje c (Fig 23(a)) Los paraacutemetros reticulares de la BaFe12O19 son
2317 Aring para la longitud del eje c y 589 Aring para a la anchura del plano basal y este paraacutemetro a
es constante para todas las hexaferritas de bario La relacioacuten de altura a ancho es de 394 por lo
que BaFe12O19 tiene una gran anisotropiacutea cristalina Las vistas en perspectiva de la estructura son
33
tambieacuten mostradas en la Fig 23(b) y Fig 23(c) mientras que los poliedros de la estructura M
incluyendo el sitio bipiramidal del bloque R se muestran en la Fig 23(d) La Fig 23(e)
representa el apilamiento de los bloques R y S en la estructura M
Figura 23 (a) seccioacuten transversal de la estructura de la ferrita tipo M (BaFe12O19) Tomado de Robert C Pullar [60]
25 METODOS DE SIacuteNTESIS
251 Siacutentesis sol-gel
El meacutetodo sol-gel es un meacutetodo de siacutentesis quiacutemica huacutemeda el cual permite la fabricacioacuten de una
amplia gama de materiales con diversas configuraciones por ejemplo fibras peliacuteculas delgadas
monolitos y revestimientos Ademaacutes el meacutetodo sol-gel permite sintetizar materiales hiacutebridos
orgaacutenicos-inorgaacutenicos con una gran variedad de aplicaciones potenciales en diversos campos de
34
la investigacioacuten incluyendo la oacuteptica electroacutenica semiconductores superconductores y
biomateriales El meacutetodo sol gel ofrece una serie de ventajas i) los precursores pueden mezclarse
a nivel molecular lo cual permite la formacioacuten de soluciones soacutelidas del material a temperaturas
de procesamiento relativamente bajas cuando se compara con los meacutetodos tradicionales ii) es un
meacutetodo faacutecil sencillo y versaacutetil iii) permite un control quiacutemico y estructural es decir la
nucleacioacuten y crecimiento de las partiacuteculas coloidales primarias puede ser controlada para dar
partiacuteculas con tamantildeo y forma deseada ademaacutes de la composicioacuten quiacutemica deseada
Actualmente existe una amplia gama de rutas de siacutentesis derivadas del meacutetodo sol-gel (Fig 24)
En teacuterminos simples el meacutetodo sol-gel implica dos fases distintas La primera fase una
suspensioacuten coloidal la cual es una suspensioacuten estable de partiacuteculas soacutelidas coloidales dentro de
un liacutequido donde las partiacuteculas soacutelidas deben ser maacutes densas que el liacutequido de los alrededores y
suficientemente pequentildeas (2 nm a 1 microm lo cual corresponde a 103-10
9 aacutetomos por partiacutecula) para
que las fuerzas responsables de la dispersioacuten sean maacutes grandes que las fuerzas de gravedad La
segunda fase constituida por un gel el cual es una red soacutelida porosa tridimensionalmente
interconectada que forma una entidad continuacutea a lo largo de una fase secundaria usualmente
liacutequida
Se han dedicado esfuerzos considerables en el desarrollo de micro y nanopartiacuteculas de oacutexido de
hierro con propiedades magneacuteticas adecuadas para la investigacioacuten biomeacutedica Las
nanopartiacuteculas de oacutexido de hierro son las maacutes ampliamente investigadas en el campo meacutedico y
farmaceacuteutico debido a sus excelentes propiedades de biocompatibilidad estabilidad quiacutemica y
baja toxicidad El meacutetodo sol gel es un meacutetodo faacutecil y conveniente para sintetizar oacutexidos de
hierro a partir de soluciones acuosas de sales metaacutelicas Ademaacutes el tamantildeo la forma y la
composicioacuten de las partiacuteculas magneacuteticas dependen en gran medida del tipo de precursores
utilizados relacioacuten Fe2+
a Fe3+
temperatura de reaccioacuten valor de pH y la fuerza ioacutenica del medio
Por lo tanto el control del proceso mediante estos paraacutemetros es esencial en la produccioacuten
35
partiacuteculas monodispersas de oacutexido de hierro El meacutetodo sol-gel parte de una suspensioacuten coloidal
(sol) y la subsiguiente formacioacuten del (gel) En la preparacioacuten del sol los precursores tanto
orgaacutenicos como inorgaacutenicos experimentan reacciones de hidrolisis y condensacioacuten (o
polimerizacioacuten) para formar pequentildeas partiacuteculas soacutelidas en un liacutequido (ya sea un solvente
orgaacutenico o acuoso) Las partiacuteculas soacutelidas son tan pequentildeas (1-1000 nm) que las fuerzas
gravitacionales son despreciables y las interacciones estaacuten dominadas por fuerzas esteacutericas de
van der Waals y Coulombicas
Figura 24 Rutas de siacutentesis derivadas del meacutetodo sol-gel Tomado de httpsstrllnlgovstrMay05Satcherhtml
Varios grupos de investigacioacuten [61-63] han descrito la siacutentesis de partiacuteculas magneacuteticas
nanoestructurados de base de oacutexido de hierro a partir del meacutetodo sol-gel para aplicaciones en el
control de liberacioacuten de faacutermacos
36
Los avances en nanotecnologiacutea y ciencia de los materiales sugieren que algunos de los problemas
actuales de los materiales podriacutean ser resueltos o al menos mejorados mediante la modificacioacuten
superficial
252 Secado por aspersioacuten
El secado por aspersioacuten es un meacutetodo que permite la conversioacuten continua de fluidos (soluciones
emulsiones suspensiones mezclas pastas) en polvos soacutelidos mediante un proceso de secado
dirigido a disentildear y producir materiales con un gran potencial para diversos sectores industriales
tales como la industria quiacutemica cosmeacutetica alimentaria y farmaceacuteutica Este proceso es un
meacutetodo raacutepido simple sencillo de escalabilidad industrial y bajo costo El principio del meacutetodo
se basa en la eliminacioacuten de la humedad mediante la aplicacioacuten de calor al fluido alimentado El
secado por aspersioacuten consiste de tres etapas principales (a) atomizacioacuten del fluido (b)
vaporizacioacuten o secado del liacutequido mediante una corriente de gas y (c) separacioacuten y recoleccioacuten de
las partiacuteculas
Figura 25 Configuracioacuten del equipo de secado por aspersioacuten (a) secador por aspersioacuten concurrente misma
direccioacuten de flujo y (b) secador por aspersioacuten a contracorriente (c) Evolucioacuten de la temperatura en el proceso de
secado en una gotita liacutequida [Handscomb y cols] En la separacioacuten y recoleccioacuten del polvo se pueden emplear (d)
separadores tipo cicloacuten yo (e) filtros de bolsa
37
a Atomizacioacuten
La atomizacioacuten es el primer paso que experimenta el fluido alimentado durante el secado por
aspersioacuten la cual involucra el rompimiento del liacutequido a granel en un nuacutemero grande de gotitas
impulsado por el proceso de secado por aspersioacuten mediante la reduccioacuten de la resistencia interna
a la transferencia de humedad desde la gotita hasta el medio de los alrededores La atomizacioacuten
es una etapa criacutetica en el proceso de secado debido a su influencia en la forma estructura
velocidad y distribucioacuten de la gotita generada y por lo tanto la naturaleza y tamantildeo de partiacutecula
del producto final Consecuentemente hay una peacuterdida miacutenima de calor sensible y
eventualmente se producen las partiacuteculas con las caracteriacutesticas fiacutesicas y morfoloacutegicas deseadas
La Fig 25 presenta el diagrama de dos tipos de secadores por aspersioacuten (Fig 25(a) secador por
aspersioacuten concurrente y (Fig 25(b) secador por aspersioacuten a contracorriente
b Vaporizacioacuten
En esta etapa se constituye la formacioacuten de fase de la partiacutecula Con el liacutequido a granel
atomizado en pequentildeas gotas el siguiente paso involucra el contacto iacutentimo de la gotita con el
gas acarreador Esto permite la raacutepida evaporacioacuten de la humedad de la superficie de todas las
gotitas de una manera uniforme Aquiacute el requerimiento es un flujo de gas uniforme en la caacutemara
de secado Las gotas usualmente se encuentran en contacto con aire caliente en la caacutemara de
secado ya sea en la misma direccioacuten de flujo o a contracorriente
El paso maacutes criacutetico en la formacioacuten de la partiacutecula involucra la evaporacioacuten de la humedad ya
que este paso estaacute asociado con la formacioacuten del producto final La evaporacioacuten de la humedad
durante el proceso de secado puede ser visualizada en dos fases un periodo de velocidad
constante y un periodo de caiacuteda de velocidad Inicialmente cuando la gotita estaacute expuesta a una
corriente de gas caliente la raacutepida evaporacioacuten toma lugar Durante esta exposicioacuten la gotita se
calienta desde una temperatura inicial (T0) a la temperatura de evaporacioacuten de equilibrio (Teq)
38
(Fig 25(c)-AB) Durante este periodo la eliminacioacuten de la humedad sigue la curva del periodo
de velocidad constante a medida que la humedad es removida constantemente a partir de la
superficie de la gotita manteniendo el enfriamiento suficiente La superficie de la gotita
permanece saturada con la humedad en esta fase y su temperatura es constante e igual a la
temperatura de bulbo huacutemedo (Fig 25(c)-BC) A medida que se elimina la humedad de la gotita
el soluto disuelto en el liacutequido alcanza una concentracioacuten maacutes allaacute de su concentracioacuten de
saturacioacuten y tiende a formar una coraza delgada en la superficie de la gotita descrita como
formacioacuten de coraza El comienzo de formacioacuten de coraza es una caracteriacutestica cineacutetica
importante del proceso de secado por aspersioacuten Despueacutes de esta fase la eliminacioacuten de la
humedad regresa al proceso de difusioacuten controlada y la velocidad de evaporacioacuten es dependiente
de la velocidad de difusioacuten de vapor de agua a traveacutes de la coraza superficial Esto constituye el
periodo de caiacuteda de velocidad Durante el periodo de caiacuteda de velocidad aunque la partiacutecula
comenzaraacute a calentarse (Fig 25(c)-CD) es casi la parte maacutes friacutea del equipo de secado donde el
gas de secado estaacute en o cerca de la temperatura de salida del equipo de secado
c Separacioacuten y recoleccioacuten
Los sistemas empleados para la separacioacuten y recoleccioacuten del producto final incluyen separadores
tipo cicloacuten (Fig 25(d)) yo filtros de bolsa (Fig 25(e))
El disentildeo e ingenieriacutea de micro y nanopartiacuteculas a traveacutes del secado por aspersioacuten ha sido
investigado como una alternativa de proceso de manufacturacioacuten en la industria farmaceacuteutica
debido a su amplia aplicabilidad El secado por aspersioacuten ha sido exitosamente usado en la
industria farmaceacuteutica para producir productos con propiedades fiacutesicas y quiacutemicas definidas por
ejemplo tamantildeo y forma de partiacutecula controlada para incrementar la solubilidad del faacutermaco y la
biodisponibilidad de las sustancias activas Ademaacutes el ajuste de los paraacutemetros del proceso de
secado por aspersioacuten permite la manipulacioacuten de varias propiedades de la partiacutecula con respecto
a los requerimientos de la aplicacioacuten deseada
39
26 ESTUDIOS REALIZADOS SOBRE LA SIacuteNTESIS Y APLICACIOacuteN DE
MATERIALES NANOESTRUCTURADOS A BASE DE OXIDO DE HIERRO COMO
SISTEMAS DDS
Como se mencionoacute anteriormente los biomateriales han llegado a ser una de las aacutereas maacutes
atractivas en la investigacioacuten cientiacutefica y tecnoloacutegica para el desarrollo de dispositivos con
aplicaciones biomeacutedicas sorprendentes tal como ocurre con los sistemas de liberacioacuten de
faacutermaco Diversos biomateriales han sido investigados como DDS incluyendo dendriacutemeros
micelas liposomas poliacutemeros y partiacuteculas magneacuteticas A este respecto Szulc y colaboradores
[64] han estudiado dendrimeros de poli(propileno imina) modificados con azuacutecar como DDS para
liberacioacuten de citarabina Mientras Song y colaboradores [65] han estudiado un sistema DDS
micelar termosensible exitosamente cargado con Doxorubicina (DOX) cuya eficiencia de carga
fue de 17 Por otra parte Vahed y colaboradores [66] han estudiado un sistema DDS basado en
liposomas enfocaacutendose en estrategias de quimioterapia combinada para la co-liberacioacuten de dos
faacutermacos quimioterapeacuteuticos un agente quimioterapeacuteutico con metales anticanceriacutegenos y un
agente quimioterapeacuteutico con agentes geacutenicos Duggan y colaboradores [67] han estudiados
poliacutemeros tiolados como DDS mucoadhesivos
Actualmente los sistemas nanoestructurados de partiacuteculas magneacuteticas han ganado atencioacuten
considerable como DDS debido a su biocompatibilidad faacutecil modificacioacuten superficial y sus
propiedades fiacutesicas quiacutemicas y magneacuteticas uacutenicas Oka y colaboradores [68] estudiaron un
compoacutesito nuacutecleo-coraza para liberacioacuten localizada de faacutermaco El compoacutesito estaacute estructurado
por un nuacutecleo de poliacutemero biodegradable y una coraza de nanopartiacuteculas de oacutexido de hierro
preparado a partir de una emulsioacuten Pickering Ademaacutes estudiaron la capacidad de carga del
sistema nuacutecleo-coraza cargando partiacuteculas de pireno cuya presencia fue confirmada mediante un
anaacutelisis de fluorescencia despueacutes de ser expuestas a rayos UV Ademaacutes la caracterizacioacuten
morfoloacutegica del sistema nuacutecleo-coraza fue estudiada por SEM y TEM Las propiedades
cristalograacuteficas se estudiaron mediante XRD Finalmente se estudiaron sus propiedades
magneacuteticas usando un sistema de medicioacuten de propiedades fiacutesicas (Quantum Desing)
40
Por otra parte Chandra y colaboradores [69] estudiaron un compoacutesito dendrimero-
nanopartiacuteculas magneacuteticas como un vehiacuteculo de liberacioacuten enzimaacutetica de faacutermaco sensible a
estiacutemulos simples El sistema fue caracterizado por diferentes teacutecnicas microestructurales y
espectroscoacutepicas Ellos obtuvieron partiacuteculas mesoporosas con propiedades superparamagneacuteticas
Ademaacutes exploraron su uso en la liberacioacuten de DOX alcanzando una alta eficiencia (superior a
95) con velocidades de liberacioacuten controlada bajo pH y temperatura sostenida La interaccioacuten
quiacutemica entre la DOX y las nanopartiacuteculas fue confirmada por un cambio en el potencial zeta y
una disminucioacuten en la intensidad de fluorescencia Otros estudios sobre DDS basados en
nanopartiacuteculas magneacuteticas pueden ser encontrados en la literatura [70-74]
Los sistemas DDS pueden ser disentildeados con gran variedad de diferentes morfologiacuteas las cuales
han sido reportadas en la literatura [75] Estas morfologiacuteas incluyen partiacuteculas esfeacutericas
completamente densas partiacuteculas rugosas partiacuteculas huecas partiacuteculas tipo dona y partiacuteculas
porosas Estas uacuteltimas muestran caracteriacutesticas notables sobre todo aquellas partiacuteculas con una
jerarquiacutea macro-mesoporosa ya que exhiben alta aacuterea superficial baja densidad y buena
estabilidad fisicoquiacutemica Ademaacutes dichos materiales pueden incrementar considerablemente la
capacidad de carga de un faacutermaco debido a que proporcionan una interconectividad que mejora
la difusioacuten o flujo de fluidos a la vez que aumentan considerablemente el aacuterea superficial
especiacutefica Por lo tanto estos sistemas aumentan la capacidad para que las moleacuteculas puedan ser
adsorbidas
Muchos estudios sobre sistemas nanoestructurados (macromeso)porosos han sido reportados en
la literatura Por ejemplo Liu y colaboradores [76] estudiaron materiales magneacuteticos
macroporosos siliacuteceos ordenados tridimensionalmente los cuales fueron fabricados por la
combinacioacuten de una co-sedimentacioacuten simple de un sistema coloidal binario de esferas de
PMMA y partiacuteculas de magnetita y la infiltracioacuten de precursores de silicio A partir de la
caracterizacioacuten por SEM y TEM establecen que los materiales macroporosos presentan una
estructura de empaquetamiento cubico centrado en las caras (fcc) con macroporos del orden de
200 nm Ademaacutes la caracterizacioacuten magneacutetica mostroacute que los materiales poseen una alta
magnetizacioacuten (192 emug) y comportamiento superparamagneacutetico
41
Por otra parte Santamariacutea y colaboradores [77] sintetizaron un sistema estructurado meso-
macroporoso de siacutelice para liberacioacuten controlada de ibuprofeno (IBU) El sistema fue sintetizado
usando una emulsioacuten WO usando decano como fase dispersa Los materiales obtenidos fueron
caracterizados por TEM SEM dispersioacuten de difraccioacuten de rayos x a bajo aacutengulo (SAXS) e
isotermas de adsorcioacuten-desorcioacuten de N2 Los resultados obtenidos mostraron que la carga del IBU
incrementa a medida que la presencia de macroporos en el material incrementa Esto uacuteltimo lo
atribuyen suponiendo que los macroporos permiten que el faacutermaco acceda a los poros internos
Pero establecen que cuando uacutenicamente mesoporos estuvieron en el material el IBU fue
probablemente adsorbido uacutenicamente sobre los mesoporos uacutenicamente cercanos a la superficie
Maacutes aun sentildealan que mientras maacutes cantidad de macroporos estaacuten presentes en el material maacutes
bajo fue el comportamiento de liberacioacuten del IBU debido a que el ibuprofeno adsorbido en los
poros internos tiene que difundirse a lo largo de los canales macroporos hasta la superficie del
material
Una amplia gama de meacutetodos han sido estudiados para la siacutentesis de sistemas magneacuteticos
nanoestructurados siendo los meacutetodos quiacutemicos los mayormente usados entre estos meacutetodos la
teacutecnica sol-gel sobresale debido a ventajas tales como el uso temperaturas de procesamiento
relativamente bajas comparadas con los meacutetodos tradicionales la facilidad sencillez y
versatilidad del meacutetodo el control sobre el tamantildeo y morfologiacutea del material y la obtencioacuten de
materiales relativamente puros Por ejemplo Anjaneyulu y Vijayalakshmi [82] fabricaron un
compoacutesito [HAP (Ca)10(PO4)6(OH)2] magnetita (Fe3O4) derivado del meacutetodo sol-gel sobre una
aleacioacuten Ti-6Al-4V El compoacutesito fue caracterizado por XRD SEM-EDAX y mediciones de
aacutengulo de contacto Ademaacutes realizaron un estudio de bioactividad in vitro el cual conformo que
el Ti-6Al-4V revestido por el compoacutesito fue altamente bioactivo e indujo la formacioacuten de apatita
en la presencia de las nanopartiacuteculas de Fe3O4 Por lo tanto su estudio sugiere que los implantes
recubiertos con HAPFe3O4 pueden ser usados para aplicaciones biomeacutedicas Ademaacutes una
revisioacuten detallada sobre materiales para aplicaciones biomeacutedicas sintetizados por el meacutetodo sol-
gel es proporcionada por G J Owens y colaboradores [83] en la revista Progress in Materials
Science publicada en 2016 Los materiales sintetizados por este meacutetodo incluyen los materiales a
42
base de siacutelice materiales a base de fosfatos materiales a base de metales (FendashO TindashO ZnndashO
etc) y materiales hiacutebridos orgaacutenicos-inorgaacutenicos
El aumento en el nuacutemero de artiacuteculos publicados en una gran variedad de revistas cientiacuteficas
dirigidas al disentildeo siacutentesis e ingenieriacutea de una amplia gama de materiales con diversas
formulaciones por ejemplo los liposomas dendriacutemeros micelas partiacuteculas polimeacutericas y
materiales magneacuteticos nanoestructurados revela que el aacuterea biomeacutedica ha llegado a ser un aacuterea
de gran intereacutes debido al potencial de estos materiales para ser usados en una gran variedad de
aplicaciones tal como agentes de contraste para MRI tratamiento de caacutencer mediante
hipertermia y como DDS
Dentro de los materiales maacutes prominentes para este tipo de aplicaciones se encuentran los
materiales magneacuteticos a base de oacutexido de hierro dentro de los cuales podemos incluir a los
sistemas nanoestructurados de hexaferrita de bario (BaFe12O19) disentildeados y sintetizados en el
presente trabajo de investigacioacuten La relevancia de estos materiales se basa en su
biocompatibilidad aprobados por la Federal Drug Administration (FDA) para su uso biomeacutedico
Una ventaja de los materiales porosos en especial aquellos materiales con una jerarquiacutea macro-
mesoporosa tal es el caso de los sistemas de BaFe12O19 sintetizados aquiacute es la presencia de una
arquitectura que exhiba alta aacuterea superficial baja densidad y buena estabilidad fisicoquiacutemica lo
cual reflejariacutea un incremento considerable en la capacidad de carga de moleacuteculas con actividad
bioloacutegica usadas como faacutermaco modelo ya sea de naturaleza hidrofoacutebica o hidrofiacutelica Ademaacutes
mediante la aplicacioacuten de un campo magneacutetico externo las propiedades magneacuteticas pueden ser
aprovechadas para dirigir y focalizar el faacutermaco a un sitio especiacutefico de accioacuten logrando un perfil
de liberacioacuten controlado Por lo tanto la concentracioacuten y nuacutemero de dosificaciones del faacutermaco
se reduciriacutea lo cual se veriacutea reflejado en la disminucioacuten de efectos secundarios no deseados en el
tratamiento de enfermedades tales como el caacutencer
43
CAPIacuteTULO 3
DESARROLLO EXPERIMENTAL
44
CAPIacuteTULO 3 DESARROLLO EXPERIMENTAL
En el presente capiacutetulo se describe el procedimiento experimental llevado a cabo durante el
trabajo de investigacioacuten La Fig 32 muestra las tres etapas principales que constituyen el
procedimiento experimental para el estudio de los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 I)
Disentildeo (Fig 31) y Siacutentesis II) Caracterizacioacuten y III) Pruebas bioloacutegicas La Tabla 3I muestra
los factores a evaluar en el disentildeo experimental fraccionario 2f
31 MATERIALES INICIALES
Se usaron productos comerciales grado reactivo sin purificacioacuten alguna Los reactivos usados
para la siacutentesis de la hexaferrita de bario fueron marca Sigma-Aldrich Nitrato de hierro (III)
nonahidratado Fe(NO3)39H2O carbonato de bario BaCO3 e hidroacutexido de amonio El surfactante
utilizado fue el Tween 20 (Merck) El surfactante hidrofiacutelico no-ioacutenico Tween 20 (C58H114O26) es
un eacutester de polioxietileno sorbitan (con un peso molecular calculado de 1225 Daltones asumiendo
20 unidades de oacutexido de etileno 1 sornitol y un aacutecido laacuteurico como aacutecido graso primario
Microesferas de poliestireno (PS) monodispersas sintetizadas en el laboratorio fueron usadas
como agente poroacutegeno o agente formador de poro
La primera etapa establece el disentildeo y siacutentesis de agregados esfeacutericos nanoestructurados de
hexaferrita de bario de tamantildeo micromeacutetrico con jerarquiacutea macro-mesoporosa (de aquiacute en
adelante llamados simplemente agregados de BaFe12O19) En esta etapa un disentildeo factorial 2f fue
usado para disentildear y evaluar los efectos de la temperatura (T) presioacuten (P) y concentracioacuten de
agente poroacutegeno ( en peso) en el meacutetodo de siacutentesis sol-gel acoplado a secado por aspersioacuten La
siacutentesis sol-gel se inicioacute con el uso de nitrato de hierro (III) nonahidratado Fe(NO)3 y carbonato
45
de bario BaCO3 como sales precursoras las cuales son disueltas en agua desionizada A su vez
Tween 20 se usoacute como surfactante para permitir la creacioacuten de la estructura mesoporosa
La mezcla de sales precursoras + Tween 20 se agitoacute por 30 min mediante agitacioacuten magneacutetica
modificando el pH a 8 usando NH4OH A continuacioacuten se agregoacute una suspensioacuten acuosa de
esferas de poliestireno (PS) usada como agente poroacutegeno con una concentracioacuten de 30 o 50
de acuerdo al disentildeo factorial 2f La suspensioacuten resultante se sometioacute al proceso de secado por
aspersioacuten donde se evaluaron los paraacutemetros de temperatura (T degC) y presioacuten (P Kgcm2) de
acuerdo a los valores del disentildeo factorial 2f Como resultado se obtuvo un compoacutesito
ceraacutemicopoliacutemero el cual fue sometido a un tratamiento teacutermico a temperaturas de 700 degC hasta
1000 degC para obtener el material macro-mesoporoso con estructura y morfologiacutea deseada
La segunda etapa se enfoca en la caracterizacioacuten Esta etapa del proceso aborda las teacutecnicas de
caracterizacioacuten estructural morfoloacutegica fiacutesica quiacutemica y magneacutetica de los agregados de
BaFe12O19 Difraccioacuten de rayos X (XRD) fue usada para determinar la estructura y cristalinidad
de los agregados de BaFe12O19 Microscopiacutea electroacutenica de barrido (SEM) fue usada para
determinar la morfologiacutea y tamantildeo de los agregados de BaFe12O19 ademaacutes de caracterizarlos
quiacutemicamente mediante anaacutelisis EDS y mapeo quiacutemico Microscopiacutea electroacutenica de transmisioacuten
(TEM) fue usada para determinar la morfologiacutea y estructura de los agregados de BaFe12O19
usando las modalidades de campo claro (BF) campo oscuro (DF) alta resolucioacuten (HRTEM)
barrido-transmisioacuten (STEM) en su modalidad de campo oscuro anular (STEM-ADF) y difraccioacuten
electroacutenica de aacuterea selecta (SAEDP) Determinacioacuten de aacuterea superficial especiacutefica BET mediante
adsorcioacutendesorcioacuten de N2 Espectroscopiacutea infrarroja por transformada de Fourier (FTIR)
Potencial zeta ζ El Magnetoacutemetro de muestra vibrante (VSM) fue usada para determinacioacuten de
las propiedades magneacuteticas (saturacioacuten magneacutetica Ms remanencia magneacutetica Mr y coercitividad
Hc) La tercera etapa evaluacutea las pruebas bioloacutegicas Los agregados de BaFe12O19 se evaluaron
como DDS al probar su capacidad de carga usando el peacuteptido DS como faacutermaco modelo El
peacuteptido DS se sintetizoacute a partir de los plaacutesmidos pF1A T7 Flexireg pFN21K y pFN18K
empleando la cepa T7 de Escherichia coli A su vez isopropil-β-D-1-tiogalactopiranoacutediso
(IPTG) se usoacute para inducir la produccioacuten del peacuteptido
46
Figura 31 Disentildeo experimental fraccionario 2f Las variables de entrada son la presioacuten (P) Temperatura (T) y
porcentaje de agente poroacutegeno (PS) Las variables de respuesta son la morfologiacutea y tamantildeo de agregado aacuterea
superficial BET volumen de mesoporo y tamantildeo de macroporo
Tabla 3I Factores a evaluar en el disentildeo experimental A) Presioacuten (P) B) Temperatura (T) y C) Concentracioacuten de
poliestireno usado como agente poroacutegeno (PS) Cada uno de los paraacutemetros presenta un nivel bajo (-) y un nivel
alto (+)
Factor Paraacutemetro Nivel
Bajo (-) Alto (+)
A P (Kgcm2) 15 2
B T (degC) 180 200
C PS 30 50
Los disentildeos factoriales se usan ampliamente en experimentos que incluyen varios factores
cuando es necesario estudiar el efecto conjunto de los factores sobre una respuesta El disentildeo 2f
es de particular importancia ya que proporciona el menor nuacutemero de corridas con las que pueden
estudiarse f factores en un disentildeo factorial completo
El resultado total del disentildeo factorial 2f es representado en la Tabla 3II El nivel alto para cada
factor estaacute representado por el siacutembolo maacutes (+) mientras el siacutembolo menos (-) representa el nivel
bajo Los resultados del disentildeo factorial de dos factores pueden ampliarse en el caso general en
que hay a niveles del factor A b niveles del factor B y c niveles del factor C dispuestos en un
experimento factorial En general habraacute abchellipn observaciones totales si se hacen n reacuteplicas del
47
experimento completo Es necesario un miacutenimo de dos replicas (n ge 2) para determinar una suma
de cuadrados debida al error si todas las interacciones posibles estaacuten incluidas en el modelo
Cuando todos los factores del experimento son fijos es sencillo formular y probar hipoacutetesis
acerca de los efectos principales y las interacciones
Tabla 3II Matriz del disentildeo experimental
A B AB C AC BC ABC
(1) - - + - + + -
a + - - - - + +
b - + - - - - +
ab + + + - - - -
c - - + + - - +
ac + - - + + - -
bc - + - + + + -
abc + + + + + + +
48
Figura 32 Diagrama de flujo que muestra las etapas principales en el desarrollo experimental en la siacutentesis de
agregados nanoestructurados de BaFe12O19 i) Disentildeo y Siacutentesis ii) Caracterizacioacuten y iii) pruebas bioloacutegicas
49
32 DISENtildeO EXPERIMENTAL FRACCIONARIO 2f
El disentildeo del sistema de los agregados esfeacutericos nanoestructurados macroporosos de BaFe12O19
fue llevado a cabo usando un disentildeo factorial 2f El teacutermino 2
f mide la cantidad de condiciones
experimentales siendo f el nuacutemero de factores a evaluar En este caso particular cada factor
presenta dos niveles lo cual estaacute representado por el nuacutemero 2 en el teacutermino 2f El disentildeo
permitioacute evaluar el efecto de los paraacutemetros del secado por aspersioacuten tales como la presioacuten del
aire (P Kgcm2) y la temperatura de entrada (T degC) Asiacute tambieacuten como la concentracioacuten del
poroacutegeno () en el tamantildeo y volumen de los aglomerados esfeacutericos obtenidos en el proceso de
secado por aspersioacuten
33 SIacuteNTESIS DE AGREGADOS DE BaFe12O19
Las esferas de BaFe12O19 fueron sintetizadas por el meacutetodo sol-gel asistido por surfactantes y
agentes poroacutegenos Durante la siacutentesis dos suspensiones fueron preparadas la primera
compuesta por las sales de Fe(NO3)39H2O y BaCO3 las cuales fueron disueltas en agua
desionizada y agitadas magneacuteticamente con una relacioacuten molar estequiometria la segunda
formada por el surfactante Tween 20 en solucioacuten acuosa Ambas suspensiones fueron mezcladas
con agitacioacuten magneacutetica constante Durante el proceso de reaccioacuten el pH de la suspensioacuten fue
ajustado a 80 usando NH4OH Una tercera suspensioacuten compuesta por esferas de poliestireno
dispersas en agua desionizada fue adicionada a la mezcla con agitacioacuten magneacutetica constante por 1
h variando la concentracioacuten de acuerdo al disentildeo experimental
La mezcla coloidal resultante fue alimentada a una caacutemara de secado tubular de un equipo Mini
Spray Dryer (Yamato ADL31) a traveacutes de un flujo concurrente de aire caliente como gas
acarreador El proceso de secado fue iniciado por la generacioacuten de pequentildeas gotas a partir de la
suspensioacuten coloidal seguida por la atomizacioacuten del liacutequido a una temperatura y presioacuten variando
de acuerdo al disentildeo experimental resultando en la produccioacuten de polvos (xerogeles) compuestos
de partiacuteculas soacutelidas Finalmente el polvo fue recolectado mediante un cicloacuten y sometido a un
50
tratamiento teacutermico para la eliminacioacuten total de los agentes orgaacutenicos surfactante y el agente
poroacutegeno la eliminacioacuten total de agua estructural la formacioacuten de oacutexidos y la cristalizacioacuten de
los mismos Cuatro diferentes temperaturas de tratamiento isoteacutermico fueron evaluadas 700 800
900 y 1000 degC a una velocidad de calentamiento de 3 degCmin por 2 h con el objeto de seguir la
cristalizacioacuten y la formacioacuten de las fases de hexaferrita de bario asiacute como la evaluacioacuten de la
microestructura y de las propiedades magneacuteticas en funcioacuten de la temperatura de tratamiento
teacutermico
34 CARACTERIZACIOacuteN
341 Difraccioacuten de rayos X
Las fases y estructuras cristalinas de la BaFe12O19 fueron analizadas por difraccioacuten de rayos x en
un difractoacutemetro Bruker modelo D8 Advance usando radiacioacuten Cu Kα (45 KV 30 mA) Las
muestras analizadas fueron escaneadas en un rango 2θ a partir de 20 a 80 deg y una amplitud de
paso constante de 002deg
342 Microscopiacutea electroacutenica de barrido
La caracterizacioacuten estructural y morfoloacutegica de la BaFe12O19 fue llevada a cabo en un
microscopio electroacutenico de barrido (SEM) de emisioacuten de campo JEOL JSM-7600F asiacute como su
caracterizacioacuten quiacutemica usando la teacutecnica de espectroscopiacutea de divisioacuten de energiacutea de los rayos
caracteriacutesticos (EDS) El tamantildeo de los agregados de BaFe12O19 fue determinado a partir de
imaacutegenes de SEM mediante la medicioacuten y anaacutelisis estadiacutestico de los datos usando el programa
Lince linear intercept (Verfuumlgbare Software)
51
343 Microscopiacutea electroacutenica de transmisioacuten
El microscopio electroacutenico de transmisioacuten (TEM) de emisioacuten de campo FEG Phillips Tecnai F20
fue usado para la obtencioacuten y estudio de la cristalinidad de las esferas de BaFe12O19 usando las
teacutecnicas de difraccioacuten de aacuterea selecta (SAEDP) alta resolucioacuten (HRTEM) y microscopia
electroacutenica de barrido-transmisioacuten (STEM) en su modalidad de campo oscuro anular (STEM-
ADF) Para su observacioacuten por TEM 10 mg del polvo obtenido despueacutes del secado por
aspersioacuten y calcinado a 700 degC se dispersoacute en 10 mL de etanol (Sigma-Aldrich) en un tubo para
micro-centrifuga de 15 ml (Eppendorf) Despueacutes la solucioacuten se dispersoacute usando un equipo
limpiador de vibracioacuten ultrasoacutenica Branson 1510 (42 KHz a 70 W) por 30 min Con ayuda de un
capilar una gota de la suspensioacuten homogeacutenea se depositoacute sobre una rejilla de cobre de 300 mesh
previamente recubierta con colodioacuten y una peliacutecula delgada de carboacuten La rejilla se secoacute a
temperatura ambiente por toda la noche El anaacutelisis y procesamiento computacional de las
imaacutegenes de TEM asiacute como la obtencioacuten de su transformada raacutepida de Fourier (FFT) se
analizaron con el software Digital Micrograph de la compantildeiacutea Gatan Tomando en cuenta las
posiciones xyz reportadas para la BaFe12O19 con grupo espacial P3mmc [47] se simularon
computacionalmente las imaacutegenes de HRTEM Para esto se crecioacute la celda a una supercelda de
4x4x4 celdas con el programa Diamond Crystal and Molecular Visualization [48] y se simularon
las imaacutegenes de TEM en el programa Simulatem [49] Las condiciones para la simulacioacuten fueron
200 Kv Cs de 12 mm y foco de Scherzer -5485 nm
344 Isotermas de adsorcioacutendesorcioacuten de nitroacutegeno
Las isotermas de adsorcioacutendesorcioacuten de nitroacutegeno a 77 K fueron obtenidas en un instrumento
Quantachrome Antes de su anaacutelisis las muestras (014 ndash 038 g) fueron colocadas en un tubo
bajo atmosfera de N2 y entonces degasificadas por 4 h a 100 degC Ademaacutes la distribucioacuten de
tamantildeo de mesoporo fue medida mediante la teacutecnica Barrett-Joyner-Halenda (BJH)
52
345 Espectroscopiacutea infrarroja
Las mediciones de espectroscopiacutea infrarroja (IR) fueron llevadas a cabo a temperatura ambiente
(46 HR) en un espectrofotoacutemetro con Transformada de Fourier Marca Bruker Modelo Tensor
27 Los espectrogramas fueron obtenidos en un rango de longitud de onda de 4000 a 400 cm-1
(tiempo de escaneo 32 scans) con una resolucioacuten de 4 cm-1
Los espectros fueron obtenidos a
partir de muestras en polvo con una correccioacuten de liacutenea base y suavizado usando el software
Tensor
346 Propiedades magneacuteticas
El anaacutelisis de las propiedades magneacuteticas de los agregados de BaFe12O19 fueron llevas a cabo
usando un magnetoacutemetro de muestra vibrante (VSM LDJ 9600) a temperatura ambiente
aplicando un campo magneacutetico constante de 5000 Oe Los valores de saturacioacuten magneacutetica (Ms)
magnetizacioacuten remanente (Mr) y coercitividad (Hc) fueron obtenidos a partir de la curva de
histeacuteresis
347 Potencial zeta ζ
Las mediciones de potencial zeta de los agregados de BaFe12O19 fueron obtenidos usando un
equipo ZetaMeter (Zetasizer Modelo Malverin 300 HSA) Se prepararon diferentes suspensiones
de polvo de BaFe12O19 (0011g) en 20 mL de agua destilada Para cada suspension el valor de pH
fue modificado a valores aacutecidos y baacutesicos desde 20 hasta 100 usando como modificadores de
pH aacutecido niacutetrico HNO3 e hidroacutexido de amonio NH4OH respectivamente
35 PRUEBAS BIOLOacuteGICAS
351 Extraccioacuten de ADN plasmiacutedico
La Fig 33 muestra el diagrama de extraccioacuten de ADN plasmidico Las etapas principales en la
extraccioacuten de ADNp incluye la preparacioacuten del lisado lavado y elucioacuten (Fig 33(a)) El plaacutesmido
53
recombinante presente en la cepa T7 Express Iq Competent de Escherichia coli [MiniF
laqIq(CamR)fhuA2 lacZT7 gene1 [Ion] ompT gal sulA11 R(mcr-73miniTn10mdashTets)2[dcm]
R(zgb-210Tn10mdashTets) endA1 Δ(mcrC-mrr)114IS10] fue aislado de acuerdo a las
instrucciones del Kit PureYieldTM Plasmid Miniprep System (Fig 33(b)) 30 microL de ADN + 10
microL de buffer de carga fueron cargados en un gel de agarosa al 08 para determinar la presencia
del plaacutesmido mediante electroforesis La electroforesis se llevoacute a cabo a 90 V por 30 min El gel
fue analizado en un Fotocodificador EL LOGIC 200
Figura 33 Extraccioacuten de ADN plasmiacutedico (a) Pasos generales en la extraccioacuten de ADNp y (b) procedimiento del
Kit Pure YieldTM Plasmid Miniprep System
352 Siacutentesis del peacuteptido DS
La Fig 34 muestra el diagrama general de siacutentesis del peacuteptido DS El Diagrama incluye los
pasos desde la expresioacuten del peacuteptido hasta su deteccioacuten y revelado con luminol
54
Figura 34 Diagrama de siacutentesis del peacuteptido DS a partir del plaacutesmido pFN21K El Diagrama incluye los pasos desde
la expresioacuten del peacuteptido hasta su deteccioacuten y revelado con luminol en un anaacutelisis tipo Western
a Siacutentesis a partir del plaacutesmido pF1A T7 Flexireg
Un pre-inoacuteculo de E coli fue preparado tomando una asada de la cepa T7 modificada para
sintetizar el peacuteptido pF1A T7 Flexi la cual se inoculo en 30 mL del medio de cultivo Luria-
Bertani (LB) El cultivo fue incubado a 37 degC por 18 h en agitacioacuten a 150 rpm La induccioacuten se
llevoacute a cabo distribuyendo 200 microL de pre-inoacuteculo + 20 microL de ampicilina (100 microgmL) en 20 mL
de LB El medio de cultivo fue incubado hasta alcanzar una densidad oacuteptica (DO) de 04 ndash 06
Los valores de DO fueron medidos en un Espectro Cary 50 Probe UV-vis spectro usando una
longitud de onda λ = 600 nm Una vez alcanzada la DO diferentes concentraciones de isopropil-
β-D-1-tiogalactopiranoacutesido (IPTG) fueron agregadas para inducir la concentracioacuten del peacuteptido
La concentracioacuten de IPTG fue calculada usando la Ecuacioacuten 1 La induccioacuten se incuboacute a 37 degC
por 3 h 10 mL de la induccioacuten fue tomado y centrifugado a 13000 rpm por 1 min el
sobrenadante fue descartado y fueron agregados al sedimento 100 microL de buffer de lisis La
muestra se hirvioacute por 10 min 50 microL de muestra fueron cargados en un gel de poliacrilamida para
determinar la expresioacuten del peacuteptido de intereacutes La muestra fue tratada con dodecil sulfato de
sodio (SDS CH3(CH2)10CH2OSO3-
Na+) La electroforesis se llevoacute a cabo a 200 V por 40 min
El fundamento de la electroforesis se basa en el movimiento de las partiacuteculas cargadas en un
campo eleacutectrico hacia un electrodo con carga opuesta El anioacuten del SDS se une con fuerza a las
55
proteiacutenas por adsorcioacuten no especiacutefica cuanto mayor es la proteiacutena maacutes cantidad del anioacuten
adsorberaacute El SDS desnaturaliza por completo a las proteiacutenas rompiendo todas las interacciones
no covalentes Como resultado las proteiacutenas adquieren una carga negativa a consecuencia de la
adsorcioacuten del anioacuten SO3-
La movilidad de las macromoleacuteculas depende de su carga forma y
tamantildeo Sin embargo dado que todas las proteiacutenas de la muestra tienen casi la misma forma y
carga el tamantildeo de las proteiacutenas se convierte en el factor determinante para su separacioacuten
Ecuacioacuten 31
donde
C1 = concentracioacuten de IPTG deseada
V1 = volumen del medio LB
C2 = concentracioacuten del stock de IPTG
V2 = volumen necesario de IPTG para alcanzar la concentracioacuten deseada
b Siacutentesis a partir del plaacutesmido pFN21K
Con el objetivo de llevar a cabo la expresioacuten y produccioacuten de proteiacutenas recombinantes ceacutelulas
derivadas de ovario de haacutemster chino Cricetulus griseus (ceacutelulas CHO) fueron transferidas con
el vector pFN21K construido especialmente para expresar el peacuteptido deseado 300 000 ceacutelulas
CHOpozo fueron sembradas en placas de seis pozos para cultivo celular en 1 mL de medio de
crecimiento completo (F-12K) e incubadas a una atmoacutesfera de 5 de CO2 y a 37 ordm C 24 horas
despueacutes las ceacutelulas CHO se transfectaron haciendo uso del kit XfetTM Transfection Reagent
siguiendo las instrucciones del fabricante y empleando 5 microg de plaacutesmido El cultivo celular
transfectado fue incubado durante 24 h en una atmosfera de 5 de CO2 y a 37 ordm C despueacutes de los
56
cuales el medio fue sustituido por medio celular nuevo y se incuboacute a las mismas condiciones de
CO2 y temperatura Se verificoacute la transfeccioacuten positiva de las ceacutelulas CHO y se procedioacute a la
extraccioacuten de proteiacutena total Las ceacutelulas CHO fueron lavadas dos veces con PBS frio esteacuteril a
continuacioacuten fueron antildeadidos a cada pozo 80 microL de buffer de lisis con una concentracioacuten final de
2X El complejo lisado fue recuperado en tubos de 15 mL y la proteiacutena se centrifugoacute a 14000
rpm a 4 ordmC por 20 min El sobrenadante fue recuperado Un anaacutelisis tipo Western blot fue
utilizado para verificar la expresioacuten del peacuteptido con ayuda de anticuerpos monoclonales El
primer paso de este anaacutelisis consistioacute en la separacioacuten de macromoleacuteculas proteicas mediante
geles de poliacrilamida al 10 Posteriormente las proteiacutenas se transfieren a una matriz de
nitrocelulosa la cual fue bloqueada con una solucioacuten de caseiacutena al 1 en amortiguador salino de
Tween20 al 01 Tris 100 mM pH 75 NaCl 09 (TTBS) Posteriormente se llevoacute a cabo una
serie de lavados utilizando solucioacuten amortiguadora de fosfatos (PBS) KHPO4 106 mM NaCl
15517 mM y NaPO4 297 mM pH 74 La deteccioacuten del peacuteptido deseado se realizoacute adicionando
como anticuerpo primario anti-HaloTagreg y como anticuerpo secundario anti-gallina acoplado a
la enzima peroxidasa de raacutebano (HRP) El revelado en una placa fotograacutefica para la deteccioacuten del
peacuteptido se llevoacute a cabo mediante la adicioacuten de luminol
353 Cargaliberacioacuten del peacuteptido
a Carga BaFe12O19-pF1AT7 Flexireg
10 mg de polvo de BaFe12O19 fueron puestos en contacto con 40 mL del peacuteptido DS producido a
partir del plaacutesmido pF1A T7 Flexireg mediante agitacioacuten lenta a temperatura ambiente durante 2 h
Los polvos de BaFe12O19 fueron recuperados del peacuteptido tomando 50 microL de la suspensioacuten a los
cuales se les agrego 50 microL de agua desionizada + 50 microL de buffer de lisis La mezcla se llevoacute a
ebullicioacuten por 10 min para su posterior carga en un gel de poliacrilamida para realizar un anaacutelisis
tipo Western
57
b Carga BaFe12O19-pFN21K
10 mg de polvo de BaFe12O19 fueron puestos en contacto con 40 mL de una solucioacuten acuosa del
peacuteptido DS-HaloTag mediante agitacioacuten lenta a temperatura ambiente Una aliacutecuota de la
solucioacuten fue tomada a tiempos predeterminados para medir la DO600 La disminucioacuten de DO
indica que el peacuteptido DS-HaloTag se ha absorbido en los sistemas nanoestructurados de
BaFe12O19
354 Liberacioacuten del peacuteptido DS de los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19
Los polvos de BaFe12O19 fueron recuperados de la solucioacuten acuosa que conteniacutea el peacuteptido DS-
HaloTag A continuacioacuten fueron colocados en medio F12K e incubados a una atmoacutesfera de 5
de CO2 a 37 ordmC Para verificar la liberacioacuten del peacuteptido Halo-DS a tiempos predeterminados una
aliacutecuota del medio fue tomada y medida la DO600
58
CAPIacuteTULO 4
RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN
59
CAPIacuteTULO 4 RESULTADOS Y DISCUSION
En este capiacutetulo se presentan los resultados obtenidos en el disentildeo y siacutentesis de los sistemas
nanoestructurados de BaFe12O19 fabricados a partir de un disentildeo experimental factorial 2f y
sintetizados a traveacutes del meacutetodo sol-gel y secado por aspersioacuten A partir de los resultados
obtenidos en la caracterizacioacuten estructural morfoloacutegica fisicoquiacutemica y magneacutetica de los
sistemas de BaFe12O19 asiacute como las pruebas bioloacutegicas que incluyen el estudio de carga y
liberacioacuten del peacuteptido DS utilizado como faacutermaco modelo se discute la capacidad de estos
sistemas para ser usados como sistemas de liberacioacuten de faacutermaco
41 DISENtildeO FACTORIAL 2f
La Tabla 4I muestra el total de 8 experimentos llevados a cabo cuando se realizoacute el disentildeo
experimental 2f asiacute como los valores obtenidos para el diaacutemetro promedio de agregado de
BaFe12O19 aacuterea superficial especiacutefica BET volumen de mesoporo y diaacutemetro promedio de
macroporo de los agregados de BaFe12O19el volumen de poro y el tamantildeo de aglomerado
promedio para todos los experimentos Se observa un efecto sobre el volumen de poro y el
tamantildeo de los agregados nanoestructurados macroporosos de BaFe12O19 Los diaacutemetros promedio
de los agregados esfeacutericos obtenidos despueacutes del proceso de secado por aspersioacuten y calcinados a
700 degC variaron de 150 a 173 microm Las partiacuteculas nanoestructuradas superparamagneacuteticas de
oacutexido de hierro desde 29 nm hasta 35 microm han sido sintetizadas por varios autores La mayoriacutea
de las aplicaciones son dependientes del tamantildeo En este trabajo se ha elegido sintetizar
agregados esfeacutericos macroporosos de tamantildeo micromeacutetrico con la finalidad de aumentar la carga
uacutetil en los sistemas de liberacioacuten de faacutermacos asegurando tambieacuten con ello la estabilidad de los
agregados durante el transporte en el torrente sanguiacuteneo Ademaacutes se ha tomado en cuenta que el
tamantildeo maacutes grande de agregado obtenido aquiacute sea capaz de ser inyectado auacuten en los capilares
(los cuales miden alrededor de 5 a 10 microacutemetros de diaacutemetro)
60
Un anaacutelisis estadiacutestico de variancia (ANOVA) fue llevado a cabo para establecer que los factores
A B y C correspondientes a la presioacuten (P) temperatura (T) y PS respectivamente asiacute como
sus interacciones AB AC BC y ABC afectan la morfologiacutea y el tamantildeo del agregado Para este
tipo de modelo la estadiacutestica de prueba (F0) para cada efecto principal e interaccioacuten pueden
construirse dividiendo el cuadrado medio (MS) correspondiente del efecto o interaccioacuten por el
cuadrado medio del error Mientras que el estadiacutestico de referencia (FT) es obtenido a partir de la
literatura El nuacutemero de grados de libertad (GL) de cualquier efecto principal es el nuacutemero de
niveles del factor menos uno y el nuacutemero de GL de una interaccioacuten es el producto del nuacutemero de
GL asociados con los componentes individuales de la interaccioacuten Cuando F0 gt FT los efectos
individuales o sus interacciones muestran un efecto significativo en las variables de respuesta
De acuerdo al anaacutelisis ANOVA en la Tabla 4II el cual analiza el diaacutemetro de agregado
promedio el uacutenico factor que tienen un efecto significativo sobre el tamantildeo del agregado es la
presioacuten de aire del aspersor Mientras que un efecto miacutenimo puede estar dado por la temperatura
o por la combinacioacuten de los factores presioacuten-temperatura y temperatura-poroacutegeno
De la misma manera un anaacutelisis ANOVA en la Tabla 4II donde se muestra el anaacutelisis de aacuterea
superficial especiacutefica BET de los agregados nanoestructurados muestra que los factores que
tienen un efecto significativo sobre BET estaacuten dados por la concentracioacuten del template por siacute
sola ademaacutes de la interaccioacuten entre los factores presioacuten-template y temperatura-template
Ademaacutes un anaacutelisis ANOVA fue llevado a cabo para analizar el volumen de mesoporos de los
agregados nanoestructurados obtenidos La Tabla 4II muestra que los efectos que tienen un
efecto significativo sobre el volumen de mesoporos son la presioacuten por siacute sola y la interaccioacuten de
los factores presioacuten-template y temperatura-template
Finalmente un anaacutelisis ANOVA fue llevado a cabo para analizar el diaacutemetro de macroporo La
Tabla 4II muestra que ninguacuten factor tiene un efecto significativo sobre el tamantildeo de macroporo
Pudiera ser considerado que los factores que tienen un miacutenimo efecto sobre el tamantildeo de
61
macroporo son la temperatura por si sola y las interacciones de los factores presioacuten-temperatura
y temperatura-poroacutegeno Se concluye que el tamantildeo de macroporo es determinado
principalmente por el tamantildeo del PS En este trabajo las esferas del agente poroacutegeno de PS
usadas fueron de 200 nm de diaacutemetro promedio
Tabla 4I Variables de respuesta (oslashagregado SBET Vmesoporo oslashmacroporo) del disentildeo experimental fraccionario 2f como
resultado del efecto de los factores P T y PS
1No Exp
2Factor
3oslashagregado
4SBET
5Vmesoporo
6oslashmacroporo
P T PS
1 - - - 169 2705 00743 1946
2 - + - 173 2456 00639 2340
3 + - - 171 3420 01686 2362
4 + + - 158 2199 00238 2213
5 - - + 150 2031 00463 2206
6 - + + 164 2064 00085 2435
7 + - + 172 1481 01015 2085
8 - - + 173 1116 00143 1971
1 = Nuacutemero de experimento 2 = Los factores de presioacuten (P Kgcm2) temperatura (T degC) y porcentaje en peso del
poliestireno (PS) usado como agente poroacutegeno muestran dos niveles nivel bajo (-) y nivel alto (+)
correspondientes a 15 Kgcm2 y 20 Kgcm
2 180 degC y 200 degC y 30 y 50 respectivamente 3 oslashagregado (microm) =
diaacutemetro promedio de agregado de BaFe12O19 SBET (m2g) = aacuterea superficial especiacutefica BET Vmesoporo (cm
3g)=
volumen de mesoporo oslashmacroporo (nm) = diaacutemetro promedio de macroporo de los agregados de BaFe12O19
62
Tabla 4II Anaacutelisis de variancia ANOVA
ANOVA
EFECTO FACTOR 1SS
2GL
3MS
4F0
5FT
oslashagregado
A 049 1 00150 574
532
B 039 1 00095 363
AB -035 1 00076 293
C -005 1 00001 005
AC 015 1 00014 053
BC 031 1 00060 229
ABC 017 1 00018 069
ERROR 0041 8 00026
TOTAL 0083 15
SBET
A -2235 1 31220 2300
532
B -1653 1 17070 1128
AB -2529 1 39970 294
C -5501 1 18910 1393
AC -3887 1 94420 6958
BC -4235 1 11200 8260
ABC -0590 1 00021 0001
ERROR 21713 8 1357
TOTAL 70108 15
Vmesoporo
A -079 1 0063 866
532
B -050 1 0168 398
AB 035 1 0023 174
C 046 1 0049 298
AC -065 1 0008 581
BC -066 1 0101 602
ABC 059 1 0014 479
ERROR 0073 8 00046
TOTAL 0227 15
oslashmacroporo
A 600 1 2250 001
532
B -656 1 2689 234
AB -766 1 3667 319
C 176 1 1936 016
AC -384 1 9216 080
BC -754 1 35532 309
ABC 480 1 14400 125
ERROR 18372 8 11483
TOTAL 30860 15
1SS = suma de cuadrados
2GL = grados de libertad
3MS = cuadrado promedio
4F0 = valor estadiacutestico de prueba F
5FT = valor estadiacutestico de referencia
63
42 CARACTERIZACIOacuteN
421 Difraccioacuten de rayos X
La Fig 41 presenta los espectros de XRD de las muestras obtenidas a temperaturas de
calcinacioacuten de 700 800 900 y 1000 degC La indexacioacuten de los espectros de XRD indicoacute la
coexistencia de las fases hexaferrita H = BaFe12O19 monoferrita O = BaFe2O4 y hematita F =
Fe2O3 en todas las muestras La fase H hexaferrita tiene una celda unitaria hexagonal (tarjeta
Crystallography Open Database COD 1008841) con paraacutemetros de red a = b =0589 nm y c =
2318 nm la fase monoferrita O tiene una celda unitaria ortorroacutembica (tarjeta COD 4107896) con
paraacutemetros de red a = 1899 nm b = 0538 nm c = 0844 nm y la fase hematita F tiene una celda
unitaria hexagonal (tarjeta COD 9015964) con paraacutemetros de red a = b = 0503 nm y c = 1374
nm Como puede observarse el contenido de la fase H aumenta con la temperatura y
simultaacuteneamente disminuye la fase F
Figura 41 Espectro DRX del polvo de las esferas de BaFe12O19 obtenidas despueacutes del proceso de secado por
aspersioacuten y calcinado a diferentes temperaturas Este presenta las fases H = BaFe12O19 (tarjeta Crystallography Open
Database COD 1008841) F = Fe2O3 (tarjeta COD 9015964)
64
422 Microscopiacutea electroacutenica de barrido
La Fig 42(a) muestra una imagen de SEM representativa de los agregados esfeacutericos de
BaFe12O19 de los polvos obtenidos despueacutes del proceso de secado por aspersioacuten y antes de ser
sometido a un tratamiento teacutermico Una amplificacioacuten a 20000 X (Fig 42(b)) muestra un
agregado de BaFe12O19 en el cual pueden ser observadas las esferas de poliestireno (PS) antes de
ser eliminadas durante el tratamiento teacutermico
Figura 42 Imaacutegen SEM de (a) agregados esfeacutericos de BaFe12O19 antes de ser tratados teacutermicamente y (b) una
amplificacioacuten a 20000 X que muestra un agregado de BaFe12O19 en el cual pueden ser observadas las esferas de
poliestireno (PS) antes de ser eliminadas
La Fig 43(a) y Fig 43(c) muestra imaacutegenes de SEM representativas de los agregados de
BaFe12O19 Las imaacutegenes fueron tomadas con electrones secundarios (SE) a 5 KV Se puede
observar que los agregados porosos nanoestructurados presentan una morfologiacutea esfeacuterica Los
insertos en la Fig 43(a) y Fig 43(c) muestran una amplificacioacuten de los agregados de BaFe12O19
Noacutetese que las esferas son macroporosas y policristalinas constituidas por cristales alargados o
fibras de tamantildeo micromeacutetrico formando una estructura tipo nido La macroporosidad fue
producto de la pirolisis de las esferas de poliestireno durante el tratamiento teacutermico Sin embargo
no existe evidencia clara en los espectros de DRX (Fig 41) de crecimiento preferencial de
ninguna de las fases
65
Las Fig 43(b) y Fig 43(d) muestra los histogramas de distribucioacuten de tamantildeo de agregado
correspondiente a las Fig 43(a) y Fig 43(c) respectivamente Los agregados tienen un diaacutemetro
promedio de aprox 17 microm el cual como se mencionoacute anteriormente cumple con el requisito de
ser menor de 50 microm para poder ser introducido en una suspensioacuten inyectable Los agregados
esfeacutericos observados en las muestras son praacutecticamente del mismo tamantildeo puesto que el tamantildeo
de estos agregados es resultado del tamantildeo de la gota producida en la boquilla del equipo de
secado pero tambieacuten puede estar influenciado por la reologiacutea de la suspensioacuten alimentada La
distribucioacuten de tamantildeo de agregado fue determinada a partir de imaacutegenes SEM mediante anaacutelisis
estadiacutestico usando el software linear Lynx Los histogramas describen el comportamiento en
cuanto a tendencia central forma y dispersioacuten del conjunto de datos analizados (agregados de
BaFe12O19 N = 300)
Ademaacutes se observa una morfologiacutea esfeacuterica homogeacutenea con un tamantildeo de macroporo de aprox
200 nm de diaacutemetro con una desviacioacuten estaacutendar de 50 nm Este resultado es loacutegico si
consideramos que la suspensioacuten alimentada estaacute constituida ademaacutes del gel por las esferas de
poliestireno monomodales cuyo tamantildeo promedio es de 223 nm Por lo tanto estos materiales
caen en la clasificacioacuten de materiales macroporosos de acuerdo a la IUPAC Ademaacutes la
distribucioacuten de los mesoporos de los agregados esfeacutericos obtenidos fue determinada por la teacutecnica
BJH En promedio los mesoporos son del orden de 12 nm con una desviacioacuten estaacutendar de 2 nm
Como se mencionoacute anteriormente debido al disentildeo factorial 2f un conjunto de 8 experimentos
fue realizado Todas las muestras tienen una estructura y morfologiacutea similar por lo tanto las
imaacutegenes representativas para cada una de las concentraciones de PS 30 y 50 en peso
respectivamente son mostradas La muestra en la Fig 43(a) fue sintetizada con una temperatura
interna de 200 degC y una presioacuten de 20 Kgcm2 correspondiente a los paraacutemetros de secado por
aspersioacuten y a una concentracioacuten de esferas de poliestireno de 50 La muestra en la Fig 43(c)
fue sintetizada con una temperatura interna de 180 degC y una presioacuten de 15 Kgcm2
correspondiente a los paraacutemetros de secado por aspersioacuten y una concentracioacuten de esferas de
poliestireno de 30 La diferencia principal entre las imaacutegenes de las Fig 44(3) y Fig 44(3) es
la distribucioacuten de tamantildeo de poro
66
Figura 43 Imaacutegenes de SEM de los agregados de BaFe12O19 y sus correspondientes histogramas de distribucioacuten de
tamantildeo (a) Muestra con 50 de PS bajo condiciones de secado por aspersioacuten de 200 degC y 20 Kgcm2 y su
correspondiente distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula (b) (c) Muestra con 30 de PS bajo condiciones de secado por
aspersioacuten de 180 degC y 15 Kgcm2 y su correspondiente distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula (d) Las muestras fueron
calcinadas a 700 degC
Una variedad de diferentes morfologiacuteas han sido reportadas en la literatura Por ejemplo
Okuyama y cols [75] han reportado la siacutentesis de partiacuteculas esfeacutericas completamente densas
partiacuteculas esfeacutericas rugosas partiacuteculas huecas partiacuteculas tipo dona partiacuteculas porosas partiacuteculas
encapsuladas y una mezcla de partiacuteculas Chiemi y cols [51] han reportado la siacutentesis de
partiacuteculas nuacutecleo-coraza Ademaacutes otras morfologiacuteas tales como nanoalambres nanocilindros
nanotubos y nanopartiacuteculas tipo gusano han sido reportadas en la literatura En este trabajo se han
obtenido agregados nanoestructurados de BaFe12O19 con una morfologiacutea esfeacuterica Una ventaja de
las partiacuteculas esfeacutericas es su importancia praacutectica debido a sus propiedades reoloacutegicas cuando se
67
comparan con otras morfologiacuteas Por ejemplo cuando se encuentran en los vasos sanguiacuteneos el
flujo de los microagregados de forma esfeacuterica en el torrente sanguiacuteneo se ve mejorado
El anaacutelisis EDS (Fig 44(a)) y su respectivo mapeo quiacutemico (Fig 44(b)) realizado en el SEM
indicoacute que los agregados de BaFe12O19 estaacuten compuestos como era de esperarse por los
elementos quiacutemicos Ba Fe y O El pico de C es producido por la cinta doble cara de carbono
usada como adhesivo en soporte Este resultado demuestra que la composicioacuten de las esferas
obtenidas contiene los mismos elementos que fueron introducidos en la siacutentesis y no presentan
contaminacioacuten
Figura 44 (a) Espectro EDS de los agregados de BaFe12O19 el cual indica la presencia de los elementos Ba Fe y O
El C es producido por la cinta doble cara de carbono usada como adhesivo en soporte (b) Mapeos quiacutemicos de EDS
de los agregados de BaFe12O19 Imagen SEM en el modo de electrones secundarios Las imaacutegenes de Ba (verde) Fe
(rojo) y O (azul) indican su distribucioacuten homogeacutenea y que estos elementos son los uacutenicos presentes en las muestras
423 Microscopiacutea electroacutenica de transmisioacuten
La Fig 45 presenta las imaacutegenes de STEM-ADF de los agregados de BaFe12O19 calcinadas a
700 degC Estas imaacutegenes confirman que las esferas estaacuten conformadas principalmente por cristales
alargados tipo platelets Estos cristales son tan alargados que llegan a alcanzar una longitud del
tamantildeo de la esfera Por ejemplo en la Fig 45(d) se observa una esfera de aproximadamente 921
nm de diaacutemetro y la longitud del cristal maacutes largo es de 700 nm aproximadamente El tamantildeo
68
promedio de las esferas fue de 17 +- 04 microm y de los cristales alargados de 2991 +- 801 nm en
longitud y 341 +- 77 nm en espesor
Figura 45 Imaacutegenes de STEM-ADF de los agregados de BaFe12O19 Las esferas estaacuten conformadas principalmente
por cristales alargados
La Fig 46 muestra imaacutegenes de STEM-ADF (Fig 46(a)) y de TEM (Fig 46(b) de una esfera
de BaFe12O19 de aproximadamente 1 microm de diaacutemetro Estas imaacutegenes permiten comparar el
contraste presentado por los cristales que conforman las esferas por estas teacutecnicas Noacutetese que la
esfera presenta un cristal alargado de aproximadamente 850 nm de largo y cuyo contraste es
mejor observado por STEM-ADF
Figura 46 Imaacutegenes de una misma esfera de BaFe12O19 en el modo (a) STEM-ADF y (b) TEM las cuales permiten
comparar el contraste de los cristales que la conforman
69
Es importante indicar que el uso del limpiador ultrasoacutenico permitioacute obtener las muestras
analizadas por TEM en este trabajo El limpiador produce una vibracioacuten de 42 KHz a una
potencia de 70 W y genera alternativamente ondas de alta y baja presioacuten que transmiten sonidos
de alta y baja frecuencia La baja presioacuten genera burbujas microscoacutepicas que explotan
raacutepidamente liberando asiacute la energiacutea Este proceso denominado cavitacioacuten puede llevar a la
desintegracioacuten de los materiales que conforman las esferas de BaFe12O19 El calor permite
acelerar el proceso
En la Fig 47 se presentan las imaacutegenes de TEM en el modo de campo claro (Fig 47(a) y Fig
47(c) y en el modo de campo oscuro (Fig 47(b) y Fig 47(d) del material que conforman los
agregados despueacutes de haber sido desaglomerados por el tratamiento ultrasoacutenico al que fueron
sometidas Este material fue por lo tanto estructuralmente estudiado por difraccioacuten electroacutenica
de aacuterea selecta (SAEDP) El inserto en la Fig 47(b) presenta el patroacuten SAEDP de anillos
provenientes del material presentado en la Fig 47(a) mientras que el inserto en la Fig 47(d)
presenta el patroacuten SAEDP del cristal alargado mostrado en la Figura 47(c) La indexacioacuten de
estos patrones indicoacute que todo el material corresponde a la estructura hexagonal de la BaFe12O19
con paraacutemetros de red a = b = 0589 nm y c = 2318 nm (tarjeta Crystallography Open Database
COD 1008841)
Figura 47 Imaacutegenes de TEM en campo claro (a y c) y en campo oscuro (b y d) del material que conforman las
esferas despueacutes de haber sido desbaratadas por el tratamiento ultrasoacutenico El inserto en (b) presenta el patroacuten SAEDP
proveniente del material presentado en (a) El inserto en (d) presenta el patroacuten SAEDP del cristal alargado
presentado en (c)
70
La Fig 48(a) y Fig 48(b) muestran imaacutegenes HRTEM de uno de los cristales alargados
individuales que conforman los agregados poros de BaFe12O19 obtenidos Ademaacutes la
coexistencia de las fases entre los cristales de BaFe12O19 y los cristales de BaFe2O4 son
mostrados en la Fig 48(c) Por otra parte la Fig 48(d) muestra la coexistencia de las fases entre
los cristales de BaFe12O19 y los cristales de Fe2O3
Figura 48 Imaacutegenes HRTEM de los cristales que conforman los agregados porosos de BaFe12O19 (a) y (b)
corresponden a cristales individuales de la fase BaFe12O19 (c) Coexistencia entre las fases BaFe12O19 y BaFe2O4 (d)
Coexistencia entre las fases BaFe12O19 y Fe2O3
Las fibras fueron tambieacuten observadas por HRTEM para analizar la estructura y el ordenamiento
que presentan los aacutetomos que conforman sus cristales La Fig 49(a) presenta la imagen de
HRTEM de uno de los cristales alargados El inserto en esta figura presenta la correspondiente
Transformada Raacutepida de Fourier (FFT) del cristal la cual indica que el eje de zona corresponde
al eje de la zona en la direccioacuten [2-110] En la Fig 49(b) se presenta la imagen digitalmente
procesada correspondiente al aacuterea del recuadro indicado en la Fig 49(a) y la cual fue obtenida
usando el filtro indicado por el inserto A parte del arreglo presentado esta imagen indica que el
eje de crecimiento de los cristales alargados es en la direccioacuten [10-10] En el estudio por HRTEM
no solo se observan cristales alargados perfectamente formados sino que una gran mayoriacutea
presenta defectos principalmente fallas de apilamiento La Fig 49(c) presenta una imagen de
HRTEM de otro de los cristales alargados en la cual se observa una gran cantidad de defectos
71
La imagen presentada en la Fig 49(d) corresponde a la imagen digitalmente procesada del aacuterea
indicada en el recuadro presentado en la Fig 49(c)
Figura 49 (a) Imagen de HRTEM de uno de los cristales alargados que conforman las esferas de BaFe12O19 El
inserto presenta la correspondiente FFT la cual indica que el eje de zona corresponde al eje en la direccioacuten [2-110]
(b) Imagen digitalmente procesada correspondiente al aacuterea del recuadro indicado en (a) El filtro usado para el
procesamiento es indicado en el inserto (c) Imagen de HRTEM de otro de los cristales alargados con defectos (d)
Imagen digitalmente procesada del aacuterea indicada en el recuadro en (c)
Usando los valores de las posiciones xyz reportadas para BaFe12O19 con grupo espacial P3mmc
[27] se obtuvo la celda unitaria y se simularon digitalmente las imaacutegenes de HRTEM La Fig
410 presenta la celda unitaria obtenida en las direcciones [10-10] (Fig 410(a) y [21-10] (Fig
410(b)
La estructura de BaFe12O19 se puede construir usando tres unidades baacutesicas [30-32] S R y T La
unidad S a su vez presenta dos sub-unidades S0 con una carga eleacutectrica neutra y con foacutermula
quiacutemica Me22+
Fe43+
O8 (donde Me representa metales divalentes tales como Mn2+
Fe2+
Co2+
Ni2+
Zn2+
Mg2+
) y S2+
con carga eleacutectrica 2+ y con foacutermula quiacutemica (Fe63+
O8)2+
La unidad R
presenta carga eleacutectrica 2- y con foacutermula quiacutemica (Ba2+
Fe 63+
O11)2-
La unidad T presenta carga
eleacutectrica neutra y con foacutermula quiacutemica Ba22+
Fe83+
O 14 Estas unidades se unen para dar lugar a la
estructura de diferentes oacutexidos ferromagneacuteticos Por ejemplo al unir la unidad S2+
con la unidad
R se obtiene la secuencia de apilamiento RS la cual presenta carga eleacutectrica neutra y con
foacutermula quiacutemica BaFe12O19 Asiacute la celda unitaria de la BaFe12O19 se obtiene con la secuencia
SRSR donde dignifica una rotacioacuten de 180ordm alrededor del eje c La Fig 410 presenta las
72
unidades S S R y R de la celda unitaria de la BaFe12O19 observadas en las direcciones [21-10]
y [10-10] respectivamente
Vale la pena comentar que si se designa como la unidad M a BaFe12O19 y definimos a ST con
foacutermula quiacutemica Ba22+
Me22+
Fe123+
O22 como la unidad Y las hexaferritas pueden representarse
como apilamientos de las unidades S M y Y [64] Por lo tanto la combinacioacuten de las unidades S
R y T da origen al apilamiento que generan las diferentes estructuras observadas en las ferritas
[6566] y es natural deducir la existencia de las estructuras tipo politipo con la misma
composicioacuten quiacutemica en estos compuestos En nuestro caso los patrones de difraccioacuten SAEDP
obtenidos en este trabajo no indican la presencia de estructuras tipo politipo ya que no se
presentaron reflexiones provenientes de suacuteper-redes
Figura 410 Celda unitaria de BaFe12O19 obtenidas usando los valores indicados en [27] y observada en la direccioacuten
[10-10] (a) y en la direccioacuten [21-10] (b) Tambieacuten se presentan las unidades S y R El plano que contiene a Ba es un
plano espejo Ba en verde Fe en amarillo y O en rojo
La Fig 411 muestra la simulacioacuten digital de las imaacutegenes de HRTEM y sus correspondientes
patrones de difraccioacuten de aacuterea selecta en la direccioacuten [0001] (Fig 411(a) en la direccioacuten [10-10]
(Fig 411(b) y en la direccioacuten [2-1-10] (Fig 411(c) En estas Figuras se presentan las posiciones
de los aacutetomos de Ba (en verde) Fe (en amarillo) y O (en rojo) dentro de la celda unitaria
hexagonal de BaFe12O19 en proyeccioacuten a lo largo de las direcciones [0001] [10-10] y [2-1-10]
respectivamente Las condiciones de simulacioacuten fueron V = 200 KV con desenfoque de Scherzer
en -5485 nm y 4x4x4 celdas Noacutetese que las liacuteneas oscuras corresponden a posiciones de los
73
aacutetomos de Ba con los aacutetomos de Fe Los resultados indicaron que los agregados de BaFe12O19
producidos consisten de varios pequentildeos cristales alargados platelets cuyos arreglos atoacutemicos
presentan en algunos casos un perfecto arreglo (regiones libres de defectos) pero tambieacuten se
observaron desajustes en el apilamiento (mismatches) en otros casos
Figura 411 Simulacioacuten computacional de imaacutegenes de HRTEM en las direcciones [0001] (a) [10-10] (b) y [2-1-
10] (c) Se presenta la proyeccioacuten de la celda BaFe12O19 en las direcciones indicadas la simulacioacuten de su imagen en
el desenfoque de Scherzer y su correspondiente patroacuten de difraccioacuten del aacuterea selecta simulado Las condiciones de
simulacioacuten fueron V = 200 KV desenfoque de Scherzer en -5485 nm y 4x4x4 celdas Ba en verde Fe en amarillo
y O en rojo
La Fig 412 muestra la imagen de HRTEM experimental en la direccioacuten [2-110] de uno de los
cristales alargados que conforman los agregados de BaFe12O19 junto con la imagen
computacional simulada en la misma direccioacuten En este caso la imagen de HRTEM no presenta
defectos (al menos no observables) y las franjas presentan una periodicidad de 1159 nm que
corresponden a la mitad de la periodicidad a lo largo del eje c Tambieacuten se incluye las posiciones
de la superposicioacuten de los aacutetomos de Ba con los aacutetomos de Fe
74
Figura 412 Imagen de HRTEM en la direccioacuten [1-100] de uno de los cristales alargados que conforman los
agregados de BaFe12O19 y la imagen computacionalmente simulada en la misma direccioacuten En este caso la imagen de
HRTEM no presenta defectos Tambieacuten se incluyen las posiciones de los aacutetomos en la celda unitaria Ba en verde Fe
en amarillo y O en rojo
424 Isotermas de adsorcioacutendesorcioacuten de nitroacutegeno
La Fig 413 muestra las isotermas tiacutepicas de adsorcioacutendesorcioacuten para las muestras de BaFe12O19
calcinadas a 700 degC con concentraciones de PS de 30 y 50 respectivamente La muestra en la
Fig 413(a) fue sintetizada con una temperatura interna de 200 degC y una presioacuten de 20 Kgcm2
correspondiente a los paraacutemetros de secado por aspersioacuten y una concentracioacuten de esferas de
poliestireno de 50 La muestra en la Fig 413(b) fue sintetizada con una temperatura interna de
180 degC y una presioacuten de 15 Kgcm2 correspondiente a los paraacutemetros de secado por aspersioacuten y
una concentracioacuten de esferas de poliestireno de 30 De acuerdo a la clasificacioacuten BET las
isotermas corresponden a una isoterma tiacutepica tipo II Este tipo de isoterma se caracteriza por
raacutepido aumento inicial del volumen de gas adsorbido con el incremento en la presioacuten relativa
cambiando a un incremento lento El punto de inflexioacuten corresponde tanto a la finalizacioacuten del
recubrimiento de la mono capa y el llenado de los poros por condensacioacuten capilar El resto de la
curva corresponde a la formacioacuten de la multicapa Este tipo de isoterma es usualmente
encontrado en partiacuteculas mesoporosas El aacuterea superficial es calculada a partir de las isotermas
usando el meacutetodo BET a una presioacuten relativa por debajo de 03 A partir de la ecuacioacuten BET el
aacuterea superficial especiacutefica SBET de las partiacuteculas porosas de BaFe12O19 fue determinada SBET de
75
los agregados de BaFe12O19 varioacute de 1116 hasta 2705 m2g (Tabla IV) Dos tipos de poro son
observados en los agregados de BaFe12O19 mesoporos y macroporos Los mesoporos se
presentan en los espacios entre las partiacuteculas primarias y son el resultado de la pirolisis de las
micelas formadas por el surfactante Los macroporos son obtenidos como resultado de la pirolisis
del poliestireno Los insertos en la Fig 413(a) y Fig 413(b) muestran la distribucioacuten de tamantildeo
de los mesoporos obtenidos por el meacutetodo BET de adsorcioacuten de N2 El diaacutemetro promedio de
mesoporo varioacute entre 34 nm y 12 nm aproximadamente
Figura 413 Isotermas de adsorcioacutendesorcioacuten BET para (a) muestra con 50 de esferas de PS bajo condiciones de
secado por aspersioacuten de 200 degC y 20 Kgcm2 y (b) muestra con 30 de esferas de PS bajo condiciones de secado
por aspersioacuten de 180 degC y 15 Kgcm2 Las muestras fueron calcinas a 700 degC
425 Espectroscopiacutea infrarroja
El espectro FTIR de los agregados de BaFe12O19 calcinados a 700 degC mostrado en la Fig 414
evidencia de las bandas de vibracioacuten tiacutepicas para la BaFe12O19 estequiomeacutetrica a 132740 cm-1
y
140412 cm-1
las cuales son asignadas a los modos de vibracioacuten Fe-O de los sitios tetraeacutedricos y
octaeacutedricos en BaFe12O19 Las posiciones de estas bandas dependen de la estequiometriacutea de la
BaFe12O19 Las posiciones de las bandas a 35508 cm-1
54503 cm-1
61631 cm-1
69926 cm-1
y
87333 cm-1
corresponden a los enlacesgrupos funcionales del peacuteptido DS La interaccioacuten entre
BaFe12O19 y el poliacutemero induce un cambio en los picos caracteriacutesticos de BaFe12O19 a nuacutemero de
76
onda mayores como una funcioacuten de la relacioacuten surfactantepoliacutemero La presencia de nuevas
bandas en el espectro correspondiente a la BaFe12O19 en 30984 cm-1
y 87333 cm-1
indica la
adsorcioacuten del peacuteptido La regioacuten de 600 a 1000 cm-1
contiene los grupos funcionales
correspondientes a los enlaces C-C C-O y C-N Asiacute mismo la regioacuten entre 750 y 900 cm-1
incluyen grupos aromaacuteticos por lo tanto los grupos funcionales correspondientes a la
fenilalanina o al triptoacutefano pueden corresponder a los observados en el espectro IR [84]
Figura 414 Espectro Infrarrojo (IR) que muestra los enlacesgrupos funcionales a nuacutemeros de onda (cm-1
)
especiacuteficos correspondientes al peacuteptido DS-HaloTag libre y los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 libres y
cargados con el peacuteptido
426 Propiedades magneacuteticas
Una manera de medir las propiedades magneacuteticas es a traveacutes de las curvas de histeacuteresis las cuales
permiten la evaluacioacuten de las propiedades macroscoacutepicas tales como la saturacioacuten magneacutetica Ms
remanencia magneacutetica Mr y coercitividad Hc Estas propiedades definen el caraacutecter magneacutetico
de los materiales sintetizados La Fig 415 muestra las curvas de histeacuteresis a diferentes
77
temperaturas de calcinacioacuten La Tabla 4III muestra las propiedades magneacuteticas de todas las
muestras En general Ms Mr y Hc muestran un incremento como una funcioacuten de la temperatura
de calcinacioacuten y Hc incrementa con la temperatura en todos los casos El valor maacutes bajo de Mr
se obtuvo para la muestra calcinada a 700 degC Ademaacutes hay un cambio claro en el
comportamiento magneacutetico asociado con las temperaturas del tratamiento teacutermico El cambio
tiene que estar relacionado con el porcentaje del contenido de las diferentes fases presentadas en
las muestras y tambieacuten tiene que estar relacionado al tamantildeo de los cristales que constituyen los
agregados de BaFe12O19 A partir de las curvas de histeacuteresis mostradas en la Fig 420 y basado en
los valores de coercitividad mostrados en la Tabla 4III se observa que uacutenicamente el material
obtenido a 700 degC se comporta como un material magneacutetico semi-duro mientras que para todas
las demaacutes temperaturas desde 800 a 1000 degC el material muestra un comportamiento magneacutetico
duro
Figura 415 Curvas de histeacuteresis de los agregados de BaFe12O19 calcinados a diferentes temperaturas Los valores de
las muestras fueron tomadas a temperatura ambiente y 5000 Oe
78
Tabla 4III Propiedades magneacuteticas de los agregados porosos de hexaferrita de bario
Propiedades magneacuteticas
Muestra Temperatura de
calcinacioacuten (ordmC) Ms (emug) Mr (emug) Hc (Oe)
1 700 1424 379 194650
2 800 1249 592 463160
3 900 2826 152 479146
4 1000 4511 241 427750
El anaacutelisis de la composicioacuten estructural de los agregados indican que las fases monoferrita (O) y
hematita (F) estaacuten presentes Sin embargo la fase hexagonal H es la fase mayoritaria a la
temperatura de calcinacioacuten de 1000 degC Como se muestra en la Tabla 4III un cambio
significativo ocurre como una funcioacuten de la temperatura de calcinacioacuten en las propiedades
magneacuteticas de las muestras Es evidente que el cambio estaacute relacionado con la presencia de las
diferentes fases La mejor combinacioacuten de las propiedades magneacuteticas fue Ms = 4511 emug
(1000 degC) y Hc = 479148 Oe (900 degC)
Estos valores de magnetizacioacuten son cercanos a los obtenidos por Xu y cols [23] quienes
sintetizaron esferas mesoporosas huecas de BaFe12O19 usando el meacutetodo de pirolisis por
aspersioacuten obteniendo un valor de Ms = 504 emug para muestras calcinadas a 1000 degC
Gonzaacutelez-Carrentildeo y cols [25] obtuvieron un valor Ms = 500 emug para esferas huecas de
BaFe12O19 calcinadas a la misma temperatura obtenidas a partir de pirolisis por aerosol La
diferencia en los valores de magnetizacioacuten obtenidos por eacutestos autores y los valores obtenidos en
eacuteste trabajo puede ser debida principalmente a la estructura de la BaFe12O19 dado que en todos
los casos la morfologiacutea de la BaFe12O19 fue esfeacuterica sin embargo la BaFe12019 obtenida en este
trabajo presento una estructura porosa mientras que la estructura de obtenida por Xu y
Gonzaacutelez-Carrentildeo obtuvieron una estructura hueca
Por otra parte no uacutenicamente la estructura y morfologiacutea de las BaFe12O19 afecta las propiedades
magneacuteticas sino tambieacuten el meacutetodo de preparacioacuten Por ejemplo An y cols [42] sintetizaron
79
BaFe12O19 con una morfologiacutea esfeacuterica a traveacutes de un meacutetodo ultrasoacutenico asistido por sales En
este caso los valores de magnetizacioacuten obtenidos por los autores fue Ms = 619 emug (T = 950
degC) lo cual dista del valor obtenido en el presente trabajo de investigacioacuten
43 PROPIEDADES BIOLOacuteGICAS
431 Extraccioacuten de ADN plasmiacutedico
La extraccioacuten de ADN plasmiacutedico se llevoacute a cabo para verificar la presencia del gen de intereacutes en
los plaacutesmidos replicados en la cepa T7 de la bacteria E coli a partir de la cual se sintetizoacute el
peacuteptido DS La Fig 416 obtenida con el Fotocodificador EL LOGIC 200 muestra la extraccioacuten
de ADN de naturaleza plasmiacutedica de la cepa T7 de E coli Se obtuvo una extraccioacuten exitosa del
plaacutesmido pF1A T7 con un rendimiento de 350 ngmL
Figura 416 Extraccioacuten de ADN plasmiacutedico La columna 1 es referida al marcador Kb Plus DNA Ladder de peso
molecular conocido (pares de bases pb) El marcador se compone de 20 bandas de ADN de alta pureza de doble
cadena que abarca 100 pb hasta 12000 pb La columna 2 representa el ADNp de la cepa NEB (New England Biolab)
T7 DS Ademaacutes puede ser observado en la columna 2 la presencia de tres bandas a) es referida al ADNp relajado
b) describe el ADNp enrollado y c) explica el ADNp suacuteper-enrrollado
80
432 Siacutentesis induccioacuten y expresioacuten del peacuteptido DS
a Siacutentesis a partir del plaacutesmido pF1A T7 Flexireg
La Fig 417 muestra un anaacutelisis electroforeacutetico en un gel de SDS-poliacrilamida (SDS-PAGE)
que revela la expresioacuten del peacuteptido DS En la Fig 417 la columna 1 es referida al marcador
Spectra Multicolor Broad Range Protein Ladder Las columnas 2-5 muestras los efectos de las
concentraciones del inductor IPTG 05 1 2 y 3 mM Cada una de las bandas observadas en el
gel SDS-PAGE representa una proteiacutena distinta En las columnas 2-5 se observa una banda a la
altura de aproximadamente 26 KDa lo cual indica la expresioacuten del peacuteptido DS y que estaacute de
acuerdo con los valores de la literatura Sin embargo la intensidad de la banda en la columna 4 es
maacutes intensa lo cual indica que una concentracioacuten 2 mM de IPTG tiene una mayor eficiencia en la
induccioacuten del peacuteptido DS Por otra parte un aumento en la concentracioacuten de IPTG a 3 mM inhibe
la expresioacuten del peacuteptido DS como se puede observar en la columna 5
Figura 417 Separacioacuten de proteiacutenas por electroforesis en gel SDS-PAGE
81
b Siacutentesis a partir del plaacutesmido pFN21K
La Fig 418(a) y Fig 418(b) muestra imaacutegenes de microscopiacutea oacuteptica a diferentes
magnificaciones Las ceacutelulas CHO normalmente ancladas a la superficie tienen forma
fibroblastoide y pueden adaptarse a crecer en suspensioacuten adquiriendo entonces una forma
esfeacuterica Las ceacutelulas transfectadas son faacuteciles de detectar ya que eacutestas adquieren una coloracioacuten
azul debida a la integracioacuten de un plaacutesmido que contiene un gen reportero el cual estaacute vinculado a
una secuencia regulatoria en el cultivo celular Estos genes otorgan caracteriacutesticas que facilitan su
expresioacuten identificacioacuten y medicioacuten La expresioacuten del gen reportero puede ser observada en la
Fig 418 Las ceacutelulas CHO son tentildeidas al momento de antildeadir una moleacutecula orgaacutenica X-gal que
degrada la beta-galactosidasa presente en las ceacutelulas CHO
Figura 418 Imaacutegenes del microscopio oacuteptico en las cuales se puede observar la expresioacuten de un gen reportero
indicando las ceacutelulas CHO han sido transfectadas
La Fig 419 muestra un anaacutelisis tipo Western blot En la placa fotograacutefica se observa la proteiacutena
de intereacutes DS-HaloTag a una altura de ~61 KDa sintetizada a partir del plaacutesmido pfN21K El
volumen final en los carriles 1-3 fue de 198 microl con una concentracioacuten de proteiacutena (microgmicroL) de 29
28 y 27 respectivamente De acuerdo a la literatura el peso molecular del peacuteptido DS es ~26
KDa y el peso molecular de HaloTag es ~34 KDa Por lo que el peso de 61 KDa observado en la
placa fotograacutefica corresponde al peso molecular de la proteiacutena de fusioacuten DS-HaloTag
82
Figura 419 Anaacutelisis tipo Western blot La proteiacutena de intereacutes DS-HaloTag aparece a una altura de 61 ~KDa
433 Caracterizacioacuten del peacuteptido DS
La correspondiente caracterizacioacuten del peacuteptido DS es mostrada en la Tabla 4IV la cual incluye
caracteriacutesticas tales como la longitud y peso del peacuteptido punto isoeleacutectrico residuos hidrofoacutebicos
e hidrofiacutelicos residuos cargados y distribucioacuten de los aminoaacutecidos presentes (Tabla 4V y Fig
420)
Tabla 4IV Informacioacuten de secuencia
Informacioacuten de secuencia
Secuencia Proteiacutena
Longitud 252
Organismo Dominio de unioacuten a Su(H) sin intron
Nombre DS sin introacuten marco de traduccioacuten +1
Peso 26371 KDa
Punto isoeleacutectrico 1075
Iacutendice alifaacutetico 60556
Residuos de aminoaacutecidos
Hidrofobicidad Cantidad Tipo de carga Cantidad
Hidrofoacutebico (A F G I L M P V W)1 121 Negativa (D E)
1 17
Hidrofiacutelico (C N Q S T Y)1 78 Positiva (R K)
1 32
1 = Abreviacioacuten de los aminoaacutecidos con una sola letra
83
Tabla 4V Tabla de distribucioacuten de aminoaacutecidos
Aminoaacutecido Cantidad Aminoaacutecido Cantidad
Alanina (A) 31 Metionina (M) 2
Cisteiacutena (C) 0 Asparagina (N) 9
Aacutecido aspaacutertico (D) 11 Prolina (P) 16
Aacutecido glutaacutemico (E) 6 Glutamina (Q) 7
Fenilalanina (F) 10 Arginina (R) 17
Glicina (G) 24 Serina (S) 35
Histidina (H) 4 Treonina (T) 24
Isoleucina (I) 9 Valina (V) 11
Lisina (K) 15 Triptofano (W) 4
Leucina (L) 14 Tirosina (Y) 3
Figura 420 Histograma de distribucioacuten de aminoaacutecidos
A nuestro mejor conocimiento el peacuteptido DS (Dominio de unioacuten a supresor de Hairless [Su(H)]
no ha sido probado como faacutermaco modelo en sistemas DDS Sin embargo cientos de peacuteptidos
derivados a partir de proteiacutenas presentes principalmente en el citosol mitocondria yo nuacutecleo han
sido identificados y probados [11] Li [13] produjo el peacuteptido LL-37 antimicrobiano en E coli el
84
cual exhibe diversas propiedades inmunomoduladoras tales como la habilidad de mediar la
quimiotaxis acelerar la angiogeacutenesis y promover la cicatrizacioacuten
En las uacuteltimas deacutecadas el desarrollo de terapias a partir de peacuteptidos ha llevado a un nuacutemero sin
precedentes de aprobaciones en el mercado Kaspar y cols [37] describen las direcciones futuras
en el desarrollo de terapias basadas en peacuteptidos Algunos peacuteptidos aprobados en 2012 por la FDA
son linaclotide utilizado para el tratamiento de desoacuterdenes gastrointestinales lucinactant usado
para prevenir el siacutendrome respiratorio peginesatide usado para el tratamiento de anemia entre
otros
44 PRUEBAS DE CARGALIBERACIOacuteN
En la Fig 421 se observa como disminuyen los valores de densidad oacuteptica (DO600) en la
interaccioacuten BaFe12O19-DS-HaloTag a medida que el tiempo transcurre La disminucioacuten de DO600
indica que el peacuteptido DS-HaloTag es absorbido sobre la superficie de los sistemas
nanoestructurados de BaFe12O19 Como puede ser observado en la Figura 45 los valores de
DO600 se mantienen constante en ~ 0243 en un tiempo de 140 min lo cual indica que en este
punto los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 han alcanzado su saturacioacuten y por lo tanto no
pueden absorber maacutes cantidad de peacuteptido DS-HaloTag A partir de la graacutefica se determinoacute la
concentracioacuten de peacuteptido DS-HaloTag absorbido por los sistemas nanoestructurados de
BaFe12O19 Sabiendo que la concentracioacuten inicial (C1) del peacuteptido DS-HaloTag fue de 24 microgmicroL
y calculando la concentracioacuten remanente (C2) del peacuteptido DS-HaloTag en la salucioacuten acuosa lo
cual corresponde al momento de saturacioacuten de los sistemas nanoparticulados de BaFe12O19 (140
min) a una longitud de onda λ = 595 nm a partir de la ecuacioacuten de regresioacuten polinomial de orden
2 y = 2Endash05x2 ndash 00069x + 07866 y con un coeficiente de correlacioacuten R2 = 096021 se obtiene
una concentracioacuten C2 = 0268 microgmicroL por lo tanto la concentracioacuten absorbida de peacuteptido DS-
HaloTag por los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 corresponde a C1 - C2 = 213 microgmicroL
Asiacute el porcentaje de peacuteptido DS-HaloTag puede ser calculado a partir de la siguiente expresioacuten
85
Ecuacioacuten 41
donde
Cab = absorcioacuten de DS-HaloTag sobre los sistemas de BaFe12O19
C1 = concentracioacuten inicial de DS-HaloTag
C2 = concentracioacuten remanente de DS-HaloTag en solucioacuten acuosa
Por lo tanto
Cab = 875
Figura 421 Interaccioacuten BaFe12O19-DS-HaloTag La disminucioacuten en los valores de DO a medida que el tiempo
transcurre indica la absorcioacuten del peacuteptido por los agregados de BaFe12O19
86
Una vez saturados los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 se tomaron 10 microL de la solucioacuten
acuosa que contiene el peacuteptido DS a los cuales se les agrego 50 microL de buffer de lisis La mezcla
se llevoacute a ebullicioacuten por 10 min para ser cargada en un gel de poliacrilamida La Fig 422
muestra una electroforesis de un gel SDS-PAGE llevada a cabo a 200 V por 40 min La Fig
428(a) muestra la interaccioacuten entre los agregados de BaFe12O19 y el plaacutesmido pFN1A T7 Flexireg
y advierte como la concentracioacuten de la proteiacutena (columna izquierda) decrece (la intensidad de las
bandas se ve disminuida) lo cual indica que el peacuteptido DS es absorbido por los agregados de
BaFe12O19
Figura 422 Anaacutelisis visual SDS-PAGE de la interaccioacuten BaFe12O19-DS-HaloTag que muestra coacutemo disminuye la
cantidad de proteiacutena libre en el medio
Adicionalmente el anaacutelisis FTIR mostrado en la Fig 414 confirma que el peacuteptido DS-HaloTag
fue absorbido por los sistemas nanoparticulados de BaFe12O19 El espectro IR mostrado en la Fig
419 exhibe los enlacesgrupos funcionales del peacuteptido DS a 35508 cm-1
54503 cm-1
61603
cm-1
69926 cm-1
y 87333 cm-1
Puede ser observado que el enlacegrupo funcional a 87333 cm-
1 aparece en los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 cargados con el peacuteptido lo que
confirma su absorcioacuten por el sistema asiacute mismo el enlacegrupo funcional que aparece a 30984
87
cm-1
en los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 pudiera corresponder al observado en el
peacuteptido DS-HaloTag por la proximidad que eacuteste presenta Por otra parte los enlacesgrupos
funcionales a 54503 cm-1
61631 cm-1
y 69926 cm-1
que no aparecen en los sistemas
nanoestructurados de BaFe12O19 cargados con el peacuteptido pudieran corresponder a la parte de la
proteiacutena de bajo peso molecular lo cual puede estar de acuerdo con los resultados mostrados en
la Figura puesto que el gel de poliacrilamida (10) revela que en la interaccioacuten BaFe12O19-DS-
HaloTag los peacuteptidos que en su mayoriacutea son absorbidos son aquellos que corresponden a un peso
molecular grande
La absorcioacuten del peacuteptido DS-HaloTag sobre los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 puede
ser explicada a partir del hecho de que el potencial zeta (Fig 423) del sistema nanoestructura de
BaFe12O19 ζ BaFe12O19 tiene un valor negativo a un pH de 74 (pH al cual se llevoacute a cabo la
interaccioacuten) mientras que la carga superficial del peacuteptido DS ζ DS al mismo pH tiene un valor
positivo
Figura 423 Carga superficial (mV) en funcioacuten del pH para el peacuteptido DS-HaloTag y los sistemas nanoestructurados
de BaFe12O19
Ademaacutes el peacuteptido DS presenta residuos de aminoaacutecidos (aa) hidrofoacutebicos (Alanina (A)
Fenilalanina (F) Glicina (G) Isoleucina (I) Leucina (L) Metionina (M) Prolina (P) Valina (V)
Triptoacutefano (W)) e hidrofiacutelicos (Cisteiacutena (C) Asparagina (N) Glutamina (Q) Serina (S) Treonina
88
(T) Tirosina (Y)) y tomando en cuenta que BaFe12O19 en solucioacuten acuosa puede formar
hidroxilos (grupos OH) que pueden reaccionar con los radicales (R) de los aminoaacutecidos se
propone un modelo (Fig 424) de las posibles interacciones entre los sistemas nanoestructurados
de BaFe12O19 y el peacuteptido DS-HaloTag
Figura 424 Modelo propuesto para las posibles interacciones BaFe12O19-DS-HaloTag
La Fig 425 muestra el perfil de liberacioacuten del peacuteptido DS-HaloTag de los sistemas
nanoestructurados de BaFe12O19 cuando eacutestos fueron colocados en medio de cultivo F12K bajo
una atmoacutesfera de 5 de CO2 a 37 ordmC Es bien sabido que entre mayor sea la diferencia de
potencial zeta ζ coexistiraacute una mayor atraccioacuten entre partiacuteculas de carga superficial opuesta Por
lo tanto como puede ser observado en la graacutefica de carga superficial los valores de pH a los
cuales se promoveriacutea una mayor absorcioacuten de peacuteptido DS-HaloTag sobre los sistemas
nanoestructurados de BaFe12O19 estariacutean en pH 58-6 Sin embargo se decidioacute trabajar a un valor
de pH 74 debido a que la solucioacuten acuosa en la cual se encuentra el peacuteptido DS-HaloTag
originalmente tiene este valor Otras razones por las cuales se optoacute trabajar con este valor es que
al pH 74 sigue existiendo una carga superficial opuesta entre el peacuteptido DS-HaloTag y los
sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 mientras que una disminucioacuten en el valor de pH
pudiera provocar una desnaturalizacioacuten de la proteiacutena Una vez incubado en medio F12K bajo
89
condiciones de 5 CO2 y temperatura de 37 ordmC el CO2 tiene la funcioacuten de contrarrestar la
alcalinizacioacuten del medio debido a la actividad metaboacutelica propia de las ceacutelulas en cultivo y una
variacioacuten de pH hacia lo aacutecido o lo baacutesico hace que el peacuteptido sea liberado por parte de los
sistemas nanoparticulados de BaFe12O19 El medio F12K es un medio celular que fue
desarrollado principalmente para ceacutelulas de hepatocito humano asiacute tambieacuten para ceacutelulas de
hiacutegado de rata y pollo en un ambiente de suero reducido Para el presente estudio se trabajoacute con
medio F12K incompleto libre de ceacutelulas con la finalidad de verificar que el peacuteptido DS-HaloTag
fuera liberado precisamente al hecho de que el CO2 acidifica el medio causando variaciones en el
potencial zeta ζ de cada uno de los integrantes de la mezcla es decir los sistemas
nanoestructurados de BaFe12O19 y el peacuteptido DS-HaloTag
Figura 425 Perfiles de liberacioacuten del peacuteptido DS-HaloTag que muestra un aumento de la DO600 a medida que
transcurre el tiempo (t) El aumento en los valores de la DO600 indica que el peacuteptido DS-HaloTag es liberado de los
sistemas nanoestructurados de BaFe12O19
El uso de un disentildeo experimental fraccionario 2f nos permite evaluar el efecto que tienen
determinados paraacutemetros sobre una variable de respuesta Especiacuteficamente para este trabajo de
90
investigacioacuten las variables oslashagregado SBET Vmesoporo y oslashmacroporo fueron evaluadas a partir del efecto
de la temperatura y presioacuten en el proceso de secado por aspersioacuten y la concentracioacuten de agente
poroacutegeno utilizado durante la siacutentesis sol-gel A partir de los datos estadiacutesticos arrojados por el
anaacutelisis de varianza ANOVA se establece queacute paraacutemetros tienen un efecto significativo sobre la
variable de respuesta De esta manera el disentildeo experimental fraccionario 2f nos permitiraacute
optimizar el proceso de siacutentesis de los agregados nanoestructurados de BaFe12O19 para obtener la
morfologiacutea y estructura deseada lo cual a su vez tendraacute un efecto sobre las propiedades fiacutesicas
quiacutemicas y magneacuteticas del producto final
El uso de las teacutecnicas XRD SEM TEM BET FTIR y VSM proporcionoacute detalles necesarios en
cuanto a la caracterizacioacuten estructural morfoloacutegica y magneacutetica de los agregados de BaFe12O19
Asiacute a partir de los espectros de XRD fue observada la presencia de tres fases la fase hexagonal
BaFe12O19 la monoferrita de bario BaFe2O4 y la fase hematita Fe2O3 cuya coexistencia fue
confirmada por TEM Las propiedades magneacuteticas (Ms Mr y Hc) determinadas a partir de las
curvas de histeacuteresis obtenidas a partir de un VSM son afectadas por la morfologiacutea y estructura
macro-mesoporosa (observada por SEM y BET) asiacute como la mezcla de fases presentes en los
agregados de BaFe12O19 Las propiedades magneacuteticas sobre todo un comportamiento
superparamagneacutetico es perseguido para aplicaciones biomeacutedicas tal como los sistemas DDS
debido a que esta caracteriacutestica permite dirigir y focalizar un faacutermaco a un sitio especifico de
accioacuten mediante la aplicacioacuten de un campo magneacutetico externo Por lo tanto la concentracioacuten y
nuacutemero de dosificaciones puede ser reducida disminuyendo los efectos secundarios no deseados
Las caracteriacutesticas obtenidas en el presente trabajo de investigacioacuten hacen de los sistemas
nanoestructurados de BaFe12O19 un candidato como sistema de liberacioacuten de faacutermacos Esto fue
corroborado al evaluar la capacidad de carga de los sistemas de BaFe12O19 al ser cargados con el
peacuteptido DS usado como faacutermaco modelo La capacidad de carga asiacute como el perfil de liberacioacuten
del peacuteptido fueron evaluados por teacutecnicas de espectroscopia UV-vis FTIR SDS-PAGE
potencial zeta y anaacutelisis tipo Western blot El porcentaje de absorcioacuten del peacuteptido fue del peacuteptido
fue de 875
91
CAPIacuteTULO 5
CONCLUSIONES
92
CAPIacuteTULO 5 CONCLUSIONES
1- Agregados esfeacutericos nanoestructurados de BaFe12O19 de 17 microm con tamantildeo de
macroporo de 223 nm y tamantildeo de mesoporo entre 34 y 12 nm fueron disentildeados y
sintetizados exitosamente usando un disentildeo experimental 2f a traveacutes del meacutetodo sol-gel y
secado por aspersioacuten
2- Mediante un anaacutelisis estadiacutestico de varianza ANOVA se determinoacute que la presioacuten (P) es
el uacutenico factor significativo que afecta el tamantildeo de agregado de BaFe12O19 Por otra
parte ninguacuten paraacutemetro evaluado en el disentildeo 2f tuvo un efecto significativo sobre el
tamantildeo de macroporo Sin embargo el aacuterea superficial especiacutefica BET se vio afectada por
la concentracioacuten de agente poroacutegeno ( esferas de PS) asiacute como las combinaciones presioacuten-
poroacutegeno y temperatura poroacutegeno Por uacuteltimo los factores que mostraron un efecto
significativo sobre el volumen de mesoporo fueron la presioacuten y las combinaciones entre
presioacuten-poroacutegeno y temperatura poroacutegeno
3- La saturacioacuten magneacutetica Ms delos agregados BaFe12O19 varioacute entre 1424-4511 emug y
los valores de coercitividad Hc estuvieron entre 19465-427750 Oe Mostrando un
comportamiento magneacutetico semiduro con valores de Ms = 1424 y Hc = 19463 Oe para la
muestra calcinada a 700 degC
4- A partir del plaacutesmido pF1A T7 de la cepa T7 de E coli fue posible sintetizar el peacuteptido
DS mediante la induccioacuten con IPTG 2mM Por otra parte tambieacuten fue posible la siacutentesis
del peacuteptido DS a traveacutes de la transfeccioacuten de ceacutelulas CHO en cultivo celular con el vector
pFN21K Asiacute mismo fue posible la imnunodeteccioacuten del peacuteptido DS mediante la
utilizacioacuten de anticuerpos monoclonales anti-HaloTag El peacuteptido DS tiene gran
probabilidad de bloquear el dominio intracelular de Notch (NICD) que es un activo en
ceacutelulas canceriacutegenas
5- La capacidad de absorcioacuten del peacuteptido DS sobre los sistemas nanoestructurados de
BaFe12O19 fue del 875
93
TRABAJO A FUTURO Y RECOMENDACIONES
La capacidad de carga y perfil de liberacioacuten del peacuteptido DS fue probado en el presente trabajo de
investigacioacuten Por lo tanto la formulacioacuten empleada para el disentildeo y siacutentesis de los sistemas
nanoestructurados de BaFe12O19 hacen de estos sistemas un candidato para ser aplicados como
sistemas de liberacioacuten de faacutermaco Sin embargo debido a que la biocompatibilidad es un
requisito fundamental para ser aplicados en los sistemas bioloacutegicos es imprescindible realizar
estudios de citotoxicidad ya sea in vitro o in vivo por ejemplo los ensayos MTT los cuales se
basan en la capacidad de las ceacutelulas viables para reducir y convertir la sal de tetrazolio Bromuro
de 3-(45-dimetiltiazol-2-il)-25-difeniltetrazolio compuesto relativamente incoloro en formazan
una sustancia fuertemente lipofiacutelica de color morado El ensayo MTT es considerado como una
prueba de viabilidad que trabaja eficientemente en la mayoriacutea de los casos por lo tanto es
frecuentemente usada por si sola para evaluar la citotoxicidad in vitro particularmente para
evaluacioacuten de citotoxicidad en las nanopartiacuteculas
Asiacute mismo se recomienda realizar estudios sobre la modificacioacuten superficial de los agregados
nanoestructurados de BaFe12O19 por ejemplo a traveacutes de la PEGilacion el cual es un proceso de
unioacuten tanto covalente como no covalente de polietilenglicol (PEG) hacia la moleacutecula o estructura
a modificar O bien la modificacioacuten superficial pudiera llevarse a cabo empleando alguacuten otro
tipo de moleacutecula ya sean poliacutemeros proteiacutenas ADN etc Asiacute la modificacioacuten superficial
reduciraacute la inmunogenecidad y antigenecidad de la BaFe12O19 empleado como sistema portador
de faacutermaco Ademaacutes la modificacioacuten superficial permitiraacute enmascarar a la BaFe12O19 lo que le
permitiraacute evadir el sistema retiacuteculo endotelial y aumentar el tiempo de circulacioacuten en el torrente
sanguiacuteneo por lo tanto llegando a su sitio de accioacuten con mayor facilidad
94
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101
ANEXOS
CONSEJO NACIONAL DE CIENICA Y TECNOLOGIacuteA
CURRICULUM VITAE UacuteNICO
TORRES CADENAS SAMUEL
PRODUCCIOacuteN CIENTIFICA
ARTIacuteCULOS
2017 S Torres-Cadenas J Reyes-Gasga A Bravo-Patintildeo I Betancourt ME Contreras-Garciacutea Morphological
and magnetic properties of sol-gel synthetized meso and macroporous spheres of barium hexaferrite
(BaFe12O19) Journal of Magnetism and Magnetic Materials (2017) doi
httpdxdoiorg101016jjmmm201702018
2016 S Torres A Bravo ME Contreras BaO6Fe2O3 as DDS using tetracycline as model drug IOSR Journal of
Engineering (IOSRJEN) 11 (2016) 20-24 httpwwwiosrjenorgpagesvolume6-issue11(part-1)html
2016 S Torres-Cadenas A Bravo-Patiacutentildeo J Zarate-Medina ME Contreras-Garciacutea Nest-Like Barium
Hexaferrite Microspheres With Hierarchical Porous Structure for Drug Delivery Journal of Silicate Based
and Composite Materials
PARTICIPACIONES EN CONGRESOS
2016 Esferas Bioceramicas de Baomiddot6Fe2O3 con Estructura Tipo Nido Nacional VIII Congreso Nacional de
Cristalografiacutea II reunioacuten de la Sociedad Latinoamericana de Cristalografiacutea A Bravo-Patintildeo VS
Loacutepez-Aacutelvarez ME Contreras-Garciacutea Meacuterida Yucataacuten
2016 Nest-Like Barium Hexaferrite Microspheres With Hierarchical Porous Structure for Drug Delivery
Extranjero 4th
International Conference on Competitive Materials and Technology Processes A
Bravo-Patintildeo M E Contreras-Garciacutea Miskolc-Lillafured Hungay
2015 Baobull6Fe2O3A Vehicle for Drug Delivery Extranjero 14th
International Union of Materials Research
Societies-International Conference on Advanced Materials Alejandro Bravo Patintildeo Humberto
Contreras Cornejo Joseacute Antonio Rodriguez Torres Maria Eugenia Contreras Garciacutea Rep Popular
Democraacutetica Corea
2014 BaFe12O19 as Drug Delivery Vehicle A Morphological and Structural Studio Nacional 18th
International Microscopy Congress Alejandro Bravo Patintildeo Victor Sayil Loacutepez Aacutelvarez Mariacutea Eugenia
Contreras Garciacutea Meacutexico
102
2014 BaFe12O19 Como Sistema Nanoestructurado para Liberacioacuten de Faacutermacos Nacional AMIDIQ ldquoLa
Interdisciplinariedad en la Ingenieriacutea Quiacutemicardquo Alejandro Bravo Patintildeo Joseacute Antonio Rodriacuteguez Torres
Mariacutea Eugenia Contreras Garciacutea Meacutexico
2013 BaFe12O19 Nanoparticles ndash A scheme for Drug Delivery Internacional 12th
Inter-American
Microscopy Congress Alejandro Bravo Patintildeo Joseacute Antonio Rodriguez Torres Mariacutea Eugenia Contreras
Garciacutea Meacutexico
2013 Escuela de Materia Condensada y Nanociencia Nacional International Multidisciplinar Joint
Meeting Nanocience and Condensed Matter Physis Meacutexico
2013 IV Foro de Vinculacioacuten Universidad-Industria Nacional VIII Escuela de Materiales y
Nanotecnologiacutea Meacutexico
2013 Magnetic Nanoparticles Engineered To Drug Delivery Internacional XXII International Materials
Research Congress Alejandro Bravo Patioacute Maria Eugenia Contreras Garciacutea Meacutexico
2013 Microscopiacutea Electroacutenica de Barrido con FE SEM y Teacutecnicas EDS Extranjero 12th Inter-American
Microscopy Congress Colombia
Accepted Manuscript
Morphological and magnetic properties of sol-gel synthetized meso and mac-roporous spheres of barium hexaferrite (BaFe12O19)
S Torres-Cadenas Joseacute Reyes-Gasga A Bravo-Patintildeo I Betancourt MEContreras-Garciacutea
PII S0304-8853(16)32862-1DOI httpdxdoiorg101016jjmmm201702018Reference MAGMA 62474
To appear in Journal of Magnetism and Magnetic Materials
Received Date 31 October 2016Accepted Date 11 February 2017
Please cite this article as S Torres-Cadenas J Reyes-Gasga A Bravo-Patintildeo I Betancourt ME Contreras-Garciacutea Morphological and magnetic properties of sol-gel synthetized meso and macroporous spheres of bariumhexaferrite (BaFe12O19) Journal of Magnetism and Magnetic Materials (2017) doi httpdxdoiorg101016jjmmm201702018
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MORPHOLOGICAL AND MAGNETIC PROPERTIES OF SOL-GEL
SYNTHETIZED MESO AND MACROPOROUS SPHERES OF BARIUM
HEXAFERRITE (BaFe12O19)
S Torres-Cadenasa Joseacute Reyes-Gasgab A Bravo-Patintildeoc I Betancourtd M
E Contreras-Garciacuteaa
aInstituto de Investigaciones Metaluacutergicas y Materiales UMSNH Edificio U Ciudad Universitaria Santiago Tapia 403 Colonia Centro 58030 Morelia Meacutexico Email storres_chotmailcom eucontregmailcom
bInstituto de Fiacutesica UNAM Circuito de la Investigacioacuten sn Ciudad Universitaria
04510 Coyoacaacuten Meacutexico DF Meacutexico Email jreyesfisicaunammx
cCentro Multidisciplinario de Estudios en Biotecnologiacutea (CMEB) de la FMVZ UMSNH Posta Zooteacutecnica Km 85 carretera Morelia-Zinapecuaro CP 58890 col La Palma Tarimbaro Michoacaacuten Meacutexico Email brapalhotmailcom
dInstituto de Investigaciones en Materiales UNAM Ciudad de Meacutexico CP 04510 Meacutexico Email israelbiimunammx
Corresponding Author
Dr Joseacute Reyes-Gasga Instituto de Fiacutesica UNAM Circuito de la Investigacioacuten sn Ciudad Universitaria 04510 Coyoacaacuten Meacutexico DF Meacutexico Tel (5255) 56225083 Email jreyesfisicaunammx
Highlights
bull 15 microm porous spheres of BaFe12O19 were synthetized by the sol-gel
method
bull Surfactant Tween20 (C58H114O26) enabled the creation of the mesoporous
structure
bull Polystyrene spheres (PS) were used as the template for the formation of
macropores
bull Spheres resembled a nest or ball-of-yarn type of elongated BaFe12O19
crystals
bull Magnetic properties are evaluated as function of the calcination
temperature
Abstract
Porous spherical aggregates of barium hexaferrite (BaFe12O19) with 15 microm in
diameter were synthetized by the surfactant-assisted sol-gel method The
surfactant Tween20 (C58H114O26) which enables mesoporous structures as well
as polystyrene spheres (PS) as the template agent for the formation of
macropores were used Two synthetic routes (hereafter named A and B) whose
difference was the absence or presence of PS were followed for synthesis X-ray
diffraction (XRD) scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron
microscopy (TEM) in high resolution mode (HRTEM) were used for
characterization Size and morphology of the spheres were similar in both cases
and they resemble a nest or ball-of-yarn type structure Pore size and BaFe12O19
crystal size produced by the two routes are different The magnetic properties of
the spheres were evaluated using a vibrating sample magnetometer (VSM) as
function of the calcination temperature The spheres present ferromagnetic
behavior in both routes
Key words Barium hexaferrite Porous spherical aggregates Surfactant-assisted
sol-gel synthesis Morphological properties Magnetic properties
1 Introduction
In recent decades ceramic materials represent a prominent alternative in scientific
and technological development in a wide range of research fields Specifically
biomedical ceramic materials have been used in orthopedic applications dental
implants tissue regeneration and as drug delivery systems [1] Iron-oxide-based
materials including barium hexaferrite (BaFe12O19) are good Drug Delivery
System (DDS) candidates [2-4] because of their physical chemical and magnetic
properties These magnetic properties are highly necessary for response to an
external magnetic field to target for example the drug into a specific site in the
human body Moreover the BaFe12O19 magnetic microparticles with spherical
morphology have different applications such as permanent magnets [5] electronic
devices [6] gas sensors [7] catalytic supports [8] and more recently in biomedical
applications such as advanced functional magnetic materials for the treatment of
cancer through magnetic hyperthermia [9] contrast agents for MRI [10] and drug
delivery systems [11]
A variety of methods have been used for the synthesis of iron-oxide-based
bioceramics including co-precipitation hydrolysis hydrothermal synthesis inverse
microemulsion and the sol-gel method [12-14] Of these methods sol-gel has
attracted special interest because it allows the development of new materials with
good homogeneity and purity [15-17] In addition it is a relatively fast simple and
inexpensive method Moreover the kinetics of the chemical reactions carried out in
the synthesis is easily controlled by low temperatures processing [17] Unlike
classical methods for powder ceramic processing of BaFe12O19 that require high
calcination temperatures (1200-1300 degC) sol-gel produces the BaFe12O19
microparticles at rather low calcination temperature [18] In addition the use of
surfactant-assisted sol gel synthesis allows more disperse systems enabling the
formation of a larger number of ordered structures and the surfactant allows the
formation of micelles that also act as templates resulting in the formation of
mesopores after elimination of the surfactant by calcination during the thermal
treatment
Surfactant-assisted sol-gel synthesis as structure-directing agents or dispersants
and templates as macropore-forming agents is investigated in this work for the
production of ceramic microstructures designed with hierarchical porosity for
biomedical applications that require highly specific surface areas and the unique
design of materials capable of conducting fluids and interacting with cell tissues
Among the materials designed for these applications pore size distribution and
their interconnectivity determine the viability of the material for a such specific
application
Therefore in the present study BaFe12O19 spherical magnetic macro- and meso-
porous microparticles were synthetized by the surfactant-assisted sol-gel method
as well as polystyrene spheres (PS) as templates for formation microspheres and
dried by spray drying The morphological characterization and magnetic properties
of the spheres are compared as a function of thermal treatment temperature
2 Materials method and experimental procedure
21 Materials
Commercial reagent grade products were used without purification The reagents
were from Aldrich iron nitrate (III) nonahydrate Fe(NO3)3 9H2O barium carbonate
BaCO3 and surfactant Tween20 and from Merck ammonium hydroxide NH4OH
The hydrophilic nonionic surfactant Tween20 (C58H114O26) is an ester of
polyoxyethylene sorbitan with a molecular weight of 1225 Daltons calculated
assuming 20 units of ethylene oxide 1 sorbitol and lauric acid as the primary fatty
acid Monodisperse Polystyrene microspheres (PS) synthesized in the laboratory
were used as the pore-forming agent
22 Synthesis of BaFe12O19
Spheres of barium hexaferrite were synthesized by the sol-gel method either
assisted by surfactants (route A) or assisted by surfactants and templates (route
B) Figure 1 shows the flow diagram of routes A and B Two suspensions were
prepared in each route The first was composed of Fe(NO3)39H2O and BaCO3
salts with a stoichiometric molar ratio dissolved in deionized water The second
was formed by the surfactant Tween20 in aqueous solution Both suspensions
were mixed with constant magnetic stirring and during the reaction the pH of the
slurry was adjusted to 8 with NH4OH Route B included a third suspension
consisting of 30 wt polystyrene spheres in deionized water The PS were
monodispersed with a mean diameter of 200nm The PS suspension was added
to the mixture with constant magnetic stirring for 1h
The resulting suspension was subjected to spray drying using a Mini Spray Dryer
(Yamato ADL31) The conditions in the spray drying equipment for both routes
were determined by experimental design as drying temperature (T = 175 degC) and
drying pressure (P = 15 Kgcm2)
Powders obtained after spray drying (xerogels) were subjected to thermal
treatment for the elimination of organic agents surfactant and template (in each
case) structural water the formation of oxides and crystallization Four different
temperatures were evaluated in both routes for thermal treatment 700 800 900
and 1000 degC
23 Structural morphological chemical and magnetic characterization
Structural chemical and morphological analysis of the spheres was performed by
X-ray diffraction (XRD) scanning electron microscopy (SEM) and transmission
electron microscopy (TEM) in high resolution mode (HRTEM)
Samples were analyzed by X-ray diffraction on a Bruker diffractometer model D8
Advance using Cu Kα radiation (45 kV 30 mA) to determine the crystal structures
and phases presented Samples were scanned from 20deg to 80deg in 2θ and a
constant step of 002ordmseg
For microstructural characterization of the samples the scanning electron
microscope JEOL JSM-7600F and the transmission electron microscope FEG
Phillips Technai F20 were used The SEM was coupled with energy dispersive X-
ray spectroscopy equipment (EDS)
The Digital Micrograph software (Gatan Inc) was used for image analysis and the
linear Lynx software (Verfuumlgbare Software) was used for the statistical analysis of
the data Size distribution of the pores in the spherical aggregates was measured
by the Barrett-Joyner-Halenda (BJH) technique using a Quantachrome (St 1 on
NOVA touch 1LX) instrument
The analysis of the magnetic properties of the samples was performed using a
vibrating sample magnetometer (VSM LDJ 9600) at room temperature applying a
constant magnetic field of 5000 Oe Magnetic saturation (Ms) remnant
magnetization (Mr) and coercivity (Hc) values were obtained from the hysteresis
curves
3 Results
31 X-ray diffraction
Figure 2 shows the x-ray diffraction spectra of the samples obtained from routes A
and B at the calcination temperatures of 700 800 900 and 1000 degC as indicated
in Figure 1
Indexing the x-ray spectra indicates the coexistence of hexaferrite H = BaFe12O19
monoferrite O = BaFe2O4 and hematite F = Fe2O3 in all samples The phase H
(hexaferrite) is hexagonal (Open Database Crystallography card COD No
1008841) with lattice parameters a = b = 0589 nm and c = 2318 nm The O
(monoferrite) phase is orthorhombic (COD card No 4107896) with lattice
parameters a = 1899 nm b = 0538 nm c = 0844 nm The F (hematite) phase is
hexagonal (COD card No 9015964) with lattice parameters a = b = 0503 nm and
c = 1374 nm It is noteworthy that at the calcination temperature of 1000 degC the
major phase is H phase in both routes
As shown in Figure 2 the content of the H phase increases as the content of the F
phase decreases with temperature in both routes In route A the O phase is
present in all samples in route B the O occurs phase only in the sample treated at
700 degC However there is no clear evidence of preferential growth direction of any
phase in the XRD spectra
32 SEM images EDS spectra and spheres and pores size
SEM images indicate that all the samples obtained in routes A and B calcined at
different temperatures are spherical and substantially the same size Figure 3
shows the SEM image of the spheres obtained in route A and the insert which
shows a magnification of these spheres indicates that the spheres are
polycrystalline composed of mesopores and elongated nanometric crystals Figure
4 shows the SEM image of the spheres obtained through route B and the insert
shows that these spheres are also polycrystalline composed of meso- and macro-
pores and micrometric elongated crystals
Figure 5 shows the size distribution of the spheres observed in the samples of
routes A (Figure 5A) and B (Figure 5B) thermally treated at 700degC respectively
Although the average size is slightly different for the samples calcined at different
temperatures all these values are within the range indicated by the standard
deviation at about 15 microns Therefore all the spherical aggregates are
practically the same size The aggregate size is the result of the droplet size
produced in the nozzle of the spray dryer although the size can also be influenced
by the rheology of the gel slurry fed to the spray dryer
Figure 6 shows the size distribution of the pores in the spherical aggregates of
routes A and B For the mesoporous range as mentioned above this size
distribution was measured by the BJH technique In Figure 6A for the samples of
route A the average diameter of the pores in these samples are on the order of 57
plusmn 2 nm Figure 6B shows the case of the mesopores observed in the spheres
obtained by route B they are on the order of 12 plusmn 55 nm The macropores in the
spheres of route B have an average size of about 220 plusmn 53 nm (Figure 6C) This
last result is logical because the suspension fed in route B consists of spheres of
monomodal polystyrene whose average size is of about 250 nm in addition to the
gel
The micrometric-size spheres obtained by route A and route B are both composed
of elongated crystals or fibers but these crystals are of nanometric size for route
A while they are of 35 plusmn 7 nm wide and 300 plusmn 80 nm long for route B The
existence of an interconnected hierarchical pore structure in these spheres is
evident
EDS spectra from the spheres showed the characteristic peaks of barium (Ba) iron
(Fe) and oxygen (O) (Figure 7) [19] In these spectra the Cu peak comes from the
sample holder Therefore the composition of spheres obtained by both routes
contains the same elements as already shown by XRD This results also confirm
that no contamination was present in either route
33 TEM images
Figure 8 shows some of the HRTEM images of the elongated crystals which
conform the spheres obtained in routes A and B Note the nanometric size of the
elongated crystals of BaFe12O19 In some cases the coexistence of crystals of
BaFe12O19 with crystals of BaFe2O4 and Fe2O3 were observed These images
agree quite well with the results obtained by XRD and show the coexistence of a
mixture of phases in the synthesized spheres in both routes
34 Hysteresis loops and magnetic properties
One way to measure the magnetic properties is through the hysteresis loops
which affords the evaluation of macroscopic properties such as saturation
magnetization Ms remanence magnetization Mr and coercive field These
properties define the soft or hard magnetic character of the synthesized materials
Figure 9 shows the hysteresis loops at different calcination temperatures for the
samples obtained by the route A (Figure 9A) and the route B (Figure 9B) The
highest magnetization values are observed in the case of route B Table 1 shows
the magnetic properties of all the samples In general Ms Mr and Hc show an
increment as a function of the calcination temperature and coercivity (Hc)
increases with temperature in all the samples The lowest value of Mr is obtained in
the sample treated at 800 degC for route A In route B the lowest Mr value is obtained
for the sample treated at 700 degC There is also a clear change in the magnetic
behavior associated with the temperatures of the calcination treatment This
change must be related to the percentage of content of the different phases
presented in the samples and it must also be related to the size of the crystals
constituting the spherical aggregates
From Figure 9A and based on the values of coercivity shown in Table 1 the
samples obtained in the route A at temperatures of 700 800 and 900 degC behave as
semi-hard magnetic materials whereas the one obtained at 1000 degC behaves as a
hard magnetic material The shape of the hysteresis loop in the sample at 900 degC
is characteristic of a sample in which two phases coexist On the other hand
Figure 9B indicates that only the material obtained at 700 degC through route B
behaves as a semi-hard magnetic material the others show hard magnetic
material behavior The semi-hard ferromagnetic behavior in these materials makes
them good candidates for biomedical applications [20]
4 Discussion
The results clearly indicate that we succeed in developing a route for the synthesis
of porous spheres of barium hexaferrite with different pore sizes The porous
structures are of great interest in research because of their prominent applications
in different fields of science [21] For example they can be used to charge an
adequate amount of different types of molecules (ie drugs proteins andor
peptides) within the interior of the pore (and also on the surface of the structure)
thus acting as a drug carrier system [22] Mesopores are useful in applications
where interaction with fluids is part of the integration process in which molecules
will be exchanged in the system as in the case of drug delivery Macropores allow
the adsorption of large molecules such as proteins or peptides or even cells that
are currently of great interest in the development of new medical treatments based
on the lsquoin sitursquo drug delivery such as magnetofection [23] gene therapy [24] and
cell labeling [25]
In obtaining macropores the surface charge of the PS spheres and steric factors
play an important role in the self-assembly of BaFe12O19 precursor ions into the PS
particles [26] Pores in the spherical aggregates are consequently produced when
the system is subjected to thermal treatment (700 800 900 and 1000 degC) resulting
in the pyrolysis of the surfactant and the PS Thus the BaFe12O19 precursor ions
are adsorbed into the PS surface being embedded within the micrometer size
spherical aggregate during the spray drying This reaction can be considered a
typical polymerization reaction which means that polymerization takes place
between BaFe12O19 and PS particles contained in an aqueous phase [27] As a
result the PSBaFe12O19 hybrid particles are obtained
In regard to magnetic behavior the hysteresis loops indicate that materials
produced at temperatures of 700 800 and 900 degC in route A fall within the range of
semi-hard magnetic materials whereas at 1000 degC the material becomes a hard
magnetic material In the case of route B the material behaves like a semi-hard
magnetic material only at 700 degC The obtained materials behave like hard
magnetic materials from 800 degC to 1000 degC Analysis of the structural composition
of the spheres indicated that monoferrite (O) and hematite (F) phases are present
However the H phase is the major phase at the calcination temperature of 1000
degC
As shown in Table 1 a significant change occurred as function of calcination
temperature in the magnetic properties of the samples This change has also to be
related to the presence of the different phases Best combinations of magnetic
properties were Ms = 4467 emug and Hc = 479012 Oe for route A and Ms =
4511 emug and Hc = 479146 Oe for route B respectively
The coexistence of the H O and F phases has been reported as a general fact in
obtaining barium hexaferrite [28] The O phase presents an anomalous resonance
near 400 degC that could indicate a phase with magnetic behavior [29] The F phase
has anti-ferromagnetic ordering [30] and thus a characteristic low Ms (1105
emug) [31-33] Therefore for route B it is possible to attribute the observed Ms
variations to the variable content of this phase so that the sample with greater
amount of Fe2O3 (at 700 degC) presents a very low value of Ms Decreasing presence
of Fe2O3 (by progressively increasing the temperature) increases the proportion of
the hexaferrite phase and consequently the Ms values are significantly recovered
In route A the larger value of Ms is coupled with a larger value of Hc which must
be attributed to the presence of a large amount of hexaferrite phase By contrast in
the route B the largest value of Ms of the sample sintered at 1000 degC does not
imply a larger value of Hc (which is recorded for the sample sintered at 900 degC)
which is most like due to significance differences in particle size between the two
phases Samples with Hc gt 4000 Oe can be considered as materials with hard
magnetic behavior
Therefore it seems in this study a larger amount of the Fe2O3 phase obtained at
lower temperatures contributes to a decrement in the magnetic properties resulting
in semi-hard magnetic behavior while an increment in hard magnetic behavior can
mainly be attributed to a decrement in the amount of the Fe2O3 phase as the
BaFe12O19 phase increases
5 Conclusions
Porous spherical aggregates of barium hexaferrite (BaFe12O19) of approximately
15 microm in diameter and 200 nm pores were obtained by the sol-gel chemical
synthesis method using polystyrene (PS) as the pore-forming agent The
morphology of the spheres resembles a nest or ball-of-yarn type structure in which
the crystals belong to the barium hexaferrite phase as the major phase in
coexistence with the monoferrite (BaFe2O4) and hematite (Fe2O3) phases
However the barium hexaferrite phase is the major phase at the calcination
temperature of 1000 degC The magnetic properties of the spheres indicate that the
samples calcined at 700 degC present semi-hard magnetic behavior suggesting they
would be good candidates for use in biomedical applications
Acknowledgements
We thank to V S Loacutepez Alvarez and A Rodriguez Torres for the technical support STC acknowledges the Consejo Nacional de Ciencia y Tecnologiacutea (CONACYT) by scholarship and CIC-UMSNH for the financial support to this research
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Captions for figures
Figure 1 Flowchart of routes A and B followed for the synthesis of the barium hexaferrite spheres The main difference between the routes is that in route B the polystyrene spheres (PS) were added for generating macropores
Figure 2 XRD spectra of the samples obtained by the route A (A) and the route B (B) at the indicated calcination temperature H = BaFe12O19 O = BaFe2O4 F = Fe2O3 Note that at 1000 degC the phase H is the major both cases
Figure 3 SEM image of the spheres obtained in the synthesis route A The spheres are polycrystalline consisting of elongated crystals and nano-sized mesopores The insert shows a magnified view
Figure 4 SEM image of the spheres obtained in the synthesis route B The spheres are polycrystalline with elongated crystals of micrometer size and with meso- and macro-mesoporous structure The insert shows a magnified view
Figure 5 A) Size distribution of the spheres in samples of route A B) Size distribution of the spheres in samples of route B
Figure 6 Size distribution of the mesopores of the spheres measured by the BJH technique A) Route A 57 plusmn 2 nm B) Route B 12 plusmn 55 nm C) Size distribution of the macropores in the spheres of route B on average they are on the order of 220 plusmn 53 nm
Figure 7 EDS spectra of the spheres obtained in the route A (A) and in the route B (B) The spectra are similar for both routes and correspond to the elements Ba Fe and O
Figure 8 HRTEM images of the crystals of BaFe12O19 that make up the spheres obtained in the routes A (A-B) and B (C-D)
Figure 9 Hysteresis loops registered in the samples obtained by route A (A) and route B (B) at different calcination temperatures Note the difference in the magnetic behavior between the two routes in relation to the calcination temperature reaching higher magnetization values in the case of route B
Captions for table
Table 1
Magnetic properties of the samples calcined at different temperatures according to route A (A) and route B (B) The values were obtained from the hysteresis loops shown in Figure 9
Table 1
Magnetic Properties
Route Calcination temperature (degC)
Ms
(emug)
Mr
(emug)
Hc
(Oe)
A
700 2461 593 24220
800 1728 273 23451
900 2371 910 66740
1000 4467 2412 479012
B
700 1424 379 19465
800 1249 592 463160
900 2826 1527 479146
1000 4511 2410 427750
MORPHOLOGICAL AND MAGNETIC PROPERTIES OF SOL-GEL
SYNTHETIZED MESO AND MACROPOROUS SPHERES OF BARIUM
HEXAFERRITE (BaFe12O19)
S Torres-Cadenasa Joseacute Reyes-Gasgab A Bravo-Patintildeoc I Betancourtd M
E Contreras-Garciacuteaa
HIGHLIGHTS
bull 15 microm porous spheres of BaFe12O19 were synthetized by the sol-gel
method
bull Surfactant Tween20 (C58H114O26) enabled the creation of the mesoporous
structure
bull Polystyrene spheres (PS) were used as the template for the formation of
macropores
bull Spheres resembled a nest or ball-of-yarn type of elongated BaFe12O19
crystals
bull Magnetic properties are evaluated as function of the calcination
temperature
265-RXUQDORI(QJLQHHULQJ265-(1 ZZZLRVUMHQRUJ661H661S9ROVVXH 1RY__9__33
QWHUQDWLRQDORUJDQL]DWLRQRI6FLHQWLILF5HVHDUFK _3 D J H
D2ā)H2 DV6XVLQJWHWUDFFOLQHDVPRGHOGUXJ67RUUHV$UDYR0(ampRQWUHUDV
QVWLWXWRGHQYHVWLJDFLRQHV0HWDO~UJLFDV0DWHULDOHV8061+0RUHOLD0LFKRDFiQ0p[LFRampHQWUR0XOWLGLVFLSOLQDULRGH(VWXGLRVHQLRWHFQRORJtD8061+7DULPEDUR0LFKRDFiQ0p[LFR
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17528amp721QUHFHQWGHFDGHVWKHELRPHGLFDOILHOGKDVDJUHDWVFLHQWLILFOHDSDYDULHWRIPDWHULDOVIRUH[DPSOH
GHQGULPHUPLFHOOHVHPXOVLRQVOLSRVRPHVQDQRSDUWLFOHVVWHPVgt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ā)H2 VQWKHVL]HGE WKH VROJHODQGVSUDGULQJPHWKRGZDVLQYHVWLJDWHG
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D2Acirc)H2 DV6XVLQJWHWUDFFOLQHDVPRGHOGUXJ
QWHUQDWLRQDORUJDQL]DWLRQRI6FLHQWLILF5HVHDUFK _3 D J H
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Publisher Szilikaacutetipari Tudomaacutenyos Egyesuumllet 1034 Budapest Beacutecsi uacutet 122-124 Telephonefax 06-1201-9360 E-mail infoszteorghu WEB wwwszteorghu Editor-in-Chief Dr Borosnyoacutei Adorjaacuten E-mail epitoanyagszteorghu WEB wwwepitoanyagorghu
A c c e p t a n c e o f M a n u s c r i p t
Dear authors
We are happy to inform you that the Editorial Board of eacutepiacutetőanyag ndash Journal of Silicate Based and
Composite Materials has made a decision on the following manuscript
S Torres-Cadenas A Bravo-Patintildeo J Zarate-Medina ME Contreras-Garciacutea
Nest-like BaObull6Fe2O3 microspheres with hierarchical porous structure for drug delivery
Suggestion accepted for publication
Your manuscript is now with the Editorial Office We call your attention that publication of the
paper will be possible after the approval of the final proof of the manuscript
Thank you for submitting your scientific results to eacutepiacutetőanyag ndash Journal of Silicate Based and
Composite Materials We wish further success for your research activities
Budapest 5 January 2017
Dr Borosnyoacutei Adorjaacuten
Editor-in-Chief
- TD STC (2)
- ANEXO 1
- ANEXO 2
- ANEXO 3
-
- Dear authors
-
- Budapest 5 January 2017
-
5
424 Isotermas de adsorcioacutendesorcioacuten de nitroacutegeno 74
425 Espectroscopiacutea infrarroja 75
426 Propiedades magneacuteticas 76
43 PROPIEDADES BIOLOacuteGICAS 79
431 Extraccioacuten de ADN plasmiacutedico 79
432 Siacutentesis induccioacuten y expresioacuten del peacuteptido DS 80
433 Caracterizacioacuten del peacuteptido DS 82
44 PRUEBAS DE CARGALIBERACIOacuteN 84
Capiacutetulo 5 CONCLUSIONES 92
TRABAJO A FUTURO Y RECOMENDACIONEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip93
REFERENCIAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip94
ANEXOS helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip101
IacuteNDICE DE FIGURAS
Figura 11 Nuacutemero de artiacuteculos publicados anualmente en la revista Journal of Controlled
Released desde 1984 18
Figura 12 Meacutetodos de siacutentesis de los sistemas nanoestructurados dirigidos a aplicaciones
biomeacutedicas Las tres rutas principales incluyen meacutetodos quiacutemicos fiacutesicos y bioloacutegicos Fuente
Instituto de Informacioacuten Cientiacutefica Modificado de M Mahmoudi [16] 20
Figura 21 Categoriacuteas esenciales de los materiales usados como DDS i) Materiales orgaacutenicos
dendriacutemeros micelas liposomas i) Materiales inorgaacutenicos nanopartiacuteculas de oro sistemas
nanoestructurados a base de oacutexido de hierro quantum dots (Modificado de Grumezescu [40] y
Riggio [45]) 26
Figura 22 (a) Clasificacioacuten de los materiales seguacuten su comportamiento magneacutetico
paramagneacuteticos ferromagneacuteticos antiferromagneacuteticos y ferrimagneacuteticos (b) Los materiales
superparamagneacuteticos son observados en los nanomateriales ferro- y ferrimagneacuteticos que se
componen de un soacutelo dominio magneacutetico 29
6
Figura 23 (a) seccioacuten transversal de la estructura de la ferrita tipo M (BaFe12O19) Tomado de
Robert C Pullar [60] 33
Figura 24 Rutas de siacutentesis derivadas del meacutetodo sol-gel Tomado de
httpsstrllnlgovstrMay05Satcherhtml 35
Figura 25 Configuracioacuten del equipo de secado por aspersioacuten (a) secador por aspersioacuten
concurrente misma direccioacuten de flujo y (b) secador por aspersioacuten a contracorriente (c)
Evolucioacuten de la temperatura en el proceso de secado en una gotita liacutequida [Handscomb y cols]
En la separacioacuten y recoleccioacuten del polvo se pueden emplear (d) separadores tipo cicloacuten yo (e)
filtros de bolsa 36
Figura 31 Disentildeo experimental fraccionario 2f Las variables de entrada son la presioacuten (P)
Temperatura (T) y porcentaje de agente poroacutegeno (PS) Las variables de respuesta son la
morfologiacutea y tamantildeo de agregado aacuterea superficial BET volumen de mesoporo y tamantildeo de
macroporo 46
Figura 32 Diagrama de flujo que muestra las etapas principales en el desarrollo experimental en
la siacutentesis de agregados nanoestructurados de BaFe12O19 i) Disentildeo y Siacutentesis ii) Caracterizacioacuten
y iii) pruebas bioloacutegicas 48
Figura 33 Extraccioacuten de ADN plasmiacutedico (a) Pasos generales en la extraccioacuten de ADNp y (b)
procedimiento del Kit Pure YieldTM Plasmid Miniprep System 53
Figura 34 Diagrama de siacutentesis del peacuteptido DS a partir del plaacutesmido pFN21K El Diagrama
incluye los pasos desde la expresioacuten del peacuteptido hasta su deteccioacuten y revelado con luminol en un
anaacutelisis tipo Western 54
Figura 41 Espectro DRX del polvo de las esferas de BaFe12O19 obtenidas despueacutes del proceso
de secado por aspersioacuten y calcinado a diferentes temperaturas Este presenta las fases H =
BaFe12O19 (tarjeta Crystallography Open Database COD 1008841) F = Fe2O3 (tarjeta COD
9015964) 63
Figura 42 Imaacutegen SEM de (a) agregados esfeacutericos de BaFe12O19 antes de ser tratados
teacutermicamente y (b) una amplificacioacuten a 20000 X que muestra un agregado de BaFe12O19 en el
cual pueden ser observadas las esferas de poliestireno (PS) antes de ser eliminadas 64
7
Figura 43 Imaacutegenes de SEM de los agregados de BaFe12O19 y sus correspondientes histogramas
de distribucioacuten de tamantildeo (a) Muestra con 50 de PS bajo condiciones de secado por aspersioacuten
de 200 degC y 20 Kgcm2 y su correspondiente distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula (b) (c) Muestra
con 30 de PS bajo condiciones de secado por aspersioacuten de 180 degC y 15 Kgcm2 y su
correspondiente distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula (d) Las muestras fueron calcinadas a 700
degC 66
Figura 44 (a) Espectro EDS de los agregados de BaFe12O19 el cual indica la presencia de los
elementos Ba Fe y O El C es producido por la cinta doble cara de carbono usada como adhesivo
en soporte (b) Mapeos quiacutemicos de EDS de los agregados de BaFe12O19 Imagen SEM en el
modo de electrones secundarios Las imaacutegenes de Ba (verde) Fe (rojo) y O (azul) indican su
distribucioacuten homogeacutenea y que estos elementos son los uacutenicos presentes en las muestras 67
Figura 45 Imaacutegenes de STEM-ADF de los agregados de BaFe12O19 Las esferas estaacuten
conformadas principalmente por cristales alargados 68
Figura 46 Imaacutegenes de una misma esfera de BaFe12O19 en el modo (a) STEM-ADF y (b) TEM
las cuales permiten comparar el contraste de los cristales que la conforman 68
Figura 47 Imaacutegenes de TEM en campo claro (a y c) y en campo oscuro (b y d) del material que
conforman las esferas despueacutes de haber sido desbaratadas por el tratamiento ultrasoacutenico El
inserto en (b) presenta el patroacuten SAEDP proveniente del material presentado en (a) El inserto en
(d) presenta el patroacuten SAEDP del cristal alargado presentado en (c) 69
Figura 48 Imaacutegenes HRTEM de los cristales que conforman los agregados porosos de
BaFe12O19 (a) y (b) corresponden a cristales individuales de la fase BaFe12O19 (c) Coexistencia
entre las fases BaFe12O19 y BaFe2O4 (d) Coexistencia entre las fases BaFe12O19 y Fe2O3 70
Figura 49 (a) Imagen de HRTEM de uno de los cristales alargados que conforman las esferas de
BaFe12O19 El inserto presenta la correspondiente FFT la cual indica que el eje de zona
corresponde al eje en la direccioacuten [2-110] (b) Imagen digitalmente procesada correspondiente al
aacuterea del recuadro indicado en (a) El filtro usado para el procesamiento es indicado en el inserto
(c) Imagen de HRTEM de otro de los cristales alargados con defectos (d) Imagen digitalmente
procesada del aacuterea indicada en el recuadro en (c) 71
8
Figura 410 Celda unitaria de BaFe12O19 obtenidas usando los valores indicados en [27] y
observada en la direccioacuten [10-10] (a) y en la direccioacuten [21-10] (b) Tambieacuten se presentan las
unidades S y R El plano que contiene a Ba es un plano espejo Ba en verde Fe en amarillo y O
en rojo 72
Figura 411 Simulacioacuten computacional de imaacutegenes de HRTEM en las direcciones [0001] (a)
[10-10] (b) y [2-1-10] (c) Se presenta la proyeccioacuten de la celda BaFe12O19 en las direcciones
indicadas la simulacioacuten de su imagen en el desenfoque de Scherzer y su correspondiente patroacuten
de difraccioacuten del aacuterea selecta simulado Las condiciones de simulacioacuten fueron V = 200 KV
desenfoque de Scherzer en -5485 nm y 4x4x4 celdas Ba en verde Fe en amarillo y O en rojo73
Figura 412 Imagen de HRTEM en la direccioacuten [1-100] de uno de los cristales alargados que
conforman los agregados de BaFe12O19 y la imagen computacionalmente simulada en la misma
direccioacuten En este caso la imagen de HRTEM no presenta defectos Tambieacuten se incluyen las
posiciones de los aacutetomos en la celda unitaria Ba en verde Fe en amarillo y O en rojo 74
Figura 413 Isotermas de adsorcioacutendesorcioacuten BET para (a) muestra con 50 de esferas de PS
bajo condiciones de secado por aspersioacuten de 200 degC y 20 Kgcm2 y (b) muestra con 30 de
esferas de PS bajo condiciones de secado por aspersioacuten de 180 degC y 15 Kgcm2 Las muestras
fueron calcinas a 700 degC 75
Figura 414 Espectro Infrarrojo (IR) que muestra los enlacesgrupos funcionales a nuacutemeros de
onda (cm-1
) especiacuteficos correspondientes al peacuteptido DS-HaloTag libre y los sistemas
nanoestructurados de BaFe12O19 libres y cargados con el peacuteptido 76
Figura 415 Curvas de histeacuteresis de los agregados de BaFe12O19 calcinados a diferentes
temperaturas Los valores de las muestras fueron tomadas a temperatura ambiente y 5000 Oe 77
Figura 416 Extraccioacuten de ADN plasmiacutedico La columna 1 es referida al marcador Kb Plus
DNA Ladder de peso molecular conocido (pares de bases pb) El marcador se compone de 20
bandas de ADN de alta pureza de doble cadena que abarca 100 pb hasta 12000 pb La columna 2
representa el ADNp de la cepa NEB (New England Biolab) T7 DS Ademaacutes puede ser observado
en la columna 2 la presencia de tres bandas a) es referida al ADNp relajado b) describe el ADNp
enrollado y c) explica el ADNp suacuteper-enrrollado 79
Figura 417 Separacioacuten de proteiacutenas por electroforesis en gel SDS-PAGE 80
9
Figura 418 Imaacutegenes del microscopio oacuteptico en las cuales se puede observar la expresioacuten de un
gen reportero indicando las ceacutelulas CHO han sido transfectadas 81
Figura 419 Anaacutelisis tipo Western blot La proteiacutena de intereacutes DS-HaloTag aparece a una altura
de 61 ~KDa 82
Figura 420 Histograma de distribucioacuten de aminoaacutecidos 83
Figura 421 Interaccioacuten BaFe12O19-DS-HaloTag La disminucioacuten en los valores de DO a medida
que el tiempo transcurre indica la absorcioacuten del peacuteptido por los agregados de BaFe12O19 85
Figura 422 Anaacutelisis visual SDS-PAGE de la interaccioacuten BaFe12O19-DS-HaloTag que muestra
coacutemo disminuye la cantidad de proteiacutena libre en el medio 86
Figura 423 Carga superficial (mV) en funcioacuten del pH para el peacuteptido DS-HaloTag y los
sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 87
Figura 424 Modelo propuesto para las posibles interacciones BaFe12O19-DS-HaloTag 88
Figura 425 Perfiles de liberacioacuten del peacuteptido DS 89
IacuteNDICE DE TABLAS
Tabla 3I Factores a evaluar en el disentildeo experimental A) Presioacuten (P) B) Temperatura (T) y C)
Concentracioacuten de poliestireno usado como agente poroacutegeno (PS) Cada uno de los paraacutemetros
presenta un nivel bajo (-) y un nivel alto (+) 46
Tabla 3II Matriz del disentildeo experimental 47
Tabla 4I Variables de respuesta (oslashagregado SBET Vmesoporo oslashmacroporo) del disentildeo experimental
fraccionario 2f como resultado del efecto de los factores P T y PS 61
Tabla 4II Anaacutelisis de variancia ANOVA 62
Tabla 4III Propiedades magneacuteticas de los agregados porosos de hexaferrita de bario 78
Tabla 4IV Informacioacuten de secuencia 82
Tabla 4V Tabla de distribucioacuten de aminoaacutecidos 83
10
RESUMEN
Hoy en diacutea existe una gran variedad de formulaciones para la siacutentesis de materiales
nanoestructurados a base de oacutexido de hierro para aplicaciones biomeacutedicas El objetivo del
presente trabajo fue disentildear y sintetizar agregados nanoestructurados de hexaferrita de bario
(BaFe12O19) de tamantildeo micromeacutetrico con jerarquiacutea meso-macroporosa usando el meacutetodo sol-gel
y secado por aspersioacuten Usando un disentildeo experimental factorial 2f se evaluaron la concentracioacuten
( peso) de agente poroacutegeno y los paraacutemetros de temperatura (T) y presioacuten (P) en el proceso de
secado por aspersioacuten para determinar el efecto de estas variables sobre el tamantildeo de agregado de
BaFe12O19 y el tamantildeo de macroporo A parir de teacutecnicas de caracterizacioacuten tales como XRD
SEM y TEM se determinoacute la estructura morfologiacutea y composicioacuten de los polvos de BaFe12O19
Se obtuvieron agregados esfeacutericos de 17 μm de diaacutemetro con una estructura meso-macroporosa
determinada a partir de SEM y BET El tamantildeo de macroporo fue de aproximadamente 223 nm y
el tamantildeo de mesoporo varioacute entre 34 nm y 12 nm Asiacute mismo mediante VSM se obtuvieron
curvas de histeacuteresis a partir de las cuales se determinoacute las propiedades magneacuteticas de los
agregados de BaFe12O19 A una temperatura de calcinacioacuten de 700 degC se obtuvo un material con
comportamiento semiduro cuyos valores de magnetizacioacuten de saturacioacuten y campo coercitivo
fueron Ms = 1424 emug y Hc = 19465 Oe respectivamente Finalmente los agregados de
BaFe12O19 fueron probados como portadores de moleacuteculas con actividad bioloacutegica para ello se
usoacute el peacuteptido DS como faacutermaco modelo sintetizado a partir de los plaacutesmidos pF1A T7 Flexireg y
pFN21K a partir de la cepa T7 de Escherichia coli Se determinoacute la capacidad de carga y perfil de
liberacioacuten del peacuteptido DS mediante las teacutecnicas de SDS-PAGE FTIR anaacutelisis tipo Wester blot y
UV-vis El porcentaje de absorcioacuten del peacuteptido DS por los agregados nanoestructurados de
BaFe12O19 fue de 875 Por lo tanto los agregados esfeacutericos nanoestructurados con jerarquiacutea
meso-macroporosa obtenidos en el presente trabajo de investigacioacuten pueden ser considerados
como candidatos para ser aplicados en el aacuterea biomeacutedica como sistemas de liberacioacuten de faacutermaco
Palabras clave BaFe12O19 sistemas nanoestructurados macro-mesoporosidad meacutetodo sol-gel
secado por aspersioacuten disentildeo experimental
11
ABSTRACT
Nowadays there is a great variety of formulations for the synthesis of nanostructured materials
based on iron oxide with biomedical applications The aim of the present work was to design and
synthesize nanostructured macro-mesoporous hierarchical spherical aggregates of barium
hexagonal ferrite BaFe12O19 using the sol-gel method through molecular self-assembly and spray-
drying Therefore using a 2f
factorial experimental design the concentration (wt) of template
and the parameters of temperature (T) and pressure (P) in the spray drying process were
evaluated to determine the effect of these variables on the aggregate size of BaFe12O19 and the
size of macropore Characterization techniques such as XRD SEM and TEM determined the
structure morphology and composition of the BaFe12O19 powders obtained after the spray-drying
process Spherical aggregates of 17 μm were obtained with a meso-macroporous structure
determined from SEM and BET The macropore size was about 223 nm and the mesopore size
varied between 34 nm and 12 nm Hysteresis loops were obtained from VSM technique and the
magnetic properties of BaFe12O19 aggregates were determined At a calcination temperature of
700 deg C a material with semi-hard behavior was obtained whose saturation magnetization and
coercive field values were Ms = 1424 emug and Hc = 19465 Oe respectively Finally the
BaFe12O19 aggregates were tested as carriers of biologically active molecules For this purpose
the peptide DS (Hairless suppressor binding domain [Su (H)] was used as the template drug
synthesized from the plasmids pF1A T7 Flexireg and pFN21K from the T7 strain of Escherichia
coli The loading capacity and release profile of the DS peptide was determined by the SDS-
PAGE FTIR Wester blot and UV-vis techniques Absorption performance of DS peptide by the
nanostructured aggregates of BaFe12O19 was 875Therefore the nanostructured macro-
mesoporous hierarchical spherical aggregates of barium hexagonal ferrite BaFe12O19 obtained in
the present research can be considered as candidates to be applied in the biomedical area as drug
delivery systems
12
CAPIacuteTULO 1
INTRODUCCIOacuteN
13
CAPIacuteTULO 1 INTRODUCCIOacuteN
La nanotecnologiacutea es un campo cientiacutefico multidisciplinario que aplica los principios de
ingenieriacutea y fabricacioacuten para el disentildeo siacutentesis caracterizacioacuten y aplicacioacuten de materiales a
escala nanomeacutetrica En las uacuteltimas deacutecadas la nanotecnologiacutea se ha desarrollado en diversas
aacutereas de investigacioacuten abarcando las matemaacuteticas quiacutemica fiacutesica biologiacutea electroacutenica
ingenieriacutea biomeacutedica y ciencia de materiales entre otras
Dentro del sector biomeacutedico una gran variedad de materiales orgaacutenicos e inorgaacutenicos tales como
micelas poliacutemeros liposomas lipoproteiacutenas dendriacutemeros y nanopartiacuteculas magneacuteticas han sido
investigados ampliamente para diferentes aplicaciones incluyendo terapia celular reparacioacuten de
tejidos imagen de resonancia magneacutetica hipertermia marcadores bioloacutegicos y como sistemas de
liberacioacuten de faacutermacos (DDS) Sin duda las partiacuteculas magneacuteticas son los materiales maacutes
prominentes usados como DDS debido a sus propiedades fiacutesicas quiacutemicas teacutermicas mecaacutenicas y
magneacuteticas que las hacen herramientas ideales para ser usadas en las aplicaciones antes
mencionadas Como plataformas para la liberacioacuten de faacutermacos estos sistemas pueden ofrecer
muchas ventajas por ejemplo (i) se estabilizan sin alterar la actividad farmacoloacutegica del
medicamento (ii) previenen la degradacioacuten metaboacutelica prematura en la circulacioacuten sisteacutemica o
interaccioacuten con el ambiente bioloacutegico de manera que alcance el objetivo pretendido en su estado
priacutestino (iii) liberan el medicamento en el sitio o tumor deseado y (iv) presentan una toxicidad
menor o similar que la del faacutermaco libre
Recientemente un gran nuacutemero de faacutermacos macromoleculares tales como peacuteptidos proteiacutenas y
aacutecidos nucleicos han sido descubiertos Sin embargo estos faacutermacos muestran pobre estabilidad
en la mayoriacutea de los ambientes bioloacutegicos y pobre penetracioacuten a traveacutes de la barrera
hematoencefaacutelica lo cual limita su administracioacuten a traveacutes de rutas parentales Ademaacutes cuando
estos faacutermacos son administrados parentalmente estaacuten expuestos a la degradacioacuten quiacutemico-
enzimaacutetica antes de alcanzar su sitio de destino debido a su estabilidad limitada y corta vida
media Por lo tanto una gran cantidad de trabajos se ha enfocado al desarrollo de sistemas DDS
para proporcionan una manera maacutes efectiva de liberar y proteger los peacuteptidos y proteiacutenas
14
Existen numerosos meacutetodos (i) fiacutesicos (ii) quiacutemicos (iii) bioloacutegicos e (hiacutebridos) para la siacutentesis
de nanopartiacuteculas El meacutetodo de preparacioacuten de los nanomateriales determinaraacute el tamantildeo y
distribucioacuten de las partiacuteculas su morfologiacutea quiacutemica superficial y consecuentemente sus
propiedades magneacuteticas
En esta investigacioacuten agregados esfeacutericos nanoestructurados de hexaferrita de bario (BaFe12O19)
de tamantildeo micromeacutetrico con jerarquiacutea macro-mesoporosa fueron sintetizados usando el meacutetodo
quiacutemico huacutemedo sol-gel mediante autoensamble molecular y secado por aspersioacuten aplicando un
disentildeo experimental factorial 2f En el procesamiento de los materiales dirigidos a una aplicacioacuten
especiacutefica una informacioacuten detallada sobre las caracteriacutesticas del material es requerida para
alcanzar el objetivo deseado Asiacute los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 se caracterizaron
mediante difraccioacuten de rayos x (XRD por sus siglas en ingleacutes) microscopiacutea electroacutenica de
barrido (SEM por sus siglas en ingleacutes) microscopiacutea electroacutenica de transmisioacuten (TEM por sus
siglas en ingleacutes) aacuterea superficial especiacutefica BET espectroscopiacutea infrarroja por transformada de
Fourier (FTIR por sus siglas en ingleacutes) y por magnetoacutemetro de muestra vibrante (VSM por sus
siglas en ingleacutes) para la determinacioacuten de las propiedades magneacuteticas
Finalmente los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 se evaluaron como portadores de
moleacuteculas bioloacutegicas El peacuteptido DS (Dominio de unioacuten a supresor de Hairless [Su(H)] se usoacute
como faacutermaco modelo para evaluar la capacidad de carga de los sistemas nanoestructurados de
BaFe12O19 como DDS Despueacutes de ser cargados los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 con
el peacuteptido se llevaron a cabo los estudios de liberacioacuten El peacuteptido DS se sintetizoacute a partir de los
plaacutesmidos pF1A T7 Flexireg pFN21K y pFN18K empleando la cepa T7 Express Iq Competent
XL-1 blue (T7) de Escherichia coli A su vez isopropil-β-D-1-tiogalactopiranoacutediso (IPTG) se
usoacute para inducir la produccioacuten del peacuteptido El IPTG es una moleacutecula de uso comuacuten en biologiacutea
molecular Se usa como un anaacutelogo no hidrolizable de la alolactosa un metabolito de la lactosa
que desencadena la transcripcioacuten del operoacuten lac y por lo tanto se usa para inducir la expresioacuten de
proteiacutenas cuando el gen estaacute bajo el control del operoacuten lac
15
11 OBJETIVOS
111 Objetivo General
Disentildear sintetizar y caracterizar sistemas nanoparticulados de hexaferrita de bario (BaFe12O19)
conformados en agregados micromeacutetricos con jerarquiacutea macro-mesoporosa a partir de un disentildeo
experimental factorial fraccionario 2f usando el meacutetodo quiacutemico sol-gel con autoensamble
molecular asistido por surfactante Tween 20 y esferas de poliestireno usadas como agente
poroacutegeno y mediante secado por aspersioacuten para ser usados como portadores de moleacuteculas con
actividad bioloacutegica
112 Objetivos Especiacuteficos
- Evaluar la concentracioacuten ( peso) de agente poroacutegeno y los paraacutemetros de temperatura
(T) y presioacuten (P) en el proceso de secado por aspersioacuten para determinar el efecto de estas
variables sobre el tamantildeo de agregado de BaFe12O19 y el tamantildeo de macroporo
- Sintetizar sistemas de BaFe12O19 mediante el meacutetodo quiacutemico sol-gel asistido por Tween
20 y esferas de poliestireno para producir agregados esfeacutericos nanoestructurados de
tamantildeo micromeacutetrico con jerarquiacutea macro-mesoporosa
-
- Caracterizar estructural morfoloacutegica y fisicoquiacutemicamente los sistemas nanoparticulados
de BaFe12O19 mediante teacutecnicas de XRD SEM TEM BET FTIR y VSM para
proporcionar los detalles necesarios respecto a las propiedades fiacutesicas quiacutemicas y
magneacuteticas de los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19
16
- Sintetizar y caracterizar el peacuteptido DS a partir de los plaacutesmidos pF1A T7 Flexireg
pFN21K y pFN18K empleando la cepa T7 de Escherichia coli el cual seraacute utilizado
como faacutermaco modelo
- Determinar las propiedades magneacuteticas de los sistemas nanoparticulados de BaFe12O19
incluyendo su magnetizacioacuten magneacutetica (Ms) remanencia magneacutetica (Mr) y coercitividad
(Hc) para ser explotadas en la entrega y direccionamiento del peacuteptido DS
- Determinar la carga superficial de los sistemas nanoparticulados de BaFe12O19 para
permitir una mejora en el rendimiento de adsorcioacuten del peacuteptido DS
-
- Determinar la capacidad de carga de los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 y
evaluar el perfil de liberacioacuten del peacuteptido DS para evaluar los sistemas de BaFe12O19
como candidatos para sistemas de liberacioacuten de faacutermaco
17
12 HIPOacuteTESIS
La obtencioacuten de agregados esfeacutericos de nanopartiacuteculas superparamagneacuteticas con nanoestructura y
macroporosidad disentildeada obtenidas utilizando teacutecnicas de autoensamblaje molecular con agentes
poroacutegenos y mediante secado por aspersioacuten permitiraacute la obtencioacuten de un portador de moleacuteculas
con actividad bioloacutegica maacutes viable que tenga un mejor desempentildeo en cuanto a la adsorcioacuten de
ciertas moleacuteculas bioloacutegicas sin perder las propiedades superparamagneacuteticas caracteriacutesticas de las
nanopartiacuteculas
18
13 JUSTIFICACIOacuteN
A pesar de los avances significativos en el diagnoacutestico y tratamiento del caacutencer eacutesta es una de las
enfermedades maacutes devastadoras que amenazan con la salud humana y es la segunda causa maacutes
comuacuten de mortalidad Actualmente la cirugiacutea radioterapia quimioterapia e inmunoterapia son
los meacutetodos de tratamiento maacutes utilizados sin embargo ninguno de estos meacutetodos ofrece una
verdadera recuperacioacuten total En muchos casos la erradicacioacuten quiruacutergica o tratamiento por
radiacioacuten no son factibles
Por otra parte el mayor problema de la quimioterapia es la limitada eficacia de los agentes
quimioterapeacuteuticos y su falta de especificidad a las ceacutelulas tumorales asiacute como a las altas
concentraciones de faacutermaco utilizadas Para superar este problema altas concentraciones o
frecuencias de dosificacioacuten de los agentes quimioterapeacuteuticos son requeridas resultando asiacute en
efectos secundarios severos no deseados debido a la alta citotoxicidad del faacutermaco Por lo tanto
surge la necesidad de desarrollar meacutetodos eficaces de administracioacuten de faacutermacos capaces de
mantener los niveles del faacutermaco en una concentracioacuten estrecha necesaria para evitar toxicidad
Ademaacutes de dirigir el medicamento a las ceacutelulas cancerosas mientras se reducen los efectos
secundarios en la mayor medida posible Esta necesidad se ve reflejada en coacutemo ha ido
incrementando gradualmente el nuacutemero de publicaciones a lo largo de los antildeos ya que la
tecnologiacutea basada en sistemas de liberacioacuten de faacutermaco (DDS) ha progresado en las uacuteltimas
deacutecadas Por ejemplo la revista Journal of Controlled Released (JCR) ha recibido
sustancialmente maacutes artiacuteculos de lo que publica (Fig 11)
Figura 11 Nuacutemero de artiacuteculos publicados anualmente en la revista Journal of Controlled Released desde 1984
19
Una amplia variedad de biomateriales compuestos de diversas formulaciones han sido usados
como DDS No obstante en las uacuteltimas dos deacutecadas las nanopartiacuteculas magneacuteticas han atraiacutedo
mucha atencioacuten como DDS [12] ademaacutes de otras aplicaciones tales como imagen de resonancia
magneacutetica (MRI) [34] reparacioacuten de tejidos [56] hipertermia magneacutetica [78] e inmunoensayos
[9] debido a su biocompatibilidad faacutecil modificacioacuten superficial y sus propiedades fiacutesicas
quiacutemicas y magneacuteticas uacutenicas Una de las caracteriacutesticas maacutes importantes de las nanopartiacuteculas
magneacuteticas es su comportamiento superparamagneacutetico donde la energiacutea teacutermica es
suficientemente fuerte para cambiar la direccioacuten de la magnetizacioacuten [10] por ejemplo las
fluctuaciones teacutermicas desmagnetizan espontaacuteneamente un ensamble previamente saturado
Como resultado de esta propiedad las partiacuteculas magneacuteticas muestran un potencial para mejorar
las caracteriacutesticas de contraste en MRI DDS e hipertermia Ademaacutes el comportamiento
superparamagneacutetico permite la manipulacioacuten de las partiacuteculas en presencia de un campo
magneacutetico externo Asiacute un sistema DDS puede ser guiado magneacuteticamente hasta el sitio de
accioacuten en el cual el faacutermaco seraacute liberado reduciendo de esta manera la concentracioacuten del
faacutermaco y su frecuencia de dosificacioacuten para evitar efectos secundarios no deseados Ademaacutes
Una vez eliminando el campo magneacutetico las nanopartiacuteculas magneacuteticas no muestran una
interaccioacuten magneacutetica ya que no retienen magnetismo [11] Por lo tanto la ausencia de
coercitividad prevendraacute la agregacioacuten potencial de las partiacuteculas que pudieran faacutecilmente causar
la formacioacuten de embolismo en los vasos sanguiacuteneos [12]
Maacutes auacuten los sistemas micromeacutetricos nanoestructurados permiten la preservacioacuten de las
propiedades a escala nanomeacutetrica pero con partiacuteculas a escala micromeacutetriacuteca Esto es importante
debido a que las partiacuteculas de tamantildeo micromeacutetrico son maacutes faacuteciles de manejar que las partiacuteculas
nanomeacutetricas Ademaacutes una jerarquiacutea macro-mesoporosa presentan una arquitectura que exhiben
alta aacuterea superficial baja densidad y buena estabilidad fisicoquiacutemica [13] Asiacute mismo la
estructura jeraacuterquica juega un papel importante en muchas de las propiedades y aplicaciones
funcionales del material [14] por ejemplo los materiales macro-mesoporosos muestran un
incremento considerable en la capacidad de carga de un faacutermaco En los materiales macro-
mesoporosos los macroporos proporcionan una interconectividad que mejora la difusioacuten o flujo
20
de fluidos Mientras que los mesoporos aumentan considerablemente el aacuterea superficial
especiacutefica y por lo tanto tienen una mayor capacidad para que las moleacuteculas puedan ser
adsorbidas [15] Por otra parte la morfologiacutea de las partiacuteculas juega un papel importante en el
tiempo de circulacioacuten en el torrente sanguiacuteneo Ademaacutes una morfologiacutea esfeacuterica es de
importancia praacutectica ya que en general eacutesta presenta mejores propiedades reoloacutegicas comparado
con otras morfologiacuteas Una gran variedad de meacutetodos han sido estudiados para la siacutentesis de
sistemas nanoestructurados dirigidos a aplicaciones biomeacutedicas La Fig 12 muestra las tres rutas
de siacutentesis maacutes importantes Sin duda los meacutetodos de siacutentesis quiacutemica huacutemeda principalmente el
meacutetodo sol-gel es el meacutetodo fundamental maacutes empleado en la siacutentesis de materiales para
aplicaciones biomeacutedicas debido a sus muchas ventajas i) los precursores pueden mezclarse a
nivel molecular lo cual permite la formacioacuten de soluciones soacutelidas del material a temperaturas de
procesamiento relativamente bajas cuando se compara con los meacutetodos tradicionales ii) es un
meacutetodo faacutecil sencillo y versaacutetil iii) permite un control quiacutemico y estructural es decir la
nucleacioacuten y crecimiento de las partiacuteculas coloidales primarias puede ser controlada para dar
partiacuteculas con tamantildeo y forma deseada ademaacutes de la composicioacuten quiacutemica deseada iv) los
materiales sintetizados a partir de este meacutetodo son obtenidos con una alta pureza
Figura 12 Meacutetodos de siacutentesis de los sistemas nanoestructurados dirigidos a aplicaciones biomeacutedicas Las tres rutas
principales incluyen meacutetodos quiacutemicos fiacutesicos y bioloacutegicos Fuente Instituto de Informacioacuten Cientiacutefica Modificado
de M Mahmoudi [16]
21
CAPIacuteTULO 2
REVISIOacuteN DEL ESTADO DEL ARTE
22
CAPIacuteTULO 2 REVISIOacuteN DEL ESTADO DEL ARTE
En el presente capiacutetulo se aborda coacutemo la nanotecnologiacutea ha revolucionado los diferentes
aspectos de la investigacioacuten cientiacutefica y tecnologiacutea en diversos campos tales como la electroacutenica
semiconductores quiacutemica fiacutesica ciencia de los materiales bioingenieriacutea medicina etc [17-27]
En las uacuteltimas deacutecadas la nanotecnologiacutea ha contribuido a avances significativos en el desarrollo
de los biomateriales y el aacuterea de la medicina a traveacutes de la terapia y diagnoacutestico cliacutenico para el
tratamiento de diversos tipos de caacutencer mediante el disentildeo e ingenieriacutea de materiales
nanoestructurados capaces de interactuar con los sistemas bioloacutegicos a escala molecular Las
aplicaciones maacutes prominentes de estos nanodispositivos incluyen terapia geacutenica MRI [28-30]
hipertermia [31-33] sistemas de liberacioacuten de faacutermacos (DDS) [3535] Una gran variedad de
materiales orgaacutenicos e inorgaacutenicos han sido investigados como sistemas DDS Sin embargo los
materiales magneacuteticos nanoestructurados de oacutexido de hierro son considerados los materiales maacutes
prominentes debido a sus caracteriacutesticas uacutenicas tales como biocompatibilidad alta aacuterea
superficial y comportamiento superparamagneacutetico lo que los hace una herramienta ideal para las
aplicaciones antes mencionas [36]
21 BIOMATERIALES
Un biomaterial puede ser definido como cualquier material natural o sinteacutetico usado para la
fabricacioacuten de dispositivos que reemplacen una parte de un sistema vivo o bien que realice una
funcioacuten en contacto iacutentimo con el tejido vivo de una manera segura confiable y fisioloacutegicamente
aceptable [37] Por lo tanto un biomaterial tiene que presentar propiedades compatibles con el
tejido a interactuar para obtener el efecto deseado El Consejo Asesor para Biomateriales de la
Universidad de Clemson ha definido formalmente un biomaterial como una sustancia de
actividad sisteacutemica y farmacoloacutegicamente inerte para su implantacioacuten o incorporacioacuten dentro o
con el sistema vivo
23
Debido a que los biomateriales tienen como objetivo interactuar con los tejidos o fluidos
bioloacutegicos del cuerpo humano es fundamental que estos cumplan con ciertos requisitos para
evitar inducir cambios o provocar reacciones no deseadas en el cuerpo humano Un requisito
fundamental es la biocompatibilidad la cual se refiere a la capacidad del material para realizar
con eficiencia una respuesta apropiada en el hueacutesped en una aplicacioacuten deseada es decir el
material y el entorno de los tejidos deben coexistir sin tener ninguacuten efecto no deseado o
inapropiado entre ellos [36] Otras caracteriacutesticas importantes son su baja toxicidad estabilidad
quiacutemica densidad y peso adecuado ademaacutes es deseable que sean econoacutemicos
211 Aplicaciones
En las uacuteltimas deacutecadas la siacutentesis y aplicacioacuten de biomateriales ha llegado a ser una de las aacutereas
de investigacioacuten maacutes activa y prometedora posicionada en la interseccioacuten de la quiacutemica ciencia
de los materiales bioingenieriacutea y la medicina
Una de las aplicaciones de los biomateriales que ha atraiacutedo cada vez maacutes la atencioacuten de los
cientiacuteficos es su uso como sistemas de liberacioacuten de faacutermaco Una gran variedad de materiales
han sido estudiados para esta aplicacioacuten por ejemplo dendriacutemeros micelas emulsiones
liposomas y sistemas nanoestructurados Especialmente las nanopartiacuteculas magneacuteticas a base de
hierro han sido de gran intereacutes debido a las oportunidades en la terapia de caacutencer y el tratamiento
de otras enfermedades Su potencial deriva de las propiedades intriacutensecas de sus nuacutecleos
magneacuteticos combinados con la capacidad de carga del faacutermaco y las propiedades bioquiacutemicas que
pueden ser adquiridas mediante su recubrimiento adecuado Ademaacutes las nanopartiacuteculas pueden
actuar a nivel tisular o celular lo cual implica que pueden ser endocitadas o fagocitadas
resultando en su internalizacioacuten En eacuteste proceso las nanopartiacuteculas pueden llegar maacutes allaacute de la
membrana citoplasmaacutetica
24
Entre las aplicaciones maacutes usadas de las nanopartiacuteculas como biomateriales se encuentran la
imagen de resonancia magneacutetica hipertermia y sistemas de liberacioacuten de faacutermacos las cuales se
explican a continuacioacuten
a Imagen de resonancia magneacutetica
Los avances en el desarrollo de nuevas estrategias y tecnologiacuteas para tratamiento y evaluacioacuten
precliacutenica de caacutencer mediante el uso de faacutermacos antitumorales destacan la creciente necesidad
de una evaluacioacuten a tratamientos tumorales in vivo mediante el uso de biomarcadores de imagen
La imagen de resonancia magneacutetica (MRI) se ha establecido como la herramienta principal en el
monitoreo in vivo de cambios morfoloacutegicos funcionales y metaboacutelicos en tumores soacutelidos debido
a su excelente contraste en tejidos blandos excelente resolucioacuten espacial y naturaleza no-
invasiva MRI es una teacutecnica que usa el magnetismo y pulso por radiofrecuencia (RF) para
producir imaacutegenes de tejidos u oacuterganos compuestos de elementos sensibles a la resonancia
magneacutetica tales como hidroacutegeno (H) La MRI se basa en los principios de la resonancia
magneacutetica nuclear El cuerpo bioloacutegico se compone de numerosos protones contenidos en el
nuacutecleo del H los cuales giran en sus ejes con la llamada frecuencia de Larmor produciendo un
campo magneacutetico representado por el momento o vector magneacutetico Una gran cantidad de
protones en el cuerpo resultaraacute en un vector magneacutetico neto que se alinea con el campo
magneacutetico externo o paralelo al eje longitudinal del magneto Esta alineacioacuten de protones es
llamada magnetizacioacuten longitudinal Cuando la magnetizacioacuten longitudinal se inclina
transversalmente debido a un impulso de RF se induce una corriente eleacutectrica o sentildeal de
resonancia magneacutetica que puede ser recibida por una bobina de RF En esencia la MRI se lleva a
cabo aplicando de manera alterna pulsos de RF al tejido bioloacutegico La Aplicacioacuten de pulsos de
RF en cierto tiempo de repeticioacuten (TR) y las sentildeales recibidas en un tiempo predefinido o tiempo
de repeticioacuten (TE) produce el contraste en las imaacutegenes de MRI Tales sentildeales de resonancia
magneacutetica son entonces codificadas en fase y frecuencia a imaacutegenes de resonancia magneacutetica por
la teacutecnica de transformada de Fourier
25
b Hipertermia
La hipertermia implica el tratamiento de ceacutelulas canceriacutegenas a traveacutes de la generacioacuten de calor
[38] Este enfoque involucra el aumento de la temperatura del ambiente local del tumor
resultando en un cambio en la fisiologiacutea de las ceacutelulas enfermas llevaacutendolas finalmente a la
apoptosis Dependiendo del grado en el aumento de la temperatura el tratamiento por hipertermia
puede ser clasificado como i) ablacioacuten teacutermica [39] en el cual el tumor es sometido a altas
temperaturas de calor mayores a 46 degC pudiendo llegar a los 56 degC causando que las ceacutelulas
experimenten necrosis coagulacioacuten o carbonizacioacuten ii) Hipertermia moderada [39] con
temperaturas entre 41 degC y 46 degC tiene efectos tanto a nivel celular como tisular las ceacutelulas
experimentan estreacutes teacutermico resultando en la activacioacuten yo iniciacioacuten de muchos mecanismos de
degradacioacuten intra- y extracelular tal como la degradacioacuten o pliegue iii) Diatermia [39] implica
temperaturas menores a 41 degC para el tratamiento de enfermedades reumaacuteticas en la fisioterapia
c Sistemas de liberacioacuten de faacutermaco
Los sistemas de liberacioacuten de faacutermaco tienen como objetivo la entrega y liberacioacuten de faacutermacos
a sitios de accioacuten especiacuteficos manteniendo la concentracioacuten del faacutermaco a un nivel terapeacuteutico
adecuado durante un periacuteodo de tiempo determinado Es decir un sistema ideal para la liberacioacuten
de faacutermacos debe ser capaz de controlar la liberacioacuten y focalizacioacuten del faacutermaco para garantizar
una alta eficiencia del faacutermaco a la vez que se disminuyen los efectos secundarios causados por
los faacutermacos anticanceriacutegenos que no uacutenicamente actuacutean sobre las ceacutelulas cancerosas sino
ademaacutes sobre las ceacutelulas sanas Un sistema nanoestructurado para la liberacioacuten de faacutermacos
puede penetrar en el cuerpo ya que su tamantildeo le permite ser administrado viacutea intravenosa o a
traveacutes de otras rutas de administracioacuten Ademaacutes los sistemas de liberacioacuten de faacutermaco deben
permanecer estables tanto fiacutesica como quiacutemicamente antes de llegar a su destino
26
22 SISTEMAS DE LIBERACIOacuteN DE FAacuteRMACO
En la Fig 21 se presentan los diferentes tipos de sistemas nanoparticulados empleados en la
liberacioacuten de faacutermacos los cuales se describen brevemente
Figura 21 Categoriacuteas esenciales de los materiales usados como DDS i) Materiales orgaacutenicos dendriacutemeros
micelas liposomas i) Materiales inorgaacutenicos nanopartiacuteculas de oro sistemas nanoestructurados a base de oacutexido de
hierro quantum dots (Modificado de Grumezescu [40] y Riggio [45])
221 Liposomas
Los liposomas tienen una larga historia como sistemas de liberacioacuten de faacutermaco debido a su faacutecil
preparacioacuten baja toxicidad y biodegradabilidad [4142] Los liposomas son estructuras
coloidales autoensambladas compuestas de bicapas lipiacutedicas que rodean un compartimiento
27
acuoso y puede encapsular una amplia variedad de faacutermacos quimioterapeacuteuticos ya sean
hidroacutefilos o hidroacutefobos [4344] Los liposomas se pueden clasificar como liposomas de primera
generacioacuten o liposomas desnudos con una superficie de fosfoliacutepido no modificado de segunda
generacioacuten o liposomas furtivos con una capa de carbohidratos o poliacutemeros hidroacutefilos
generalmente de PEG en la superficie de las vesiacuteculas y liposomas de tercera generacioacuten que
incorporan ligandos superficiales para mejorar el iacutendice terapeacuteutico del faacutermaco mediante el
aumento de la selectividad y la especificidad del complejo En la Fig 21 se representa
esquemaacuteticamente la estructura de los liposomas
222 Nanopartiacuteculas polimeacutericas
Las nanopartiacuteculas polimeacutericas (Fig 21) son portadores que van de 10 a 100 nm conformados
de poliacutemeros naturales o artificiales generalmente biodegradables donde los faacutermacos
terapeacuteuticos puede ser adsorbidos disueltos atrapados encapsulados o enlazados
covalentemente a la cadena principal del poliacutemero por medio de un enlace sencillo eacutester o amida
que se pueden hidrolizar in vivo a traveacutes de un cambio de pH
Los poliacutemeros sinteacuteticos que incluyen al aacutecido polilaacutectico (PLA) [46] aacutecido poliglicoacutelico (PGA)
[47] poli etilenglicol (PEG) [48] y sus copoliacutemeros han sido los maacutes ampliamente investigados
debido a su biocompatibilidad y biodegradabilidad Otros poliacutemeros naturales como el quitosano
y alginato han sido ampliamente probados [49]
223 Micelas
Las micelas son portadores esfeacutericos biodegradables con un intervalo de tamantildeo de 10-200 nm
Eacutestas son formadas por autoensamblaje de bloques de copoliacutemeros compuestos de dos o maacutes
cadenas de poliacutemeros con diferente hidrofobicidad Estos copoliacutemeros espontaacuteneamente se
28
ensamblan para formar una estructura de nuacutecleo-coraza en un medio acuoso para minimizar la
energiacutea libre del sistema (Fig 21) Los segmentos hidroacutefobos forman el nuacutecleo interior
hidroacutefobo para minimizar su exposicioacuten al medio ambiente mientras que las cadenas hidroacutefilas
forman la coraza hidroacutefila externa para estabilizar el nuacutecleo a traveacutes del contacto directo con el
agua [50]
224 Dendriacutemeros
Los dendriacutemeros son macromoleacuteculas altamente ramificadas esfeacutericas y sinteacuteticas con tamantildeo y
forma ajustable Contienen muacuteltiples capas con grupos terminales activos tambieacuten conocidos
como generaciones que se extienden hacia fuera desde un nuacutecleo iniciador llamado generacioacuten
cero (Fig 21) El tamantildeo de los dendriacutemeros estaacute generalmente en el rango de 1-15 nmLas
ramificaciones de estos poliacutemeros proporcionan un aacuterea superficial grande para que moleacuteculas
yo medicamentos quimioterapeacuteuticos puedan ser unidos a traveacutes de la conjugacioacuten covalente o
adsorcioacuten electrostaacutetica Alternativamente los agentes terapeacuteuticos se pueden cargar en las
cavidades de las regiones centrales a traveacutes de interaccioacuten hidrofoacutebica enlaces de hidroacutegeno o
enlace quiacutemico Los dendriacutemeros maacutes comuacutenmente estudiados pertenecen a la familia de los
dendriacutemeros PAMAM (poliamidoamina) Estos poliacutemeros han mostrado un gran potencial para la
liberacioacuten de medicamentos ya que son biodegradables y biocompatibles y tienen alta
solubilidad en agua [51]
225 Nanopartiacuteculas Magneacuteticas
La liberacioacuten controlada de faacutermacos con materiales funcionales nanoestructurados
especialmente las nanopartiacuteculas magneacuteticas estaacute atrayendo cada vez maacutes la atencioacuten debido a
las oportunidades en la terapia de caacutencer y el tratamiento de otras enfermedades El potencial de
las nanopartiacuteculas magneacuteticas deriva de las propiedades intriacutensecas de sus nuacutecleos magneacuteticos
combinados con su capacidad de carga del medicamento y las propiedades bioquiacutemicas que
pueden ser otorgados a estas por medio de un recubrimiento adecuado
29
23 CLASIFICACIOacuteN DE LOS MATERIALES MAGNEacuteTICOS
Desde el punto de vista del comportamiento magneacutetico podemos clasificar los materiales en
diamagneacuteticos paramagneacuteticos ferromagneacuteticos antiferromagneacuteticos ferrimagneacuteticos (Fig 22)
Figura 22 (a) Clasificacioacuten de los materiales seguacuten su comportamiento magneacutetico paramagneacuteticos
ferromagneacuteticos antiferromagneacuteticos y ferrimagneacuteticos (b) Los materiales superparamagneacuteticos son observados en
los nanomateriales ferro- y ferrimagneacuteticos que se componen de un soacutelo dominio magneacutetico
231 Diamagnetismo
El diamagnetismo se basa en la interaccioacuten entre el campo aplicado y los electrones moacuteviles del
material [52] El diamagnetismo se caracteriza por i) una magnetizacioacuten deacutebil del material en el
sentido opuesto al campo magneacutetico aplicado [53] ii) una susceptibilidad magneacutetica negativa y
pequentildea con permeabilidad relativa ligeramente menor que 1 iii) intensidad de respuesta muy
pequentildea
232 Paramagnetismo
En los materiales paramagneacuteticos los momentos magneacuteticos se encuentran desordenados por lo
que no mantiene un momento magneacutetico neto Estos materiales se caracterizan por i) requerir un
gran campo magneacutetico para poder adquirir una alta magnetizacioacuten ii) magnetizacioacuten deacutebil en el
30
mismo sentido que el campo magneacutetico aplicado iii) susceptibilidad magneacutetica positiva y
pequentildea con permeabilidad relativa ligeramente mayor que 1 iv) intensidad de respuesta muy
pequentildea Ejemplos de estos materiales son el Cr Mn y los gases diatoacutemicos La Fig 22(a)
muestra el ordenamiento magneacutetico de estos materiales
233 Ferromagnetismo
En los materiales ferromagneacuteticos los momentos magneacuteticos individuales de grupos de aacutetomos o
moleacuteculas se mantienen alineados entre siacute debido a un fuerte acoplamiento auacuten en ausencia de
campo exterior [54] Estos grupos se denominan dominios y actuacutean como un pequentildeo imaacuten
permanente En ausencia de campo aplicado los dominios tienen sus momentos magneacuteticos netos
distribuidos al azar Cuando se aplica un campo exterior los dominios tienden a alinearse con el
campo Este alineamiento puede permanecer en algunos casos con un muy fuerte acoplamiento
cuando se retira el campo creando un imaacuten permanente [55] Los materiales ferromagneacuteticos se
caracterizan por i) una fuertemente magnetizacioacuten en el mismo sentido que el campo magneacutetico
aplicado ii) susceptibilidad magneacutetica positiva y grande con permeabilidad relativa mucho
mayor que 1 iv) la agitacioacuten teacutermica tiende a desalinear los dominios A temperatura normal la
energiacutea teacutermica no es en general suficiente para desmagnetizar un material magnetizado sin
embargo por encima de la temperatura de Curie [56] el material se vuelve paramagneacutetico
debido a que los efectos teacutermicos de desorden son mayores que los efectos de alineamiento de la
interaccioacuten magneacutetica entre dominios La Fig 22(a) muestra el alineamiento de los materiales
ferromagneacuteticos
234 Antiferromagnetismo
Los materiales antiferromagneacuteticos tienen un estado natural en el cual los espines atoacutemicos de
aacutetomos adyacentes son opuestos de manera que el momento magneacutetico neto es nulo [57] Este
estado hace difiacutecil que el material se magnetice aunque de todas formas adopta una
31
permeabilidad relativa ligeramente mayor que 1 Por encima de una temperatura criacutetica llamada
temperatura de Neel un material antiferromagneacutetico se vuelve paramagneacutetico La Fig 22(a)
esquematiza el ordenamiento magneacutetico de los materiales antiferromagneacuteticos
235 Ferrimagnetismo
Los materiales ferrimagneacuteticos son similares a los antiferromagneacuteticos salvo que las especies de
aacutetomos alternados son diferentes (por ejemplo por la existencia de dos subredes cristalinas
entrelazadas) y tienen momentos magneacuteticos diferentes [58] Existe entonces una magnetizacioacuten
neta que puede ser en algunos casos muy intensa
236 Superparamagnetismo
El superparamagnetismo es una forma de magnetismo observado en los nanomateriales ferro- y
ferrimagneacuteticos que se componen de un soacutelo dominio magneacutetico [59] (Fig 22(b)) Debido a su
tamantildeo tan pequentildeo no hay orden de largo alcance en estos materiales Estos materiales se
caracterizan por i) alcanzar una magnetizacioacuten relativamente alta con bajos campos magneacuteticos
aplicados [59] ii) por debajo de la temperatura Curie los momentos magneacuteticos dentro de un
dominio magneacutetico se alinean paralelamente a un campo aplicado para producir la alta
magnetizacioacuten [59] iii) despueacutes de que un campo magneacutetico aplicado se ha eliminado no queda
magnetizacioacuten remanente (Mr) neta [59] La falta de Mr se debe al hecho de que la
magnetizacioacuten de cada dominio faacutecilmente salta entre dos orientaciones estables que estaacuten
separados por una pequentildea diferencia de energiacutea De hecho la diferencia de energiacutea es tan
pequentildea que la energiacutea teacutermica cancela la magnetizacioacuten total de la partiacutecula Compuestos de
hierro cobalto y niacutequel y sus aleaciones elementos de tierras raras intermetaacutelicos de gadolinio
oro y vanadio son ferromagneacuteticos que pueden ser utilizados para producir partiacuteculas
superparamagneacuteticas cuando el tamantildeo del dominio magneacutetico se encuentra a escala
nanomeacutetrica Otros materiales pueden ser utilizados incluyendo ferritas compuesto por oacutexidos
32
de hierro o con otros elementos como el aluminio cobre cobalto niacutequel manganeso magnesio
hierro y zinc Ademaacutes tambieacuten se pueden utilizar las ferritas hexagonales
24 FERRITAS HEXAGONALES
Desde el descubrimiento de las ferritas en la deacutecada de 1950 ha habido un gran intereacutes en las
ferritas hexagonales tambieacuten conocidas como hexaferritas Este intereacutes tanto cientiacutefico como
tecnoloacutegico ha ido creciendo exponencialmente hasta el diacutea de hoy Ademaacutes de su uso como
imanes permanentes las hexaferritas tienen aplicaciones como material de grabacioacuten magneacutetica
en almacenamiento de datos y como componentes en dispositivos eleacutectricos
Existen diferentes tipos de ferritas hexagonales indicadas como M W X Y Z y U todas ellas
con estrechas estructuras cristalinas altamente complejas De los diferentes tipos de ferritas
hexagonales las hexaferritas de mayor importancia comercial son las tipo M dentro de las cuales
se encuentran las hexaferritas de bario BaFe12O19 y las ferritas de estroncio con Sr reemplazando
al Ba en la misma foacutermula La importancia de estas ferritas es debido a su bajo costo y sus
propiedades como estabilidad quiacutemica alta resistividad magnetizacioacuten de saturacioacuten
conveniente y alta coercitividad magneacutetica etc
La unidad molecular de la ferrita tipo M estaacute formada por un bloque S y un bloque R con una
superposicioacuten de capas cuacutebicas y hexagonales (Fig 23(a) El plano basal que contiene el aacutetomo
de bario es un plano espejo y los dos bloques S por encima y por debajo del bloque R son por lo
tanto rotaciones de 180ordm alrededor del eje c de cada una Un bloque R espejo R es entonces
requerido para continuar la estructura y es por esta razoacuten que la ceacutelula unitaria requiere dos
unidades moleculares M dando la foacutermula de celda unitaria SRSR donde es una rotacioacuten del
bloque a 180ordm alrededor del eje c (Fig 23(a)) Los paraacutemetros reticulares de la BaFe12O19 son
2317 Aring para la longitud del eje c y 589 Aring para a la anchura del plano basal y este paraacutemetro a
es constante para todas las hexaferritas de bario La relacioacuten de altura a ancho es de 394 por lo
que BaFe12O19 tiene una gran anisotropiacutea cristalina Las vistas en perspectiva de la estructura son
33
tambieacuten mostradas en la Fig 23(b) y Fig 23(c) mientras que los poliedros de la estructura M
incluyendo el sitio bipiramidal del bloque R se muestran en la Fig 23(d) La Fig 23(e)
representa el apilamiento de los bloques R y S en la estructura M
Figura 23 (a) seccioacuten transversal de la estructura de la ferrita tipo M (BaFe12O19) Tomado de Robert C Pullar [60]
25 METODOS DE SIacuteNTESIS
251 Siacutentesis sol-gel
El meacutetodo sol-gel es un meacutetodo de siacutentesis quiacutemica huacutemeda el cual permite la fabricacioacuten de una
amplia gama de materiales con diversas configuraciones por ejemplo fibras peliacuteculas delgadas
monolitos y revestimientos Ademaacutes el meacutetodo sol-gel permite sintetizar materiales hiacutebridos
orgaacutenicos-inorgaacutenicos con una gran variedad de aplicaciones potenciales en diversos campos de
34
la investigacioacuten incluyendo la oacuteptica electroacutenica semiconductores superconductores y
biomateriales El meacutetodo sol gel ofrece una serie de ventajas i) los precursores pueden mezclarse
a nivel molecular lo cual permite la formacioacuten de soluciones soacutelidas del material a temperaturas
de procesamiento relativamente bajas cuando se compara con los meacutetodos tradicionales ii) es un
meacutetodo faacutecil sencillo y versaacutetil iii) permite un control quiacutemico y estructural es decir la
nucleacioacuten y crecimiento de las partiacuteculas coloidales primarias puede ser controlada para dar
partiacuteculas con tamantildeo y forma deseada ademaacutes de la composicioacuten quiacutemica deseada
Actualmente existe una amplia gama de rutas de siacutentesis derivadas del meacutetodo sol-gel (Fig 24)
En teacuterminos simples el meacutetodo sol-gel implica dos fases distintas La primera fase una
suspensioacuten coloidal la cual es una suspensioacuten estable de partiacuteculas soacutelidas coloidales dentro de
un liacutequido donde las partiacuteculas soacutelidas deben ser maacutes densas que el liacutequido de los alrededores y
suficientemente pequentildeas (2 nm a 1 microm lo cual corresponde a 103-10
9 aacutetomos por partiacutecula) para
que las fuerzas responsables de la dispersioacuten sean maacutes grandes que las fuerzas de gravedad La
segunda fase constituida por un gel el cual es una red soacutelida porosa tridimensionalmente
interconectada que forma una entidad continuacutea a lo largo de una fase secundaria usualmente
liacutequida
Se han dedicado esfuerzos considerables en el desarrollo de micro y nanopartiacuteculas de oacutexido de
hierro con propiedades magneacuteticas adecuadas para la investigacioacuten biomeacutedica Las
nanopartiacuteculas de oacutexido de hierro son las maacutes ampliamente investigadas en el campo meacutedico y
farmaceacuteutico debido a sus excelentes propiedades de biocompatibilidad estabilidad quiacutemica y
baja toxicidad El meacutetodo sol gel es un meacutetodo faacutecil y conveniente para sintetizar oacutexidos de
hierro a partir de soluciones acuosas de sales metaacutelicas Ademaacutes el tamantildeo la forma y la
composicioacuten de las partiacuteculas magneacuteticas dependen en gran medida del tipo de precursores
utilizados relacioacuten Fe2+
a Fe3+
temperatura de reaccioacuten valor de pH y la fuerza ioacutenica del medio
Por lo tanto el control del proceso mediante estos paraacutemetros es esencial en la produccioacuten
35
partiacuteculas monodispersas de oacutexido de hierro El meacutetodo sol-gel parte de una suspensioacuten coloidal
(sol) y la subsiguiente formacioacuten del (gel) En la preparacioacuten del sol los precursores tanto
orgaacutenicos como inorgaacutenicos experimentan reacciones de hidrolisis y condensacioacuten (o
polimerizacioacuten) para formar pequentildeas partiacuteculas soacutelidas en un liacutequido (ya sea un solvente
orgaacutenico o acuoso) Las partiacuteculas soacutelidas son tan pequentildeas (1-1000 nm) que las fuerzas
gravitacionales son despreciables y las interacciones estaacuten dominadas por fuerzas esteacutericas de
van der Waals y Coulombicas
Figura 24 Rutas de siacutentesis derivadas del meacutetodo sol-gel Tomado de httpsstrllnlgovstrMay05Satcherhtml
Varios grupos de investigacioacuten [61-63] han descrito la siacutentesis de partiacuteculas magneacuteticas
nanoestructurados de base de oacutexido de hierro a partir del meacutetodo sol-gel para aplicaciones en el
control de liberacioacuten de faacutermacos
36
Los avances en nanotecnologiacutea y ciencia de los materiales sugieren que algunos de los problemas
actuales de los materiales podriacutean ser resueltos o al menos mejorados mediante la modificacioacuten
superficial
252 Secado por aspersioacuten
El secado por aspersioacuten es un meacutetodo que permite la conversioacuten continua de fluidos (soluciones
emulsiones suspensiones mezclas pastas) en polvos soacutelidos mediante un proceso de secado
dirigido a disentildear y producir materiales con un gran potencial para diversos sectores industriales
tales como la industria quiacutemica cosmeacutetica alimentaria y farmaceacuteutica Este proceso es un
meacutetodo raacutepido simple sencillo de escalabilidad industrial y bajo costo El principio del meacutetodo
se basa en la eliminacioacuten de la humedad mediante la aplicacioacuten de calor al fluido alimentado El
secado por aspersioacuten consiste de tres etapas principales (a) atomizacioacuten del fluido (b)
vaporizacioacuten o secado del liacutequido mediante una corriente de gas y (c) separacioacuten y recoleccioacuten de
las partiacuteculas
Figura 25 Configuracioacuten del equipo de secado por aspersioacuten (a) secador por aspersioacuten concurrente misma
direccioacuten de flujo y (b) secador por aspersioacuten a contracorriente (c) Evolucioacuten de la temperatura en el proceso de
secado en una gotita liacutequida [Handscomb y cols] En la separacioacuten y recoleccioacuten del polvo se pueden emplear (d)
separadores tipo cicloacuten yo (e) filtros de bolsa
37
a Atomizacioacuten
La atomizacioacuten es el primer paso que experimenta el fluido alimentado durante el secado por
aspersioacuten la cual involucra el rompimiento del liacutequido a granel en un nuacutemero grande de gotitas
impulsado por el proceso de secado por aspersioacuten mediante la reduccioacuten de la resistencia interna
a la transferencia de humedad desde la gotita hasta el medio de los alrededores La atomizacioacuten
es una etapa criacutetica en el proceso de secado debido a su influencia en la forma estructura
velocidad y distribucioacuten de la gotita generada y por lo tanto la naturaleza y tamantildeo de partiacutecula
del producto final Consecuentemente hay una peacuterdida miacutenima de calor sensible y
eventualmente se producen las partiacuteculas con las caracteriacutesticas fiacutesicas y morfoloacutegicas deseadas
La Fig 25 presenta el diagrama de dos tipos de secadores por aspersioacuten (Fig 25(a) secador por
aspersioacuten concurrente y (Fig 25(b) secador por aspersioacuten a contracorriente
b Vaporizacioacuten
En esta etapa se constituye la formacioacuten de fase de la partiacutecula Con el liacutequido a granel
atomizado en pequentildeas gotas el siguiente paso involucra el contacto iacutentimo de la gotita con el
gas acarreador Esto permite la raacutepida evaporacioacuten de la humedad de la superficie de todas las
gotitas de una manera uniforme Aquiacute el requerimiento es un flujo de gas uniforme en la caacutemara
de secado Las gotas usualmente se encuentran en contacto con aire caliente en la caacutemara de
secado ya sea en la misma direccioacuten de flujo o a contracorriente
El paso maacutes criacutetico en la formacioacuten de la partiacutecula involucra la evaporacioacuten de la humedad ya
que este paso estaacute asociado con la formacioacuten del producto final La evaporacioacuten de la humedad
durante el proceso de secado puede ser visualizada en dos fases un periodo de velocidad
constante y un periodo de caiacuteda de velocidad Inicialmente cuando la gotita estaacute expuesta a una
corriente de gas caliente la raacutepida evaporacioacuten toma lugar Durante esta exposicioacuten la gotita se
calienta desde una temperatura inicial (T0) a la temperatura de evaporacioacuten de equilibrio (Teq)
38
(Fig 25(c)-AB) Durante este periodo la eliminacioacuten de la humedad sigue la curva del periodo
de velocidad constante a medida que la humedad es removida constantemente a partir de la
superficie de la gotita manteniendo el enfriamiento suficiente La superficie de la gotita
permanece saturada con la humedad en esta fase y su temperatura es constante e igual a la
temperatura de bulbo huacutemedo (Fig 25(c)-BC) A medida que se elimina la humedad de la gotita
el soluto disuelto en el liacutequido alcanza una concentracioacuten maacutes allaacute de su concentracioacuten de
saturacioacuten y tiende a formar una coraza delgada en la superficie de la gotita descrita como
formacioacuten de coraza El comienzo de formacioacuten de coraza es una caracteriacutestica cineacutetica
importante del proceso de secado por aspersioacuten Despueacutes de esta fase la eliminacioacuten de la
humedad regresa al proceso de difusioacuten controlada y la velocidad de evaporacioacuten es dependiente
de la velocidad de difusioacuten de vapor de agua a traveacutes de la coraza superficial Esto constituye el
periodo de caiacuteda de velocidad Durante el periodo de caiacuteda de velocidad aunque la partiacutecula
comenzaraacute a calentarse (Fig 25(c)-CD) es casi la parte maacutes friacutea del equipo de secado donde el
gas de secado estaacute en o cerca de la temperatura de salida del equipo de secado
c Separacioacuten y recoleccioacuten
Los sistemas empleados para la separacioacuten y recoleccioacuten del producto final incluyen separadores
tipo cicloacuten (Fig 25(d)) yo filtros de bolsa (Fig 25(e))
El disentildeo e ingenieriacutea de micro y nanopartiacuteculas a traveacutes del secado por aspersioacuten ha sido
investigado como una alternativa de proceso de manufacturacioacuten en la industria farmaceacuteutica
debido a su amplia aplicabilidad El secado por aspersioacuten ha sido exitosamente usado en la
industria farmaceacuteutica para producir productos con propiedades fiacutesicas y quiacutemicas definidas por
ejemplo tamantildeo y forma de partiacutecula controlada para incrementar la solubilidad del faacutermaco y la
biodisponibilidad de las sustancias activas Ademaacutes el ajuste de los paraacutemetros del proceso de
secado por aspersioacuten permite la manipulacioacuten de varias propiedades de la partiacutecula con respecto
a los requerimientos de la aplicacioacuten deseada
39
26 ESTUDIOS REALIZADOS SOBRE LA SIacuteNTESIS Y APLICACIOacuteN DE
MATERIALES NANOESTRUCTURADOS A BASE DE OXIDO DE HIERRO COMO
SISTEMAS DDS
Como se mencionoacute anteriormente los biomateriales han llegado a ser una de las aacutereas maacutes
atractivas en la investigacioacuten cientiacutefica y tecnoloacutegica para el desarrollo de dispositivos con
aplicaciones biomeacutedicas sorprendentes tal como ocurre con los sistemas de liberacioacuten de
faacutermaco Diversos biomateriales han sido investigados como DDS incluyendo dendriacutemeros
micelas liposomas poliacutemeros y partiacuteculas magneacuteticas A este respecto Szulc y colaboradores
[64] han estudiado dendrimeros de poli(propileno imina) modificados con azuacutecar como DDS para
liberacioacuten de citarabina Mientras Song y colaboradores [65] han estudiado un sistema DDS
micelar termosensible exitosamente cargado con Doxorubicina (DOX) cuya eficiencia de carga
fue de 17 Por otra parte Vahed y colaboradores [66] han estudiado un sistema DDS basado en
liposomas enfocaacutendose en estrategias de quimioterapia combinada para la co-liberacioacuten de dos
faacutermacos quimioterapeacuteuticos un agente quimioterapeacuteutico con metales anticanceriacutegenos y un
agente quimioterapeacuteutico con agentes geacutenicos Duggan y colaboradores [67] han estudiados
poliacutemeros tiolados como DDS mucoadhesivos
Actualmente los sistemas nanoestructurados de partiacuteculas magneacuteticas han ganado atencioacuten
considerable como DDS debido a su biocompatibilidad faacutecil modificacioacuten superficial y sus
propiedades fiacutesicas quiacutemicas y magneacuteticas uacutenicas Oka y colaboradores [68] estudiaron un
compoacutesito nuacutecleo-coraza para liberacioacuten localizada de faacutermaco El compoacutesito estaacute estructurado
por un nuacutecleo de poliacutemero biodegradable y una coraza de nanopartiacuteculas de oacutexido de hierro
preparado a partir de una emulsioacuten Pickering Ademaacutes estudiaron la capacidad de carga del
sistema nuacutecleo-coraza cargando partiacuteculas de pireno cuya presencia fue confirmada mediante un
anaacutelisis de fluorescencia despueacutes de ser expuestas a rayos UV Ademaacutes la caracterizacioacuten
morfoloacutegica del sistema nuacutecleo-coraza fue estudiada por SEM y TEM Las propiedades
cristalograacuteficas se estudiaron mediante XRD Finalmente se estudiaron sus propiedades
magneacuteticas usando un sistema de medicioacuten de propiedades fiacutesicas (Quantum Desing)
40
Por otra parte Chandra y colaboradores [69] estudiaron un compoacutesito dendrimero-
nanopartiacuteculas magneacuteticas como un vehiacuteculo de liberacioacuten enzimaacutetica de faacutermaco sensible a
estiacutemulos simples El sistema fue caracterizado por diferentes teacutecnicas microestructurales y
espectroscoacutepicas Ellos obtuvieron partiacuteculas mesoporosas con propiedades superparamagneacuteticas
Ademaacutes exploraron su uso en la liberacioacuten de DOX alcanzando una alta eficiencia (superior a
95) con velocidades de liberacioacuten controlada bajo pH y temperatura sostenida La interaccioacuten
quiacutemica entre la DOX y las nanopartiacuteculas fue confirmada por un cambio en el potencial zeta y
una disminucioacuten en la intensidad de fluorescencia Otros estudios sobre DDS basados en
nanopartiacuteculas magneacuteticas pueden ser encontrados en la literatura [70-74]
Los sistemas DDS pueden ser disentildeados con gran variedad de diferentes morfologiacuteas las cuales
han sido reportadas en la literatura [75] Estas morfologiacuteas incluyen partiacuteculas esfeacutericas
completamente densas partiacuteculas rugosas partiacuteculas huecas partiacuteculas tipo dona y partiacuteculas
porosas Estas uacuteltimas muestran caracteriacutesticas notables sobre todo aquellas partiacuteculas con una
jerarquiacutea macro-mesoporosa ya que exhiben alta aacuterea superficial baja densidad y buena
estabilidad fisicoquiacutemica Ademaacutes dichos materiales pueden incrementar considerablemente la
capacidad de carga de un faacutermaco debido a que proporcionan una interconectividad que mejora
la difusioacuten o flujo de fluidos a la vez que aumentan considerablemente el aacuterea superficial
especiacutefica Por lo tanto estos sistemas aumentan la capacidad para que las moleacuteculas puedan ser
adsorbidas
Muchos estudios sobre sistemas nanoestructurados (macromeso)porosos han sido reportados en
la literatura Por ejemplo Liu y colaboradores [76] estudiaron materiales magneacuteticos
macroporosos siliacuteceos ordenados tridimensionalmente los cuales fueron fabricados por la
combinacioacuten de una co-sedimentacioacuten simple de un sistema coloidal binario de esferas de
PMMA y partiacuteculas de magnetita y la infiltracioacuten de precursores de silicio A partir de la
caracterizacioacuten por SEM y TEM establecen que los materiales macroporosos presentan una
estructura de empaquetamiento cubico centrado en las caras (fcc) con macroporos del orden de
200 nm Ademaacutes la caracterizacioacuten magneacutetica mostroacute que los materiales poseen una alta
magnetizacioacuten (192 emug) y comportamiento superparamagneacutetico
41
Por otra parte Santamariacutea y colaboradores [77] sintetizaron un sistema estructurado meso-
macroporoso de siacutelice para liberacioacuten controlada de ibuprofeno (IBU) El sistema fue sintetizado
usando una emulsioacuten WO usando decano como fase dispersa Los materiales obtenidos fueron
caracterizados por TEM SEM dispersioacuten de difraccioacuten de rayos x a bajo aacutengulo (SAXS) e
isotermas de adsorcioacuten-desorcioacuten de N2 Los resultados obtenidos mostraron que la carga del IBU
incrementa a medida que la presencia de macroporos en el material incrementa Esto uacuteltimo lo
atribuyen suponiendo que los macroporos permiten que el faacutermaco acceda a los poros internos
Pero establecen que cuando uacutenicamente mesoporos estuvieron en el material el IBU fue
probablemente adsorbido uacutenicamente sobre los mesoporos uacutenicamente cercanos a la superficie
Maacutes aun sentildealan que mientras maacutes cantidad de macroporos estaacuten presentes en el material maacutes
bajo fue el comportamiento de liberacioacuten del IBU debido a que el ibuprofeno adsorbido en los
poros internos tiene que difundirse a lo largo de los canales macroporos hasta la superficie del
material
Una amplia gama de meacutetodos han sido estudiados para la siacutentesis de sistemas magneacuteticos
nanoestructurados siendo los meacutetodos quiacutemicos los mayormente usados entre estos meacutetodos la
teacutecnica sol-gel sobresale debido a ventajas tales como el uso temperaturas de procesamiento
relativamente bajas comparadas con los meacutetodos tradicionales la facilidad sencillez y
versatilidad del meacutetodo el control sobre el tamantildeo y morfologiacutea del material y la obtencioacuten de
materiales relativamente puros Por ejemplo Anjaneyulu y Vijayalakshmi [82] fabricaron un
compoacutesito [HAP (Ca)10(PO4)6(OH)2] magnetita (Fe3O4) derivado del meacutetodo sol-gel sobre una
aleacioacuten Ti-6Al-4V El compoacutesito fue caracterizado por XRD SEM-EDAX y mediciones de
aacutengulo de contacto Ademaacutes realizaron un estudio de bioactividad in vitro el cual conformo que
el Ti-6Al-4V revestido por el compoacutesito fue altamente bioactivo e indujo la formacioacuten de apatita
en la presencia de las nanopartiacuteculas de Fe3O4 Por lo tanto su estudio sugiere que los implantes
recubiertos con HAPFe3O4 pueden ser usados para aplicaciones biomeacutedicas Ademaacutes una
revisioacuten detallada sobre materiales para aplicaciones biomeacutedicas sintetizados por el meacutetodo sol-
gel es proporcionada por G J Owens y colaboradores [83] en la revista Progress in Materials
Science publicada en 2016 Los materiales sintetizados por este meacutetodo incluyen los materiales a
42
base de siacutelice materiales a base de fosfatos materiales a base de metales (FendashO TindashO ZnndashO
etc) y materiales hiacutebridos orgaacutenicos-inorgaacutenicos
El aumento en el nuacutemero de artiacuteculos publicados en una gran variedad de revistas cientiacuteficas
dirigidas al disentildeo siacutentesis e ingenieriacutea de una amplia gama de materiales con diversas
formulaciones por ejemplo los liposomas dendriacutemeros micelas partiacuteculas polimeacutericas y
materiales magneacuteticos nanoestructurados revela que el aacuterea biomeacutedica ha llegado a ser un aacuterea
de gran intereacutes debido al potencial de estos materiales para ser usados en una gran variedad de
aplicaciones tal como agentes de contraste para MRI tratamiento de caacutencer mediante
hipertermia y como DDS
Dentro de los materiales maacutes prominentes para este tipo de aplicaciones se encuentran los
materiales magneacuteticos a base de oacutexido de hierro dentro de los cuales podemos incluir a los
sistemas nanoestructurados de hexaferrita de bario (BaFe12O19) disentildeados y sintetizados en el
presente trabajo de investigacioacuten La relevancia de estos materiales se basa en su
biocompatibilidad aprobados por la Federal Drug Administration (FDA) para su uso biomeacutedico
Una ventaja de los materiales porosos en especial aquellos materiales con una jerarquiacutea macro-
mesoporosa tal es el caso de los sistemas de BaFe12O19 sintetizados aquiacute es la presencia de una
arquitectura que exhiba alta aacuterea superficial baja densidad y buena estabilidad fisicoquiacutemica lo
cual reflejariacutea un incremento considerable en la capacidad de carga de moleacuteculas con actividad
bioloacutegica usadas como faacutermaco modelo ya sea de naturaleza hidrofoacutebica o hidrofiacutelica Ademaacutes
mediante la aplicacioacuten de un campo magneacutetico externo las propiedades magneacuteticas pueden ser
aprovechadas para dirigir y focalizar el faacutermaco a un sitio especiacutefico de accioacuten logrando un perfil
de liberacioacuten controlado Por lo tanto la concentracioacuten y nuacutemero de dosificaciones del faacutermaco
se reduciriacutea lo cual se veriacutea reflejado en la disminucioacuten de efectos secundarios no deseados en el
tratamiento de enfermedades tales como el caacutencer
43
CAPIacuteTULO 3
DESARROLLO EXPERIMENTAL
44
CAPIacuteTULO 3 DESARROLLO EXPERIMENTAL
En el presente capiacutetulo se describe el procedimiento experimental llevado a cabo durante el
trabajo de investigacioacuten La Fig 32 muestra las tres etapas principales que constituyen el
procedimiento experimental para el estudio de los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 I)
Disentildeo (Fig 31) y Siacutentesis II) Caracterizacioacuten y III) Pruebas bioloacutegicas La Tabla 3I muestra
los factores a evaluar en el disentildeo experimental fraccionario 2f
31 MATERIALES INICIALES
Se usaron productos comerciales grado reactivo sin purificacioacuten alguna Los reactivos usados
para la siacutentesis de la hexaferrita de bario fueron marca Sigma-Aldrich Nitrato de hierro (III)
nonahidratado Fe(NO3)39H2O carbonato de bario BaCO3 e hidroacutexido de amonio El surfactante
utilizado fue el Tween 20 (Merck) El surfactante hidrofiacutelico no-ioacutenico Tween 20 (C58H114O26) es
un eacutester de polioxietileno sorbitan (con un peso molecular calculado de 1225 Daltones asumiendo
20 unidades de oacutexido de etileno 1 sornitol y un aacutecido laacuteurico como aacutecido graso primario
Microesferas de poliestireno (PS) monodispersas sintetizadas en el laboratorio fueron usadas
como agente poroacutegeno o agente formador de poro
La primera etapa establece el disentildeo y siacutentesis de agregados esfeacutericos nanoestructurados de
hexaferrita de bario de tamantildeo micromeacutetrico con jerarquiacutea macro-mesoporosa (de aquiacute en
adelante llamados simplemente agregados de BaFe12O19) En esta etapa un disentildeo factorial 2f fue
usado para disentildear y evaluar los efectos de la temperatura (T) presioacuten (P) y concentracioacuten de
agente poroacutegeno ( en peso) en el meacutetodo de siacutentesis sol-gel acoplado a secado por aspersioacuten La
siacutentesis sol-gel se inicioacute con el uso de nitrato de hierro (III) nonahidratado Fe(NO)3 y carbonato
45
de bario BaCO3 como sales precursoras las cuales son disueltas en agua desionizada A su vez
Tween 20 se usoacute como surfactante para permitir la creacioacuten de la estructura mesoporosa
La mezcla de sales precursoras + Tween 20 se agitoacute por 30 min mediante agitacioacuten magneacutetica
modificando el pH a 8 usando NH4OH A continuacioacuten se agregoacute una suspensioacuten acuosa de
esferas de poliestireno (PS) usada como agente poroacutegeno con una concentracioacuten de 30 o 50
de acuerdo al disentildeo factorial 2f La suspensioacuten resultante se sometioacute al proceso de secado por
aspersioacuten donde se evaluaron los paraacutemetros de temperatura (T degC) y presioacuten (P Kgcm2) de
acuerdo a los valores del disentildeo factorial 2f Como resultado se obtuvo un compoacutesito
ceraacutemicopoliacutemero el cual fue sometido a un tratamiento teacutermico a temperaturas de 700 degC hasta
1000 degC para obtener el material macro-mesoporoso con estructura y morfologiacutea deseada
La segunda etapa se enfoca en la caracterizacioacuten Esta etapa del proceso aborda las teacutecnicas de
caracterizacioacuten estructural morfoloacutegica fiacutesica quiacutemica y magneacutetica de los agregados de
BaFe12O19 Difraccioacuten de rayos X (XRD) fue usada para determinar la estructura y cristalinidad
de los agregados de BaFe12O19 Microscopiacutea electroacutenica de barrido (SEM) fue usada para
determinar la morfologiacutea y tamantildeo de los agregados de BaFe12O19 ademaacutes de caracterizarlos
quiacutemicamente mediante anaacutelisis EDS y mapeo quiacutemico Microscopiacutea electroacutenica de transmisioacuten
(TEM) fue usada para determinar la morfologiacutea y estructura de los agregados de BaFe12O19
usando las modalidades de campo claro (BF) campo oscuro (DF) alta resolucioacuten (HRTEM)
barrido-transmisioacuten (STEM) en su modalidad de campo oscuro anular (STEM-ADF) y difraccioacuten
electroacutenica de aacuterea selecta (SAEDP) Determinacioacuten de aacuterea superficial especiacutefica BET mediante
adsorcioacutendesorcioacuten de N2 Espectroscopiacutea infrarroja por transformada de Fourier (FTIR)
Potencial zeta ζ El Magnetoacutemetro de muestra vibrante (VSM) fue usada para determinacioacuten de
las propiedades magneacuteticas (saturacioacuten magneacutetica Ms remanencia magneacutetica Mr y coercitividad
Hc) La tercera etapa evaluacutea las pruebas bioloacutegicas Los agregados de BaFe12O19 se evaluaron
como DDS al probar su capacidad de carga usando el peacuteptido DS como faacutermaco modelo El
peacuteptido DS se sintetizoacute a partir de los plaacutesmidos pF1A T7 Flexireg pFN21K y pFN18K
empleando la cepa T7 de Escherichia coli A su vez isopropil-β-D-1-tiogalactopiranoacutediso
(IPTG) se usoacute para inducir la produccioacuten del peacuteptido
46
Figura 31 Disentildeo experimental fraccionario 2f Las variables de entrada son la presioacuten (P) Temperatura (T) y
porcentaje de agente poroacutegeno (PS) Las variables de respuesta son la morfologiacutea y tamantildeo de agregado aacuterea
superficial BET volumen de mesoporo y tamantildeo de macroporo
Tabla 3I Factores a evaluar en el disentildeo experimental A) Presioacuten (P) B) Temperatura (T) y C) Concentracioacuten de
poliestireno usado como agente poroacutegeno (PS) Cada uno de los paraacutemetros presenta un nivel bajo (-) y un nivel
alto (+)
Factor Paraacutemetro Nivel
Bajo (-) Alto (+)
A P (Kgcm2) 15 2
B T (degC) 180 200
C PS 30 50
Los disentildeos factoriales se usan ampliamente en experimentos que incluyen varios factores
cuando es necesario estudiar el efecto conjunto de los factores sobre una respuesta El disentildeo 2f
es de particular importancia ya que proporciona el menor nuacutemero de corridas con las que pueden
estudiarse f factores en un disentildeo factorial completo
El resultado total del disentildeo factorial 2f es representado en la Tabla 3II El nivel alto para cada
factor estaacute representado por el siacutembolo maacutes (+) mientras el siacutembolo menos (-) representa el nivel
bajo Los resultados del disentildeo factorial de dos factores pueden ampliarse en el caso general en
que hay a niveles del factor A b niveles del factor B y c niveles del factor C dispuestos en un
experimento factorial En general habraacute abchellipn observaciones totales si se hacen n reacuteplicas del
47
experimento completo Es necesario un miacutenimo de dos replicas (n ge 2) para determinar una suma
de cuadrados debida al error si todas las interacciones posibles estaacuten incluidas en el modelo
Cuando todos los factores del experimento son fijos es sencillo formular y probar hipoacutetesis
acerca de los efectos principales y las interacciones
Tabla 3II Matriz del disentildeo experimental
A B AB C AC BC ABC
(1) - - + - + + -
a + - - - - + +
b - + - - - - +
ab + + + - - - -
c - - + + - - +
ac + - - + + - -
bc - + - + + + -
abc + + + + + + +
48
Figura 32 Diagrama de flujo que muestra las etapas principales en el desarrollo experimental en la siacutentesis de
agregados nanoestructurados de BaFe12O19 i) Disentildeo y Siacutentesis ii) Caracterizacioacuten y iii) pruebas bioloacutegicas
49
32 DISENtildeO EXPERIMENTAL FRACCIONARIO 2f
El disentildeo del sistema de los agregados esfeacutericos nanoestructurados macroporosos de BaFe12O19
fue llevado a cabo usando un disentildeo factorial 2f El teacutermino 2
f mide la cantidad de condiciones
experimentales siendo f el nuacutemero de factores a evaluar En este caso particular cada factor
presenta dos niveles lo cual estaacute representado por el nuacutemero 2 en el teacutermino 2f El disentildeo
permitioacute evaluar el efecto de los paraacutemetros del secado por aspersioacuten tales como la presioacuten del
aire (P Kgcm2) y la temperatura de entrada (T degC) Asiacute tambieacuten como la concentracioacuten del
poroacutegeno () en el tamantildeo y volumen de los aglomerados esfeacutericos obtenidos en el proceso de
secado por aspersioacuten
33 SIacuteNTESIS DE AGREGADOS DE BaFe12O19
Las esferas de BaFe12O19 fueron sintetizadas por el meacutetodo sol-gel asistido por surfactantes y
agentes poroacutegenos Durante la siacutentesis dos suspensiones fueron preparadas la primera
compuesta por las sales de Fe(NO3)39H2O y BaCO3 las cuales fueron disueltas en agua
desionizada y agitadas magneacuteticamente con una relacioacuten molar estequiometria la segunda
formada por el surfactante Tween 20 en solucioacuten acuosa Ambas suspensiones fueron mezcladas
con agitacioacuten magneacutetica constante Durante el proceso de reaccioacuten el pH de la suspensioacuten fue
ajustado a 80 usando NH4OH Una tercera suspensioacuten compuesta por esferas de poliestireno
dispersas en agua desionizada fue adicionada a la mezcla con agitacioacuten magneacutetica constante por 1
h variando la concentracioacuten de acuerdo al disentildeo experimental
La mezcla coloidal resultante fue alimentada a una caacutemara de secado tubular de un equipo Mini
Spray Dryer (Yamato ADL31) a traveacutes de un flujo concurrente de aire caliente como gas
acarreador El proceso de secado fue iniciado por la generacioacuten de pequentildeas gotas a partir de la
suspensioacuten coloidal seguida por la atomizacioacuten del liacutequido a una temperatura y presioacuten variando
de acuerdo al disentildeo experimental resultando en la produccioacuten de polvos (xerogeles) compuestos
de partiacuteculas soacutelidas Finalmente el polvo fue recolectado mediante un cicloacuten y sometido a un
50
tratamiento teacutermico para la eliminacioacuten total de los agentes orgaacutenicos surfactante y el agente
poroacutegeno la eliminacioacuten total de agua estructural la formacioacuten de oacutexidos y la cristalizacioacuten de
los mismos Cuatro diferentes temperaturas de tratamiento isoteacutermico fueron evaluadas 700 800
900 y 1000 degC a una velocidad de calentamiento de 3 degCmin por 2 h con el objeto de seguir la
cristalizacioacuten y la formacioacuten de las fases de hexaferrita de bario asiacute como la evaluacioacuten de la
microestructura y de las propiedades magneacuteticas en funcioacuten de la temperatura de tratamiento
teacutermico
34 CARACTERIZACIOacuteN
341 Difraccioacuten de rayos X
Las fases y estructuras cristalinas de la BaFe12O19 fueron analizadas por difraccioacuten de rayos x en
un difractoacutemetro Bruker modelo D8 Advance usando radiacioacuten Cu Kα (45 KV 30 mA) Las
muestras analizadas fueron escaneadas en un rango 2θ a partir de 20 a 80 deg y una amplitud de
paso constante de 002deg
342 Microscopiacutea electroacutenica de barrido
La caracterizacioacuten estructural y morfoloacutegica de la BaFe12O19 fue llevada a cabo en un
microscopio electroacutenico de barrido (SEM) de emisioacuten de campo JEOL JSM-7600F asiacute como su
caracterizacioacuten quiacutemica usando la teacutecnica de espectroscopiacutea de divisioacuten de energiacutea de los rayos
caracteriacutesticos (EDS) El tamantildeo de los agregados de BaFe12O19 fue determinado a partir de
imaacutegenes de SEM mediante la medicioacuten y anaacutelisis estadiacutestico de los datos usando el programa
Lince linear intercept (Verfuumlgbare Software)
51
343 Microscopiacutea electroacutenica de transmisioacuten
El microscopio electroacutenico de transmisioacuten (TEM) de emisioacuten de campo FEG Phillips Tecnai F20
fue usado para la obtencioacuten y estudio de la cristalinidad de las esferas de BaFe12O19 usando las
teacutecnicas de difraccioacuten de aacuterea selecta (SAEDP) alta resolucioacuten (HRTEM) y microscopia
electroacutenica de barrido-transmisioacuten (STEM) en su modalidad de campo oscuro anular (STEM-
ADF) Para su observacioacuten por TEM 10 mg del polvo obtenido despueacutes del secado por
aspersioacuten y calcinado a 700 degC se dispersoacute en 10 mL de etanol (Sigma-Aldrich) en un tubo para
micro-centrifuga de 15 ml (Eppendorf) Despueacutes la solucioacuten se dispersoacute usando un equipo
limpiador de vibracioacuten ultrasoacutenica Branson 1510 (42 KHz a 70 W) por 30 min Con ayuda de un
capilar una gota de la suspensioacuten homogeacutenea se depositoacute sobre una rejilla de cobre de 300 mesh
previamente recubierta con colodioacuten y una peliacutecula delgada de carboacuten La rejilla se secoacute a
temperatura ambiente por toda la noche El anaacutelisis y procesamiento computacional de las
imaacutegenes de TEM asiacute como la obtencioacuten de su transformada raacutepida de Fourier (FFT) se
analizaron con el software Digital Micrograph de la compantildeiacutea Gatan Tomando en cuenta las
posiciones xyz reportadas para la BaFe12O19 con grupo espacial P3mmc [47] se simularon
computacionalmente las imaacutegenes de HRTEM Para esto se crecioacute la celda a una supercelda de
4x4x4 celdas con el programa Diamond Crystal and Molecular Visualization [48] y se simularon
las imaacutegenes de TEM en el programa Simulatem [49] Las condiciones para la simulacioacuten fueron
200 Kv Cs de 12 mm y foco de Scherzer -5485 nm
344 Isotermas de adsorcioacutendesorcioacuten de nitroacutegeno
Las isotermas de adsorcioacutendesorcioacuten de nitroacutegeno a 77 K fueron obtenidas en un instrumento
Quantachrome Antes de su anaacutelisis las muestras (014 ndash 038 g) fueron colocadas en un tubo
bajo atmosfera de N2 y entonces degasificadas por 4 h a 100 degC Ademaacutes la distribucioacuten de
tamantildeo de mesoporo fue medida mediante la teacutecnica Barrett-Joyner-Halenda (BJH)
52
345 Espectroscopiacutea infrarroja
Las mediciones de espectroscopiacutea infrarroja (IR) fueron llevadas a cabo a temperatura ambiente
(46 HR) en un espectrofotoacutemetro con Transformada de Fourier Marca Bruker Modelo Tensor
27 Los espectrogramas fueron obtenidos en un rango de longitud de onda de 4000 a 400 cm-1
(tiempo de escaneo 32 scans) con una resolucioacuten de 4 cm-1
Los espectros fueron obtenidos a
partir de muestras en polvo con una correccioacuten de liacutenea base y suavizado usando el software
Tensor
346 Propiedades magneacuteticas
El anaacutelisis de las propiedades magneacuteticas de los agregados de BaFe12O19 fueron llevas a cabo
usando un magnetoacutemetro de muestra vibrante (VSM LDJ 9600) a temperatura ambiente
aplicando un campo magneacutetico constante de 5000 Oe Los valores de saturacioacuten magneacutetica (Ms)
magnetizacioacuten remanente (Mr) y coercitividad (Hc) fueron obtenidos a partir de la curva de
histeacuteresis
347 Potencial zeta ζ
Las mediciones de potencial zeta de los agregados de BaFe12O19 fueron obtenidos usando un
equipo ZetaMeter (Zetasizer Modelo Malverin 300 HSA) Se prepararon diferentes suspensiones
de polvo de BaFe12O19 (0011g) en 20 mL de agua destilada Para cada suspension el valor de pH
fue modificado a valores aacutecidos y baacutesicos desde 20 hasta 100 usando como modificadores de
pH aacutecido niacutetrico HNO3 e hidroacutexido de amonio NH4OH respectivamente
35 PRUEBAS BIOLOacuteGICAS
351 Extraccioacuten de ADN plasmiacutedico
La Fig 33 muestra el diagrama de extraccioacuten de ADN plasmidico Las etapas principales en la
extraccioacuten de ADNp incluye la preparacioacuten del lisado lavado y elucioacuten (Fig 33(a)) El plaacutesmido
53
recombinante presente en la cepa T7 Express Iq Competent de Escherichia coli [MiniF
laqIq(CamR)fhuA2 lacZT7 gene1 [Ion] ompT gal sulA11 R(mcr-73miniTn10mdashTets)2[dcm]
R(zgb-210Tn10mdashTets) endA1 Δ(mcrC-mrr)114IS10] fue aislado de acuerdo a las
instrucciones del Kit PureYieldTM Plasmid Miniprep System (Fig 33(b)) 30 microL de ADN + 10
microL de buffer de carga fueron cargados en un gel de agarosa al 08 para determinar la presencia
del plaacutesmido mediante electroforesis La electroforesis se llevoacute a cabo a 90 V por 30 min El gel
fue analizado en un Fotocodificador EL LOGIC 200
Figura 33 Extraccioacuten de ADN plasmiacutedico (a) Pasos generales en la extraccioacuten de ADNp y (b) procedimiento del
Kit Pure YieldTM Plasmid Miniprep System
352 Siacutentesis del peacuteptido DS
La Fig 34 muestra el diagrama general de siacutentesis del peacuteptido DS El Diagrama incluye los
pasos desde la expresioacuten del peacuteptido hasta su deteccioacuten y revelado con luminol
54
Figura 34 Diagrama de siacutentesis del peacuteptido DS a partir del plaacutesmido pFN21K El Diagrama incluye los pasos desde
la expresioacuten del peacuteptido hasta su deteccioacuten y revelado con luminol en un anaacutelisis tipo Western
a Siacutentesis a partir del plaacutesmido pF1A T7 Flexireg
Un pre-inoacuteculo de E coli fue preparado tomando una asada de la cepa T7 modificada para
sintetizar el peacuteptido pF1A T7 Flexi la cual se inoculo en 30 mL del medio de cultivo Luria-
Bertani (LB) El cultivo fue incubado a 37 degC por 18 h en agitacioacuten a 150 rpm La induccioacuten se
llevoacute a cabo distribuyendo 200 microL de pre-inoacuteculo + 20 microL de ampicilina (100 microgmL) en 20 mL
de LB El medio de cultivo fue incubado hasta alcanzar una densidad oacuteptica (DO) de 04 ndash 06
Los valores de DO fueron medidos en un Espectro Cary 50 Probe UV-vis spectro usando una
longitud de onda λ = 600 nm Una vez alcanzada la DO diferentes concentraciones de isopropil-
β-D-1-tiogalactopiranoacutesido (IPTG) fueron agregadas para inducir la concentracioacuten del peacuteptido
La concentracioacuten de IPTG fue calculada usando la Ecuacioacuten 1 La induccioacuten se incuboacute a 37 degC
por 3 h 10 mL de la induccioacuten fue tomado y centrifugado a 13000 rpm por 1 min el
sobrenadante fue descartado y fueron agregados al sedimento 100 microL de buffer de lisis La
muestra se hirvioacute por 10 min 50 microL de muestra fueron cargados en un gel de poliacrilamida para
determinar la expresioacuten del peacuteptido de intereacutes La muestra fue tratada con dodecil sulfato de
sodio (SDS CH3(CH2)10CH2OSO3-
Na+) La electroforesis se llevoacute a cabo a 200 V por 40 min
El fundamento de la electroforesis se basa en el movimiento de las partiacuteculas cargadas en un
campo eleacutectrico hacia un electrodo con carga opuesta El anioacuten del SDS se une con fuerza a las
55
proteiacutenas por adsorcioacuten no especiacutefica cuanto mayor es la proteiacutena maacutes cantidad del anioacuten
adsorberaacute El SDS desnaturaliza por completo a las proteiacutenas rompiendo todas las interacciones
no covalentes Como resultado las proteiacutenas adquieren una carga negativa a consecuencia de la
adsorcioacuten del anioacuten SO3-
La movilidad de las macromoleacuteculas depende de su carga forma y
tamantildeo Sin embargo dado que todas las proteiacutenas de la muestra tienen casi la misma forma y
carga el tamantildeo de las proteiacutenas se convierte en el factor determinante para su separacioacuten
Ecuacioacuten 31
donde
C1 = concentracioacuten de IPTG deseada
V1 = volumen del medio LB
C2 = concentracioacuten del stock de IPTG
V2 = volumen necesario de IPTG para alcanzar la concentracioacuten deseada
b Siacutentesis a partir del plaacutesmido pFN21K
Con el objetivo de llevar a cabo la expresioacuten y produccioacuten de proteiacutenas recombinantes ceacutelulas
derivadas de ovario de haacutemster chino Cricetulus griseus (ceacutelulas CHO) fueron transferidas con
el vector pFN21K construido especialmente para expresar el peacuteptido deseado 300 000 ceacutelulas
CHOpozo fueron sembradas en placas de seis pozos para cultivo celular en 1 mL de medio de
crecimiento completo (F-12K) e incubadas a una atmoacutesfera de 5 de CO2 y a 37 ordm C 24 horas
despueacutes las ceacutelulas CHO se transfectaron haciendo uso del kit XfetTM Transfection Reagent
siguiendo las instrucciones del fabricante y empleando 5 microg de plaacutesmido El cultivo celular
transfectado fue incubado durante 24 h en una atmosfera de 5 de CO2 y a 37 ordm C despueacutes de los
56
cuales el medio fue sustituido por medio celular nuevo y se incuboacute a las mismas condiciones de
CO2 y temperatura Se verificoacute la transfeccioacuten positiva de las ceacutelulas CHO y se procedioacute a la
extraccioacuten de proteiacutena total Las ceacutelulas CHO fueron lavadas dos veces con PBS frio esteacuteril a
continuacioacuten fueron antildeadidos a cada pozo 80 microL de buffer de lisis con una concentracioacuten final de
2X El complejo lisado fue recuperado en tubos de 15 mL y la proteiacutena se centrifugoacute a 14000
rpm a 4 ordmC por 20 min El sobrenadante fue recuperado Un anaacutelisis tipo Western blot fue
utilizado para verificar la expresioacuten del peacuteptido con ayuda de anticuerpos monoclonales El
primer paso de este anaacutelisis consistioacute en la separacioacuten de macromoleacuteculas proteicas mediante
geles de poliacrilamida al 10 Posteriormente las proteiacutenas se transfieren a una matriz de
nitrocelulosa la cual fue bloqueada con una solucioacuten de caseiacutena al 1 en amortiguador salino de
Tween20 al 01 Tris 100 mM pH 75 NaCl 09 (TTBS) Posteriormente se llevoacute a cabo una
serie de lavados utilizando solucioacuten amortiguadora de fosfatos (PBS) KHPO4 106 mM NaCl
15517 mM y NaPO4 297 mM pH 74 La deteccioacuten del peacuteptido deseado se realizoacute adicionando
como anticuerpo primario anti-HaloTagreg y como anticuerpo secundario anti-gallina acoplado a
la enzima peroxidasa de raacutebano (HRP) El revelado en una placa fotograacutefica para la deteccioacuten del
peacuteptido se llevoacute a cabo mediante la adicioacuten de luminol
353 Cargaliberacioacuten del peacuteptido
a Carga BaFe12O19-pF1AT7 Flexireg
10 mg de polvo de BaFe12O19 fueron puestos en contacto con 40 mL del peacuteptido DS producido a
partir del plaacutesmido pF1A T7 Flexireg mediante agitacioacuten lenta a temperatura ambiente durante 2 h
Los polvos de BaFe12O19 fueron recuperados del peacuteptido tomando 50 microL de la suspensioacuten a los
cuales se les agrego 50 microL de agua desionizada + 50 microL de buffer de lisis La mezcla se llevoacute a
ebullicioacuten por 10 min para su posterior carga en un gel de poliacrilamida para realizar un anaacutelisis
tipo Western
57
b Carga BaFe12O19-pFN21K
10 mg de polvo de BaFe12O19 fueron puestos en contacto con 40 mL de una solucioacuten acuosa del
peacuteptido DS-HaloTag mediante agitacioacuten lenta a temperatura ambiente Una aliacutecuota de la
solucioacuten fue tomada a tiempos predeterminados para medir la DO600 La disminucioacuten de DO
indica que el peacuteptido DS-HaloTag se ha absorbido en los sistemas nanoestructurados de
BaFe12O19
354 Liberacioacuten del peacuteptido DS de los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19
Los polvos de BaFe12O19 fueron recuperados de la solucioacuten acuosa que conteniacutea el peacuteptido DS-
HaloTag A continuacioacuten fueron colocados en medio F12K e incubados a una atmoacutesfera de 5
de CO2 a 37 ordmC Para verificar la liberacioacuten del peacuteptido Halo-DS a tiempos predeterminados una
aliacutecuota del medio fue tomada y medida la DO600
58
CAPIacuteTULO 4
RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN
59
CAPIacuteTULO 4 RESULTADOS Y DISCUSION
En este capiacutetulo se presentan los resultados obtenidos en el disentildeo y siacutentesis de los sistemas
nanoestructurados de BaFe12O19 fabricados a partir de un disentildeo experimental factorial 2f y
sintetizados a traveacutes del meacutetodo sol-gel y secado por aspersioacuten A partir de los resultados
obtenidos en la caracterizacioacuten estructural morfoloacutegica fisicoquiacutemica y magneacutetica de los
sistemas de BaFe12O19 asiacute como las pruebas bioloacutegicas que incluyen el estudio de carga y
liberacioacuten del peacuteptido DS utilizado como faacutermaco modelo se discute la capacidad de estos
sistemas para ser usados como sistemas de liberacioacuten de faacutermaco
41 DISENtildeO FACTORIAL 2f
La Tabla 4I muestra el total de 8 experimentos llevados a cabo cuando se realizoacute el disentildeo
experimental 2f asiacute como los valores obtenidos para el diaacutemetro promedio de agregado de
BaFe12O19 aacuterea superficial especiacutefica BET volumen de mesoporo y diaacutemetro promedio de
macroporo de los agregados de BaFe12O19el volumen de poro y el tamantildeo de aglomerado
promedio para todos los experimentos Se observa un efecto sobre el volumen de poro y el
tamantildeo de los agregados nanoestructurados macroporosos de BaFe12O19 Los diaacutemetros promedio
de los agregados esfeacutericos obtenidos despueacutes del proceso de secado por aspersioacuten y calcinados a
700 degC variaron de 150 a 173 microm Las partiacuteculas nanoestructuradas superparamagneacuteticas de
oacutexido de hierro desde 29 nm hasta 35 microm han sido sintetizadas por varios autores La mayoriacutea
de las aplicaciones son dependientes del tamantildeo En este trabajo se ha elegido sintetizar
agregados esfeacutericos macroporosos de tamantildeo micromeacutetrico con la finalidad de aumentar la carga
uacutetil en los sistemas de liberacioacuten de faacutermacos asegurando tambieacuten con ello la estabilidad de los
agregados durante el transporte en el torrente sanguiacuteneo Ademaacutes se ha tomado en cuenta que el
tamantildeo maacutes grande de agregado obtenido aquiacute sea capaz de ser inyectado auacuten en los capilares
(los cuales miden alrededor de 5 a 10 microacutemetros de diaacutemetro)
60
Un anaacutelisis estadiacutestico de variancia (ANOVA) fue llevado a cabo para establecer que los factores
A B y C correspondientes a la presioacuten (P) temperatura (T) y PS respectivamente asiacute como
sus interacciones AB AC BC y ABC afectan la morfologiacutea y el tamantildeo del agregado Para este
tipo de modelo la estadiacutestica de prueba (F0) para cada efecto principal e interaccioacuten pueden
construirse dividiendo el cuadrado medio (MS) correspondiente del efecto o interaccioacuten por el
cuadrado medio del error Mientras que el estadiacutestico de referencia (FT) es obtenido a partir de la
literatura El nuacutemero de grados de libertad (GL) de cualquier efecto principal es el nuacutemero de
niveles del factor menos uno y el nuacutemero de GL de una interaccioacuten es el producto del nuacutemero de
GL asociados con los componentes individuales de la interaccioacuten Cuando F0 gt FT los efectos
individuales o sus interacciones muestran un efecto significativo en las variables de respuesta
De acuerdo al anaacutelisis ANOVA en la Tabla 4II el cual analiza el diaacutemetro de agregado
promedio el uacutenico factor que tienen un efecto significativo sobre el tamantildeo del agregado es la
presioacuten de aire del aspersor Mientras que un efecto miacutenimo puede estar dado por la temperatura
o por la combinacioacuten de los factores presioacuten-temperatura y temperatura-poroacutegeno
De la misma manera un anaacutelisis ANOVA en la Tabla 4II donde se muestra el anaacutelisis de aacuterea
superficial especiacutefica BET de los agregados nanoestructurados muestra que los factores que
tienen un efecto significativo sobre BET estaacuten dados por la concentracioacuten del template por siacute
sola ademaacutes de la interaccioacuten entre los factores presioacuten-template y temperatura-template
Ademaacutes un anaacutelisis ANOVA fue llevado a cabo para analizar el volumen de mesoporos de los
agregados nanoestructurados obtenidos La Tabla 4II muestra que los efectos que tienen un
efecto significativo sobre el volumen de mesoporos son la presioacuten por siacute sola y la interaccioacuten de
los factores presioacuten-template y temperatura-template
Finalmente un anaacutelisis ANOVA fue llevado a cabo para analizar el diaacutemetro de macroporo La
Tabla 4II muestra que ninguacuten factor tiene un efecto significativo sobre el tamantildeo de macroporo
Pudiera ser considerado que los factores que tienen un miacutenimo efecto sobre el tamantildeo de
61
macroporo son la temperatura por si sola y las interacciones de los factores presioacuten-temperatura
y temperatura-poroacutegeno Se concluye que el tamantildeo de macroporo es determinado
principalmente por el tamantildeo del PS En este trabajo las esferas del agente poroacutegeno de PS
usadas fueron de 200 nm de diaacutemetro promedio
Tabla 4I Variables de respuesta (oslashagregado SBET Vmesoporo oslashmacroporo) del disentildeo experimental fraccionario 2f como
resultado del efecto de los factores P T y PS
1No Exp
2Factor
3oslashagregado
4SBET
5Vmesoporo
6oslashmacroporo
P T PS
1 - - - 169 2705 00743 1946
2 - + - 173 2456 00639 2340
3 + - - 171 3420 01686 2362
4 + + - 158 2199 00238 2213
5 - - + 150 2031 00463 2206
6 - + + 164 2064 00085 2435
7 + - + 172 1481 01015 2085
8 - - + 173 1116 00143 1971
1 = Nuacutemero de experimento 2 = Los factores de presioacuten (P Kgcm2) temperatura (T degC) y porcentaje en peso del
poliestireno (PS) usado como agente poroacutegeno muestran dos niveles nivel bajo (-) y nivel alto (+)
correspondientes a 15 Kgcm2 y 20 Kgcm
2 180 degC y 200 degC y 30 y 50 respectivamente 3 oslashagregado (microm) =
diaacutemetro promedio de agregado de BaFe12O19 SBET (m2g) = aacuterea superficial especiacutefica BET Vmesoporo (cm
3g)=
volumen de mesoporo oslashmacroporo (nm) = diaacutemetro promedio de macroporo de los agregados de BaFe12O19
62
Tabla 4II Anaacutelisis de variancia ANOVA
ANOVA
EFECTO FACTOR 1SS
2GL
3MS
4F0
5FT
oslashagregado
A 049 1 00150 574
532
B 039 1 00095 363
AB -035 1 00076 293
C -005 1 00001 005
AC 015 1 00014 053
BC 031 1 00060 229
ABC 017 1 00018 069
ERROR 0041 8 00026
TOTAL 0083 15
SBET
A -2235 1 31220 2300
532
B -1653 1 17070 1128
AB -2529 1 39970 294
C -5501 1 18910 1393
AC -3887 1 94420 6958
BC -4235 1 11200 8260
ABC -0590 1 00021 0001
ERROR 21713 8 1357
TOTAL 70108 15
Vmesoporo
A -079 1 0063 866
532
B -050 1 0168 398
AB 035 1 0023 174
C 046 1 0049 298
AC -065 1 0008 581
BC -066 1 0101 602
ABC 059 1 0014 479
ERROR 0073 8 00046
TOTAL 0227 15
oslashmacroporo
A 600 1 2250 001
532
B -656 1 2689 234
AB -766 1 3667 319
C 176 1 1936 016
AC -384 1 9216 080
BC -754 1 35532 309
ABC 480 1 14400 125
ERROR 18372 8 11483
TOTAL 30860 15
1SS = suma de cuadrados
2GL = grados de libertad
3MS = cuadrado promedio
4F0 = valor estadiacutestico de prueba F
5FT = valor estadiacutestico de referencia
63
42 CARACTERIZACIOacuteN
421 Difraccioacuten de rayos X
La Fig 41 presenta los espectros de XRD de las muestras obtenidas a temperaturas de
calcinacioacuten de 700 800 900 y 1000 degC La indexacioacuten de los espectros de XRD indicoacute la
coexistencia de las fases hexaferrita H = BaFe12O19 monoferrita O = BaFe2O4 y hematita F =
Fe2O3 en todas las muestras La fase H hexaferrita tiene una celda unitaria hexagonal (tarjeta
Crystallography Open Database COD 1008841) con paraacutemetros de red a = b =0589 nm y c =
2318 nm la fase monoferrita O tiene una celda unitaria ortorroacutembica (tarjeta COD 4107896) con
paraacutemetros de red a = 1899 nm b = 0538 nm c = 0844 nm y la fase hematita F tiene una celda
unitaria hexagonal (tarjeta COD 9015964) con paraacutemetros de red a = b = 0503 nm y c = 1374
nm Como puede observarse el contenido de la fase H aumenta con la temperatura y
simultaacuteneamente disminuye la fase F
Figura 41 Espectro DRX del polvo de las esferas de BaFe12O19 obtenidas despueacutes del proceso de secado por
aspersioacuten y calcinado a diferentes temperaturas Este presenta las fases H = BaFe12O19 (tarjeta Crystallography Open
Database COD 1008841) F = Fe2O3 (tarjeta COD 9015964)
64
422 Microscopiacutea electroacutenica de barrido
La Fig 42(a) muestra una imagen de SEM representativa de los agregados esfeacutericos de
BaFe12O19 de los polvos obtenidos despueacutes del proceso de secado por aspersioacuten y antes de ser
sometido a un tratamiento teacutermico Una amplificacioacuten a 20000 X (Fig 42(b)) muestra un
agregado de BaFe12O19 en el cual pueden ser observadas las esferas de poliestireno (PS) antes de
ser eliminadas durante el tratamiento teacutermico
Figura 42 Imaacutegen SEM de (a) agregados esfeacutericos de BaFe12O19 antes de ser tratados teacutermicamente y (b) una
amplificacioacuten a 20000 X que muestra un agregado de BaFe12O19 en el cual pueden ser observadas las esferas de
poliestireno (PS) antes de ser eliminadas
La Fig 43(a) y Fig 43(c) muestra imaacutegenes de SEM representativas de los agregados de
BaFe12O19 Las imaacutegenes fueron tomadas con electrones secundarios (SE) a 5 KV Se puede
observar que los agregados porosos nanoestructurados presentan una morfologiacutea esfeacuterica Los
insertos en la Fig 43(a) y Fig 43(c) muestran una amplificacioacuten de los agregados de BaFe12O19
Noacutetese que las esferas son macroporosas y policristalinas constituidas por cristales alargados o
fibras de tamantildeo micromeacutetrico formando una estructura tipo nido La macroporosidad fue
producto de la pirolisis de las esferas de poliestireno durante el tratamiento teacutermico Sin embargo
no existe evidencia clara en los espectros de DRX (Fig 41) de crecimiento preferencial de
ninguna de las fases
65
Las Fig 43(b) y Fig 43(d) muestra los histogramas de distribucioacuten de tamantildeo de agregado
correspondiente a las Fig 43(a) y Fig 43(c) respectivamente Los agregados tienen un diaacutemetro
promedio de aprox 17 microm el cual como se mencionoacute anteriormente cumple con el requisito de
ser menor de 50 microm para poder ser introducido en una suspensioacuten inyectable Los agregados
esfeacutericos observados en las muestras son praacutecticamente del mismo tamantildeo puesto que el tamantildeo
de estos agregados es resultado del tamantildeo de la gota producida en la boquilla del equipo de
secado pero tambieacuten puede estar influenciado por la reologiacutea de la suspensioacuten alimentada La
distribucioacuten de tamantildeo de agregado fue determinada a partir de imaacutegenes SEM mediante anaacutelisis
estadiacutestico usando el software linear Lynx Los histogramas describen el comportamiento en
cuanto a tendencia central forma y dispersioacuten del conjunto de datos analizados (agregados de
BaFe12O19 N = 300)
Ademaacutes se observa una morfologiacutea esfeacuterica homogeacutenea con un tamantildeo de macroporo de aprox
200 nm de diaacutemetro con una desviacioacuten estaacutendar de 50 nm Este resultado es loacutegico si
consideramos que la suspensioacuten alimentada estaacute constituida ademaacutes del gel por las esferas de
poliestireno monomodales cuyo tamantildeo promedio es de 223 nm Por lo tanto estos materiales
caen en la clasificacioacuten de materiales macroporosos de acuerdo a la IUPAC Ademaacutes la
distribucioacuten de los mesoporos de los agregados esfeacutericos obtenidos fue determinada por la teacutecnica
BJH En promedio los mesoporos son del orden de 12 nm con una desviacioacuten estaacutendar de 2 nm
Como se mencionoacute anteriormente debido al disentildeo factorial 2f un conjunto de 8 experimentos
fue realizado Todas las muestras tienen una estructura y morfologiacutea similar por lo tanto las
imaacutegenes representativas para cada una de las concentraciones de PS 30 y 50 en peso
respectivamente son mostradas La muestra en la Fig 43(a) fue sintetizada con una temperatura
interna de 200 degC y una presioacuten de 20 Kgcm2 correspondiente a los paraacutemetros de secado por
aspersioacuten y a una concentracioacuten de esferas de poliestireno de 50 La muestra en la Fig 43(c)
fue sintetizada con una temperatura interna de 180 degC y una presioacuten de 15 Kgcm2
correspondiente a los paraacutemetros de secado por aspersioacuten y una concentracioacuten de esferas de
poliestireno de 30 La diferencia principal entre las imaacutegenes de las Fig 44(3) y Fig 44(3) es
la distribucioacuten de tamantildeo de poro
66
Figura 43 Imaacutegenes de SEM de los agregados de BaFe12O19 y sus correspondientes histogramas de distribucioacuten de
tamantildeo (a) Muestra con 50 de PS bajo condiciones de secado por aspersioacuten de 200 degC y 20 Kgcm2 y su
correspondiente distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula (b) (c) Muestra con 30 de PS bajo condiciones de secado por
aspersioacuten de 180 degC y 15 Kgcm2 y su correspondiente distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula (d) Las muestras fueron
calcinadas a 700 degC
Una variedad de diferentes morfologiacuteas han sido reportadas en la literatura Por ejemplo
Okuyama y cols [75] han reportado la siacutentesis de partiacuteculas esfeacutericas completamente densas
partiacuteculas esfeacutericas rugosas partiacuteculas huecas partiacuteculas tipo dona partiacuteculas porosas partiacuteculas
encapsuladas y una mezcla de partiacuteculas Chiemi y cols [51] han reportado la siacutentesis de
partiacuteculas nuacutecleo-coraza Ademaacutes otras morfologiacuteas tales como nanoalambres nanocilindros
nanotubos y nanopartiacuteculas tipo gusano han sido reportadas en la literatura En este trabajo se han
obtenido agregados nanoestructurados de BaFe12O19 con una morfologiacutea esfeacuterica Una ventaja de
las partiacuteculas esfeacutericas es su importancia praacutectica debido a sus propiedades reoloacutegicas cuando se
67
comparan con otras morfologiacuteas Por ejemplo cuando se encuentran en los vasos sanguiacuteneos el
flujo de los microagregados de forma esfeacuterica en el torrente sanguiacuteneo se ve mejorado
El anaacutelisis EDS (Fig 44(a)) y su respectivo mapeo quiacutemico (Fig 44(b)) realizado en el SEM
indicoacute que los agregados de BaFe12O19 estaacuten compuestos como era de esperarse por los
elementos quiacutemicos Ba Fe y O El pico de C es producido por la cinta doble cara de carbono
usada como adhesivo en soporte Este resultado demuestra que la composicioacuten de las esferas
obtenidas contiene los mismos elementos que fueron introducidos en la siacutentesis y no presentan
contaminacioacuten
Figura 44 (a) Espectro EDS de los agregados de BaFe12O19 el cual indica la presencia de los elementos Ba Fe y O
El C es producido por la cinta doble cara de carbono usada como adhesivo en soporte (b) Mapeos quiacutemicos de EDS
de los agregados de BaFe12O19 Imagen SEM en el modo de electrones secundarios Las imaacutegenes de Ba (verde) Fe
(rojo) y O (azul) indican su distribucioacuten homogeacutenea y que estos elementos son los uacutenicos presentes en las muestras
423 Microscopiacutea electroacutenica de transmisioacuten
La Fig 45 presenta las imaacutegenes de STEM-ADF de los agregados de BaFe12O19 calcinadas a
700 degC Estas imaacutegenes confirman que las esferas estaacuten conformadas principalmente por cristales
alargados tipo platelets Estos cristales son tan alargados que llegan a alcanzar una longitud del
tamantildeo de la esfera Por ejemplo en la Fig 45(d) se observa una esfera de aproximadamente 921
nm de diaacutemetro y la longitud del cristal maacutes largo es de 700 nm aproximadamente El tamantildeo
68
promedio de las esferas fue de 17 +- 04 microm y de los cristales alargados de 2991 +- 801 nm en
longitud y 341 +- 77 nm en espesor
Figura 45 Imaacutegenes de STEM-ADF de los agregados de BaFe12O19 Las esferas estaacuten conformadas principalmente
por cristales alargados
La Fig 46 muestra imaacutegenes de STEM-ADF (Fig 46(a)) y de TEM (Fig 46(b) de una esfera
de BaFe12O19 de aproximadamente 1 microm de diaacutemetro Estas imaacutegenes permiten comparar el
contraste presentado por los cristales que conforman las esferas por estas teacutecnicas Noacutetese que la
esfera presenta un cristal alargado de aproximadamente 850 nm de largo y cuyo contraste es
mejor observado por STEM-ADF
Figura 46 Imaacutegenes de una misma esfera de BaFe12O19 en el modo (a) STEM-ADF y (b) TEM las cuales permiten
comparar el contraste de los cristales que la conforman
69
Es importante indicar que el uso del limpiador ultrasoacutenico permitioacute obtener las muestras
analizadas por TEM en este trabajo El limpiador produce una vibracioacuten de 42 KHz a una
potencia de 70 W y genera alternativamente ondas de alta y baja presioacuten que transmiten sonidos
de alta y baja frecuencia La baja presioacuten genera burbujas microscoacutepicas que explotan
raacutepidamente liberando asiacute la energiacutea Este proceso denominado cavitacioacuten puede llevar a la
desintegracioacuten de los materiales que conforman las esferas de BaFe12O19 El calor permite
acelerar el proceso
En la Fig 47 se presentan las imaacutegenes de TEM en el modo de campo claro (Fig 47(a) y Fig
47(c) y en el modo de campo oscuro (Fig 47(b) y Fig 47(d) del material que conforman los
agregados despueacutes de haber sido desaglomerados por el tratamiento ultrasoacutenico al que fueron
sometidas Este material fue por lo tanto estructuralmente estudiado por difraccioacuten electroacutenica
de aacuterea selecta (SAEDP) El inserto en la Fig 47(b) presenta el patroacuten SAEDP de anillos
provenientes del material presentado en la Fig 47(a) mientras que el inserto en la Fig 47(d)
presenta el patroacuten SAEDP del cristal alargado mostrado en la Figura 47(c) La indexacioacuten de
estos patrones indicoacute que todo el material corresponde a la estructura hexagonal de la BaFe12O19
con paraacutemetros de red a = b = 0589 nm y c = 2318 nm (tarjeta Crystallography Open Database
COD 1008841)
Figura 47 Imaacutegenes de TEM en campo claro (a y c) y en campo oscuro (b y d) del material que conforman las
esferas despueacutes de haber sido desbaratadas por el tratamiento ultrasoacutenico El inserto en (b) presenta el patroacuten SAEDP
proveniente del material presentado en (a) El inserto en (d) presenta el patroacuten SAEDP del cristal alargado
presentado en (c)
70
La Fig 48(a) y Fig 48(b) muestran imaacutegenes HRTEM de uno de los cristales alargados
individuales que conforman los agregados poros de BaFe12O19 obtenidos Ademaacutes la
coexistencia de las fases entre los cristales de BaFe12O19 y los cristales de BaFe2O4 son
mostrados en la Fig 48(c) Por otra parte la Fig 48(d) muestra la coexistencia de las fases entre
los cristales de BaFe12O19 y los cristales de Fe2O3
Figura 48 Imaacutegenes HRTEM de los cristales que conforman los agregados porosos de BaFe12O19 (a) y (b)
corresponden a cristales individuales de la fase BaFe12O19 (c) Coexistencia entre las fases BaFe12O19 y BaFe2O4 (d)
Coexistencia entre las fases BaFe12O19 y Fe2O3
Las fibras fueron tambieacuten observadas por HRTEM para analizar la estructura y el ordenamiento
que presentan los aacutetomos que conforman sus cristales La Fig 49(a) presenta la imagen de
HRTEM de uno de los cristales alargados El inserto en esta figura presenta la correspondiente
Transformada Raacutepida de Fourier (FFT) del cristal la cual indica que el eje de zona corresponde
al eje de la zona en la direccioacuten [2-110] En la Fig 49(b) se presenta la imagen digitalmente
procesada correspondiente al aacuterea del recuadro indicado en la Fig 49(a) y la cual fue obtenida
usando el filtro indicado por el inserto A parte del arreglo presentado esta imagen indica que el
eje de crecimiento de los cristales alargados es en la direccioacuten [10-10] En el estudio por HRTEM
no solo se observan cristales alargados perfectamente formados sino que una gran mayoriacutea
presenta defectos principalmente fallas de apilamiento La Fig 49(c) presenta una imagen de
HRTEM de otro de los cristales alargados en la cual se observa una gran cantidad de defectos
71
La imagen presentada en la Fig 49(d) corresponde a la imagen digitalmente procesada del aacuterea
indicada en el recuadro presentado en la Fig 49(c)
Figura 49 (a) Imagen de HRTEM de uno de los cristales alargados que conforman las esferas de BaFe12O19 El
inserto presenta la correspondiente FFT la cual indica que el eje de zona corresponde al eje en la direccioacuten [2-110]
(b) Imagen digitalmente procesada correspondiente al aacuterea del recuadro indicado en (a) El filtro usado para el
procesamiento es indicado en el inserto (c) Imagen de HRTEM de otro de los cristales alargados con defectos (d)
Imagen digitalmente procesada del aacuterea indicada en el recuadro en (c)
Usando los valores de las posiciones xyz reportadas para BaFe12O19 con grupo espacial P3mmc
[27] se obtuvo la celda unitaria y se simularon digitalmente las imaacutegenes de HRTEM La Fig
410 presenta la celda unitaria obtenida en las direcciones [10-10] (Fig 410(a) y [21-10] (Fig
410(b)
La estructura de BaFe12O19 se puede construir usando tres unidades baacutesicas [30-32] S R y T La
unidad S a su vez presenta dos sub-unidades S0 con una carga eleacutectrica neutra y con foacutermula
quiacutemica Me22+
Fe43+
O8 (donde Me representa metales divalentes tales como Mn2+
Fe2+
Co2+
Ni2+
Zn2+
Mg2+
) y S2+
con carga eleacutectrica 2+ y con foacutermula quiacutemica (Fe63+
O8)2+
La unidad R
presenta carga eleacutectrica 2- y con foacutermula quiacutemica (Ba2+
Fe 63+
O11)2-
La unidad T presenta carga
eleacutectrica neutra y con foacutermula quiacutemica Ba22+
Fe83+
O 14 Estas unidades se unen para dar lugar a la
estructura de diferentes oacutexidos ferromagneacuteticos Por ejemplo al unir la unidad S2+
con la unidad
R se obtiene la secuencia de apilamiento RS la cual presenta carga eleacutectrica neutra y con
foacutermula quiacutemica BaFe12O19 Asiacute la celda unitaria de la BaFe12O19 se obtiene con la secuencia
SRSR donde dignifica una rotacioacuten de 180ordm alrededor del eje c La Fig 410 presenta las
72
unidades S S R y R de la celda unitaria de la BaFe12O19 observadas en las direcciones [21-10]
y [10-10] respectivamente
Vale la pena comentar que si se designa como la unidad M a BaFe12O19 y definimos a ST con
foacutermula quiacutemica Ba22+
Me22+
Fe123+
O22 como la unidad Y las hexaferritas pueden representarse
como apilamientos de las unidades S M y Y [64] Por lo tanto la combinacioacuten de las unidades S
R y T da origen al apilamiento que generan las diferentes estructuras observadas en las ferritas
[6566] y es natural deducir la existencia de las estructuras tipo politipo con la misma
composicioacuten quiacutemica en estos compuestos En nuestro caso los patrones de difraccioacuten SAEDP
obtenidos en este trabajo no indican la presencia de estructuras tipo politipo ya que no se
presentaron reflexiones provenientes de suacuteper-redes
Figura 410 Celda unitaria de BaFe12O19 obtenidas usando los valores indicados en [27] y observada en la direccioacuten
[10-10] (a) y en la direccioacuten [21-10] (b) Tambieacuten se presentan las unidades S y R El plano que contiene a Ba es un
plano espejo Ba en verde Fe en amarillo y O en rojo
La Fig 411 muestra la simulacioacuten digital de las imaacutegenes de HRTEM y sus correspondientes
patrones de difraccioacuten de aacuterea selecta en la direccioacuten [0001] (Fig 411(a) en la direccioacuten [10-10]
(Fig 411(b) y en la direccioacuten [2-1-10] (Fig 411(c) En estas Figuras se presentan las posiciones
de los aacutetomos de Ba (en verde) Fe (en amarillo) y O (en rojo) dentro de la celda unitaria
hexagonal de BaFe12O19 en proyeccioacuten a lo largo de las direcciones [0001] [10-10] y [2-1-10]
respectivamente Las condiciones de simulacioacuten fueron V = 200 KV con desenfoque de Scherzer
en -5485 nm y 4x4x4 celdas Noacutetese que las liacuteneas oscuras corresponden a posiciones de los
73
aacutetomos de Ba con los aacutetomos de Fe Los resultados indicaron que los agregados de BaFe12O19
producidos consisten de varios pequentildeos cristales alargados platelets cuyos arreglos atoacutemicos
presentan en algunos casos un perfecto arreglo (regiones libres de defectos) pero tambieacuten se
observaron desajustes en el apilamiento (mismatches) en otros casos
Figura 411 Simulacioacuten computacional de imaacutegenes de HRTEM en las direcciones [0001] (a) [10-10] (b) y [2-1-
10] (c) Se presenta la proyeccioacuten de la celda BaFe12O19 en las direcciones indicadas la simulacioacuten de su imagen en
el desenfoque de Scherzer y su correspondiente patroacuten de difraccioacuten del aacuterea selecta simulado Las condiciones de
simulacioacuten fueron V = 200 KV desenfoque de Scherzer en -5485 nm y 4x4x4 celdas Ba en verde Fe en amarillo
y O en rojo
La Fig 412 muestra la imagen de HRTEM experimental en la direccioacuten [2-110] de uno de los
cristales alargados que conforman los agregados de BaFe12O19 junto con la imagen
computacional simulada en la misma direccioacuten En este caso la imagen de HRTEM no presenta
defectos (al menos no observables) y las franjas presentan una periodicidad de 1159 nm que
corresponden a la mitad de la periodicidad a lo largo del eje c Tambieacuten se incluye las posiciones
de la superposicioacuten de los aacutetomos de Ba con los aacutetomos de Fe
74
Figura 412 Imagen de HRTEM en la direccioacuten [1-100] de uno de los cristales alargados que conforman los
agregados de BaFe12O19 y la imagen computacionalmente simulada en la misma direccioacuten En este caso la imagen de
HRTEM no presenta defectos Tambieacuten se incluyen las posiciones de los aacutetomos en la celda unitaria Ba en verde Fe
en amarillo y O en rojo
424 Isotermas de adsorcioacutendesorcioacuten de nitroacutegeno
La Fig 413 muestra las isotermas tiacutepicas de adsorcioacutendesorcioacuten para las muestras de BaFe12O19
calcinadas a 700 degC con concentraciones de PS de 30 y 50 respectivamente La muestra en la
Fig 413(a) fue sintetizada con una temperatura interna de 200 degC y una presioacuten de 20 Kgcm2
correspondiente a los paraacutemetros de secado por aspersioacuten y una concentracioacuten de esferas de
poliestireno de 50 La muestra en la Fig 413(b) fue sintetizada con una temperatura interna de
180 degC y una presioacuten de 15 Kgcm2 correspondiente a los paraacutemetros de secado por aspersioacuten y
una concentracioacuten de esferas de poliestireno de 30 De acuerdo a la clasificacioacuten BET las
isotermas corresponden a una isoterma tiacutepica tipo II Este tipo de isoterma se caracteriza por
raacutepido aumento inicial del volumen de gas adsorbido con el incremento en la presioacuten relativa
cambiando a un incremento lento El punto de inflexioacuten corresponde tanto a la finalizacioacuten del
recubrimiento de la mono capa y el llenado de los poros por condensacioacuten capilar El resto de la
curva corresponde a la formacioacuten de la multicapa Este tipo de isoterma es usualmente
encontrado en partiacuteculas mesoporosas El aacuterea superficial es calculada a partir de las isotermas
usando el meacutetodo BET a una presioacuten relativa por debajo de 03 A partir de la ecuacioacuten BET el
aacuterea superficial especiacutefica SBET de las partiacuteculas porosas de BaFe12O19 fue determinada SBET de
75
los agregados de BaFe12O19 varioacute de 1116 hasta 2705 m2g (Tabla IV) Dos tipos de poro son
observados en los agregados de BaFe12O19 mesoporos y macroporos Los mesoporos se
presentan en los espacios entre las partiacuteculas primarias y son el resultado de la pirolisis de las
micelas formadas por el surfactante Los macroporos son obtenidos como resultado de la pirolisis
del poliestireno Los insertos en la Fig 413(a) y Fig 413(b) muestran la distribucioacuten de tamantildeo
de los mesoporos obtenidos por el meacutetodo BET de adsorcioacuten de N2 El diaacutemetro promedio de
mesoporo varioacute entre 34 nm y 12 nm aproximadamente
Figura 413 Isotermas de adsorcioacutendesorcioacuten BET para (a) muestra con 50 de esferas de PS bajo condiciones de
secado por aspersioacuten de 200 degC y 20 Kgcm2 y (b) muestra con 30 de esferas de PS bajo condiciones de secado
por aspersioacuten de 180 degC y 15 Kgcm2 Las muestras fueron calcinas a 700 degC
425 Espectroscopiacutea infrarroja
El espectro FTIR de los agregados de BaFe12O19 calcinados a 700 degC mostrado en la Fig 414
evidencia de las bandas de vibracioacuten tiacutepicas para la BaFe12O19 estequiomeacutetrica a 132740 cm-1
y
140412 cm-1
las cuales son asignadas a los modos de vibracioacuten Fe-O de los sitios tetraeacutedricos y
octaeacutedricos en BaFe12O19 Las posiciones de estas bandas dependen de la estequiometriacutea de la
BaFe12O19 Las posiciones de las bandas a 35508 cm-1
54503 cm-1
61631 cm-1
69926 cm-1
y
87333 cm-1
corresponden a los enlacesgrupos funcionales del peacuteptido DS La interaccioacuten entre
BaFe12O19 y el poliacutemero induce un cambio en los picos caracteriacutesticos de BaFe12O19 a nuacutemero de
76
onda mayores como una funcioacuten de la relacioacuten surfactantepoliacutemero La presencia de nuevas
bandas en el espectro correspondiente a la BaFe12O19 en 30984 cm-1
y 87333 cm-1
indica la
adsorcioacuten del peacuteptido La regioacuten de 600 a 1000 cm-1
contiene los grupos funcionales
correspondientes a los enlaces C-C C-O y C-N Asiacute mismo la regioacuten entre 750 y 900 cm-1
incluyen grupos aromaacuteticos por lo tanto los grupos funcionales correspondientes a la
fenilalanina o al triptoacutefano pueden corresponder a los observados en el espectro IR [84]
Figura 414 Espectro Infrarrojo (IR) que muestra los enlacesgrupos funcionales a nuacutemeros de onda (cm-1
)
especiacuteficos correspondientes al peacuteptido DS-HaloTag libre y los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 libres y
cargados con el peacuteptido
426 Propiedades magneacuteticas
Una manera de medir las propiedades magneacuteticas es a traveacutes de las curvas de histeacuteresis las cuales
permiten la evaluacioacuten de las propiedades macroscoacutepicas tales como la saturacioacuten magneacutetica Ms
remanencia magneacutetica Mr y coercitividad Hc Estas propiedades definen el caraacutecter magneacutetico
de los materiales sintetizados La Fig 415 muestra las curvas de histeacuteresis a diferentes
77
temperaturas de calcinacioacuten La Tabla 4III muestra las propiedades magneacuteticas de todas las
muestras En general Ms Mr y Hc muestran un incremento como una funcioacuten de la temperatura
de calcinacioacuten y Hc incrementa con la temperatura en todos los casos El valor maacutes bajo de Mr
se obtuvo para la muestra calcinada a 700 degC Ademaacutes hay un cambio claro en el
comportamiento magneacutetico asociado con las temperaturas del tratamiento teacutermico El cambio
tiene que estar relacionado con el porcentaje del contenido de las diferentes fases presentadas en
las muestras y tambieacuten tiene que estar relacionado al tamantildeo de los cristales que constituyen los
agregados de BaFe12O19 A partir de las curvas de histeacuteresis mostradas en la Fig 420 y basado en
los valores de coercitividad mostrados en la Tabla 4III se observa que uacutenicamente el material
obtenido a 700 degC se comporta como un material magneacutetico semi-duro mientras que para todas
las demaacutes temperaturas desde 800 a 1000 degC el material muestra un comportamiento magneacutetico
duro
Figura 415 Curvas de histeacuteresis de los agregados de BaFe12O19 calcinados a diferentes temperaturas Los valores de
las muestras fueron tomadas a temperatura ambiente y 5000 Oe
78
Tabla 4III Propiedades magneacuteticas de los agregados porosos de hexaferrita de bario
Propiedades magneacuteticas
Muestra Temperatura de
calcinacioacuten (ordmC) Ms (emug) Mr (emug) Hc (Oe)
1 700 1424 379 194650
2 800 1249 592 463160
3 900 2826 152 479146
4 1000 4511 241 427750
El anaacutelisis de la composicioacuten estructural de los agregados indican que las fases monoferrita (O) y
hematita (F) estaacuten presentes Sin embargo la fase hexagonal H es la fase mayoritaria a la
temperatura de calcinacioacuten de 1000 degC Como se muestra en la Tabla 4III un cambio
significativo ocurre como una funcioacuten de la temperatura de calcinacioacuten en las propiedades
magneacuteticas de las muestras Es evidente que el cambio estaacute relacionado con la presencia de las
diferentes fases La mejor combinacioacuten de las propiedades magneacuteticas fue Ms = 4511 emug
(1000 degC) y Hc = 479148 Oe (900 degC)
Estos valores de magnetizacioacuten son cercanos a los obtenidos por Xu y cols [23] quienes
sintetizaron esferas mesoporosas huecas de BaFe12O19 usando el meacutetodo de pirolisis por
aspersioacuten obteniendo un valor de Ms = 504 emug para muestras calcinadas a 1000 degC
Gonzaacutelez-Carrentildeo y cols [25] obtuvieron un valor Ms = 500 emug para esferas huecas de
BaFe12O19 calcinadas a la misma temperatura obtenidas a partir de pirolisis por aerosol La
diferencia en los valores de magnetizacioacuten obtenidos por eacutestos autores y los valores obtenidos en
eacuteste trabajo puede ser debida principalmente a la estructura de la BaFe12O19 dado que en todos
los casos la morfologiacutea de la BaFe12O19 fue esfeacuterica sin embargo la BaFe12019 obtenida en este
trabajo presento una estructura porosa mientras que la estructura de obtenida por Xu y
Gonzaacutelez-Carrentildeo obtuvieron una estructura hueca
Por otra parte no uacutenicamente la estructura y morfologiacutea de las BaFe12O19 afecta las propiedades
magneacuteticas sino tambieacuten el meacutetodo de preparacioacuten Por ejemplo An y cols [42] sintetizaron
79
BaFe12O19 con una morfologiacutea esfeacuterica a traveacutes de un meacutetodo ultrasoacutenico asistido por sales En
este caso los valores de magnetizacioacuten obtenidos por los autores fue Ms = 619 emug (T = 950
degC) lo cual dista del valor obtenido en el presente trabajo de investigacioacuten
43 PROPIEDADES BIOLOacuteGICAS
431 Extraccioacuten de ADN plasmiacutedico
La extraccioacuten de ADN plasmiacutedico se llevoacute a cabo para verificar la presencia del gen de intereacutes en
los plaacutesmidos replicados en la cepa T7 de la bacteria E coli a partir de la cual se sintetizoacute el
peacuteptido DS La Fig 416 obtenida con el Fotocodificador EL LOGIC 200 muestra la extraccioacuten
de ADN de naturaleza plasmiacutedica de la cepa T7 de E coli Se obtuvo una extraccioacuten exitosa del
plaacutesmido pF1A T7 con un rendimiento de 350 ngmL
Figura 416 Extraccioacuten de ADN plasmiacutedico La columna 1 es referida al marcador Kb Plus DNA Ladder de peso
molecular conocido (pares de bases pb) El marcador se compone de 20 bandas de ADN de alta pureza de doble
cadena que abarca 100 pb hasta 12000 pb La columna 2 representa el ADNp de la cepa NEB (New England Biolab)
T7 DS Ademaacutes puede ser observado en la columna 2 la presencia de tres bandas a) es referida al ADNp relajado
b) describe el ADNp enrollado y c) explica el ADNp suacuteper-enrrollado
80
432 Siacutentesis induccioacuten y expresioacuten del peacuteptido DS
a Siacutentesis a partir del plaacutesmido pF1A T7 Flexireg
La Fig 417 muestra un anaacutelisis electroforeacutetico en un gel de SDS-poliacrilamida (SDS-PAGE)
que revela la expresioacuten del peacuteptido DS En la Fig 417 la columna 1 es referida al marcador
Spectra Multicolor Broad Range Protein Ladder Las columnas 2-5 muestras los efectos de las
concentraciones del inductor IPTG 05 1 2 y 3 mM Cada una de las bandas observadas en el
gel SDS-PAGE representa una proteiacutena distinta En las columnas 2-5 se observa una banda a la
altura de aproximadamente 26 KDa lo cual indica la expresioacuten del peacuteptido DS y que estaacute de
acuerdo con los valores de la literatura Sin embargo la intensidad de la banda en la columna 4 es
maacutes intensa lo cual indica que una concentracioacuten 2 mM de IPTG tiene una mayor eficiencia en la
induccioacuten del peacuteptido DS Por otra parte un aumento en la concentracioacuten de IPTG a 3 mM inhibe
la expresioacuten del peacuteptido DS como se puede observar en la columna 5
Figura 417 Separacioacuten de proteiacutenas por electroforesis en gel SDS-PAGE
81
b Siacutentesis a partir del plaacutesmido pFN21K
La Fig 418(a) y Fig 418(b) muestra imaacutegenes de microscopiacutea oacuteptica a diferentes
magnificaciones Las ceacutelulas CHO normalmente ancladas a la superficie tienen forma
fibroblastoide y pueden adaptarse a crecer en suspensioacuten adquiriendo entonces una forma
esfeacuterica Las ceacutelulas transfectadas son faacuteciles de detectar ya que eacutestas adquieren una coloracioacuten
azul debida a la integracioacuten de un plaacutesmido que contiene un gen reportero el cual estaacute vinculado a
una secuencia regulatoria en el cultivo celular Estos genes otorgan caracteriacutesticas que facilitan su
expresioacuten identificacioacuten y medicioacuten La expresioacuten del gen reportero puede ser observada en la
Fig 418 Las ceacutelulas CHO son tentildeidas al momento de antildeadir una moleacutecula orgaacutenica X-gal que
degrada la beta-galactosidasa presente en las ceacutelulas CHO
Figura 418 Imaacutegenes del microscopio oacuteptico en las cuales se puede observar la expresioacuten de un gen reportero
indicando las ceacutelulas CHO han sido transfectadas
La Fig 419 muestra un anaacutelisis tipo Western blot En la placa fotograacutefica se observa la proteiacutena
de intereacutes DS-HaloTag a una altura de ~61 KDa sintetizada a partir del plaacutesmido pfN21K El
volumen final en los carriles 1-3 fue de 198 microl con una concentracioacuten de proteiacutena (microgmicroL) de 29
28 y 27 respectivamente De acuerdo a la literatura el peso molecular del peacuteptido DS es ~26
KDa y el peso molecular de HaloTag es ~34 KDa Por lo que el peso de 61 KDa observado en la
placa fotograacutefica corresponde al peso molecular de la proteiacutena de fusioacuten DS-HaloTag
82
Figura 419 Anaacutelisis tipo Western blot La proteiacutena de intereacutes DS-HaloTag aparece a una altura de 61 ~KDa
433 Caracterizacioacuten del peacuteptido DS
La correspondiente caracterizacioacuten del peacuteptido DS es mostrada en la Tabla 4IV la cual incluye
caracteriacutesticas tales como la longitud y peso del peacuteptido punto isoeleacutectrico residuos hidrofoacutebicos
e hidrofiacutelicos residuos cargados y distribucioacuten de los aminoaacutecidos presentes (Tabla 4V y Fig
420)
Tabla 4IV Informacioacuten de secuencia
Informacioacuten de secuencia
Secuencia Proteiacutena
Longitud 252
Organismo Dominio de unioacuten a Su(H) sin intron
Nombre DS sin introacuten marco de traduccioacuten +1
Peso 26371 KDa
Punto isoeleacutectrico 1075
Iacutendice alifaacutetico 60556
Residuos de aminoaacutecidos
Hidrofobicidad Cantidad Tipo de carga Cantidad
Hidrofoacutebico (A F G I L M P V W)1 121 Negativa (D E)
1 17
Hidrofiacutelico (C N Q S T Y)1 78 Positiva (R K)
1 32
1 = Abreviacioacuten de los aminoaacutecidos con una sola letra
83
Tabla 4V Tabla de distribucioacuten de aminoaacutecidos
Aminoaacutecido Cantidad Aminoaacutecido Cantidad
Alanina (A) 31 Metionina (M) 2
Cisteiacutena (C) 0 Asparagina (N) 9
Aacutecido aspaacutertico (D) 11 Prolina (P) 16
Aacutecido glutaacutemico (E) 6 Glutamina (Q) 7
Fenilalanina (F) 10 Arginina (R) 17
Glicina (G) 24 Serina (S) 35
Histidina (H) 4 Treonina (T) 24
Isoleucina (I) 9 Valina (V) 11
Lisina (K) 15 Triptofano (W) 4
Leucina (L) 14 Tirosina (Y) 3
Figura 420 Histograma de distribucioacuten de aminoaacutecidos
A nuestro mejor conocimiento el peacuteptido DS (Dominio de unioacuten a supresor de Hairless [Su(H)]
no ha sido probado como faacutermaco modelo en sistemas DDS Sin embargo cientos de peacuteptidos
derivados a partir de proteiacutenas presentes principalmente en el citosol mitocondria yo nuacutecleo han
sido identificados y probados [11] Li [13] produjo el peacuteptido LL-37 antimicrobiano en E coli el
84
cual exhibe diversas propiedades inmunomoduladoras tales como la habilidad de mediar la
quimiotaxis acelerar la angiogeacutenesis y promover la cicatrizacioacuten
En las uacuteltimas deacutecadas el desarrollo de terapias a partir de peacuteptidos ha llevado a un nuacutemero sin
precedentes de aprobaciones en el mercado Kaspar y cols [37] describen las direcciones futuras
en el desarrollo de terapias basadas en peacuteptidos Algunos peacuteptidos aprobados en 2012 por la FDA
son linaclotide utilizado para el tratamiento de desoacuterdenes gastrointestinales lucinactant usado
para prevenir el siacutendrome respiratorio peginesatide usado para el tratamiento de anemia entre
otros
44 PRUEBAS DE CARGALIBERACIOacuteN
En la Fig 421 se observa como disminuyen los valores de densidad oacuteptica (DO600) en la
interaccioacuten BaFe12O19-DS-HaloTag a medida que el tiempo transcurre La disminucioacuten de DO600
indica que el peacuteptido DS-HaloTag es absorbido sobre la superficie de los sistemas
nanoestructurados de BaFe12O19 Como puede ser observado en la Figura 45 los valores de
DO600 se mantienen constante en ~ 0243 en un tiempo de 140 min lo cual indica que en este
punto los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 han alcanzado su saturacioacuten y por lo tanto no
pueden absorber maacutes cantidad de peacuteptido DS-HaloTag A partir de la graacutefica se determinoacute la
concentracioacuten de peacuteptido DS-HaloTag absorbido por los sistemas nanoestructurados de
BaFe12O19 Sabiendo que la concentracioacuten inicial (C1) del peacuteptido DS-HaloTag fue de 24 microgmicroL
y calculando la concentracioacuten remanente (C2) del peacuteptido DS-HaloTag en la salucioacuten acuosa lo
cual corresponde al momento de saturacioacuten de los sistemas nanoparticulados de BaFe12O19 (140
min) a una longitud de onda λ = 595 nm a partir de la ecuacioacuten de regresioacuten polinomial de orden
2 y = 2Endash05x2 ndash 00069x + 07866 y con un coeficiente de correlacioacuten R2 = 096021 se obtiene
una concentracioacuten C2 = 0268 microgmicroL por lo tanto la concentracioacuten absorbida de peacuteptido DS-
HaloTag por los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 corresponde a C1 - C2 = 213 microgmicroL
Asiacute el porcentaje de peacuteptido DS-HaloTag puede ser calculado a partir de la siguiente expresioacuten
85
Ecuacioacuten 41
donde
Cab = absorcioacuten de DS-HaloTag sobre los sistemas de BaFe12O19
C1 = concentracioacuten inicial de DS-HaloTag
C2 = concentracioacuten remanente de DS-HaloTag en solucioacuten acuosa
Por lo tanto
Cab = 875
Figura 421 Interaccioacuten BaFe12O19-DS-HaloTag La disminucioacuten en los valores de DO a medida que el tiempo
transcurre indica la absorcioacuten del peacuteptido por los agregados de BaFe12O19
86
Una vez saturados los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 se tomaron 10 microL de la solucioacuten
acuosa que contiene el peacuteptido DS a los cuales se les agrego 50 microL de buffer de lisis La mezcla
se llevoacute a ebullicioacuten por 10 min para ser cargada en un gel de poliacrilamida La Fig 422
muestra una electroforesis de un gel SDS-PAGE llevada a cabo a 200 V por 40 min La Fig
428(a) muestra la interaccioacuten entre los agregados de BaFe12O19 y el plaacutesmido pFN1A T7 Flexireg
y advierte como la concentracioacuten de la proteiacutena (columna izquierda) decrece (la intensidad de las
bandas se ve disminuida) lo cual indica que el peacuteptido DS es absorbido por los agregados de
BaFe12O19
Figura 422 Anaacutelisis visual SDS-PAGE de la interaccioacuten BaFe12O19-DS-HaloTag que muestra coacutemo disminuye la
cantidad de proteiacutena libre en el medio
Adicionalmente el anaacutelisis FTIR mostrado en la Fig 414 confirma que el peacuteptido DS-HaloTag
fue absorbido por los sistemas nanoparticulados de BaFe12O19 El espectro IR mostrado en la Fig
419 exhibe los enlacesgrupos funcionales del peacuteptido DS a 35508 cm-1
54503 cm-1
61603
cm-1
69926 cm-1
y 87333 cm-1
Puede ser observado que el enlacegrupo funcional a 87333 cm-
1 aparece en los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 cargados con el peacuteptido lo que
confirma su absorcioacuten por el sistema asiacute mismo el enlacegrupo funcional que aparece a 30984
87
cm-1
en los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 pudiera corresponder al observado en el
peacuteptido DS-HaloTag por la proximidad que eacuteste presenta Por otra parte los enlacesgrupos
funcionales a 54503 cm-1
61631 cm-1
y 69926 cm-1
que no aparecen en los sistemas
nanoestructurados de BaFe12O19 cargados con el peacuteptido pudieran corresponder a la parte de la
proteiacutena de bajo peso molecular lo cual puede estar de acuerdo con los resultados mostrados en
la Figura puesto que el gel de poliacrilamida (10) revela que en la interaccioacuten BaFe12O19-DS-
HaloTag los peacuteptidos que en su mayoriacutea son absorbidos son aquellos que corresponden a un peso
molecular grande
La absorcioacuten del peacuteptido DS-HaloTag sobre los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 puede
ser explicada a partir del hecho de que el potencial zeta (Fig 423) del sistema nanoestructura de
BaFe12O19 ζ BaFe12O19 tiene un valor negativo a un pH de 74 (pH al cual se llevoacute a cabo la
interaccioacuten) mientras que la carga superficial del peacuteptido DS ζ DS al mismo pH tiene un valor
positivo
Figura 423 Carga superficial (mV) en funcioacuten del pH para el peacuteptido DS-HaloTag y los sistemas nanoestructurados
de BaFe12O19
Ademaacutes el peacuteptido DS presenta residuos de aminoaacutecidos (aa) hidrofoacutebicos (Alanina (A)
Fenilalanina (F) Glicina (G) Isoleucina (I) Leucina (L) Metionina (M) Prolina (P) Valina (V)
Triptoacutefano (W)) e hidrofiacutelicos (Cisteiacutena (C) Asparagina (N) Glutamina (Q) Serina (S) Treonina
88
(T) Tirosina (Y)) y tomando en cuenta que BaFe12O19 en solucioacuten acuosa puede formar
hidroxilos (grupos OH) que pueden reaccionar con los radicales (R) de los aminoaacutecidos se
propone un modelo (Fig 424) de las posibles interacciones entre los sistemas nanoestructurados
de BaFe12O19 y el peacuteptido DS-HaloTag
Figura 424 Modelo propuesto para las posibles interacciones BaFe12O19-DS-HaloTag
La Fig 425 muestra el perfil de liberacioacuten del peacuteptido DS-HaloTag de los sistemas
nanoestructurados de BaFe12O19 cuando eacutestos fueron colocados en medio de cultivo F12K bajo
una atmoacutesfera de 5 de CO2 a 37 ordmC Es bien sabido que entre mayor sea la diferencia de
potencial zeta ζ coexistiraacute una mayor atraccioacuten entre partiacuteculas de carga superficial opuesta Por
lo tanto como puede ser observado en la graacutefica de carga superficial los valores de pH a los
cuales se promoveriacutea una mayor absorcioacuten de peacuteptido DS-HaloTag sobre los sistemas
nanoestructurados de BaFe12O19 estariacutean en pH 58-6 Sin embargo se decidioacute trabajar a un valor
de pH 74 debido a que la solucioacuten acuosa en la cual se encuentra el peacuteptido DS-HaloTag
originalmente tiene este valor Otras razones por las cuales se optoacute trabajar con este valor es que
al pH 74 sigue existiendo una carga superficial opuesta entre el peacuteptido DS-HaloTag y los
sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 mientras que una disminucioacuten en el valor de pH
pudiera provocar una desnaturalizacioacuten de la proteiacutena Una vez incubado en medio F12K bajo
89
condiciones de 5 CO2 y temperatura de 37 ordmC el CO2 tiene la funcioacuten de contrarrestar la
alcalinizacioacuten del medio debido a la actividad metaboacutelica propia de las ceacutelulas en cultivo y una
variacioacuten de pH hacia lo aacutecido o lo baacutesico hace que el peacuteptido sea liberado por parte de los
sistemas nanoparticulados de BaFe12O19 El medio F12K es un medio celular que fue
desarrollado principalmente para ceacutelulas de hepatocito humano asiacute tambieacuten para ceacutelulas de
hiacutegado de rata y pollo en un ambiente de suero reducido Para el presente estudio se trabajoacute con
medio F12K incompleto libre de ceacutelulas con la finalidad de verificar que el peacuteptido DS-HaloTag
fuera liberado precisamente al hecho de que el CO2 acidifica el medio causando variaciones en el
potencial zeta ζ de cada uno de los integrantes de la mezcla es decir los sistemas
nanoestructurados de BaFe12O19 y el peacuteptido DS-HaloTag
Figura 425 Perfiles de liberacioacuten del peacuteptido DS-HaloTag que muestra un aumento de la DO600 a medida que
transcurre el tiempo (t) El aumento en los valores de la DO600 indica que el peacuteptido DS-HaloTag es liberado de los
sistemas nanoestructurados de BaFe12O19
El uso de un disentildeo experimental fraccionario 2f nos permite evaluar el efecto que tienen
determinados paraacutemetros sobre una variable de respuesta Especiacuteficamente para este trabajo de
90
investigacioacuten las variables oslashagregado SBET Vmesoporo y oslashmacroporo fueron evaluadas a partir del efecto
de la temperatura y presioacuten en el proceso de secado por aspersioacuten y la concentracioacuten de agente
poroacutegeno utilizado durante la siacutentesis sol-gel A partir de los datos estadiacutesticos arrojados por el
anaacutelisis de varianza ANOVA se establece queacute paraacutemetros tienen un efecto significativo sobre la
variable de respuesta De esta manera el disentildeo experimental fraccionario 2f nos permitiraacute
optimizar el proceso de siacutentesis de los agregados nanoestructurados de BaFe12O19 para obtener la
morfologiacutea y estructura deseada lo cual a su vez tendraacute un efecto sobre las propiedades fiacutesicas
quiacutemicas y magneacuteticas del producto final
El uso de las teacutecnicas XRD SEM TEM BET FTIR y VSM proporcionoacute detalles necesarios en
cuanto a la caracterizacioacuten estructural morfoloacutegica y magneacutetica de los agregados de BaFe12O19
Asiacute a partir de los espectros de XRD fue observada la presencia de tres fases la fase hexagonal
BaFe12O19 la monoferrita de bario BaFe2O4 y la fase hematita Fe2O3 cuya coexistencia fue
confirmada por TEM Las propiedades magneacuteticas (Ms Mr y Hc) determinadas a partir de las
curvas de histeacuteresis obtenidas a partir de un VSM son afectadas por la morfologiacutea y estructura
macro-mesoporosa (observada por SEM y BET) asiacute como la mezcla de fases presentes en los
agregados de BaFe12O19 Las propiedades magneacuteticas sobre todo un comportamiento
superparamagneacutetico es perseguido para aplicaciones biomeacutedicas tal como los sistemas DDS
debido a que esta caracteriacutestica permite dirigir y focalizar un faacutermaco a un sitio especifico de
accioacuten mediante la aplicacioacuten de un campo magneacutetico externo Por lo tanto la concentracioacuten y
nuacutemero de dosificaciones puede ser reducida disminuyendo los efectos secundarios no deseados
Las caracteriacutesticas obtenidas en el presente trabajo de investigacioacuten hacen de los sistemas
nanoestructurados de BaFe12O19 un candidato como sistema de liberacioacuten de faacutermacos Esto fue
corroborado al evaluar la capacidad de carga de los sistemas de BaFe12O19 al ser cargados con el
peacuteptido DS usado como faacutermaco modelo La capacidad de carga asiacute como el perfil de liberacioacuten
del peacuteptido fueron evaluados por teacutecnicas de espectroscopia UV-vis FTIR SDS-PAGE
potencial zeta y anaacutelisis tipo Western blot El porcentaje de absorcioacuten del peacuteptido fue del peacuteptido
fue de 875
91
CAPIacuteTULO 5
CONCLUSIONES
92
CAPIacuteTULO 5 CONCLUSIONES
1- Agregados esfeacutericos nanoestructurados de BaFe12O19 de 17 microm con tamantildeo de
macroporo de 223 nm y tamantildeo de mesoporo entre 34 y 12 nm fueron disentildeados y
sintetizados exitosamente usando un disentildeo experimental 2f a traveacutes del meacutetodo sol-gel y
secado por aspersioacuten
2- Mediante un anaacutelisis estadiacutestico de varianza ANOVA se determinoacute que la presioacuten (P) es
el uacutenico factor significativo que afecta el tamantildeo de agregado de BaFe12O19 Por otra
parte ninguacuten paraacutemetro evaluado en el disentildeo 2f tuvo un efecto significativo sobre el
tamantildeo de macroporo Sin embargo el aacuterea superficial especiacutefica BET se vio afectada por
la concentracioacuten de agente poroacutegeno ( esferas de PS) asiacute como las combinaciones presioacuten-
poroacutegeno y temperatura poroacutegeno Por uacuteltimo los factores que mostraron un efecto
significativo sobre el volumen de mesoporo fueron la presioacuten y las combinaciones entre
presioacuten-poroacutegeno y temperatura poroacutegeno
3- La saturacioacuten magneacutetica Ms delos agregados BaFe12O19 varioacute entre 1424-4511 emug y
los valores de coercitividad Hc estuvieron entre 19465-427750 Oe Mostrando un
comportamiento magneacutetico semiduro con valores de Ms = 1424 y Hc = 19463 Oe para la
muestra calcinada a 700 degC
4- A partir del plaacutesmido pF1A T7 de la cepa T7 de E coli fue posible sintetizar el peacuteptido
DS mediante la induccioacuten con IPTG 2mM Por otra parte tambieacuten fue posible la siacutentesis
del peacuteptido DS a traveacutes de la transfeccioacuten de ceacutelulas CHO en cultivo celular con el vector
pFN21K Asiacute mismo fue posible la imnunodeteccioacuten del peacuteptido DS mediante la
utilizacioacuten de anticuerpos monoclonales anti-HaloTag El peacuteptido DS tiene gran
probabilidad de bloquear el dominio intracelular de Notch (NICD) que es un activo en
ceacutelulas canceriacutegenas
5- La capacidad de absorcioacuten del peacuteptido DS sobre los sistemas nanoestructurados de
BaFe12O19 fue del 875
93
TRABAJO A FUTURO Y RECOMENDACIONES
La capacidad de carga y perfil de liberacioacuten del peacuteptido DS fue probado en el presente trabajo de
investigacioacuten Por lo tanto la formulacioacuten empleada para el disentildeo y siacutentesis de los sistemas
nanoestructurados de BaFe12O19 hacen de estos sistemas un candidato para ser aplicados como
sistemas de liberacioacuten de faacutermaco Sin embargo debido a que la biocompatibilidad es un
requisito fundamental para ser aplicados en los sistemas bioloacutegicos es imprescindible realizar
estudios de citotoxicidad ya sea in vitro o in vivo por ejemplo los ensayos MTT los cuales se
basan en la capacidad de las ceacutelulas viables para reducir y convertir la sal de tetrazolio Bromuro
de 3-(45-dimetiltiazol-2-il)-25-difeniltetrazolio compuesto relativamente incoloro en formazan
una sustancia fuertemente lipofiacutelica de color morado El ensayo MTT es considerado como una
prueba de viabilidad que trabaja eficientemente en la mayoriacutea de los casos por lo tanto es
frecuentemente usada por si sola para evaluar la citotoxicidad in vitro particularmente para
evaluacioacuten de citotoxicidad en las nanopartiacuteculas
Asiacute mismo se recomienda realizar estudios sobre la modificacioacuten superficial de los agregados
nanoestructurados de BaFe12O19 por ejemplo a traveacutes de la PEGilacion el cual es un proceso de
unioacuten tanto covalente como no covalente de polietilenglicol (PEG) hacia la moleacutecula o estructura
a modificar O bien la modificacioacuten superficial pudiera llevarse a cabo empleando alguacuten otro
tipo de moleacutecula ya sean poliacutemeros proteiacutenas ADN etc Asiacute la modificacioacuten superficial
reduciraacute la inmunogenecidad y antigenecidad de la BaFe12O19 empleado como sistema portador
de faacutermaco Ademaacutes la modificacioacuten superficial permitiraacute enmascarar a la BaFe12O19 lo que le
permitiraacute evadir el sistema retiacuteculo endotelial y aumentar el tiempo de circulacioacuten en el torrente
sanguiacuteneo por lo tanto llegando a su sitio de accioacuten con mayor facilidad
94
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101
ANEXOS
CONSEJO NACIONAL DE CIENICA Y TECNOLOGIacuteA
CURRICULUM VITAE UacuteNICO
TORRES CADENAS SAMUEL
PRODUCCIOacuteN CIENTIFICA
ARTIacuteCULOS
2017 S Torres-Cadenas J Reyes-Gasga A Bravo-Patintildeo I Betancourt ME Contreras-Garciacutea Morphological
and magnetic properties of sol-gel synthetized meso and macroporous spheres of barium hexaferrite
(BaFe12O19) Journal of Magnetism and Magnetic Materials (2017) doi
httpdxdoiorg101016jjmmm201702018
2016 S Torres A Bravo ME Contreras BaO6Fe2O3 as DDS using tetracycline as model drug IOSR Journal of
Engineering (IOSRJEN) 11 (2016) 20-24 httpwwwiosrjenorgpagesvolume6-issue11(part-1)html
2016 S Torres-Cadenas A Bravo-Patiacutentildeo J Zarate-Medina ME Contreras-Garciacutea Nest-Like Barium
Hexaferrite Microspheres With Hierarchical Porous Structure for Drug Delivery Journal of Silicate Based
and Composite Materials
PARTICIPACIONES EN CONGRESOS
2016 Esferas Bioceramicas de Baomiddot6Fe2O3 con Estructura Tipo Nido Nacional VIII Congreso Nacional de
Cristalografiacutea II reunioacuten de la Sociedad Latinoamericana de Cristalografiacutea A Bravo-Patintildeo VS
Loacutepez-Aacutelvarez ME Contreras-Garciacutea Meacuterida Yucataacuten
2016 Nest-Like Barium Hexaferrite Microspheres With Hierarchical Porous Structure for Drug Delivery
Extranjero 4th
International Conference on Competitive Materials and Technology Processes A
Bravo-Patintildeo M E Contreras-Garciacutea Miskolc-Lillafured Hungay
2015 Baobull6Fe2O3A Vehicle for Drug Delivery Extranjero 14th
International Union of Materials Research
Societies-International Conference on Advanced Materials Alejandro Bravo Patintildeo Humberto
Contreras Cornejo Joseacute Antonio Rodriguez Torres Maria Eugenia Contreras Garciacutea Rep Popular
Democraacutetica Corea
2014 BaFe12O19 as Drug Delivery Vehicle A Morphological and Structural Studio Nacional 18th
International Microscopy Congress Alejandro Bravo Patintildeo Victor Sayil Loacutepez Aacutelvarez Mariacutea Eugenia
Contreras Garciacutea Meacutexico
102
2014 BaFe12O19 Como Sistema Nanoestructurado para Liberacioacuten de Faacutermacos Nacional AMIDIQ ldquoLa
Interdisciplinariedad en la Ingenieriacutea Quiacutemicardquo Alejandro Bravo Patintildeo Joseacute Antonio Rodriacuteguez Torres
Mariacutea Eugenia Contreras Garciacutea Meacutexico
2013 BaFe12O19 Nanoparticles ndash A scheme for Drug Delivery Internacional 12th
Inter-American
Microscopy Congress Alejandro Bravo Patintildeo Joseacute Antonio Rodriguez Torres Mariacutea Eugenia Contreras
Garciacutea Meacutexico
2013 Escuela de Materia Condensada y Nanociencia Nacional International Multidisciplinar Joint
Meeting Nanocience and Condensed Matter Physis Meacutexico
2013 IV Foro de Vinculacioacuten Universidad-Industria Nacional VIII Escuela de Materiales y
Nanotecnologiacutea Meacutexico
2013 Magnetic Nanoparticles Engineered To Drug Delivery Internacional XXII International Materials
Research Congress Alejandro Bravo Patioacute Maria Eugenia Contreras Garciacutea Meacutexico
2013 Microscopiacutea Electroacutenica de Barrido con FE SEM y Teacutecnicas EDS Extranjero 12th Inter-American
Microscopy Congress Colombia
Accepted Manuscript
Morphological and magnetic properties of sol-gel synthetized meso and mac-roporous spheres of barium hexaferrite (BaFe12O19)
S Torres-Cadenas Joseacute Reyes-Gasga A Bravo-Patintildeo I Betancourt MEContreras-Garciacutea
PII S0304-8853(16)32862-1DOI httpdxdoiorg101016jjmmm201702018Reference MAGMA 62474
To appear in Journal of Magnetism and Magnetic Materials
Received Date 31 October 2016Accepted Date 11 February 2017
Please cite this article as S Torres-Cadenas J Reyes-Gasga A Bravo-Patintildeo I Betancourt ME Contreras-Garciacutea Morphological and magnetic properties of sol-gel synthetized meso and macroporous spheres of bariumhexaferrite (BaFe12O19) Journal of Magnetism and Magnetic Materials (2017) doi httpdxdoiorg101016jjmmm201702018
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MORPHOLOGICAL AND MAGNETIC PROPERTIES OF SOL-GEL
SYNTHETIZED MESO AND MACROPOROUS SPHERES OF BARIUM
HEXAFERRITE (BaFe12O19)
S Torres-Cadenasa Joseacute Reyes-Gasgab A Bravo-Patintildeoc I Betancourtd M
E Contreras-Garciacuteaa
aInstituto de Investigaciones Metaluacutergicas y Materiales UMSNH Edificio U Ciudad Universitaria Santiago Tapia 403 Colonia Centro 58030 Morelia Meacutexico Email storres_chotmailcom eucontregmailcom
bInstituto de Fiacutesica UNAM Circuito de la Investigacioacuten sn Ciudad Universitaria
04510 Coyoacaacuten Meacutexico DF Meacutexico Email jreyesfisicaunammx
cCentro Multidisciplinario de Estudios en Biotecnologiacutea (CMEB) de la FMVZ UMSNH Posta Zooteacutecnica Km 85 carretera Morelia-Zinapecuaro CP 58890 col La Palma Tarimbaro Michoacaacuten Meacutexico Email brapalhotmailcom
dInstituto de Investigaciones en Materiales UNAM Ciudad de Meacutexico CP 04510 Meacutexico Email israelbiimunammx
Corresponding Author
Dr Joseacute Reyes-Gasga Instituto de Fiacutesica UNAM Circuito de la Investigacioacuten sn Ciudad Universitaria 04510 Coyoacaacuten Meacutexico DF Meacutexico Tel (5255) 56225083 Email jreyesfisicaunammx
Highlights
bull 15 microm porous spheres of BaFe12O19 were synthetized by the sol-gel
method
bull Surfactant Tween20 (C58H114O26) enabled the creation of the mesoporous
structure
bull Polystyrene spheres (PS) were used as the template for the formation of
macropores
bull Spheres resembled a nest or ball-of-yarn type of elongated BaFe12O19
crystals
bull Magnetic properties are evaluated as function of the calcination
temperature
Abstract
Porous spherical aggregates of barium hexaferrite (BaFe12O19) with 15 microm in
diameter were synthetized by the surfactant-assisted sol-gel method The
surfactant Tween20 (C58H114O26) which enables mesoporous structures as well
as polystyrene spheres (PS) as the template agent for the formation of
macropores were used Two synthetic routes (hereafter named A and B) whose
difference was the absence or presence of PS were followed for synthesis X-ray
diffraction (XRD) scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron
microscopy (TEM) in high resolution mode (HRTEM) were used for
characterization Size and morphology of the spheres were similar in both cases
and they resemble a nest or ball-of-yarn type structure Pore size and BaFe12O19
crystal size produced by the two routes are different The magnetic properties of
the spheres were evaluated using a vibrating sample magnetometer (VSM) as
function of the calcination temperature The spheres present ferromagnetic
behavior in both routes
Key words Barium hexaferrite Porous spherical aggregates Surfactant-assisted
sol-gel synthesis Morphological properties Magnetic properties
1 Introduction
In recent decades ceramic materials represent a prominent alternative in scientific
and technological development in a wide range of research fields Specifically
biomedical ceramic materials have been used in orthopedic applications dental
implants tissue regeneration and as drug delivery systems [1] Iron-oxide-based
materials including barium hexaferrite (BaFe12O19) are good Drug Delivery
System (DDS) candidates [2-4] because of their physical chemical and magnetic
properties These magnetic properties are highly necessary for response to an
external magnetic field to target for example the drug into a specific site in the
human body Moreover the BaFe12O19 magnetic microparticles with spherical
morphology have different applications such as permanent magnets [5] electronic
devices [6] gas sensors [7] catalytic supports [8] and more recently in biomedical
applications such as advanced functional magnetic materials for the treatment of
cancer through magnetic hyperthermia [9] contrast agents for MRI [10] and drug
delivery systems [11]
A variety of methods have been used for the synthesis of iron-oxide-based
bioceramics including co-precipitation hydrolysis hydrothermal synthesis inverse
microemulsion and the sol-gel method [12-14] Of these methods sol-gel has
attracted special interest because it allows the development of new materials with
good homogeneity and purity [15-17] In addition it is a relatively fast simple and
inexpensive method Moreover the kinetics of the chemical reactions carried out in
the synthesis is easily controlled by low temperatures processing [17] Unlike
classical methods for powder ceramic processing of BaFe12O19 that require high
calcination temperatures (1200-1300 degC) sol-gel produces the BaFe12O19
microparticles at rather low calcination temperature [18] In addition the use of
surfactant-assisted sol gel synthesis allows more disperse systems enabling the
formation of a larger number of ordered structures and the surfactant allows the
formation of micelles that also act as templates resulting in the formation of
mesopores after elimination of the surfactant by calcination during the thermal
treatment
Surfactant-assisted sol-gel synthesis as structure-directing agents or dispersants
and templates as macropore-forming agents is investigated in this work for the
production of ceramic microstructures designed with hierarchical porosity for
biomedical applications that require highly specific surface areas and the unique
design of materials capable of conducting fluids and interacting with cell tissues
Among the materials designed for these applications pore size distribution and
their interconnectivity determine the viability of the material for a such specific
application
Therefore in the present study BaFe12O19 spherical magnetic macro- and meso-
porous microparticles were synthetized by the surfactant-assisted sol-gel method
as well as polystyrene spheres (PS) as templates for formation microspheres and
dried by spray drying The morphological characterization and magnetic properties
of the spheres are compared as a function of thermal treatment temperature
2 Materials method and experimental procedure
21 Materials
Commercial reagent grade products were used without purification The reagents
were from Aldrich iron nitrate (III) nonahydrate Fe(NO3)3 9H2O barium carbonate
BaCO3 and surfactant Tween20 and from Merck ammonium hydroxide NH4OH
The hydrophilic nonionic surfactant Tween20 (C58H114O26) is an ester of
polyoxyethylene sorbitan with a molecular weight of 1225 Daltons calculated
assuming 20 units of ethylene oxide 1 sorbitol and lauric acid as the primary fatty
acid Monodisperse Polystyrene microspheres (PS) synthesized in the laboratory
were used as the pore-forming agent
22 Synthesis of BaFe12O19
Spheres of barium hexaferrite were synthesized by the sol-gel method either
assisted by surfactants (route A) or assisted by surfactants and templates (route
B) Figure 1 shows the flow diagram of routes A and B Two suspensions were
prepared in each route The first was composed of Fe(NO3)39H2O and BaCO3
salts with a stoichiometric molar ratio dissolved in deionized water The second
was formed by the surfactant Tween20 in aqueous solution Both suspensions
were mixed with constant magnetic stirring and during the reaction the pH of the
slurry was adjusted to 8 with NH4OH Route B included a third suspension
consisting of 30 wt polystyrene spheres in deionized water The PS were
monodispersed with a mean diameter of 200nm The PS suspension was added
to the mixture with constant magnetic stirring for 1h
The resulting suspension was subjected to spray drying using a Mini Spray Dryer
(Yamato ADL31) The conditions in the spray drying equipment for both routes
were determined by experimental design as drying temperature (T = 175 degC) and
drying pressure (P = 15 Kgcm2)
Powders obtained after spray drying (xerogels) were subjected to thermal
treatment for the elimination of organic agents surfactant and template (in each
case) structural water the formation of oxides and crystallization Four different
temperatures were evaluated in both routes for thermal treatment 700 800 900
and 1000 degC
23 Structural morphological chemical and magnetic characterization
Structural chemical and morphological analysis of the spheres was performed by
X-ray diffraction (XRD) scanning electron microscopy (SEM) and transmission
electron microscopy (TEM) in high resolution mode (HRTEM)
Samples were analyzed by X-ray diffraction on a Bruker diffractometer model D8
Advance using Cu Kα radiation (45 kV 30 mA) to determine the crystal structures
and phases presented Samples were scanned from 20deg to 80deg in 2θ and a
constant step of 002ordmseg
For microstructural characterization of the samples the scanning electron
microscope JEOL JSM-7600F and the transmission electron microscope FEG
Phillips Technai F20 were used The SEM was coupled with energy dispersive X-
ray spectroscopy equipment (EDS)
The Digital Micrograph software (Gatan Inc) was used for image analysis and the
linear Lynx software (Verfuumlgbare Software) was used for the statistical analysis of
the data Size distribution of the pores in the spherical aggregates was measured
by the Barrett-Joyner-Halenda (BJH) technique using a Quantachrome (St 1 on
NOVA touch 1LX) instrument
The analysis of the magnetic properties of the samples was performed using a
vibrating sample magnetometer (VSM LDJ 9600) at room temperature applying a
constant magnetic field of 5000 Oe Magnetic saturation (Ms) remnant
magnetization (Mr) and coercivity (Hc) values were obtained from the hysteresis
curves
3 Results
31 X-ray diffraction
Figure 2 shows the x-ray diffraction spectra of the samples obtained from routes A
and B at the calcination temperatures of 700 800 900 and 1000 degC as indicated
in Figure 1
Indexing the x-ray spectra indicates the coexistence of hexaferrite H = BaFe12O19
monoferrite O = BaFe2O4 and hematite F = Fe2O3 in all samples The phase H
(hexaferrite) is hexagonal (Open Database Crystallography card COD No
1008841) with lattice parameters a = b = 0589 nm and c = 2318 nm The O
(monoferrite) phase is orthorhombic (COD card No 4107896) with lattice
parameters a = 1899 nm b = 0538 nm c = 0844 nm The F (hematite) phase is
hexagonal (COD card No 9015964) with lattice parameters a = b = 0503 nm and
c = 1374 nm It is noteworthy that at the calcination temperature of 1000 degC the
major phase is H phase in both routes
As shown in Figure 2 the content of the H phase increases as the content of the F
phase decreases with temperature in both routes In route A the O phase is
present in all samples in route B the O occurs phase only in the sample treated at
700 degC However there is no clear evidence of preferential growth direction of any
phase in the XRD spectra
32 SEM images EDS spectra and spheres and pores size
SEM images indicate that all the samples obtained in routes A and B calcined at
different temperatures are spherical and substantially the same size Figure 3
shows the SEM image of the spheres obtained in route A and the insert which
shows a magnification of these spheres indicates that the spheres are
polycrystalline composed of mesopores and elongated nanometric crystals Figure
4 shows the SEM image of the spheres obtained through route B and the insert
shows that these spheres are also polycrystalline composed of meso- and macro-
pores and micrometric elongated crystals
Figure 5 shows the size distribution of the spheres observed in the samples of
routes A (Figure 5A) and B (Figure 5B) thermally treated at 700degC respectively
Although the average size is slightly different for the samples calcined at different
temperatures all these values are within the range indicated by the standard
deviation at about 15 microns Therefore all the spherical aggregates are
practically the same size The aggregate size is the result of the droplet size
produced in the nozzle of the spray dryer although the size can also be influenced
by the rheology of the gel slurry fed to the spray dryer
Figure 6 shows the size distribution of the pores in the spherical aggregates of
routes A and B For the mesoporous range as mentioned above this size
distribution was measured by the BJH technique In Figure 6A for the samples of
route A the average diameter of the pores in these samples are on the order of 57
plusmn 2 nm Figure 6B shows the case of the mesopores observed in the spheres
obtained by route B they are on the order of 12 plusmn 55 nm The macropores in the
spheres of route B have an average size of about 220 plusmn 53 nm (Figure 6C) This
last result is logical because the suspension fed in route B consists of spheres of
monomodal polystyrene whose average size is of about 250 nm in addition to the
gel
The micrometric-size spheres obtained by route A and route B are both composed
of elongated crystals or fibers but these crystals are of nanometric size for route
A while they are of 35 plusmn 7 nm wide and 300 plusmn 80 nm long for route B The
existence of an interconnected hierarchical pore structure in these spheres is
evident
EDS spectra from the spheres showed the characteristic peaks of barium (Ba) iron
(Fe) and oxygen (O) (Figure 7) [19] In these spectra the Cu peak comes from the
sample holder Therefore the composition of spheres obtained by both routes
contains the same elements as already shown by XRD This results also confirm
that no contamination was present in either route
33 TEM images
Figure 8 shows some of the HRTEM images of the elongated crystals which
conform the spheres obtained in routes A and B Note the nanometric size of the
elongated crystals of BaFe12O19 In some cases the coexistence of crystals of
BaFe12O19 with crystals of BaFe2O4 and Fe2O3 were observed These images
agree quite well with the results obtained by XRD and show the coexistence of a
mixture of phases in the synthesized spheres in both routes
34 Hysteresis loops and magnetic properties
One way to measure the magnetic properties is through the hysteresis loops
which affords the evaluation of macroscopic properties such as saturation
magnetization Ms remanence magnetization Mr and coercive field These
properties define the soft or hard magnetic character of the synthesized materials
Figure 9 shows the hysteresis loops at different calcination temperatures for the
samples obtained by the route A (Figure 9A) and the route B (Figure 9B) The
highest magnetization values are observed in the case of route B Table 1 shows
the magnetic properties of all the samples In general Ms Mr and Hc show an
increment as a function of the calcination temperature and coercivity (Hc)
increases with temperature in all the samples The lowest value of Mr is obtained in
the sample treated at 800 degC for route A In route B the lowest Mr value is obtained
for the sample treated at 700 degC There is also a clear change in the magnetic
behavior associated with the temperatures of the calcination treatment This
change must be related to the percentage of content of the different phases
presented in the samples and it must also be related to the size of the crystals
constituting the spherical aggregates
From Figure 9A and based on the values of coercivity shown in Table 1 the
samples obtained in the route A at temperatures of 700 800 and 900 degC behave as
semi-hard magnetic materials whereas the one obtained at 1000 degC behaves as a
hard magnetic material The shape of the hysteresis loop in the sample at 900 degC
is characteristic of a sample in which two phases coexist On the other hand
Figure 9B indicates that only the material obtained at 700 degC through route B
behaves as a semi-hard magnetic material the others show hard magnetic
material behavior The semi-hard ferromagnetic behavior in these materials makes
them good candidates for biomedical applications [20]
4 Discussion
The results clearly indicate that we succeed in developing a route for the synthesis
of porous spheres of barium hexaferrite with different pore sizes The porous
structures are of great interest in research because of their prominent applications
in different fields of science [21] For example they can be used to charge an
adequate amount of different types of molecules (ie drugs proteins andor
peptides) within the interior of the pore (and also on the surface of the structure)
thus acting as a drug carrier system [22] Mesopores are useful in applications
where interaction with fluids is part of the integration process in which molecules
will be exchanged in the system as in the case of drug delivery Macropores allow
the adsorption of large molecules such as proteins or peptides or even cells that
are currently of great interest in the development of new medical treatments based
on the lsquoin sitursquo drug delivery such as magnetofection [23] gene therapy [24] and
cell labeling [25]
In obtaining macropores the surface charge of the PS spheres and steric factors
play an important role in the self-assembly of BaFe12O19 precursor ions into the PS
particles [26] Pores in the spherical aggregates are consequently produced when
the system is subjected to thermal treatment (700 800 900 and 1000 degC) resulting
in the pyrolysis of the surfactant and the PS Thus the BaFe12O19 precursor ions
are adsorbed into the PS surface being embedded within the micrometer size
spherical aggregate during the spray drying This reaction can be considered a
typical polymerization reaction which means that polymerization takes place
between BaFe12O19 and PS particles contained in an aqueous phase [27] As a
result the PSBaFe12O19 hybrid particles are obtained
In regard to magnetic behavior the hysteresis loops indicate that materials
produced at temperatures of 700 800 and 900 degC in route A fall within the range of
semi-hard magnetic materials whereas at 1000 degC the material becomes a hard
magnetic material In the case of route B the material behaves like a semi-hard
magnetic material only at 700 degC The obtained materials behave like hard
magnetic materials from 800 degC to 1000 degC Analysis of the structural composition
of the spheres indicated that monoferrite (O) and hematite (F) phases are present
However the H phase is the major phase at the calcination temperature of 1000
degC
As shown in Table 1 a significant change occurred as function of calcination
temperature in the magnetic properties of the samples This change has also to be
related to the presence of the different phases Best combinations of magnetic
properties were Ms = 4467 emug and Hc = 479012 Oe for route A and Ms =
4511 emug and Hc = 479146 Oe for route B respectively
The coexistence of the H O and F phases has been reported as a general fact in
obtaining barium hexaferrite [28] The O phase presents an anomalous resonance
near 400 degC that could indicate a phase with magnetic behavior [29] The F phase
has anti-ferromagnetic ordering [30] and thus a characteristic low Ms (1105
emug) [31-33] Therefore for route B it is possible to attribute the observed Ms
variations to the variable content of this phase so that the sample with greater
amount of Fe2O3 (at 700 degC) presents a very low value of Ms Decreasing presence
of Fe2O3 (by progressively increasing the temperature) increases the proportion of
the hexaferrite phase and consequently the Ms values are significantly recovered
In route A the larger value of Ms is coupled with a larger value of Hc which must
be attributed to the presence of a large amount of hexaferrite phase By contrast in
the route B the largest value of Ms of the sample sintered at 1000 degC does not
imply a larger value of Hc (which is recorded for the sample sintered at 900 degC)
which is most like due to significance differences in particle size between the two
phases Samples with Hc gt 4000 Oe can be considered as materials with hard
magnetic behavior
Therefore it seems in this study a larger amount of the Fe2O3 phase obtained at
lower temperatures contributes to a decrement in the magnetic properties resulting
in semi-hard magnetic behavior while an increment in hard magnetic behavior can
mainly be attributed to a decrement in the amount of the Fe2O3 phase as the
BaFe12O19 phase increases
5 Conclusions
Porous spherical aggregates of barium hexaferrite (BaFe12O19) of approximately
15 microm in diameter and 200 nm pores were obtained by the sol-gel chemical
synthesis method using polystyrene (PS) as the pore-forming agent The
morphology of the spheres resembles a nest or ball-of-yarn type structure in which
the crystals belong to the barium hexaferrite phase as the major phase in
coexistence with the monoferrite (BaFe2O4) and hematite (Fe2O3) phases
However the barium hexaferrite phase is the major phase at the calcination
temperature of 1000 degC The magnetic properties of the spheres indicate that the
samples calcined at 700 degC present semi-hard magnetic behavior suggesting they
would be good candidates for use in biomedical applications
Acknowledgements
We thank to V S Loacutepez Alvarez and A Rodriguez Torres for the technical support STC acknowledges the Consejo Nacional de Ciencia y Tecnologiacutea (CONACYT) by scholarship and CIC-UMSNH for the financial support to this research
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Captions for figures
Figure 1 Flowchart of routes A and B followed for the synthesis of the barium hexaferrite spheres The main difference between the routes is that in route B the polystyrene spheres (PS) were added for generating macropores
Figure 2 XRD spectra of the samples obtained by the route A (A) and the route B (B) at the indicated calcination temperature H = BaFe12O19 O = BaFe2O4 F = Fe2O3 Note that at 1000 degC the phase H is the major both cases
Figure 3 SEM image of the spheres obtained in the synthesis route A The spheres are polycrystalline consisting of elongated crystals and nano-sized mesopores The insert shows a magnified view
Figure 4 SEM image of the spheres obtained in the synthesis route B The spheres are polycrystalline with elongated crystals of micrometer size and with meso- and macro-mesoporous structure The insert shows a magnified view
Figure 5 A) Size distribution of the spheres in samples of route A B) Size distribution of the spheres in samples of route B
Figure 6 Size distribution of the mesopores of the spheres measured by the BJH technique A) Route A 57 plusmn 2 nm B) Route B 12 plusmn 55 nm C) Size distribution of the macropores in the spheres of route B on average they are on the order of 220 plusmn 53 nm
Figure 7 EDS spectra of the spheres obtained in the route A (A) and in the route B (B) The spectra are similar for both routes and correspond to the elements Ba Fe and O
Figure 8 HRTEM images of the crystals of BaFe12O19 that make up the spheres obtained in the routes A (A-B) and B (C-D)
Figure 9 Hysteresis loops registered in the samples obtained by route A (A) and route B (B) at different calcination temperatures Note the difference in the magnetic behavior between the two routes in relation to the calcination temperature reaching higher magnetization values in the case of route B
Captions for table
Table 1
Magnetic properties of the samples calcined at different temperatures according to route A (A) and route B (B) The values were obtained from the hysteresis loops shown in Figure 9
Table 1
Magnetic Properties
Route Calcination temperature (degC)
Ms
(emug)
Mr
(emug)
Hc
(Oe)
A
700 2461 593 24220
800 1728 273 23451
900 2371 910 66740
1000 4467 2412 479012
B
700 1424 379 19465
800 1249 592 463160
900 2826 1527 479146
1000 4511 2410 427750
MORPHOLOGICAL AND MAGNETIC PROPERTIES OF SOL-GEL
SYNTHETIZED MESO AND MACROPOROUS SPHERES OF BARIUM
HEXAFERRITE (BaFe12O19)
S Torres-Cadenasa Joseacute Reyes-Gasgab A Bravo-Patintildeoc I Betancourtd M
E Contreras-Garciacuteaa
HIGHLIGHTS
bull 15 microm porous spheres of BaFe12O19 were synthetized by the sol-gel
method
bull Surfactant Tween20 (C58H114O26) enabled the creation of the mesoporous
structure
bull Polystyrene spheres (PS) were used as the template for the formation of
macropores
bull Spheres resembled a nest or ball-of-yarn type of elongated BaFe12O19
crystals
bull Magnetic properties are evaluated as function of the calcination
temperature
265-RXUQDORI(QJLQHHULQJ265-(1 ZZZLRVUMHQRUJ661H661S9ROVVXH 1RY__9__33
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Publisher Szilikaacutetipari Tudomaacutenyos Egyesuumllet 1034 Budapest Beacutecsi uacutet 122-124 Telephonefax 06-1201-9360 E-mail infoszteorghu WEB wwwszteorghu Editor-in-Chief Dr Borosnyoacutei Adorjaacuten E-mail epitoanyagszteorghu WEB wwwepitoanyagorghu
A c c e p t a n c e o f M a n u s c r i p t
Dear authors
We are happy to inform you that the Editorial Board of eacutepiacutetőanyag ndash Journal of Silicate Based and
Composite Materials has made a decision on the following manuscript
S Torres-Cadenas A Bravo-Patintildeo J Zarate-Medina ME Contreras-Garciacutea
Nest-like BaObull6Fe2O3 microspheres with hierarchical porous structure for drug delivery
Suggestion accepted for publication
Your manuscript is now with the Editorial Office We call your attention that publication of the
paper will be possible after the approval of the final proof of the manuscript
Thank you for submitting your scientific results to eacutepiacutetőanyag ndash Journal of Silicate Based and
Composite Materials We wish further success for your research activities
Budapest 5 January 2017
Dr Borosnyoacutei Adorjaacuten
Editor-in-Chief
- TD STC (2)
- ANEXO 1
- ANEXO 2
- ANEXO 3
-
- Dear authors
-
- Budapest 5 January 2017
-
6
Figura 23 (a) seccioacuten transversal de la estructura de la ferrita tipo M (BaFe12O19) Tomado de
Robert C Pullar [60] 33
Figura 24 Rutas de siacutentesis derivadas del meacutetodo sol-gel Tomado de
httpsstrllnlgovstrMay05Satcherhtml 35
Figura 25 Configuracioacuten del equipo de secado por aspersioacuten (a) secador por aspersioacuten
concurrente misma direccioacuten de flujo y (b) secador por aspersioacuten a contracorriente (c)
Evolucioacuten de la temperatura en el proceso de secado en una gotita liacutequida [Handscomb y cols]
En la separacioacuten y recoleccioacuten del polvo se pueden emplear (d) separadores tipo cicloacuten yo (e)
filtros de bolsa 36
Figura 31 Disentildeo experimental fraccionario 2f Las variables de entrada son la presioacuten (P)
Temperatura (T) y porcentaje de agente poroacutegeno (PS) Las variables de respuesta son la
morfologiacutea y tamantildeo de agregado aacuterea superficial BET volumen de mesoporo y tamantildeo de
macroporo 46
Figura 32 Diagrama de flujo que muestra las etapas principales en el desarrollo experimental en
la siacutentesis de agregados nanoestructurados de BaFe12O19 i) Disentildeo y Siacutentesis ii) Caracterizacioacuten
y iii) pruebas bioloacutegicas 48
Figura 33 Extraccioacuten de ADN plasmiacutedico (a) Pasos generales en la extraccioacuten de ADNp y (b)
procedimiento del Kit Pure YieldTM Plasmid Miniprep System 53
Figura 34 Diagrama de siacutentesis del peacuteptido DS a partir del plaacutesmido pFN21K El Diagrama
incluye los pasos desde la expresioacuten del peacuteptido hasta su deteccioacuten y revelado con luminol en un
anaacutelisis tipo Western 54
Figura 41 Espectro DRX del polvo de las esferas de BaFe12O19 obtenidas despueacutes del proceso
de secado por aspersioacuten y calcinado a diferentes temperaturas Este presenta las fases H =
BaFe12O19 (tarjeta Crystallography Open Database COD 1008841) F = Fe2O3 (tarjeta COD
9015964) 63
Figura 42 Imaacutegen SEM de (a) agregados esfeacutericos de BaFe12O19 antes de ser tratados
teacutermicamente y (b) una amplificacioacuten a 20000 X que muestra un agregado de BaFe12O19 en el
cual pueden ser observadas las esferas de poliestireno (PS) antes de ser eliminadas 64
7
Figura 43 Imaacutegenes de SEM de los agregados de BaFe12O19 y sus correspondientes histogramas
de distribucioacuten de tamantildeo (a) Muestra con 50 de PS bajo condiciones de secado por aspersioacuten
de 200 degC y 20 Kgcm2 y su correspondiente distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula (b) (c) Muestra
con 30 de PS bajo condiciones de secado por aspersioacuten de 180 degC y 15 Kgcm2 y su
correspondiente distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula (d) Las muestras fueron calcinadas a 700
degC 66
Figura 44 (a) Espectro EDS de los agregados de BaFe12O19 el cual indica la presencia de los
elementos Ba Fe y O El C es producido por la cinta doble cara de carbono usada como adhesivo
en soporte (b) Mapeos quiacutemicos de EDS de los agregados de BaFe12O19 Imagen SEM en el
modo de electrones secundarios Las imaacutegenes de Ba (verde) Fe (rojo) y O (azul) indican su
distribucioacuten homogeacutenea y que estos elementos son los uacutenicos presentes en las muestras 67
Figura 45 Imaacutegenes de STEM-ADF de los agregados de BaFe12O19 Las esferas estaacuten
conformadas principalmente por cristales alargados 68
Figura 46 Imaacutegenes de una misma esfera de BaFe12O19 en el modo (a) STEM-ADF y (b) TEM
las cuales permiten comparar el contraste de los cristales que la conforman 68
Figura 47 Imaacutegenes de TEM en campo claro (a y c) y en campo oscuro (b y d) del material que
conforman las esferas despueacutes de haber sido desbaratadas por el tratamiento ultrasoacutenico El
inserto en (b) presenta el patroacuten SAEDP proveniente del material presentado en (a) El inserto en
(d) presenta el patroacuten SAEDP del cristal alargado presentado en (c) 69
Figura 48 Imaacutegenes HRTEM de los cristales que conforman los agregados porosos de
BaFe12O19 (a) y (b) corresponden a cristales individuales de la fase BaFe12O19 (c) Coexistencia
entre las fases BaFe12O19 y BaFe2O4 (d) Coexistencia entre las fases BaFe12O19 y Fe2O3 70
Figura 49 (a) Imagen de HRTEM de uno de los cristales alargados que conforman las esferas de
BaFe12O19 El inserto presenta la correspondiente FFT la cual indica que el eje de zona
corresponde al eje en la direccioacuten [2-110] (b) Imagen digitalmente procesada correspondiente al
aacuterea del recuadro indicado en (a) El filtro usado para el procesamiento es indicado en el inserto
(c) Imagen de HRTEM de otro de los cristales alargados con defectos (d) Imagen digitalmente
procesada del aacuterea indicada en el recuadro en (c) 71
8
Figura 410 Celda unitaria de BaFe12O19 obtenidas usando los valores indicados en [27] y
observada en la direccioacuten [10-10] (a) y en la direccioacuten [21-10] (b) Tambieacuten se presentan las
unidades S y R El plano que contiene a Ba es un plano espejo Ba en verde Fe en amarillo y O
en rojo 72
Figura 411 Simulacioacuten computacional de imaacutegenes de HRTEM en las direcciones [0001] (a)
[10-10] (b) y [2-1-10] (c) Se presenta la proyeccioacuten de la celda BaFe12O19 en las direcciones
indicadas la simulacioacuten de su imagen en el desenfoque de Scherzer y su correspondiente patroacuten
de difraccioacuten del aacuterea selecta simulado Las condiciones de simulacioacuten fueron V = 200 KV
desenfoque de Scherzer en -5485 nm y 4x4x4 celdas Ba en verde Fe en amarillo y O en rojo73
Figura 412 Imagen de HRTEM en la direccioacuten [1-100] de uno de los cristales alargados que
conforman los agregados de BaFe12O19 y la imagen computacionalmente simulada en la misma
direccioacuten En este caso la imagen de HRTEM no presenta defectos Tambieacuten se incluyen las
posiciones de los aacutetomos en la celda unitaria Ba en verde Fe en amarillo y O en rojo 74
Figura 413 Isotermas de adsorcioacutendesorcioacuten BET para (a) muestra con 50 de esferas de PS
bajo condiciones de secado por aspersioacuten de 200 degC y 20 Kgcm2 y (b) muestra con 30 de
esferas de PS bajo condiciones de secado por aspersioacuten de 180 degC y 15 Kgcm2 Las muestras
fueron calcinas a 700 degC 75
Figura 414 Espectro Infrarrojo (IR) que muestra los enlacesgrupos funcionales a nuacutemeros de
onda (cm-1
) especiacuteficos correspondientes al peacuteptido DS-HaloTag libre y los sistemas
nanoestructurados de BaFe12O19 libres y cargados con el peacuteptido 76
Figura 415 Curvas de histeacuteresis de los agregados de BaFe12O19 calcinados a diferentes
temperaturas Los valores de las muestras fueron tomadas a temperatura ambiente y 5000 Oe 77
Figura 416 Extraccioacuten de ADN plasmiacutedico La columna 1 es referida al marcador Kb Plus
DNA Ladder de peso molecular conocido (pares de bases pb) El marcador se compone de 20
bandas de ADN de alta pureza de doble cadena que abarca 100 pb hasta 12000 pb La columna 2
representa el ADNp de la cepa NEB (New England Biolab) T7 DS Ademaacutes puede ser observado
en la columna 2 la presencia de tres bandas a) es referida al ADNp relajado b) describe el ADNp
enrollado y c) explica el ADNp suacuteper-enrrollado 79
Figura 417 Separacioacuten de proteiacutenas por electroforesis en gel SDS-PAGE 80
9
Figura 418 Imaacutegenes del microscopio oacuteptico en las cuales se puede observar la expresioacuten de un
gen reportero indicando las ceacutelulas CHO han sido transfectadas 81
Figura 419 Anaacutelisis tipo Western blot La proteiacutena de intereacutes DS-HaloTag aparece a una altura
de 61 ~KDa 82
Figura 420 Histograma de distribucioacuten de aminoaacutecidos 83
Figura 421 Interaccioacuten BaFe12O19-DS-HaloTag La disminucioacuten en los valores de DO a medida
que el tiempo transcurre indica la absorcioacuten del peacuteptido por los agregados de BaFe12O19 85
Figura 422 Anaacutelisis visual SDS-PAGE de la interaccioacuten BaFe12O19-DS-HaloTag que muestra
coacutemo disminuye la cantidad de proteiacutena libre en el medio 86
Figura 423 Carga superficial (mV) en funcioacuten del pH para el peacuteptido DS-HaloTag y los
sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 87
Figura 424 Modelo propuesto para las posibles interacciones BaFe12O19-DS-HaloTag 88
Figura 425 Perfiles de liberacioacuten del peacuteptido DS 89
IacuteNDICE DE TABLAS
Tabla 3I Factores a evaluar en el disentildeo experimental A) Presioacuten (P) B) Temperatura (T) y C)
Concentracioacuten de poliestireno usado como agente poroacutegeno (PS) Cada uno de los paraacutemetros
presenta un nivel bajo (-) y un nivel alto (+) 46
Tabla 3II Matriz del disentildeo experimental 47
Tabla 4I Variables de respuesta (oslashagregado SBET Vmesoporo oslashmacroporo) del disentildeo experimental
fraccionario 2f como resultado del efecto de los factores P T y PS 61
Tabla 4II Anaacutelisis de variancia ANOVA 62
Tabla 4III Propiedades magneacuteticas de los agregados porosos de hexaferrita de bario 78
Tabla 4IV Informacioacuten de secuencia 82
Tabla 4V Tabla de distribucioacuten de aminoaacutecidos 83
10
RESUMEN
Hoy en diacutea existe una gran variedad de formulaciones para la siacutentesis de materiales
nanoestructurados a base de oacutexido de hierro para aplicaciones biomeacutedicas El objetivo del
presente trabajo fue disentildear y sintetizar agregados nanoestructurados de hexaferrita de bario
(BaFe12O19) de tamantildeo micromeacutetrico con jerarquiacutea meso-macroporosa usando el meacutetodo sol-gel
y secado por aspersioacuten Usando un disentildeo experimental factorial 2f se evaluaron la concentracioacuten
( peso) de agente poroacutegeno y los paraacutemetros de temperatura (T) y presioacuten (P) en el proceso de
secado por aspersioacuten para determinar el efecto de estas variables sobre el tamantildeo de agregado de
BaFe12O19 y el tamantildeo de macroporo A parir de teacutecnicas de caracterizacioacuten tales como XRD
SEM y TEM se determinoacute la estructura morfologiacutea y composicioacuten de los polvos de BaFe12O19
Se obtuvieron agregados esfeacutericos de 17 μm de diaacutemetro con una estructura meso-macroporosa
determinada a partir de SEM y BET El tamantildeo de macroporo fue de aproximadamente 223 nm y
el tamantildeo de mesoporo varioacute entre 34 nm y 12 nm Asiacute mismo mediante VSM se obtuvieron
curvas de histeacuteresis a partir de las cuales se determinoacute las propiedades magneacuteticas de los
agregados de BaFe12O19 A una temperatura de calcinacioacuten de 700 degC se obtuvo un material con
comportamiento semiduro cuyos valores de magnetizacioacuten de saturacioacuten y campo coercitivo
fueron Ms = 1424 emug y Hc = 19465 Oe respectivamente Finalmente los agregados de
BaFe12O19 fueron probados como portadores de moleacuteculas con actividad bioloacutegica para ello se
usoacute el peacuteptido DS como faacutermaco modelo sintetizado a partir de los plaacutesmidos pF1A T7 Flexireg y
pFN21K a partir de la cepa T7 de Escherichia coli Se determinoacute la capacidad de carga y perfil de
liberacioacuten del peacuteptido DS mediante las teacutecnicas de SDS-PAGE FTIR anaacutelisis tipo Wester blot y
UV-vis El porcentaje de absorcioacuten del peacuteptido DS por los agregados nanoestructurados de
BaFe12O19 fue de 875 Por lo tanto los agregados esfeacutericos nanoestructurados con jerarquiacutea
meso-macroporosa obtenidos en el presente trabajo de investigacioacuten pueden ser considerados
como candidatos para ser aplicados en el aacuterea biomeacutedica como sistemas de liberacioacuten de faacutermaco
Palabras clave BaFe12O19 sistemas nanoestructurados macro-mesoporosidad meacutetodo sol-gel
secado por aspersioacuten disentildeo experimental
11
ABSTRACT
Nowadays there is a great variety of formulations for the synthesis of nanostructured materials
based on iron oxide with biomedical applications The aim of the present work was to design and
synthesize nanostructured macro-mesoporous hierarchical spherical aggregates of barium
hexagonal ferrite BaFe12O19 using the sol-gel method through molecular self-assembly and spray-
drying Therefore using a 2f
factorial experimental design the concentration (wt) of template
and the parameters of temperature (T) and pressure (P) in the spray drying process were
evaluated to determine the effect of these variables on the aggregate size of BaFe12O19 and the
size of macropore Characterization techniques such as XRD SEM and TEM determined the
structure morphology and composition of the BaFe12O19 powders obtained after the spray-drying
process Spherical aggregates of 17 μm were obtained with a meso-macroporous structure
determined from SEM and BET The macropore size was about 223 nm and the mesopore size
varied between 34 nm and 12 nm Hysteresis loops were obtained from VSM technique and the
magnetic properties of BaFe12O19 aggregates were determined At a calcination temperature of
700 deg C a material with semi-hard behavior was obtained whose saturation magnetization and
coercive field values were Ms = 1424 emug and Hc = 19465 Oe respectively Finally the
BaFe12O19 aggregates were tested as carriers of biologically active molecules For this purpose
the peptide DS (Hairless suppressor binding domain [Su (H)] was used as the template drug
synthesized from the plasmids pF1A T7 Flexireg and pFN21K from the T7 strain of Escherichia
coli The loading capacity and release profile of the DS peptide was determined by the SDS-
PAGE FTIR Wester blot and UV-vis techniques Absorption performance of DS peptide by the
nanostructured aggregates of BaFe12O19 was 875Therefore the nanostructured macro-
mesoporous hierarchical spherical aggregates of barium hexagonal ferrite BaFe12O19 obtained in
the present research can be considered as candidates to be applied in the biomedical area as drug
delivery systems
12
CAPIacuteTULO 1
INTRODUCCIOacuteN
13
CAPIacuteTULO 1 INTRODUCCIOacuteN
La nanotecnologiacutea es un campo cientiacutefico multidisciplinario que aplica los principios de
ingenieriacutea y fabricacioacuten para el disentildeo siacutentesis caracterizacioacuten y aplicacioacuten de materiales a
escala nanomeacutetrica En las uacuteltimas deacutecadas la nanotecnologiacutea se ha desarrollado en diversas
aacutereas de investigacioacuten abarcando las matemaacuteticas quiacutemica fiacutesica biologiacutea electroacutenica
ingenieriacutea biomeacutedica y ciencia de materiales entre otras
Dentro del sector biomeacutedico una gran variedad de materiales orgaacutenicos e inorgaacutenicos tales como
micelas poliacutemeros liposomas lipoproteiacutenas dendriacutemeros y nanopartiacuteculas magneacuteticas han sido
investigados ampliamente para diferentes aplicaciones incluyendo terapia celular reparacioacuten de
tejidos imagen de resonancia magneacutetica hipertermia marcadores bioloacutegicos y como sistemas de
liberacioacuten de faacutermacos (DDS) Sin duda las partiacuteculas magneacuteticas son los materiales maacutes
prominentes usados como DDS debido a sus propiedades fiacutesicas quiacutemicas teacutermicas mecaacutenicas y
magneacuteticas que las hacen herramientas ideales para ser usadas en las aplicaciones antes
mencionadas Como plataformas para la liberacioacuten de faacutermacos estos sistemas pueden ofrecer
muchas ventajas por ejemplo (i) se estabilizan sin alterar la actividad farmacoloacutegica del
medicamento (ii) previenen la degradacioacuten metaboacutelica prematura en la circulacioacuten sisteacutemica o
interaccioacuten con el ambiente bioloacutegico de manera que alcance el objetivo pretendido en su estado
priacutestino (iii) liberan el medicamento en el sitio o tumor deseado y (iv) presentan una toxicidad
menor o similar que la del faacutermaco libre
Recientemente un gran nuacutemero de faacutermacos macromoleculares tales como peacuteptidos proteiacutenas y
aacutecidos nucleicos han sido descubiertos Sin embargo estos faacutermacos muestran pobre estabilidad
en la mayoriacutea de los ambientes bioloacutegicos y pobre penetracioacuten a traveacutes de la barrera
hematoencefaacutelica lo cual limita su administracioacuten a traveacutes de rutas parentales Ademaacutes cuando
estos faacutermacos son administrados parentalmente estaacuten expuestos a la degradacioacuten quiacutemico-
enzimaacutetica antes de alcanzar su sitio de destino debido a su estabilidad limitada y corta vida
media Por lo tanto una gran cantidad de trabajos se ha enfocado al desarrollo de sistemas DDS
para proporcionan una manera maacutes efectiva de liberar y proteger los peacuteptidos y proteiacutenas
14
Existen numerosos meacutetodos (i) fiacutesicos (ii) quiacutemicos (iii) bioloacutegicos e (hiacutebridos) para la siacutentesis
de nanopartiacuteculas El meacutetodo de preparacioacuten de los nanomateriales determinaraacute el tamantildeo y
distribucioacuten de las partiacuteculas su morfologiacutea quiacutemica superficial y consecuentemente sus
propiedades magneacuteticas
En esta investigacioacuten agregados esfeacutericos nanoestructurados de hexaferrita de bario (BaFe12O19)
de tamantildeo micromeacutetrico con jerarquiacutea macro-mesoporosa fueron sintetizados usando el meacutetodo
quiacutemico huacutemedo sol-gel mediante autoensamble molecular y secado por aspersioacuten aplicando un
disentildeo experimental factorial 2f En el procesamiento de los materiales dirigidos a una aplicacioacuten
especiacutefica una informacioacuten detallada sobre las caracteriacutesticas del material es requerida para
alcanzar el objetivo deseado Asiacute los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 se caracterizaron
mediante difraccioacuten de rayos x (XRD por sus siglas en ingleacutes) microscopiacutea electroacutenica de
barrido (SEM por sus siglas en ingleacutes) microscopiacutea electroacutenica de transmisioacuten (TEM por sus
siglas en ingleacutes) aacuterea superficial especiacutefica BET espectroscopiacutea infrarroja por transformada de
Fourier (FTIR por sus siglas en ingleacutes) y por magnetoacutemetro de muestra vibrante (VSM por sus
siglas en ingleacutes) para la determinacioacuten de las propiedades magneacuteticas
Finalmente los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 se evaluaron como portadores de
moleacuteculas bioloacutegicas El peacuteptido DS (Dominio de unioacuten a supresor de Hairless [Su(H)] se usoacute
como faacutermaco modelo para evaluar la capacidad de carga de los sistemas nanoestructurados de
BaFe12O19 como DDS Despueacutes de ser cargados los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 con
el peacuteptido se llevaron a cabo los estudios de liberacioacuten El peacuteptido DS se sintetizoacute a partir de los
plaacutesmidos pF1A T7 Flexireg pFN21K y pFN18K empleando la cepa T7 Express Iq Competent
XL-1 blue (T7) de Escherichia coli A su vez isopropil-β-D-1-tiogalactopiranoacutediso (IPTG) se
usoacute para inducir la produccioacuten del peacuteptido El IPTG es una moleacutecula de uso comuacuten en biologiacutea
molecular Se usa como un anaacutelogo no hidrolizable de la alolactosa un metabolito de la lactosa
que desencadena la transcripcioacuten del operoacuten lac y por lo tanto se usa para inducir la expresioacuten de
proteiacutenas cuando el gen estaacute bajo el control del operoacuten lac
15
11 OBJETIVOS
111 Objetivo General
Disentildear sintetizar y caracterizar sistemas nanoparticulados de hexaferrita de bario (BaFe12O19)
conformados en agregados micromeacutetricos con jerarquiacutea macro-mesoporosa a partir de un disentildeo
experimental factorial fraccionario 2f usando el meacutetodo quiacutemico sol-gel con autoensamble
molecular asistido por surfactante Tween 20 y esferas de poliestireno usadas como agente
poroacutegeno y mediante secado por aspersioacuten para ser usados como portadores de moleacuteculas con
actividad bioloacutegica
112 Objetivos Especiacuteficos
- Evaluar la concentracioacuten ( peso) de agente poroacutegeno y los paraacutemetros de temperatura
(T) y presioacuten (P) en el proceso de secado por aspersioacuten para determinar el efecto de estas
variables sobre el tamantildeo de agregado de BaFe12O19 y el tamantildeo de macroporo
- Sintetizar sistemas de BaFe12O19 mediante el meacutetodo quiacutemico sol-gel asistido por Tween
20 y esferas de poliestireno para producir agregados esfeacutericos nanoestructurados de
tamantildeo micromeacutetrico con jerarquiacutea macro-mesoporosa
-
- Caracterizar estructural morfoloacutegica y fisicoquiacutemicamente los sistemas nanoparticulados
de BaFe12O19 mediante teacutecnicas de XRD SEM TEM BET FTIR y VSM para
proporcionar los detalles necesarios respecto a las propiedades fiacutesicas quiacutemicas y
magneacuteticas de los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19
16
- Sintetizar y caracterizar el peacuteptido DS a partir de los plaacutesmidos pF1A T7 Flexireg
pFN21K y pFN18K empleando la cepa T7 de Escherichia coli el cual seraacute utilizado
como faacutermaco modelo
- Determinar las propiedades magneacuteticas de los sistemas nanoparticulados de BaFe12O19
incluyendo su magnetizacioacuten magneacutetica (Ms) remanencia magneacutetica (Mr) y coercitividad
(Hc) para ser explotadas en la entrega y direccionamiento del peacuteptido DS
- Determinar la carga superficial de los sistemas nanoparticulados de BaFe12O19 para
permitir una mejora en el rendimiento de adsorcioacuten del peacuteptido DS
-
- Determinar la capacidad de carga de los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 y
evaluar el perfil de liberacioacuten del peacuteptido DS para evaluar los sistemas de BaFe12O19
como candidatos para sistemas de liberacioacuten de faacutermaco
17
12 HIPOacuteTESIS
La obtencioacuten de agregados esfeacutericos de nanopartiacuteculas superparamagneacuteticas con nanoestructura y
macroporosidad disentildeada obtenidas utilizando teacutecnicas de autoensamblaje molecular con agentes
poroacutegenos y mediante secado por aspersioacuten permitiraacute la obtencioacuten de un portador de moleacuteculas
con actividad bioloacutegica maacutes viable que tenga un mejor desempentildeo en cuanto a la adsorcioacuten de
ciertas moleacuteculas bioloacutegicas sin perder las propiedades superparamagneacuteticas caracteriacutesticas de las
nanopartiacuteculas
18
13 JUSTIFICACIOacuteN
A pesar de los avances significativos en el diagnoacutestico y tratamiento del caacutencer eacutesta es una de las
enfermedades maacutes devastadoras que amenazan con la salud humana y es la segunda causa maacutes
comuacuten de mortalidad Actualmente la cirugiacutea radioterapia quimioterapia e inmunoterapia son
los meacutetodos de tratamiento maacutes utilizados sin embargo ninguno de estos meacutetodos ofrece una
verdadera recuperacioacuten total En muchos casos la erradicacioacuten quiruacutergica o tratamiento por
radiacioacuten no son factibles
Por otra parte el mayor problema de la quimioterapia es la limitada eficacia de los agentes
quimioterapeacuteuticos y su falta de especificidad a las ceacutelulas tumorales asiacute como a las altas
concentraciones de faacutermaco utilizadas Para superar este problema altas concentraciones o
frecuencias de dosificacioacuten de los agentes quimioterapeacuteuticos son requeridas resultando asiacute en
efectos secundarios severos no deseados debido a la alta citotoxicidad del faacutermaco Por lo tanto
surge la necesidad de desarrollar meacutetodos eficaces de administracioacuten de faacutermacos capaces de
mantener los niveles del faacutermaco en una concentracioacuten estrecha necesaria para evitar toxicidad
Ademaacutes de dirigir el medicamento a las ceacutelulas cancerosas mientras se reducen los efectos
secundarios en la mayor medida posible Esta necesidad se ve reflejada en coacutemo ha ido
incrementando gradualmente el nuacutemero de publicaciones a lo largo de los antildeos ya que la
tecnologiacutea basada en sistemas de liberacioacuten de faacutermaco (DDS) ha progresado en las uacuteltimas
deacutecadas Por ejemplo la revista Journal of Controlled Released (JCR) ha recibido
sustancialmente maacutes artiacuteculos de lo que publica (Fig 11)
Figura 11 Nuacutemero de artiacuteculos publicados anualmente en la revista Journal of Controlled Released desde 1984
19
Una amplia variedad de biomateriales compuestos de diversas formulaciones han sido usados
como DDS No obstante en las uacuteltimas dos deacutecadas las nanopartiacuteculas magneacuteticas han atraiacutedo
mucha atencioacuten como DDS [12] ademaacutes de otras aplicaciones tales como imagen de resonancia
magneacutetica (MRI) [34] reparacioacuten de tejidos [56] hipertermia magneacutetica [78] e inmunoensayos
[9] debido a su biocompatibilidad faacutecil modificacioacuten superficial y sus propiedades fiacutesicas
quiacutemicas y magneacuteticas uacutenicas Una de las caracteriacutesticas maacutes importantes de las nanopartiacuteculas
magneacuteticas es su comportamiento superparamagneacutetico donde la energiacutea teacutermica es
suficientemente fuerte para cambiar la direccioacuten de la magnetizacioacuten [10] por ejemplo las
fluctuaciones teacutermicas desmagnetizan espontaacuteneamente un ensamble previamente saturado
Como resultado de esta propiedad las partiacuteculas magneacuteticas muestran un potencial para mejorar
las caracteriacutesticas de contraste en MRI DDS e hipertermia Ademaacutes el comportamiento
superparamagneacutetico permite la manipulacioacuten de las partiacuteculas en presencia de un campo
magneacutetico externo Asiacute un sistema DDS puede ser guiado magneacuteticamente hasta el sitio de
accioacuten en el cual el faacutermaco seraacute liberado reduciendo de esta manera la concentracioacuten del
faacutermaco y su frecuencia de dosificacioacuten para evitar efectos secundarios no deseados Ademaacutes
Una vez eliminando el campo magneacutetico las nanopartiacuteculas magneacuteticas no muestran una
interaccioacuten magneacutetica ya que no retienen magnetismo [11] Por lo tanto la ausencia de
coercitividad prevendraacute la agregacioacuten potencial de las partiacuteculas que pudieran faacutecilmente causar
la formacioacuten de embolismo en los vasos sanguiacuteneos [12]
Maacutes auacuten los sistemas micromeacutetricos nanoestructurados permiten la preservacioacuten de las
propiedades a escala nanomeacutetrica pero con partiacuteculas a escala micromeacutetriacuteca Esto es importante
debido a que las partiacuteculas de tamantildeo micromeacutetrico son maacutes faacuteciles de manejar que las partiacuteculas
nanomeacutetricas Ademaacutes una jerarquiacutea macro-mesoporosa presentan una arquitectura que exhiben
alta aacuterea superficial baja densidad y buena estabilidad fisicoquiacutemica [13] Asiacute mismo la
estructura jeraacuterquica juega un papel importante en muchas de las propiedades y aplicaciones
funcionales del material [14] por ejemplo los materiales macro-mesoporosos muestran un
incremento considerable en la capacidad de carga de un faacutermaco En los materiales macro-
mesoporosos los macroporos proporcionan una interconectividad que mejora la difusioacuten o flujo
20
de fluidos Mientras que los mesoporos aumentan considerablemente el aacuterea superficial
especiacutefica y por lo tanto tienen una mayor capacidad para que las moleacuteculas puedan ser
adsorbidas [15] Por otra parte la morfologiacutea de las partiacuteculas juega un papel importante en el
tiempo de circulacioacuten en el torrente sanguiacuteneo Ademaacutes una morfologiacutea esfeacuterica es de
importancia praacutectica ya que en general eacutesta presenta mejores propiedades reoloacutegicas comparado
con otras morfologiacuteas Una gran variedad de meacutetodos han sido estudiados para la siacutentesis de
sistemas nanoestructurados dirigidos a aplicaciones biomeacutedicas La Fig 12 muestra las tres rutas
de siacutentesis maacutes importantes Sin duda los meacutetodos de siacutentesis quiacutemica huacutemeda principalmente el
meacutetodo sol-gel es el meacutetodo fundamental maacutes empleado en la siacutentesis de materiales para
aplicaciones biomeacutedicas debido a sus muchas ventajas i) los precursores pueden mezclarse a
nivel molecular lo cual permite la formacioacuten de soluciones soacutelidas del material a temperaturas de
procesamiento relativamente bajas cuando se compara con los meacutetodos tradicionales ii) es un
meacutetodo faacutecil sencillo y versaacutetil iii) permite un control quiacutemico y estructural es decir la
nucleacioacuten y crecimiento de las partiacuteculas coloidales primarias puede ser controlada para dar
partiacuteculas con tamantildeo y forma deseada ademaacutes de la composicioacuten quiacutemica deseada iv) los
materiales sintetizados a partir de este meacutetodo son obtenidos con una alta pureza
Figura 12 Meacutetodos de siacutentesis de los sistemas nanoestructurados dirigidos a aplicaciones biomeacutedicas Las tres rutas
principales incluyen meacutetodos quiacutemicos fiacutesicos y bioloacutegicos Fuente Instituto de Informacioacuten Cientiacutefica Modificado
de M Mahmoudi [16]
21
CAPIacuteTULO 2
REVISIOacuteN DEL ESTADO DEL ARTE
22
CAPIacuteTULO 2 REVISIOacuteN DEL ESTADO DEL ARTE
En el presente capiacutetulo se aborda coacutemo la nanotecnologiacutea ha revolucionado los diferentes
aspectos de la investigacioacuten cientiacutefica y tecnologiacutea en diversos campos tales como la electroacutenica
semiconductores quiacutemica fiacutesica ciencia de los materiales bioingenieriacutea medicina etc [17-27]
En las uacuteltimas deacutecadas la nanotecnologiacutea ha contribuido a avances significativos en el desarrollo
de los biomateriales y el aacuterea de la medicina a traveacutes de la terapia y diagnoacutestico cliacutenico para el
tratamiento de diversos tipos de caacutencer mediante el disentildeo e ingenieriacutea de materiales
nanoestructurados capaces de interactuar con los sistemas bioloacutegicos a escala molecular Las
aplicaciones maacutes prominentes de estos nanodispositivos incluyen terapia geacutenica MRI [28-30]
hipertermia [31-33] sistemas de liberacioacuten de faacutermacos (DDS) [3535] Una gran variedad de
materiales orgaacutenicos e inorgaacutenicos han sido investigados como sistemas DDS Sin embargo los
materiales magneacuteticos nanoestructurados de oacutexido de hierro son considerados los materiales maacutes
prominentes debido a sus caracteriacutesticas uacutenicas tales como biocompatibilidad alta aacuterea
superficial y comportamiento superparamagneacutetico lo que los hace una herramienta ideal para las
aplicaciones antes mencionas [36]
21 BIOMATERIALES
Un biomaterial puede ser definido como cualquier material natural o sinteacutetico usado para la
fabricacioacuten de dispositivos que reemplacen una parte de un sistema vivo o bien que realice una
funcioacuten en contacto iacutentimo con el tejido vivo de una manera segura confiable y fisioloacutegicamente
aceptable [37] Por lo tanto un biomaterial tiene que presentar propiedades compatibles con el
tejido a interactuar para obtener el efecto deseado El Consejo Asesor para Biomateriales de la
Universidad de Clemson ha definido formalmente un biomaterial como una sustancia de
actividad sisteacutemica y farmacoloacutegicamente inerte para su implantacioacuten o incorporacioacuten dentro o
con el sistema vivo
23
Debido a que los biomateriales tienen como objetivo interactuar con los tejidos o fluidos
bioloacutegicos del cuerpo humano es fundamental que estos cumplan con ciertos requisitos para
evitar inducir cambios o provocar reacciones no deseadas en el cuerpo humano Un requisito
fundamental es la biocompatibilidad la cual se refiere a la capacidad del material para realizar
con eficiencia una respuesta apropiada en el hueacutesped en una aplicacioacuten deseada es decir el
material y el entorno de los tejidos deben coexistir sin tener ninguacuten efecto no deseado o
inapropiado entre ellos [36] Otras caracteriacutesticas importantes son su baja toxicidad estabilidad
quiacutemica densidad y peso adecuado ademaacutes es deseable que sean econoacutemicos
211 Aplicaciones
En las uacuteltimas deacutecadas la siacutentesis y aplicacioacuten de biomateriales ha llegado a ser una de las aacutereas
de investigacioacuten maacutes activa y prometedora posicionada en la interseccioacuten de la quiacutemica ciencia
de los materiales bioingenieriacutea y la medicina
Una de las aplicaciones de los biomateriales que ha atraiacutedo cada vez maacutes la atencioacuten de los
cientiacuteficos es su uso como sistemas de liberacioacuten de faacutermaco Una gran variedad de materiales
han sido estudiados para esta aplicacioacuten por ejemplo dendriacutemeros micelas emulsiones
liposomas y sistemas nanoestructurados Especialmente las nanopartiacuteculas magneacuteticas a base de
hierro han sido de gran intereacutes debido a las oportunidades en la terapia de caacutencer y el tratamiento
de otras enfermedades Su potencial deriva de las propiedades intriacutensecas de sus nuacutecleos
magneacuteticos combinados con la capacidad de carga del faacutermaco y las propiedades bioquiacutemicas que
pueden ser adquiridas mediante su recubrimiento adecuado Ademaacutes las nanopartiacuteculas pueden
actuar a nivel tisular o celular lo cual implica que pueden ser endocitadas o fagocitadas
resultando en su internalizacioacuten En eacuteste proceso las nanopartiacuteculas pueden llegar maacutes allaacute de la
membrana citoplasmaacutetica
24
Entre las aplicaciones maacutes usadas de las nanopartiacuteculas como biomateriales se encuentran la
imagen de resonancia magneacutetica hipertermia y sistemas de liberacioacuten de faacutermacos las cuales se
explican a continuacioacuten
a Imagen de resonancia magneacutetica
Los avances en el desarrollo de nuevas estrategias y tecnologiacuteas para tratamiento y evaluacioacuten
precliacutenica de caacutencer mediante el uso de faacutermacos antitumorales destacan la creciente necesidad
de una evaluacioacuten a tratamientos tumorales in vivo mediante el uso de biomarcadores de imagen
La imagen de resonancia magneacutetica (MRI) se ha establecido como la herramienta principal en el
monitoreo in vivo de cambios morfoloacutegicos funcionales y metaboacutelicos en tumores soacutelidos debido
a su excelente contraste en tejidos blandos excelente resolucioacuten espacial y naturaleza no-
invasiva MRI es una teacutecnica que usa el magnetismo y pulso por radiofrecuencia (RF) para
producir imaacutegenes de tejidos u oacuterganos compuestos de elementos sensibles a la resonancia
magneacutetica tales como hidroacutegeno (H) La MRI se basa en los principios de la resonancia
magneacutetica nuclear El cuerpo bioloacutegico se compone de numerosos protones contenidos en el
nuacutecleo del H los cuales giran en sus ejes con la llamada frecuencia de Larmor produciendo un
campo magneacutetico representado por el momento o vector magneacutetico Una gran cantidad de
protones en el cuerpo resultaraacute en un vector magneacutetico neto que se alinea con el campo
magneacutetico externo o paralelo al eje longitudinal del magneto Esta alineacioacuten de protones es
llamada magnetizacioacuten longitudinal Cuando la magnetizacioacuten longitudinal se inclina
transversalmente debido a un impulso de RF se induce una corriente eleacutectrica o sentildeal de
resonancia magneacutetica que puede ser recibida por una bobina de RF En esencia la MRI se lleva a
cabo aplicando de manera alterna pulsos de RF al tejido bioloacutegico La Aplicacioacuten de pulsos de
RF en cierto tiempo de repeticioacuten (TR) y las sentildeales recibidas en un tiempo predefinido o tiempo
de repeticioacuten (TE) produce el contraste en las imaacutegenes de MRI Tales sentildeales de resonancia
magneacutetica son entonces codificadas en fase y frecuencia a imaacutegenes de resonancia magneacutetica por
la teacutecnica de transformada de Fourier
25
b Hipertermia
La hipertermia implica el tratamiento de ceacutelulas canceriacutegenas a traveacutes de la generacioacuten de calor
[38] Este enfoque involucra el aumento de la temperatura del ambiente local del tumor
resultando en un cambio en la fisiologiacutea de las ceacutelulas enfermas llevaacutendolas finalmente a la
apoptosis Dependiendo del grado en el aumento de la temperatura el tratamiento por hipertermia
puede ser clasificado como i) ablacioacuten teacutermica [39] en el cual el tumor es sometido a altas
temperaturas de calor mayores a 46 degC pudiendo llegar a los 56 degC causando que las ceacutelulas
experimenten necrosis coagulacioacuten o carbonizacioacuten ii) Hipertermia moderada [39] con
temperaturas entre 41 degC y 46 degC tiene efectos tanto a nivel celular como tisular las ceacutelulas
experimentan estreacutes teacutermico resultando en la activacioacuten yo iniciacioacuten de muchos mecanismos de
degradacioacuten intra- y extracelular tal como la degradacioacuten o pliegue iii) Diatermia [39] implica
temperaturas menores a 41 degC para el tratamiento de enfermedades reumaacuteticas en la fisioterapia
c Sistemas de liberacioacuten de faacutermaco
Los sistemas de liberacioacuten de faacutermaco tienen como objetivo la entrega y liberacioacuten de faacutermacos
a sitios de accioacuten especiacuteficos manteniendo la concentracioacuten del faacutermaco a un nivel terapeacuteutico
adecuado durante un periacuteodo de tiempo determinado Es decir un sistema ideal para la liberacioacuten
de faacutermacos debe ser capaz de controlar la liberacioacuten y focalizacioacuten del faacutermaco para garantizar
una alta eficiencia del faacutermaco a la vez que se disminuyen los efectos secundarios causados por
los faacutermacos anticanceriacutegenos que no uacutenicamente actuacutean sobre las ceacutelulas cancerosas sino
ademaacutes sobre las ceacutelulas sanas Un sistema nanoestructurado para la liberacioacuten de faacutermacos
puede penetrar en el cuerpo ya que su tamantildeo le permite ser administrado viacutea intravenosa o a
traveacutes de otras rutas de administracioacuten Ademaacutes los sistemas de liberacioacuten de faacutermaco deben
permanecer estables tanto fiacutesica como quiacutemicamente antes de llegar a su destino
26
22 SISTEMAS DE LIBERACIOacuteN DE FAacuteRMACO
En la Fig 21 se presentan los diferentes tipos de sistemas nanoparticulados empleados en la
liberacioacuten de faacutermacos los cuales se describen brevemente
Figura 21 Categoriacuteas esenciales de los materiales usados como DDS i) Materiales orgaacutenicos dendriacutemeros
micelas liposomas i) Materiales inorgaacutenicos nanopartiacuteculas de oro sistemas nanoestructurados a base de oacutexido de
hierro quantum dots (Modificado de Grumezescu [40] y Riggio [45])
221 Liposomas
Los liposomas tienen una larga historia como sistemas de liberacioacuten de faacutermaco debido a su faacutecil
preparacioacuten baja toxicidad y biodegradabilidad [4142] Los liposomas son estructuras
coloidales autoensambladas compuestas de bicapas lipiacutedicas que rodean un compartimiento
27
acuoso y puede encapsular una amplia variedad de faacutermacos quimioterapeacuteuticos ya sean
hidroacutefilos o hidroacutefobos [4344] Los liposomas se pueden clasificar como liposomas de primera
generacioacuten o liposomas desnudos con una superficie de fosfoliacutepido no modificado de segunda
generacioacuten o liposomas furtivos con una capa de carbohidratos o poliacutemeros hidroacutefilos
generalmente de PEG en la superficie de las vesiacuteculas y liposomas de tercera generacioacuten que
incorporan ligandos superficiales para mejorar el iacutendice terapeacuteutico del faacutermaco mediante el
aumento de la selectividad y la especificidad del complejo En la Fig 21 se representa
esquemaacuteticamente la estructura de los liposomas
222 Nanopartiacuteculas polimeacutericas
Las nanopartiacuteculas polimeacutericas (Fig 21) son portadores que van de 10 a 100 nm conformados
de poliacutemeros naturales o artificiales generalmente biodegradables donde los faacutermacos
terapeacuteuticos puede ser adsorbidos disueltos atrapados encapsulados o enlazados
covalentemente a la cadena principal del poliacutemero por medio de un enlace sencillo eacutester o amida
que se pueden hidrolizar in vivo a traveacutes de un cambio de pH
Los poliacutemeros sinteacuteticos que incluyen al aacutecido polilaacutectico (PLA) [46] aacutecido poliglicoacutelico (PGA)
[47] poli etilenglicol (PEG) [48] y sus copoliacutemeros han sido los maacutes ampliamente investigados
debido a su biocompatibilidad y biodegradabilidad Otros poliacutemeros naturales como el quitosano
y alginato han sido ampliamente probados [49]
223 Micelas
Las micelas son portadores esfeacutericos biodegradables con un intervalo de tamantildeo de 10-200 nm
Eacutestas son formadas por autoensamblaje de bloques de copoliacutemeros compuestos de dos o maacutes
cadenas de poliacutemeros con diferente hidrofobicidad Estos copoliacutemeros espontaacuteneamente se
28
ensamblan para formar una estructura de nuacutecleo-coraza en un medio acuoso para minimizar la
energiacutea libre del sistema (Fig 21) Los segmentos hidroacutefobos forman el nuacutecleo interior
hidroacutefobo para minimizar su exposicioacuten al medio ambiente mientras que las cadenas hidroacutefilas
forman la coraza hidroacutefila externa para estabilizar el nuacutecleo a traveacutes del contacto directo con el
agua [50]
224 Dendriacutemeros
Los dendriacutemeros son macromoleacuteculas altamente ramificadas esfeacutericas y sinteacuteticas con tamantildeo y
forma ajustable Contienen muacuteltiples capas con grupos terminales activos tambieacuten conocidos
como generaciones que se extienden hacia fuera desde un nuacutecleo iniciador llamado generacioacuten
cero (Fig 21) El tamantildeo de los dendriacutemeros estaacute generalmente en el rango de 1-15 nmLas
ramificaciones de estos poliacutemeros proporcionan un aacuterea superficial grande para que moleacuteculas
yo medicamentos quimioterapeacuteuticos puedan ser unidos a traveacutes de la conjugacioacuten covalente o
adsorcioacuten electrostaacutetica Alternativamente los agentes terapeacuteuticos se pueden cargar en las
cavidades de las regiones centrales a traveacutes de interaccioacuten hidrofoacutebica enlaces de hidroacutegeno o
enlace quiacutemico Los dendriacutemeros maacutes comuacutenmente estudiados pertenecen a la familia de los
dendriacutemeros PAMAM (poliamidoamina) Estos poliacutemeros han mostrado un gran potencial para la
liberacioacuten de medicamentos ya que son biodegradables y biocompatibles y tienen alta
solubilidad en agua [51]
225 Nanopartiacuteculas Magneacuteticas
La liberacioacuten controlada de faacutermacos con materiales funcionales nanoestructurados
especialmente las nanopartiacuteculas magneacuteticas estaacute atrayendo cada vez maacutes la atencioacuten debido a
las oportunidades en la terapia de caacutencer y el tratamiento de otras enfermedades El potencial de
las nanopartiacuteculas magneacuteticas deriva de las propiedades intriacutensecas de sus nuacutecleos magneacuteticos
combinados con su capacidad de carga del medicamento y las propiedades bioquiacutemicas que
pueden ser otorgados a estas por medio de un recubrimiento adecuado
29
23 CLASIFICACIOacuteN DE LOS MATERIALES MAGNEacuteTICOS
Desde el punto de vista del comportamiento magneacutetico podemos clasificar los materiales en
diamagneacuteticos paramagneacuteticos ferromagneacuteticos antiferromagneacuteticos ferrimagneacuteticos (Fig 22)
Figura 22 (a) Clasificacioacuten de los materiales seguacuten su comportamiento magneacutetico paramagneacuteticos
ferromagneacuteticos antiferromagneacuteticos y ferrimagneacuteticos (b) Los materiales superparamagneacuteticos son observados en
los nanomateriales ferro- y ferrimagneacuteticos que se componen de un soacutelo dominio magneacutetico
231 Diamagnetismo
El diamagnetismo se basa en la interaccioacuten entre el campo aplicado y los electrones moacuteviles del
material [52] El diamagnetismo se caracteriza por i) una magnetizacioacuten deacutebil del material en el
sentido opuesto al campo magneacutetico aplicado [53] ii) una susceptibilidad magneacutetica negativa y
pequentildea con permeabilidad relativa ligeramente menor que 1 iii) intensidad de respuesta muy
pequentildea
232 Paramagnetismo
En los materiales paramagneacuteticos los momentos magneacuteticos se encuentran desordenados por lo
que no mantiene un momento magneacutetico neto Estos materiales se caracterizan por i) requerir un
gran campo magneacutetico para poder adquirir una alta magnetizacioacuten ii) magnetizacioacuten deacutebil en el
30
mismo sentido que el campo magneacutetico aplicado iii) susceptibilidad magneacutetica positiva y
pequentildea con permeabilidad relativa ligeramente mayor que 1 iv) intensidad de respuesta muy
pequentildea Ejemplos de estos materiales son el Cr Mn y los gases diatoacutemicos La Fig 22(a)
muestra el ordenamiento magneacutetico de estos materiales
233 Ferromagnetismo
En los materiales ferromagneacuteticos los momentos magneacuteticos individuales de grupos de aacutetomos o
moleacuteculas se mantienen alineados entre siacute debido a un fuerte acoplamiento auacuten en ausencia de
campo exterior [54] Estos grupos se denominan dominios y actuacutean como un pequentildeo imaacuten
permanente En ausencia de campo aplicado los dominios tienen sus momentos magneacuteticos netos
distribuidos al azar Cuando se aplica un campo exterior los dominios tienden a alinearse con el
campo Este alineamiento puede permanecer en algunos casos con un muy fuerte acoplamiento
cuando se retira el campo creando un imaacuten permanente [55] Los materiales ferromagneacuteticos se
caracterizan por i) una fuertemente magnetizacioacuten en el mismo sentido que el campo magneacutetico
aplicado ii) susceptibilidad magneacutetica positiva y grande con permeabilidad relativa mucho
mayor que 1 iv) la agitacioacuten teacutermica tiende a desalinear los dominios A temperatura normal la
energiacutea teacutermica no es en general suficiente para desmagnetizar un material magnetizado sin
embargo por encima de la temperatura de Curie [56] el material se vuelve paramagneacutetico
debido a que los efectos teacutermicos de desorden son mayores que los efectos de alineamiento de la
interaccioacuten magneacutetica entre dominios La Fig 22(a) muestra el alineamiento de los materiales
ferromagneacuteticos
234 Antiferromagnetismo
Los materiales antiferromagneacuteticos tienen un estado natural en el cual los espines atoacutemicos de
aacutetomos adyacentes son opuestos de manera que el momento magneacutetico neto es nulo [57] Este
estado hace difiacutecil que el material se magnetice aunque de todas formas adopta una
31
permeabilidad relativa ligeramente mayor que 1 Por encima de una temperatura criacutetica llamada
temperatura de Neel un material antiferromagneacutetico se vuelve paramagneacutetico La Fig 22(a)
esquematiza el ordenamiento magneacutetico de los materiales antiferromagneacuteticos
235 Ferrimagnetismo
Los materiales ferrimagneacuteticos son similares a los antiferromagneacuteticos salvo que las especies de
aacutetomos alternados son diferentes (por ejemplo por la existencia de dos subredes cristalinas
entrelazadas) y tienen momentos magneacuteticos diferentes [58] Existe entonces una magnetizacioacuten
neta que puede ser en algunos casos muy intensa
236 Superparamagnetismo
El superparamagnetismo es una forma de magnetismo observado en los nanomateriales ferro- y
ferrimagneacuteticos que se componen de un soacutelo dominio magneacutetico [59] (Fig 22(b)) Debido a su
tamantildeo tan pequentildeo no hay orden de largo alcance en estos materiales Estos materiales se
caracterizan por i) alcanzar una magnetizacioacuten relativamente alta con bajos campos magneacuteticos
aplicados [59] ii) por debajo de la temperatura Curie los momentos magneacuteticos dentro de un
dominio magneacutetico se alinean paralelamente a un campo aplicado para producir la alta
magnetizacioacuten [59] iii) despueacutes de que un campo magneacutetico aplicado se ha eliminado no queda
magnetizacioacuten remanente (Mr) neta [59] La falta de Mr se debe al hecho de que la
magnetizacioacuten de cada dominio faacutecilmente salta entre dos orientaciones estables que estaacuten
separados por una pequentildea diferencia de energiacutea De hecho la diferencia de energiacutea es tan
pequentildea que la energiacutea teacutermica cancela la magnetizacioacuten total de la partiacutecula Compuestos de
hierro cobalto y niacutequel y sus aleaciones elementos de tierras raras intermetaacutelicos de gadolinio
oro y vanadio son ferromagneacuteticos que pueden ser utilizados para producir partiacuteculas
superparamagneacuteticas cuando el tamantildeo del dominio magneacutetico se encuentra a escala
nanomeacutetrica Otros materiales pueden ser utilizados incluyendo ferritas compuesto por oacutexidos
32
de hierro o con otros elementos como el aluminio cobre cobalto niacutequel manganeso magnesio
hierro y zinc Ademaacutes tambieacuten se pueden utilizar las ferritas hexagonales
24 FERRITAS HEXAGONALES
Desde el descubrimiento de las ferritas en la deacutecada de 1950 ha habido un gran intereacutes en las
ferritas hexagonales tambieacuten conocidas como hexaferritas Este intereacutes tanto cientiacutefico como
tecnoloacutegico ha ido creciendo exponencialmente hasta el diacutea de hoy Ademaacutes de su uso como
imanes permanentes las hexaferritas tienen aplicaciones como material de grabacioacuten magneacutetica
en almacenamiento de datos y como componentes en dispositivos eleacutectricos
Existen diferentes tipos de ferritas hexagonales indicadas como M W X Y Z y U todas ellas
con estrechas estructuras cristalinas altamente complejas De los diferentes tipos de ferritas
hexagonales las hexaferritas de mayor importancia comercial son las tipo M dentro de las cuales
se encuentran las hexaferritas de bario BaFe12O19 y las ferritas de estroncio con Sr reemplazando
al Ba en la misma foacutermula La importancia de estas ferritas es debido a su bajo costo y sus
propiedades como estabilidad quiacutemica alta resistividad magnetizacioacuten de saturacioacuten
conveniente y alta coercitividad magneacutetica etc
La unidad molecular de la ferrita tipo M estaacute formada por un bloque S y un bloque R con una
superposicioacuten de capas cuacutebicas y hexagonales (Fig 23(a) El plano basal que contiene el aacutetomo
de bario es un plano espejo y los dos bloques S por encima y por debajo del bloque R son por lo
tanto rotaciones de 180ordm alrededor del eje c de cada una Un bloque R espejo R es entonces
requerido para continuar la estructura y es por esta razoacuten que la ceacutelula unitaria requiere dos
unidades moleculares M dando la foacutermula de celda unitaria SRSR donde es una rotacioacuten del
bloque a 180ordm alrededor del eje c (Fig 23(a)) Los paraacutemetros reticulares de la BaFe12O19 son
2317 Aring para la longitud del eje c y 589 Aring para a la anchura del plano basal y este paraacutemetro a
es constante para todas las hexaferritas de bario La relacioacuten de altura a ancho es de 394 por lo
que BaFe12O19 tiene una gran anisotropiacutea cristalina Las vistas en perspectiva de la estructura son
33
tambieacuten mostradas en la Fig 23(b) y Fig 23(c) mientras que los poliedros de la estructura M
incluyendo el sitio bipiramidal del bloque R se muestran en la Fig 23(d) La Fig 23(e)
representa el apilamiento de los bloques R y S en la estructura M
Figura 23 (a) seccioacuten transversal de la estructura de la ferrita tipo M (BaFe12O19) Tomado de Robert C Pullar [60]
25 METODOS DE SIacuteNTESIS
251 Siacutentesis sol-gel
El meacutetodo sol-gel es un meacutetodo de siacutentesis quiacutemica huacutemeda el cual permite la fabricacioacuten de una
amplia gama de materiales con diversas configuraciones por ejemplo fibras peliacuteculas delgadas
monolitos y revestimientos Ademaacutes el meacutetodo sol-gel permite sintetizar materiales hiacutebridos
orgaacutenicos-inorgaacutenicos con una gran variedad de aplicaciones potenciales en diversos campos de
34
la investigacioacuten incluyendo la oacuteptica electroacutenica semiconductores superconductores y
biomateriales El meacutetodo sol gel ofrece una serie de ventajas i) los precursores pueden mezclarse
a nivel molecular lo cual permite la formacioacuten de soluciones soacutelidas del material a temperaturas
de procesamiento relativamente bajas cuando se compara con los meacutetodos tradicionales ii) es un
meacutetodo faacutecil sencillo y versaacutetil iii) permite un control quiacutemico y estructural es decir la
nucleacioacuten y crecimiento de las partiacuteculas coloidales primarias puede ser controlada para dar
partiacuteculas con tamantildeo y forma deseada ademaacutes de la composicioacuten quiacutemica deseada
Actualmente existe una amplia gama de rutas de siacutentesis derivadas del meacutetodo sol-gel (Fig 24)
En teacuterminos simples el meacutetodo sol-gel implica dos fases distintas La primera fase una
suspensioacuten coloidal la cual es una suspensioacuten estable de partiacuteculas soacutelidas coloidales dentro de
un liacutequido donde las partiacuteculas soacutelidas deben ser maacutes densas que el liacutequido de los alrededores y
suficientemente pequentildeas (2 nm a 1 microm lo cual corresponde a 103-10
9 aacutetomos por partiacutecula) para
que las fuerzas responsables de la dispersioacuten sean maacutes grandes que las fuerzas de gravedad La
segunda fase constituida por un gel el cual es una red soacutelida porosa tridimensionalmente
interconectada que forma una entidad continuacutea a lo largo de una fase secundaria usualmente
liacutequida
Se han dedicado esfuerzos considerables en el desarrollo de micro y nanopartiacuteculas de oacutexido de
hierro con propiedades magneacuteticas adecuadas para la investigacioacuten biomeacutedica Las
nanopartiacuteculas de oacutexido de hierro son las maacutes ampliamente investigadas en el campo meacutedico y
farmaceacuteutico debido a sus excelentes propiedades de biocompatibilidad estabilidad quiacutemica y
baja toxicidad El meacutetodo sol gel es un meacutetodo faacutecil y conveniente para sintetizar oacutexidos de
hierro a partir de soluciones acuosas de sales metaacutelicas Ademaacutes el tamantildeo la forma y la
composicioacuten de las partiacuteculas magneacuteticas dependen en gran medida del tipo de precursores
utilizados relacioacuten Fe2+
a Fe3+
temperatura de reaccioacuten valor de pH y la fuerza ioacutenica del medio
Por lo tanto el control del proceso mediante estos paraacutemetros es esencial en la produccioacuten
35
partiacuteculas monodispersas de oacutexido de hierro El meacutetodo sol-gel parte de una suspensioacuten coloidal
(sol) y la subsiguiente formacioacuten del (gel) En la preparacioacuten del sol los precursores tanto
orgaacutenicos como inorgaacutenicos experimentan reacciones de hidrolisis y condensacioacuten (o
polimerizacioacuten) para formar pequentildeas partiacuteculas soacutelidas en un liacutequido (ya sea un solvente
orgaacutenico o acuoso) Las partiacuteculas soacutelidas son tan pequentildeas (1-1000 nm) que las fuerzas
gravitacionales son despreciables y las interacciones estaacuten dominadas por fuerzas esteacutericas de
van der Waals y Coulombicas
Figura 24 Rutas de siacutentesis derivadas del meacutetodo sol-gel Tomado de httpsstrllnlgovstrMay05Satcherhtml
Varios grupos de investigacioacuten [61-63] han descrito la siacutentesis de partiacuteculas magneacuteticas
nanoestructurados de base de oacutexido de hierro a partir del meacutetodo sol-gel para aplicaciones en el
control de liberacioacuten de faacutermacos
36
Los avances en nanotecnologiacutea y ciencia de los materiales sugieren que algunos de los problemas
actuales de los materiales podriacutean ser resueltos o al menos mejorados mediante la modificacioacuten
superficial
252 Secado por aspersioacuten
El secado por aspersioacuten es un meacutetodo que permite la conversioacuten continua de fluidos (soluciones
emulsiones suspensiones mezclas pastas) en polvos soacutelidos mediante un proceso de secado
dirigido a disentildear y producir materiales con un gran potencial para diversos sectores industriales
tales como la industria quiacutemica cosmeacutetica alimentaria y farmaceacuteutica Este proceso es un
meacutetodo raacutepido simple sencillo de escalabilidad industrial y bajo costo El principio del meacutetodo
se basa en la eliminacioacuten de la humedad mediante la aplicacioacuten de calor al fluido alimentado El
secado por aspersioacuten consiste de tres etapas principales (a) atomizacioacuten del fluido (b)
vaporizacioacuten o secado del liacutequido mediante una corriente de gas y (c) separacioacuten y recoleccioacuten de
las partiacuteculas
Figura 25 Configuracioacuten del equipo de secado por aspersioacuten (a) secador por aspersioacuten concurrente misma
direccioacuten de flujo y (b) secador por aspersioacuten a contracorriente (c) Evolucioacuten de la temperatura en el proceso de
secado en una gotita liacutequida [Handscomb y cols] En la separacioacuten y recoleccioacuten del polvo se pueden emplear (d)
separadores tipo cicloacuten yo (e) filtros de bolsa
37
a Atomizacioacuten
La atomizacioacuten es el primer paso que experimenta el fluido alimentado durante el secado por
aspersioacuten la cual involucra el rompimiento del liacutequido a granel en un nuacutemero grande de gotitas
impulsado por el proceso de secado por aspersioacuten mediante la reduccioacuten de la resistencia interna
a la transferencia de humedad desde la gotita hasta el medio de los alrededores La atomizacioacuten
es una etapa criacutetica en el proceso de secado debido a su influencia en la forma estructura
velocidad y distribucioacuten de la gotita generada y por lo tanto la naturaleza y tamantildeo de partiacutecula
del producto final Consecuentemente hay una peacuterdida miacutenima de calor sensible y
eventualmente se producen las partiacuteculas con las caracteriacutesticas fiacutesicas y morfoloacutegicas deseadas
La Fig 25 presenta el diagrama de dos tipos de secadores por aspersioacuten (Fig 25(a) secador por
aspersioacuten concurrente y (Fig 25(b) secador por aspersioacuten a contracorriente
b Vaporizacioacuten
En esta etapa se constituye la formacioacuten de fase de la partiacutecula Con el liacutequido a granel
atomizado en pequentildeas gotas el siguiente paso involucra el contacto iacutentimo de la gotita con el
gas acarreador Esto permite la raacutepida evaporacioacuten de la humedad de la superficie de todas las
gotitas de una manera uniforme Aquiacute el requerimiento es un flujo de gas uniforme en la caacutemara
de secado Las gotas usualmente se encuentran en contacto con aire caliente en la caacutemara de
secado ya sea en la misma direccioacuten de flujo o a contracorriente
El paso maacutes criacutetico en la formacioacuten de la partiacutecula involucra la evaporacioacuten de la humedad ya
que este paso estaacute asociado con la formacioacuten del producto final La evaporacioacuten de la humedad
durante el proceso de secado puede ser visualizada en dos fases un periodo de velocidad
constante y un periodo de caiacuteda de velocidad Inicialmente cuando la gotita estaacute expuesta a una
corriente de gas caliente la raacutepida evaporacioacuten toma lugar Durante esta exposicioacuten la gotita se
calienta desde una temperatura inicial (T0) a la temperatura de evaporacioacuten de equilibrio (Teq)
38
(Fig 25(c)-AB) Durante este periodo la eliminacioacuten de la humedad sigue la curva del periodo
de velocidad constante a medida que la humedad es removida constantemente a partir de la
superficie de la gotita manteniendo el enfriamiento suficiente La superficie de la gotita
permanece saturada con la humedad en esta fase y su temperatura es constante e igual a la
temperatura de bulbo huacutemedo (Fig 25(c)-BC) A medida que se elimina la humedad de la gotita
el soluto disuelto en el liacutequido alcanza una concentracioacuten maacutes allaacute de su concentracioacuten de
saturacioacuten y tiende a formar una coraza delgada en la superficie de la gotita descrita como
formacioacuten de coraza El comienzo de formacioacuten de coraza es una caracteriacutestica cineacutetica
importante del proceso de secado por aspersioacuten Despueacutes de esta fase la eliminacioacuten de la
humedad regresa al proceso de difusioacuten controlada y la velocidad de evaporacioacuten es dependiente
de la velocidad de difusioacuten de vapor de agua a traveacutes de la coraza superficial Esto constituye el
periodo de caiacuteda de velocidad Durante el periodo de caiacuteda de velocidad aunque la partiacutecula
comenzaraacute a calentarse (Fig 25(c)-CD) es casi la parte maacutes friacutea del equipo de secado donde el
gas de secado estaacute en o cerca de la temperatura de salida del equipo de secado
c Separacioacuten y recoleccioacuten
Los sistemas empleados para la separacioacuten y recoleccioacuten del producto final incluyen separadores
tipo cicloacuten (Fig 25(d)) yo filtros de bolsa (Fig 25(e))
El disentildeo e ingenieriacutea de micro y nanopartiacuteculas a traveacutes del secado por aspersioacuten ha sido
investigado como una alternativa de proceso de manufacturacioacuten en la industria farmaceacuteutica
debido a su amplia aplicabilidad El secado por aspersioacuten ha sido exitosamente usado en la
industria farmaceacuteutica para producir productos con propiedades fiacutesicas y quiacutemicas definidas por
ejemplo tamantildeo y forma de partiacutecula controlada para incrementar la solubilidad del faacutermaco y la
biodisponibilidad de las sustancias activas Ademaacutes el ajuste de los paraacutemetros del proceso de
secado por aspersioacuten permite la manipulacioacuten de varias propiedades de la partiacutecula con respecto
a los requerimientos de la aplicacioacuten deseada
39
26 ESTUDIOS REALIZADOS SOBRE LA SIacuteNTESIS Y APLICACIOacuteN DE
MATERIALES NANOESTRUCTURADOS A BASE DE OXIDO DE HIERRO COMO
SISTEMAS DDS
Como se mencionoacute anteriormente los biomateriales han llegado a ser una de las aacutereas maacutes
atractivas en la investigacioacuten cientiacutefica y tecnoloacutegica para el desarrollo de dispositivos con
aplicaciones biomeacutedicas sorprendentes tal como ocurre con los sistemas de liberacioacuten de
faacutermaco Diversos biomateriales han sido investigados como DDS incluyendo dendriacutemeros
micelas liposomas poliacutemeros y partiacuteculas magneacuteticas A este respecto Szulc y colaboradores
[64] han estudiado dendrimeros de poli(propileno imina) modificados con azuacutecar como DDS para
liberacioacuten de citarabina Mientras Song y colaboradores [65] han estudiado un sistema DDS
micelar termosensible exitosamente cargado con Doxorubicina (DOX) cuya eficiencia de carga
fue de 17 Por otra parte Vahed y colaboradores [66] han estudiado un sistema DDS basado en
liposomas enfocaacutendose en estrategias de quimioterapia combinada para la co-liberacioacuten de dos
faacutermacos quimioterapeacuteuticos un agente quimioterapeacuteutico con metales anticanceriacutegenos y un
agente quimioterapeacuteutico con agentes geacutenicos Duggan y colaboradores [67] han estudiados
poliacutemeros tiolados como DDS mucoadhesivos
Actualmente los sistemas nanoestructurados de partiacuteculas magneacuteticas han ganado atencioacuten
considerable como DDS debido a su biocompatibilidad faacutecil modificacioacuten superficial y sus
propiedades fiacutesicas quiacutemicas y magneacuteticas uacutenicas Oka y colaboradores [68] estudiaron un
compoacutesito nuacutecleo-coraza para liberacioacuten localizada de faacutermaco El compoacutesito estaacute estructurado
por un nuacutecleo de poliacutemero biodegradable y una coraza de nanopartiacuteculas de oacutexido de hierro
preparado a partir de una emulsioacuten Pickering Ademaacutes estudiaron la capacidad de carga del
sistema nuacutecleo-coraza cargando partiacuteculas de pireno cuya presencia fue confirmada mediante un
anaacutelisis de fluorescencia despueacutes de ser expuestas a rayos UV Ademaacutes la caracterizacioacuten
morfoloacutegica del sistema nuacutecleo-coraza fue estudiada por SEM y TEM Las propiedades
cristalograacuteficas se estudiaron mediante XRD Finalmente se estudiaron sus propiedades
magneacuteticas usando un sistema de medicioacuten de propiedades fiacutesicas (Quantum Desing)
40
Por otra parte Chandra y colaboradores [69] estudiaron un compoacutesito dendrimero-
nanopartiacuteculas magneacuteticas como un vehiacuteculo de liberacioacuten enzimaacutetica de faacutermaco sensible a
estiacutemulos simples El sistema fue caracterizado por diferentes teacutecnicas microestructurales y
espectroscoacutepicas Ellos obtuvieron partiacuteculas mesoporosas con propiedades superparamagneacuteticas
Ademaacutes exploraron su uso en la liberacioacuten de DOX alcanzando una alta eficiencia (superior a
95) con velocidades de liberacioacuten controlada bajo pH y temperatura sostenida La interaccioacuten
quiacutemica entre la DOX y las nanopartiacuteculas fue confirmada por un cambio en el potencial zeta y
una disminucioacuten en la intensidad de fluorescencia Otros estudios sobre DDS basados en
nanopartiacuteculas magneacuteticas pueden ser encontrados en la literatura [70-74]
Los sistemas DDS pueden ser disentildeados con gran variedad de diferentes morfologiacuteas las cuales
han sido reportadas en la literatura [75] Estas morfologiacuteas incluyen partiacuteculas esfeacutericas
completamente densas partiacuteculas rugosas partiacuteculas huecas partiacuteculas tipo dona y partiacuteculas
porosas Estas uacuteltimas muestran caracteriacutesticas notables sobre todo aquellas partiacuteculas con una
jerarquiacutea macro-mesoporosa ya que exhiben alta aacuterea superficial baja densidad y buena
estabilidad fisicoquiacutemica Ademaacutes dichos materiales pueden incrementar considerablemente la
capacidad de carga de un faacutermaco debido a que proporcionan una interconectividad que mejora
la difusioacuten o flujo de fluidos a la vez que aumentan considerablemente el aacuterea superficial
especiacutefica Por lo tanto estos sistemas aumentan la capacidad para que las moleacuteculas puedan ser
adsorbidas
Muchos estudios sobre sistemas nanoestructurados (macromeso)porosos han sido reportados en
la literatura Por ejemplo Liu y colaboradores [76] estudiaron materiales magneacuteticos
macroporosos siliacuteceos ordenados tridimensionalmente los cuales fueron fabricados por la
combinacioacuten de una co-sedimentacioacuten simple de un sistema coloidal binario de esferas de
PMMA y partiacuteculas de magnetita y la infiltracioacuten de precursores de silicio A partir de la
caracterizacioacuten por SEM y TEM establecen que los materiales macroporosos presentan una
estructura de empaquetamiento cubico centrado en las caras (fcc) con macroporos del orden de
200 nm Ademaacutes la caracterizacioacuten magneacutetica mostroacute que los materiales poseen una alta
magnetizacioacuten (192 emug) y comportamiento superparamagneacutetico
41
Por otra parte Santamariacutea y colaboradores [77] sintetizaron un sistema estructurado meso-
macroporoso de siacutelice para liberacioacuten controlada de ibuprofeno (IBU) El sistema fue sintetizado
usando una emulsioacuten WO usando decano como fase dispersa Los materiales obtenidos fueron
caracterizados por TEM SEM dispersioacuten de difraccioacuten de rayos x a bajo aacutengulo (SAXS) e
isotermas de adsorcioacuten-desorcioacuten de N2 Los resultados obtenidos mostraron que la carga del IBU
incrementa a medida que la presencia de macroporos en el material incrementa Esto uacuteltimo lo
atribuyen suponiendo que los macroporos permiten que el faacutermaco acceda a los poros internos
Pero establecen que cuando uacutenicamente mesoporos estuvieron en el material el IBU fue
probablemente adsorbido uacutenicamente sobre los mesoporos uacutenicamente cercanos a la superficie
Maacutes aun sentildealan que mientras maacutes cantidad de macroporos estaacuten presentes en el material maacutes
bajo fue el comportamiento de liberacioacuten del IBU debido a que el ibuprofeno adsorbido en los
poros internos tiene que difundirse a lo largo de los canales macroporos hasta la superficie del
material
Una amplia gama de meacutetodos han sido estudiados para la siacutentesis de sistemas magneacuteticos
nanoestructurados siendo los meacutetodos quiacutemicos los mayormente usados entre estos meacutetodos la
teacutecnica sol-gel sobresale debido a ventajas tales como el uso temperaturas de procesamiento
relativamente bajas comparadas con los meacutetodos tradicionales la facilidad sencillez y
versatilidad del meacutetodo el control sobre el tamantildeo y morfologiacutea del material y la obtencioacuten de
materiales relativamente puros Por ejemplo Anjaneyulu y Vijayalakshmi [82] fabricaron un
compoacutesito [HAP (Ca)10(PO4)6(OH)2] magnetita (Fe3O4) derivado del meacutetodo sol-gel sobre una
aleacioacuten Ti-6Al-4V El compoacutesito fue caracterizado por XRD SEM-EDAX y mediciones de
aacutengulo de contacto Ademaacutes realizaron un estudio de bioactividad in vitro el cual conformo que
el Ti-6Al-4V revestido por el compoacutesito fue altamente bioactivo e indujo la formacioacuten de apatita
en la presencia de las nanopartiacuteculas de Fe3O4 Por lo tanto su estudio sugiere que los implantes
recubiertos con HAPFe3O4 pueden ser usados para aplicaciones biomeacutedicas Ademaacutes una
revisioacuten detallada sobre materiales para aplicaciones biomeacutedicas sintetizados por el meacutetodo sol-
gel es proporcionada por G J Owens y colaboradores [83] en la revista Progress in Materials
Science publicada en 2016 Los materiales sintetizados por este meacutetodo incluyen los materiales a
42
base de siacutelice materiales a base de fosfatos materiales a base de metales (FendashO TindashO ZnndashO
etc) y materiales hiacutebridos orgaacutenicos-inorgaacutenicos
El aumento en el nuacutemero de artiacuteculos publicados en una gran variedad de revistas cientiacuteficas
dirigidas al disentildeo siacutentesis e ingenieriacutea de una amplia gama de materiales con diversas
formulaciones por ejemplo los liposomas dendriacutemeros micelas partiacuteculas polimeacutericas y
materiales magneacuteticos nanoestructurados revela que el aacuterea biomeacutedica ha llegado a ser un aacuterea
de gran intereacutes debido al potencial de estos materiales para ser usados en una gran variedad de
aplicaciones tal como agentes de contraste para MRI tratamiento de caacutencer mediante
hipertermia y como DDS
Dentro de los materiales maacutes prominentes para este tipo de aplicaciones se encuentran los
materiales magneacuteticos a base de oacutexido de hierro dentro de los cuales podemos incluir a los
sistemas nanoestructurados de hexaferrita de bario (BaFe12O19) disentildeados y sintetizados en el
presente trabajo de investigacioacuten La relevancia de estos materiales se basa en su
biocompatibilidad aprobados por la Federal Drug Administration (FDA) para su uso biomeacutedico
Una ventaja de los materiales porosos en especial aquellos materiales con una jerarquiacutea macro-
mesoporosa tal es el caso de los sistemas de BaFe12O19 sintetizados aquiacute es la presencia de una
arquitectura que exhiba alta aacuterea superficial baja densidad y buena estabilidad fisicoquiacutemica lo
cual reflejariacutea un incremento considerable en la capacidad de carga de moleacuteculas con actividad
bioloacutegica usadas como faacutermaco modelo ya sea de naturaleza hidrofoacutebica o hidrofiacutelica Ademaacutes
mediante la aplicacioacuten de un campo magneacutetico externo las propiedades magneacuteticas pueden ser
aprovechadas para dirigir y focalizar el faacutermaco a un sitio especiacutefico de accioacuten logrando un perfil
de liberacioacuten controlado Por lo tanto la concentracioacuten y nuacutemero de dosificaciones del faacutermaco
se reduciriacutea lo cual se veriacutea reflejado en la disminucioacuten de efectos secundarios no deseados en el
tratamiento de enfermedades tales como el caacutencer
43
CAPIacuteTULO 3
DESARROLLO EXPERIMENTAL
44
CAPIacuteTULO 3 DESARROLLO EXPERIMENTAL
En el presente capiacutetulo se describe el procedimiento experimental llevado a cabo durante el
trabajo de investigacioacuten La Fig 32 muestra las tres etapas principales que constituyen el
procedimiento experimental para el estudio de los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 I)
Disentildeo (Fig 31) y Siacutentesis II) Caracterizacioacuten y III) Pruebas bioloacutegicas La Tabla 3I muestra
los factores a evaluar en el disentildeo experimental fraccionario 2f
31 MATERIALES INICIALES
Se usaron productos comerciales grado reactivo sin purificacioacuten alguna Los reactivos usados
para la siacutentesis de la hexaferrita de bario fueron marca Sigma-Aldrich Nitrato de hierro (III)
nonahidratado Fe(NO3)39H2O carbonato de bario BaCO3 e hidroacutexido de amonio El surfactante
utilizado fue el Tween 20 (Merck) El surfactante hidrofiacutelico no-ioacutenico Tween 20 (C58H114O26) es
un eacutester de polioxietileno sorbitan (con un peso molecular calculado de 1225 Daltones asumiendo
20 unidades de oacutexido de etileno 1 sornitol y un aacutecido laacuteurico como aacutecido graso primario
Microesferas de poliestireno (PS) monodispersas sintetizadas en el laboratorio fueron usadas
como agente poroacutegeno o agente formador de poro
La primera etapa establece el disentildeo y siacutentesis de agregados esfeacutericos nanoestructurados de
hexaferrita de bario de tamantildeo micromeacutetrico con jerarquiacutea macro-mesoporosa (de aquiacute en
adelante llamados simplemente agregados de BaFe12O19) En esta etapa un disentildeo factorial 2f fue
usado para disentildear y evaluar los efectos de la temperatura (T) presioacuten (P) y concentracioacuten de
agente poroacutegeno ( en peso) en el meacutetodo de siacutentesis sol-gel acoplado a secado por aspersioacuten La
siacutentesis sol-gel se inicioacute con el uso de nitrato de hierro (III) nonahidratado Fe(NO)3 y carbonato
45
de bario BaCO3 como sales precursoras las cuales son disueltas en agua desionizada A su vez
Tween 20 se usoacute como surfactante para permitir la creacioacuten de la estructura mesoporosa
La mezcla de sales precursoras + Tween 20 se agitoacute por 30 min mediante agitacioacuten magneacutetica
modificando el pH a 8 usando NH4OH A continuacioacuten se agregoacute una suspensioacuten acuosa de
esferas de poliestireno (PS) usada como agente poroacutegeno con una concentracioacuten de 30 o 50
de acuerdo al disentildeo factorial 2f La suspensioacuten resultante se sometioacute al proceso de secado por
aspersioacuten donde se evaluaron los paraacutemetros de temperatura (T degC) y presioacuten (P Kgcm2) de
acuerdo a los valores del disentildeo factorial 2f Como resultado se obtuvo un compoacutesito
ceraacutemicopoliacutemero el cual fue sometido a un tratamiento teacutermico a temperaturas de 700 degC hasta
1000 degC para obtener el material macro-mesoporoso con estructura y morfologiacutea deseada
La segunda etapa se enfoca en la caracterizacioacuten Esta etapa del proceso aborda las teacutecnicas de
caracterizacioacuten estructural morfoloacutegica fiacutesica quiacutemica y magneacutetica de los agregados de
BaFe12O19 Difraccioacuten de rayos X (XRD) fue usada para determinar la estructura y cristalinidad
de los agregados de BaFe12O19 Microscopiacutea electroacutenica de barrido (SEM) fue usada para
determinar la morfologiacutea y tamantildeo de los agregados de BaFe12O19 ademaacutes de caracterizarlos
quiacutemicamente mediante anaacutelisis EDS y mapeo quiacutemico Microscopiacutea electroacutenica de transmisioacuten
(TEM) fue usada para determinar la morfologiacutea y estructura de los agregados de BaFe12O19
usando las modalidades de campo claro (BF) campo oscuro (DF) alta resolucioacuten (HRTEM)
barrido-transmisioacuten (STEM) en su modalidad de campo oscuro anular (STEM-ADF) y difraccioacuten
electroacutenica de aacuterea selecta (SAEDP) Determinacioacuten de aacuterea superficial especiacutefica BET mediante
adsorcioacutendesorcioacuten de N2 Espectroscopiacutea infrarroja por transformada de Fourier (FTIR)
Potencial zeta ζ El Magnetoacutemetro de muestra vibrante (VSM) fue usada para determinacioacuten de
las propiedades magneacuteticas (saturacioacuten magneacutetica Ms remanencia magneacutetica Mr y coercitividad
Hc) La tercera etapa evaluacutea las pruebas bioloacutegicas Los agregados de BaFe12O19 se evaluaron
como DDS al probar su capacidad de carga usando el peacuteptido DS como faacutermaco modelo El
peacuteptido DS se sintetizoacute a partir de los plaacutesmidos pF1A T7 Flexireg pFN21K y pFN18K
empleando la cepa T7 de Escherichia coli A su vez isopropil-β-D-1-tiogalactopiranoacutediso
(IPTG) se usoacute para inducir la produccioacuten del peacuteptido
46
Figura 31 Disentildeo experimental fraccionario 2f Las variables de entrada son la presioacuten (P) Temperatura (T) y
porcentaje de agente poroacutegeno (PS) Las variables de respuesta son la morfologiacutea y tamantildeo de agregado aacuterea
superficial BET volumen de mesoporo y tamantildeo de macroporo
Tabla 3I Factores a evaluar en el disentildeo experimental A) Presioacuten (P) B) Temperatura (T) y C) Concentracioacuten de
poliestireno usado como agente poroacutegeno (PS) Cada uno de los paraacutemetros presenta un nivel bajo (-) y un nivel
alto (+)
Factor Paraacutemetro Nivel
Bajo (-) Alto (+)
A P (Kgcm2) 15 2
B T (degC) 180 200
C PS 30 50
Los disentildeos factoriales se usan ampliamente en experimentos que incluyen varios factores
cuando es necesario estudiar el efecto conjunto de los factores sobre una respuesta El disentildeo 2f
es de particular importancia ya que proporciona el menor nuacutemero de corridas con las que pueden
estudiarse f factores en un disentildeo factorial completo
El resultado total del disentildeo factorial 2f es representado en la Tabla 3II El nivel alto para cada
factor estaacute representado por el siacutembolo maacutes (+) mientras el siacutembolo menos (-) representa el nivel
bajo Los resultados del disentildeo factorial de dos factores pueden ampliarse en el caso general en
que hay a niveles del factor A b niveles del factor B y c niveles del factor C dispuestos en un
experimento factorial En general habraacute abchellipn observaciones totales si se hacen n reacuteplicas del
47
experimento completo Es necesario un miacutenimo de dos replicas (n ge 2) para determinar una suma
de cuadrados debida al error si todas las interacciones posibles estaacuten incluidas en el modelo
Cuando todos los factores del experimento son fijos es sencillo formular y probar hipoacutetesis
acerca de los efectos principales y las interacciones
Tabla 3II Matriz del disentildeo experimental
A B AB C AC BC ABC
(1) - - + - + + -
a + - - - - + +
b - + - - - - +
ab + + + - - - -
c - - + + - - +
ac + - - + + - -
bc - + - + + + -
abc + + + + + + +
48
Figura 32 Diagrama de flujo que muestra las etapas principales en el desarrollo experimental en la siacutentesis de
agregados nanoestructurados de BaFe12O19 i) Disentildeo y Siacutentesis ii) Caracterizacioacuten y iii) pruebas bioloacutegicas
49
32 DISENtildeO EXPERIMENTAL FRACCIONARIO 2f
El disentildeo del sistema de los agregados esfeacutericos nanoestructurados macroporosos de BaFe12O19
fue llevado a cabo usando un disentildeo factorial 2f El teacutermino 2
f mide la cantidad de condiciones
experimentales siendo f el nuacutemero de factores a evaluar En este caso particular cada factor
presenta dos niveles lo cual estaacute representado por el nuacutemero 2 en el teacutermino 2f El disentildeo
permitioacute evaluar el efecto de los paraacutemetros del secado por aspersioacuten tales como la presioacuten del
aire (P Kgcm2) y la temperatura de entrada (T degC) Asiacute tambieacuten como la concentracioacuten del
poroacutegeno () en el tamantildeo y volumen de los aglomerados esfeacutericos obtenidos en el proceso de
secado por aspersioacuten
33 SIacuteNTESIS DE AGREGADOS DE BaFe12O19
Las esferas de BaFe12O19 fueron sintetizadas por el meacutetodo sol-gel asistido por surfactantes y
agentes poroacutegenos Durante la siacutentesis dos suspensiones fueron preparadas la primera
compuesta por las sales de Fe(NO3)39H2O y BaCO3 las cuales fueron disueltas en agua
desionizada y agitadas magneacuteticamente con una relacioacuten molar estequiometria la segunda
formada por el surfactante Tween 20 en solucioacuten acuosa Ambas suspensiones fueron mezcladas
con agitacioacuten magneacutetica constante Durante el proceso de reaccioacuten el pH de la suspensioacuten fue
ajustado a 80 usando NH4OH Una tercera suspensioacuten compuesta por esferas de poliestireno
dispersas en agua desionizada fue adicionada a la mezcla con agitacioacuten magneacutetica constante por 1
h variando la concentracioacuten de acuerdo al disentildeo experimental
La mezcla coloidal resultante fue alimentada a una caacutemara de secado tubular de un equipo Mini
Spray Dryer (Yamato ADL31) a traveacutes de un flujo concurrente de aire caliente como gas
acarreador El proceso de secado fue iniciado por la generacioacuten de pequentildeas gotas a partir de la
suspensioacuten coloidal seguida por la atomizacioacuten del liacutequido a una temperatura y presioacuten variando
de acuerdo al disentildeo experimental resultando en la produccioacuten de polvos (xerogeles) compuestos
de partiacuteculas soacutelidas Finalmente el polvo fue recolectado mediante un cicloacuten y sometido a un
50
tratamiento teacutermico para la eliminacioacuten total de los agentes orgaacutenicos surfactante y el agente
poroacutegeno la eliminacioacuten total de agua estructural la formacioacuten de oacutexidos y la cristalizacioacuten de
los mismos Cuatro diferentes temperaturas de tratamiento isoteacutermico fueron evaluadas 700 800
900 y 1000 degC a una velocidad de calentamiento de 3 degCmin por 2 h con el objeto de seguir la
cristalizacioacuten y la formacioacuten de las fases de hexaferrita de bario asiacute como la evaluacioacuten de la
microestructura y de las propiedades magneacuteticas en funcioacuten de la temperatura de tratamiento
teacutermico
34 CARACTERIZACIOacuteN
341 Difraccioacuten de rayos X
Las fases y estructuras cristalinas de la BaFe12O19 fueron analizadas por difraccioacuten de rayos x en
un difractoacutemetro Bruker modelo D8 Advance usando radiacioacuten Cu Kα (45 KV 30 mA) Las
muestras analizadas fueron escaneadas en un rango 2θ a partir de 20 a 80 deg y una amplitud de
paso constante de 002deg
342 Microscopiacutea electroacutenica de barrido
La caracterizacioacuten estructural y morfoloacutegica de la BaFe12O19 fue llevada a cabo en un
microscopio electroacutenico de barrido (SEM) de emisioacuten de campo JEOL JSM-7600F asiacute como su
caracterizacioacuten quiacutemica usando la teacutecnica de espectroscopiacutea de divisioacuten de energiacutea de los rayos
caracteriacutesticos (EDS) El tamantildeo de los agregados de BaFe12O19 fue determinado a partir de
imaacutegenes de SEM mediante la medicioacuten y anaacutelisis estadiacutestico de los datos usando el programa
Lince linear intercept (Verfuumlgbare Software)
51
343 Microscopiacutea electroacutenica de transmisioacuten
El microscopio electroacutenico de transmisioacuten (TEM) de emisioacuten de campo FEG Phillips Tecnai F20
fue usado para la obtencioacuten y estudio de la cristalinidad de las esferas de BaFe12O19 usando las
teacutecnicas de difraccioacuten de aacuterea selecta (SAEDP) alta resolucioacuten (HRTEM) y microscopia
electroacutenica de barrido-transmisioacuten (STEM) en su modalidad de campo oscuro anular (STEM-
ADF) Para su observacioacuten por TEM 10 mg del polvo obtenido despueacutes del secado por
aspersioacuten y calcinado a 700 degC se dispersoacute en 10 mL de etanol (Sigma-Aldrich) en un tubo para
micro-centrifuga de 15 ml (Eppendorf) Despueacutes la solucioacuten se dispersoacute usando un equipo
limpiador de vibracioacuten ultrasoacutenica Branson 1510 (42 KHz a 70 W) por 30 min Con ayuda de un
capilar una gota de la suspensioacuten homogeacutenea se depositoacute sobre una rejilla de cobre de 300 mesh
previamente recubierta con colodioacuten y una peliacutecula delgada de carboacuten La rejilla se secoacute a
temperatura ambiente por toda la noche El anaacutelisis y procesamiento computacional de las
imaacutegenes de TEM asiacute como la obtencioacuten de su transformada raacutepida de Fourier (FFT) se
analizaron con el software Digital Micrograph de la compantildeiacutea Gatan Tomando en cuenta las
posiciones xyz reportadas para la BaFe12O19 con grupo espacial P3mmc [47] se simularon
computacionalmente las imaacutegenes de HRTEM Para esto se crecioacute la celda a una supercelda de
4x4x4 celdas con el programa Diamond Crystal and Molecular Visualization [48] y se simularon
las imaacutegenes de TEM en el programa Simulatem [49] Las condiciones para la simulacioacuten fueron
200 Kv Cs de 12 mm y foco de Scherzer -5485 nm
344 Isotermas de adsorcioacutendesorcioacuten de nitroacutegeno
Las isotermas de adsorcioacutendesorcioacuten de nitroacutegeno a 77 K fueron obtenidas en un instrumento
Quantachrome Antes de su anaacutelisis las muestras (014 ndash 038 g) fueron colocadas en un tubo
bajo atmosfera de N2 y entonces degasificadas por 4 h a 100 degC Ademaacutes la distribucioacuten de
tamantildeo de mesoporo fue medida mediante la teacutecnica Barrett-Joyner-Halenda (BJH)
52
345 Espectroscopiacutea infrarroja
Las mediciones de espectroscopiacutea infrarroja (IR) fueron llevadas a cabo a temperatura ambiente
(46 HR) en un espectrofotoacutemetro con Transformada de Fourier Marca Bruker Modelo Tensor
27 Los espectrogramas fueron obtenidos en un rango de longitud de onda de 4000 a 400 cm-1
(tiempo de escaneo 32 scans) con una resolucioacuten de 4 cm-1
Los espectros fueron obtenidos a
partir de muestras en polvo con una correccioacuten de liacutenea base y suavizado usando el software
Tensor
346 Propiedades magneacuteticas
El anaacutelisis de las propiedades magneacuteticas de los agregados de BaFe12O19 fueron llevas a cabo
usando un magnetoacutemetro de muestra vibrante (VSM LDJ 9600) a temperatura ambiente
aplicando un campo magneacutetico constante de 5000 Oe Los valores de saturacioacuten magneacutetica (Ms)
magnetizacioacuten remanente (Mr) y coercitividad (Hc) fueron obtenidos a partir de la curva de
histeacuteresis
347 Potencial zeta ζ
Las mediciones de potencial zeta de los agregados de BaFe12O19 fueron obtenidos usando un
equipo ZetaMeter (Zetasizer Modelo Malverin 300 HSA) Se prepararon diferentes suspensiones
de polvo de BaFe12O19 (0011g) en 20 mL de agua destilada Para cada suspension el valor de pH
fue modificado a valores aacutecidos y baacutesicos desde 20 hasta 100 usando como modificadores de
pH aacutecido niacutetrico HNO3 e hidroacutexido de amonio NH4OH respectivamente
35 PRUEBAS BIOLOacuteGICAS
351 Extraccioacuten de ADN plasmiacutedico
La Fig 33 muestra el diagrama de extraccioacuten de ADN plasmidico Las etapas principales en la
extraccioacuten de ADNp incluye la preparacioacuten del lisado lavado y elucioacuten (Fig 33(a)) El plaacutesmido
53
recombinante presente en la cepa T7 Express Iq Competent de Escherichia coli [MiniF
laqIq(CamR)fhuA2 lacZT7 gene1 [Ion] ompT gal sulA11 R(mcr-73miniTn10mdashTets)2[dcm]
R(zgb-210Tn10mdashTets) endA1 Δ(mcrC-mrr)114IS10] fue aislado de acuerdo a las
instrucciones del Kit PureYieldTM Plasmid Miniprep System (Fig 33(b)) 30 microL de ADN + 10
microL de buffer de carga fueron cargados en un gel de agarosa al 08 para determinar la presencia
del plaacutesmido mediante electroforesis La electroforesis se llevoacute a cabo a 90 V por 30 min El gel
fue analizado en un Fotocodificador EL LOGIC 200
Figura 33 Extraccioacuten de ADN plasmiacutedico (a) Pasos generales en la extraccioacuten de ADNp y (b) procedimiento del
Kit Pure YieldTM Plasmid Miniprep System
352 Siacutentesis del peacuteptido DS
La Fig 34 muestra el diagrama general de siacutentesis del peacuteptido DS El Diagrama incluye los
pasos desde la expresioacuten del peacuteptido hasta su deteccioacuten y revelado con luminol
54
Figura 34 Diagrama de siacutentesis del peacuteptido DS a partir del plaacutesmido pFN21K El Diagrama incluye los pasos desde
la expresioacuten del peacuteptido hasta su deteccioacuten y revelado con luminol en un anaacutelisis tipo Western
a Siacutentesis a partir del plaacutesmido pF1A T7 Flexireg
Un pre-inoacuteculo de E coli fue preparado tomando una asada de la cepa T7 modificada para
sintetizar el peacuteptido pF1A T7 Flexi la cual se inoculo en 30 mL del medio de cultivo Luria-
Bertani (LB) El cultivo fue incubado a 37 degC por 18 h en agitacioacuten a 150 rpm La induccioacuten se
llevoacute a cabo distribuyendo 200 microL de pre-inoacuteculo + 20 microL de ampicilina (100 microgmL) en 20 mL
de LB El medio de cultivo fue incubado hasta alcanzar una densidad oacuteptica (DO) de 04 ndash 06
Los valores de DO fueron medidos en un Espectro Cary 50 Probe UV-vis spectro usando una
longitud de onda λ = 600 nm Una vez alcanzada la DO diferentes concentraciones de isopropil-
β-D-1-tiogalactopiranoacutesido (IPTG) fueron agregadas para inducir la concentracioacuten del peacuteptido
La concentracioacuten de IPTG fue calculada usando la Ecuacioacuten 1 La induccioacuten se incuboacute a 37 degC
por 3 h 10 mL de la induccioacuten fue tomado y centrifugado a 13000 rpm por 1 min el
sobrenadante fue descartado y fueron agregados al sedimento 100 microL de buffer de lisis La
muestra se hirvioacute por 10 min 50 microL de muestra fueron cargados en un gel de poliacrilamida para
determinar la expresioacuten del peacuteptido de intereacutes La muestra fue tratada con dodecil sulfato de
sodio (SDS CH3(CH2)10CH2OSO3-
Na+) La electroforesis se llevoacute a cabo a 200 V por 40 min
El fundamento de la electroforesis se basa en el movimiento de las partiacuteculas cargadas en un
campo eleacutectrico hacia un electrodo con carga opuesta El anioacuten del SDS se une con fuerza a las
55
proteiacutenas por adsorcioacuten no especiacutefica cuanto mayor es la proteiacutena maacutes cantidad del anioacuten
adsorberaacute El SDS desnaturaliza por completo a las proteiacutenas rompiendo todas las interacciones
no covalentes Como resultado las proteiacutenas adquieren una carga negativa a consecuencia de la
adsorcioacuten del anioacuten SO3-
La movilidad de las macromoleacuteculas depende de su carga forma y
tamantildeo Sin embargo dado que todas las proteiacutenas de la muestra tienen casi la misma forma y
carga el tamantildeo de las proteiacutenas se convierte en el factor determinante para su separacioacuten
Ecuacioacuten 31
donde
C1 = concentracioacuten de IPTG deseada
V1 = volumen del medio LB
C2 = concentracioacuten del stock de IPTG
V2 = volumen necesario de IPTG para alcanzar la concentracioacuten deseada
b Siacutentesis a partir del plaacutesmido pFN21K
Con el objetivo de llevar a cabo la expresioacuten y produccioacuten de proteiacutenas recombinantes ceacutelulas
derivadas de ovario de haacutemster chino Cricetulus griseus (ceacutelulas CHO) fueron transferidas con
el vector pFN21K construido especialmente para expresar el peacuteptido deseado 300 000 ceacutelulas
CHOpozo fueron sembradas en placas de seis pozos para cultivo celular en 1 mL de medio de
crecimiento completo (F-12K) e incubadas a una atmoacutesfera de 5 de CO2 y a 37 ordm C 24 horas
despueacutes las ceacutelulas CHO se transfectaron haciendo uso del kit XfetTM Transfection Reagent
siguiendo las instrucciones del fabricante y empleando 5 microg de plaacutesmido El cultivo celular
transfectado fue incubado durante 24 h en una atmosfera de 5 de CO2 y a 37 ordm C despueacutes de los
56
cuales el medio fue sustituido por medio celular nuevo y se incuboacute a las mismas condiciones de
CO2 y temperatura Se verificoacute la transfeccioacuten positiva de las ceacutelulas CHO y se procedioacute a la
extraccioacuten de proteiacutena total Las ceacutelulas CHO fueron lavadas dos veces con PBS frio esteacuteril a
continuacioacuten fueron antildeadidos a cada pozo 80 microL de buffer de lisis con una concentracioacuten final de
2X El complejo lisado fue recuperado en tubos de 15 mL y la proteiacutena se centrifugoacute a 14000
rpm a 4 ordmC por 20 min El sobrenadante fue recuperado Un anaacutelisis tipo Western blot fue
utilizado para verificar la expresioacuten del peacuteptido con ayuda de anticuerpos monoclonales El
primer paso de este anaacutelisis consistioacute en la separacioacuten de macromoleacuteculas proteicas mediante
geles de poliacrilamida al 10 Posteriormente las proteiacutenas se transfieren a una matriz de
nitrocelulosa la cual fue bloqueada con una solucioacuten de caseiacutena al 1 en amortiguador salino de
Tween20 al 01 Tris 100 mM pH 75 NaCl 09 (TTBS) Posteriormente se llevoacute a cabo una
serie de lavados utilizando solucioacuten amortiguadora de fosfatos (PBS) KHPO4 106 mM NaCl
15517 mM y NaPO4 297 mM pH 74 La deteccioacuten del peacuteptido deseado se realizoacute adicionando
como anticuerpo primario anti-HaloTagreg y como anticuerpo secundario anti-gallina acoplado a
la enzima peroxidasa de raacutebano (HRP) El revelado en una placa fotograacutefica para la deteccioacuten del
peacuteptido se llevoacute a cabo mediante la adicioacuten de luminol
353 Cargaliberacioacuten del peacuteptido
a Carga BaFe12O19-pF1AT7 Flexireg
10 mg de polvo de BaFe12O19 fueron puestos en contacto con 40 mL del peacuteptido DS producido a
partir del plaacutesmido pF1A T7 Flexireg mediante agitacioacuten lenta a temperatura ambiente durante 2 h
Los polvos de BaFe12O19 fueron recuperados del peacuteptido tomando 50 microL de la suspensioacuten a los
cuales se les agrego 50 microL de agua desionizada + 50 microL de buffer de lisis La mezcla se llevoacute a
ebullicioacuten por 10 min para su posterior carga en un gel de poliacrilamida para realizar un anaacutelisis
tipo Western
57
b Carga BaFe12O19-pFN21K
10 mg de polvo de BaFe12O19 fueron puestos en contacto con 40 mL de una solucioacuten acuosa del
peacuteptido DS-HaloTag mediante agitacioacuten lenta a temperatura ambiente Una aliacutecuota de la
solucioacuten fue tomada a tiempos predeterminados para medir la DO600 La disminucioacuten de DO
indica que el peacuteptido DS-HaloTag se ha absorbido en los sistemas nanoestructurados de
BaFe12O19
354 Liberacioacuten del peacuteptido DS de los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19
Los polvos de BaFe12O19 fueron recuperados de la solucioacuten acuosa que conteniacutea el peacuteptido DS-
HaloTag A continuacioacuten fueron colocados en medio F12K e incubados a una atmoacutesfera de 5
de CO2 a 37 ordmC Para verificar la liberacioacuten del peacuteptido Halo-DS a tiempos predeterminados una
aliacutecuota del medio fue tomada y medida la DO600
58
CAPIacuteTULO 4
RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN
59
CAPIacuteTULO 4 RESULTADOS Y DISCUSION
En este capiacutetulo se presentan los resultados obtenidos en el disentildeo y siacutentesis de los sistemas
nanoestructurados de BaFe12O19 fabricados a partir de un disentildeo experimental factorial 2f y
sintetizados a traveacutes del meacutetodo sol-gel y secado por aspersioacuten A partir de los resultados
obtenidos en la caracterizacioacuten estructural morfoloacutegica fisicoquiacutemica y magneacutetica de los
sistemas de BaFe12O19 asiacute como las pruebas bioloacutegicas que incluyen el estudio de carga y
liberacioacuten del peacuteptido DS utilizado como faacutermaco modelo se discute la capacidad de estos
sistemas para ser usados como sistemas de liberacioacuten de faacutermaco
41 DISENtildeO FACTORIAL 2f
La Tabla 4I muestra el total de 8 experimentos llevados a cabo cuando se realizoacute el disentildeo
experimental 2f asiacute como los valores obtenidos para el diaacutemetro promedio de agregado de
BaFe12O19 aacuterea superficial especiacutefica BET volumen de mesoporo y diaacutemetro promedio de
macroporo de los agregados de BaFe12O19el volumen de poro y el tamantildeo de aglomerado
promedio para todos los experimentos Se observa un efecto sobre el volumen de poro y el
tamantildeo de los agregados nanoestructurados macroporosos de BaFe12O19 Los diaacutemetros promedio
de los agregados esfeacutericos obtenidos despueacutes del proceso de secado por aspersioacuten y calcinados a
700 degC variaron de 150 a 173 microm Las partiacuteculas nanoestructuradas superparamagneacuteticas de
oacutexido de hierro desde 29 nm hasta 35 microm han sido sintetizadas por varios autores La mayoriacutea
de las aplicaciones son dependientes del tamantildeo En este trabajo se ha elegido sintetizar
agregados esfeacutericos macroporosos de tamantildeo micromeacutetrico con la finalidad de aumentar la carga
uacutetil en los sistemas de liberacioacuten de faacutermacos asegurando tambieacuten con ello la estabilidad de los
agregados durante el transporte en el torrente sanguiacuteneo Ademaacutes se ha tomado en cuenta que el
tamantildeo maacutes grande de agregado obtenido aquiacute sea capaz de ser inyectado auacuten en los capilares
(los cuales miden alrededor de 5 a 10 microacutemetros de diaacutemetro)
60
Un anaacutelisis estadiacutestico de variancia (ANOVA) fue llevado a cabo para establecer que los factores
A B y C correspondientes a la presioacuten (P) temperatura (T) y PS respectivamente asiacute como
sus interacciones AB AC BC y ABC afectan la morfologiacutea y el tamantildeo del agregado Para este
tipo de modelo la estadiacutestica de prueba (F0) para cada efecto principal e interaccioacuten pueden
construirse dividiendo el cuadrado medio (MS) correspondiente del efecto o interaccioacuten por el
cuadrado medio del error Mientras que el estadiacutestico de referencia (FT) es obtenido a partir de la
literatura El nuacutemero de grados de libertad (GL) de cualquier efecto principal es el nuacutemero de
niveles del factor menos uno y el nuacutemero de GL de una interaccioacuten es el producto del nuacutemero de
GL asociados con los componentes individuales de la interaccioacuten Cuando F0 gt FT los efectos
individuales o sus interacciones muestran un efecto significativo en las variables de respuesta
De acuerdo al anaacutelisis ANOVA en la Tabla 4II el cual analiza el diaacutemetro de agregado
promedio el uacutenico factor que tienen un efecto significativo sobre el tamantildeo del agregado es la
presioacuten de aire del aspersor Mientras que un efecto miacutenimo puede estar dado por la temperatura
o por la combinacioacuten de los factores presioacuten-temperatura y temperatura-poroacutegeno
De la misma manera un anaacutelisis ANOVA en la Tabla 4II donde se muestra el anaacutelisis de aacuterea
superficial especiacutefica BET de los agregados nanoestructurados muestra que los factores que
tienen un efecto significativo sobre BET estaacuten dados por la concentracioacuten del template por siacute
sola ademaacutes de la interaccioacuten entre los factores presioacuten-template y temperatura-template
Ademaacutes un anaacutelisis ANOVA fue llevado a cabo para analizar el volumen de mesoporos de los
agregados nanoestructurados obtenidos La Tabla 4II muestra que los efectos que tienen un
efecto significativo sobre el volumen de mesoporos son la presioacuten por siacute sola y la interaccioacuten de
los factores presioacuten-template y temperatura-template
Finalmente un anaacutelisis ANOVA fue llevado a cabo para analizar el diaacutemetro de macroporo La
Tabla 4II muestra que ninguacuten factor tiene un efecto significativo sobre el tamantildeo de macroporo
Pudiera ser considerado que los factores que tienen un miacutenimo efecto sobre el tamantildeo de
61
macroporo son la temperatura por si sola y las interacciones de los factores presioacuten-temperatura
y temperatura-poroacutegeno Se concluye que el tamantildeo de macroporo es determinado
principalmente por el tamantildeo del PS En este trabajo las esferas del agente poroacutegeno de PS
usadas fueron de 200 nm de diaacutemetro promedio
Tabla 4I Variables de respuesta (oslashagregado SBET Vmesoporo oslashmacroporo) del disentildeo experimental fraccionario 2f como
resultado del efecto de los factores P T y PS
1No Exp
2Factor
3oslashagregado
4SBET
5Vmesoporo
6oslashmacroporo
P T PS
1 - - - 169 2705 00743 1946
2 - + - 173 2456 00639 2340
3 + - - 171 3420 01686 2362
4 + + - 158 2199 00238 2213
5 - - + 150 2031 00463 2206
6 - + + 164 2064 00085 2435
7 + - + 172 1481 01015 2085
8 - - + 173 1116 00143 1971
1 = Nuacutemero de experimento 2 = Los factores de presioacuten (P Kgcm2) temperatura (T degC) y porcentaje en peso del
poliestireno (PS) usado como agente poroacutegeno muestran dos niveles nivel bajo (-) y nivel alto (+)
correspondientes a 15 Kgcm2 y 20 Kgcm
2 180 degC y 200 degC y 30 y 50 respectivamente 3 oslashagregado (microm) =
diaacutemetro promedio de agregado de BaFe12O19 SBET (m2g) = aacuterea superficial especiacutefica BET Vmesoporo (cm
3g)=
volumen de mesoporo oslashmacroporo (nm) = diaacutemetro promedio de macroporo de los agregados de BaFe12O19
62
Tabla 4II Anaacutelisis de variancia ANOVA
ANOVA
EFECTO FACTOR 1SS
2GL
3MS
4F0
5FT
oslashagregado
A 049 1 00150 574
532
B 039 1 00095 363
AB -035 1 00076 293
C -005 1 00001 005
AC 015 1 00014 053
BC 031 1 00060 229
ABC 017 1 00018 069
ERROR 0041 8 00026
TOTAL 0083 15
SBET
A -2235 1 31220 2300
532
B -1653 1 17070 1128
AB -2529 1 39970 294
C -5501 1 18910 1393
AC -3887 1 94420 6958
BC -4235 1 11200 8260
ABC -0590 1 00021 0001
ERROR 21713 8 1357
TOTAL 70108 15
Vmesoporo
A -079 1 0063 866
532
B -050 1 0168 398
AB 035 1 0023 174
C 046 1 0049 298
AC -065 1 0008 581
BC -066 1 0101 602
ABC 059 1 0014 479
ERROR 0073 8 00046
TOTAL 0227 15
oslashmacroporo
A 600 1 2250 001
532
B -656 1 2689 234
AB -766 1 3667 319
C 176 1 1936 016
AC -384 1 9216 080
BC -754 1 35532 309
ABC 480 1 14400 125
ERROR 18372 8 11483
TOTAL 30860 15
1SS = suma de cuadrados
2GL = grados de libertad
3MS = cuadrado promedio
4F0 = valor estadiacutestico de prueba F
5FT = valor estadiacutestico de referencia
63
42 CARACTERIZACIOacuteN
421 Difraccioacuten de rayos X
La Fig 41 presenta los espectros de XRD de las muestras obtenidas a temperaturas de
calcinacioacuten de 700 800 900 y 1000 degC La indexacioacuten de los espectros de XRD indicoacute la
coexistencia de las fases hexaferrita H = BaFe12O19 monoferrita O = BaFe2O4 y hematita F =
Fe2O3 en todas las muestras La fase H hexaferrita tiene una celda unitaria hexagonal (tarjeta
Crystallography Open Database COD 1008841) con paraacutemetros de red a = b =0589 nm y c =
2318 nm la fase monoferrita O tiene una celda unitaria ortorroacutembica (tarjeta COD 4107896) con
paraacutemetros de red a = 1899 nm b = 0538 nm c = 0844 nm y la fase hematita F tiene una celda
unitaria hexagonal (tarjeta COD 9015964) con paraacutemetros de red a = b = 0503 nm y c = 1374
nm Como puede observarse el contenido de la fase H aumenta con la temperatura y
simultaacuteneamente disminuye la fase F
Figura 41 Espectro DRX del polvo de las esferas de BaFe12O19 obtenidas despueacutes del proceso de secado por
aspersioacuten y calcinado a diferentes temperaturas Este presenta las fases H = BaFe12O19 (tarjeta Crystallography Open
Database COD 1008841) F = Fe2O3 (tarjeta COD 9015964)
64
422 Microscopiacutea electroacutenica de barrido
La Fig 42(a) muestra una imagen de SEM representativa de los agregados esfeacutericos de
BaFe12O19 de los polvos obtenidos despueacutes del proceso de secado por aspersioacuten y antes de ser
sometido a un tratamiento teacutermico Una amplificacioacuten a 20000 X (Fig 42(b)) muestra un
agregado de BaFe12O19 en el cual pueden ser observadas las esferas de poliestireno (PS) antes de
ser eliminadas durante el tratamiento teacutermico
Figura 42 Imaacutegen SEM de (a) agregados esfeacutericos de BaFe12O19 antes de ser tratados teacutermicamente y (b) una
amplificacioacuten a 20000 X que muestra un agregado de BaFe12O19 en el cual pueden ser observadas las esferas de
poliestireno (PS) antes de ser eliminadas
La Fig 43(a) y Fig 43(c) muestra imaacutegenes de SEM representativas de los agregados de
BaFe12O19 Las imaacutegenes fueron tomadas con electrones secundarios (SE) a 5 KV Se puede
observar que los agregados porosos nanoestructurados presentan una morfologiacutea esfeacuterica Los
insertos en la Fig 43(a) y Fig 43(c) muestran una amplificacioacuten de los agregados de BaFe12O19
Noacutetese que las esferas son macroporosas y policristalinas constituidas por cristales alargados o
fibras de tamantildeo micromeacutetrico formando una estructura tipo nido La macroporosidad fue
producto de la pirolisis de las esferas de poliestireno durante el tratamiento teacutermico Sin embargo
no existe evidencia clara en los espectros de DRX (Fig 41) de crecimiento preferencial de
ninguna de las fases
65
Las Fig 43(b) y Fig 43(d) muestra los histogramas de distribucioacuten de tamantildeo de agregado
correspondiente a las Fig 43(a) y Fig 43(c) respectivamente Los agregados tienen un diaacutemetro
promedio de aprox 17 microm el cual como se mencionoacute anteriormente cumple con el requisito de
ser menor de 50 microm para poder ser introducido en una suspensioacuten inyectable Los agregados
esfeacutericos observados en las muestras son praacutecticamente del mismo tamantildeo puesto que el tamantildeo
de estos agregados es resultado del tamantildeo de la gota producida en la boquilla del equipo de
secado pero tambieacuten puede estar influenciado por la reologiacutea de la suspensioacuten alimentada La
distribucioacuten de tamantildeo de agregado fue determinada a partir de imaacutegenes SEM mediante anaacutelisis
estadiacutestico usando el software linear Lynx Los histogramas describen el comportamiento en
cuanto a tendencia central forma y dispersioacuten del conjunto de datos analizados (agregados de
BaFe12O19 N = 300)
Ademaacutes se observa una morfologiacutea esfeacuterica homogeacutenea con un tamantildeo de macroporo de aprox
200 nm de diaacutemetro con una desviacioacuten estaacutendar de 50 nm Este resultado es loacutegico si
consideramos que la suspensioacuten alimentada estaacute constituida ademaacutes del gel por las esferas de
poliestireno monomodales cuyo tamantildeo promedio es de 223 nm Por lo tanto estos materiales
caen en la clasificacioacuten de materiales macroporosos de acuerdo a la IUPAC Ademaacutes la
distribucioacuten de los mesoporos de los agregados esfeacutericos obtenidos fue determinada por la teacutecnica
BJH En promedio los mesoporos son del orden de 12 nm con una desviacioacuten estaacutendar de 2 nm
Como se mencionoacute anteriormente debido al disentildeo factorial 2f un conjunto de 8 experimentos
fue realizado Todas las muestras tienen una estructura y morfologiacutea similar por lo tanto las
imaacutegenes representativas para cada una de las concentraciones de PS 30 y 50 en peso
respectivamente son mostradas La muestra en la Fig 43(a) fue sintetizada con una temperatura
interna de 200 degC y una presioacuten de 20 Kgcm2 correspondiente a los paraacutemetros de secado por
aspersioacuten y a una concentracioacuten de esferas de poliestireno de 50 La muestra en la Fig 43(c)
fue sintetizada con una temperatura interna de 180 degC y una presioacuten de 15 Kgcm2
correspondiente a los paraacutemetros de secado por aspersioacuten y una concentracioacuten de esferas de
poliestireno de 30 La diferencia principal entre las imaacutegenes de las Fig 44(3) y Fig 44(3) es
la distribucioacuten de tamantildeo de poro
66
Figura 43 Imaacutegenes de SEM de los agregados de BaFe12O19 y sus correspondientes histogramas de distribucioacuten de
tamantildeo (a) Muestra con 50 de PS bajo condiciones de secado por aspersioacuten de 200 degC y 20 Kgcm2 y su
correspondiente distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula (b) (c) Muestra con 30 de PS bajo condiciones de secado por
aspersioacuten de 180 degC y 15 Kgcm2 y su correspondiente distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula (d) Las muestras fueron
calcinadas a 700 degC
Una variedad de diferentes morfologiacuteas han sido reportadas en la literatura Por ejemplo
Okuyama y cols [75] han reportado la siacutentesis de partiacuteculas esfeacutericas completamente densas
partiacuteculas esfeacutericas rugosas partiacuteculas huecas partiacuteculas tipo dona partiacuteculas porosas partiacuteculas
encapsuladas y una mezcla de partiacuteculas Chiemi y cols [51] han reportado la siacutentesis de
partiacuteculas nuacutecleo-coraza Ademaacutes otras morfologiacuteas tales como nanoalambres nanocilindros
nanotubos y nanopartiacuteculas tipo gusano han sido reportadas en la literatura En este trabajo se han
obtenido agregados nanoestructurados de BaFe12O19 con una morfologiacutea esfeacuterica Una ventaja de
las partiacuteculas esfeacutericas es su importancia praacutectica debido a sus propiedades reoloacutegicas cuando se
67
comparan con otras morfologiacuteas Por ejemplo cuando se encuentran en los vasos sanguiacuteneos el
flujo de los microagregados de forma esfeacuterica en el torrente sanguiacuteneo se ve mejorado
El anaacutelisis EDS (Fig 44(a)) y su respectivo mapeo quiacutemico (Fig 44(b)) realizado en el SEM
indicoacute que los agregados de BaFe12O19 estaacuten compuestos como era de esperarse por los
elementos quiacutemicos Ba Fe y O El pico de C es producido por la cinta doble cara de carbono
usada como adhesivo en soporte Este resultado demuestra que la composicioacuten de las esferas
obtenidas contiene los mismos elementos que fueron introducidos en la siacutentesis y no presentan
contaminacioacuten
Figura 44 (a) Espectro EDS de los agregados de BaFe12O19 el cual indica la presencia de los elementos Ba Fe y O
El C es producido por la cinta doble cara de carbono usada como adhesivo en soporte (b) Mapeos quiacutemicos de EDS
de los agregados de BaFe12O19 Imagen SEM en el modo de electrones secundarios Las imaacutegenes de Ba (verde) Fe
(rojo) y O (azul) indican su distribucioacuten homogeacutenea y que estos elementos son los uacutenicos presentes en las muestras
423 Microscopiacutea electroacutenica de transmisioacuten
La Fig 45 presenta las imaacutegenes de STEM-ADF de los agregados de BaFe12O19 calcinadas a
700 degC Estas imaacutegenes confirman que las esferas estaacuten conformadas principalmente por cristales
alargados tipo platelets Estos cristales son tan alargados que llegan a alcanzar una longitud del
tamantildeo de la esfera Por ejemplo en la Fig 45(d) se observa una esfera de aproximadamente 921
nm de diaacutemetro y la longitud del cristal maacutes largo es de 700 nm aproximadamente El tamantildeo
68
promedio de las esferas fue de 17 +- 04 microm y de los cristales alargados de 2991 +- 801 nm en
longitud y 341 +- 77 nm en espesor
Figura 45 Imaacutegenes de STEM-ADF de los agregados de BaFe12O19 Las esferas estaacuten conformadas principalmente
por cristales alargados
La Fig 46 muestra imaacutegenes de STEM-ADF (Fig 46(a)) y de TEM (Fig 46(b) de una esfera
de BaFe12O19 de aproximadamente 1 microm de diaacutemetro Estas imaacutegenes permiten comparar el
contraste presentado por los cristales que conforman las esferas por estas teacutecnicas Noacutetese que la
esfera presenta un cristal alargado de aproximadamente 850 nm de largo y cuyo contraste es
mejor observado por STEM-ADF
Figura 46 Imaacutegenes de una misma esfera de BaFe12O19 en el modo (a) STEM-ADF y (b) TEM las cuales permiten
comparar el contraste de los cristales que la conforman
69
Es importante indicar que el uso del limpiador ultrasoacutenico permitioacute obtener las muestras
analizadas por TEM en este trabajo El limpiador produce una vibracioacuten de 42 KHz a una
potencia de 70 W y genera alternativamente ondas de alta y baja presioacuten que transmiten sonidos
de alta y baja frecuencia La baja presioacuten genera burbujas microscoacutepicas que explotan
raacutepidamente liberando asiacute la energiacutea Este proceso denominado cavitacioacuten puede llevar a la
desintegracioacuten de los materiales que conforman las esferas de BaFe12O19 El calor permite
acelerar el proceso
En la Fig 47 se presentan las imaacutegenes de TEM en el modo de campo claro (Fig 47(a) y Fig
47(c) y en el modo de campo oscuro (Fig 47(b) y Fig 47(d) del material que conforman los
agregados despueacutes de haber sido desaglomerados por el tratamiento ultrasoacutenico al que fueron
sometidas Este material fue por lo tanto estructuralmente estudiado por difraccioacuten electroacutenica
de aacuterea selecta (SAEDP) El inserto en la Fig 47(b) presenta el patroacuten SAEDP de anillos
provenientes del material presentado en la Fig 47(a) mientras que el inserto en la Fig 47(d)
presenta el patroacuten SAEDP del cristal alargado mostrado en la Figura 47(c) La indexacioacuten de
estos patrones indicoacute que todo el material corresponde a la estructura hexagonal de la BaFe12O19
con paraacutemetros de red a = b = 0589 nm y c = 2318 nm (tarjeta Crystallography Open Database
COD 1008841)
Figura 47 Imaacutegenes de TEM en campo claro (a y c) y en campo oscuro (b y d) del material que conforman las
esferas despueacutes de haber sido desbaratadas por el tratamiento ultrasoacutenico El inserto en (b) presenta el patroacuten SAEDP
proveniente del material presentado en (a) El inserto en (d) presenta el patroacuten SAEDP del cristal alargado
presentado en (c)
70
La Fig 48(a) y Fig 48(b) muestran imaacutegenes HRTEM de uno de los cristales alargados
individuales que conforman los agregados poros de BaFe12O19 obtenidos Ademaacutes la
coexistencia de las fases entre los cristales de BaFe12O19 y los cristales de BaFe2O4 son
mostrados en la Fig 48(c) Por otra parte la Fig 48(d) muestra la coexistencia de las fases entre
los cristales de BaFe12O19 y los cristales de Fe2O3
Figura 48 Imaacutegenes HRTEM de los cristales que conforman los agregados porosos de BaFe12O19 (a) y (b)
corresponden a cristales individuales de la fase BaFe12O19 (c) Coexistencia entre las fases BaFe12O19 y BaFe2O4 (d)
Coexistencia entre las fases BaFe12O19 y Fe2O3
Las fibras fueron tambieacuten observadas por HRTEM para analizar la estructura y el ordenamiento
que presentan los aacutetomos que conforman sus cristales La Fig 49(a) presenta la imagen de
HRTEM de uno de los cristales alargados El inserto en esta figura presenta la correspondiente
Transformada Raacutepida de Fourier (FFT) del cristal la cual indica que el eje de zona corresponde
al eje de la zona en la direccioacuten [2-110] En la Fig 49(b) se presenta la imagen digitalmente
procesada correspondiente al aacuterea del recuadro indicado en la Fig 49(a) y la cual fue obtenida
usando el filtro indicado por el inserto A parte del arreglo presentado esta imagen indica que el
eje de crecimiento de los cristales alargados es en la direccioacuten [10-10] En el estudio por HRTEM
no solo se observan cristales alargados perfectamente formados sino que una gran mayoriacutea
presenta defectos principalmente fallas de apilamiento La Fig 49(c) presenta una imagen de
HRTEM de otro de los cristales alargados en la cual se observa una gran cantidad de defectos
71
La imagen presentada en la Fig 49(d) corresponde a la imagen digitalmente procesada del aacuterea
indicada en el recuadro presentado en la Fig 49(c)
Figura 49 (a) Imagen de HRTEM de uno de los cristales alargados que conforman las esferas de BaFe12O19 El
inserto presenta la correspondiente FFT la cual indica que el eje de zona corresponde al eje en la direccioacuten [2-110]
(b) Imagen digitalmente procesada correspondiente al aacuterea del recuadro indicado en (a) El filtro usado para el
procesamiento es indicado en el inserto (c) Imagen de HRTEM de otro de los cristales alargados con defectos (d)
Imagen digitalmente procesada del aacuterea indicada en el recuadro en (c)
Usando los valores de las posiciones xyz reportadas para BaFe12O19 con grupo espacial P3mmc
[27] se obtuvo la celda unitaria y se simularon digitalmente las imaacutegenes de HRTEM La Fig
410 presenta la celda unitaria obtenida en las direcciones [10-10] (Fig 410(a) y [21-10] (Fig
410(b)
La estructura de BaFe12O19 se puede construir usando tres unidades baacutesicas [30-32] S R y T La
unidad S a su vez presenta dos sub-unidades S0 con una carga eleacutectrica neutra y con foacutermula
quiacutemica Me22+
Fe43+
O8 (donde Me representa metales divalentes tales como Mn2+
Fe2+
Co2+
Ni2+
Zn2+
Mg2+
) y S2+
con carga eleacutectrica 2+ y con foacutermula quiacutemica (Fe63+
O8)2+
La unidad R
presenta carga eleacutectrica 2- y con foacutermula quiacutemica (Ba2+
Fe 63+
O11)2-
La unidad T presenta carga
eleacutectrica neutra y con foacutermula quiacutemica Ba22+
Fe83+
O 14 Estas unidades se unen para dar lugar a la
estructura de diferentes oacutexidos ferromagneacuteticos Por ejemplo al unir la unidad S2+
con la unidad
R se obtiene la secuencia de apilamiento RS la cual presenta carga eleacutectrica neutra y con
foacutermula quiacutemica BaFe12O19 Asiacute la celda unitaria de la BaFe12O19 se obtiene con la secuencia
SRSR donde dignifica una rotacioacuten de 180ordm alrededor del eje c La Fig 410 presenta las
72
unidades S S R y R de la celda unitaria de la BaFe12O19 observadas en las direcciones [21-10]
y [10-10] respectivamente
Vale la pena comentar que si se designa como la unidad M a BaFe12O19 y definimos a ST con
foacutermula quiacutemica Ba22+
Me22+
Fe123+
O22 como la unidad Y las hexaferritas pueden representarse
como apilamientos de las unidades S M y Y [64] Por lo tanto la combinacioacuten de las unidades S
R y T da origen al apilamiento que generan las diferentes estructuras observadas en las ferritas
[6566] y es natural deducir la existencia de las estructuras tipo politipo con la misma
composicioacuten quiacutemica en estos compuestos En nuestro caso los patrones de difraccioacuten SAEDP
obtenidos en este trabajo no indican la presencia de estructuras tipo politipo ya que no se
presentaron reflexiones provenientes de suacuteper-redes
Figura 410 Celda unitaria de BaFe12O19 obtenidas usando los valores indicados en [27] y observada en la direccioacuten
[10-10] (a) y en la direccioacuten [21-10] (b) Tambieacuten se presentan las unidades S y R El plano que contiene a Ba es un
plano espejo Ba en verde Fe en amarillo y O en rojo
La Fig 411 muestra la simulacioacuten digital de las imaacutegenes de HRTEM y sus correspondientes
patrones de difraccioacuten de aacuterea selecta en la direccioacuten [0001] (Fig 411(a) en la direccioacuten [10-10]
(Fig 411(b) y en la direccioacuten [2-1-10] (Fig 411(c) En estas Figuras se presentan las posiciones
de los aacutetomos de Ba (en verde) Fe (en amarillo) y O (en rojo) dentro de la celda unitaria
hexagonal de BaFe12O19 en proyeccioacuten a lo largo de las direcciones [0001] [10-10] y [2-1-10]
respectivamente Las condiciones de simulacioacuten fueron V = 200 KV con desenfoque de Scherzer
en -5485 nm y 4x4x4 celdas Noacutetese que las liacuteneas oscuras corresponden a posiciones de los
73
aacutetomos de Ba con los aacutetomos de Fe Los resultados indicaron que los agregados de BaFe12O19
producidos consisten de varios pequentildeos cristales alargados platelets cuyos arreglos atoacutemicos
presentan en algunos casos un perfecto arreglo (regiones libres de defectos) pero tambieacuten se
observaron desajustes en el apilamiento (mismatches) en otros casos
Figura 411 Simulacioacuten computacional de imaacutegenes de HRTEM en las direcciones [0001] (a) [10-10] (b) y [2-1-
10] (c) Se presenta la proyeccioacuten de la celda BaFe12O19 en las direcciones indicadas la simulacioacuten de su imagen en
el desenfoque de Scherzer y su correspondiente patroacuten de difraccioacuten del aacuterea selecta simulado Las condiciones de
simulacioacuten fueron V = 200 KV desenfoque de Scherzer en -5485 nm y 4x4x4 celdas Ba en verde Fe en amarillo
y O en rojo
La Fig 412 muestra la imagen de HRTEM experimental en la direccioacuten [2-110] de uno de los
cristales alargados que conforman los agregados de BaFe12O19 junto con la imagen
computacional simulada en la misma direccioacuten En este caso la imagen de HRTEM no presenta
defectos (al menos no observables) y las franjas presentan una periodicidad de 1159 nm que
corresponden a la mitad de la periodicidad a lo largo del eje c Tambieacuten se incluye las posiciones
de la superposicioacuten de los aacutetomos de Ba con los aacutetomos de Fe
74
Figura 412 Imagen de HRTEM en la direccioacuten [1-100] de uno de los cristales alargados que conforman los
agregados de BaFe12O19 y la imagen computacionalmente simulada en la misma direccioacuten En este caso la imagen de
HRTEM no presenta defectos Tambieacuten se incluyen las posiciones de los aacutetomos en la celda unitaria Ba en verde Fe
en amarillo y O en rojo
424 Isotermas de adsorcioacutendesorcioacuten de nitroacutegeno
La Fig 413 muestra las isotermas tiacutepicas de adsorcioacutendesorcioacuten para las muestras de BaFe12O19
calcinadas a 700 degC con concentraciones de PS de 30 y 50 respectivamente La muestra en la
Fig 413(a) fue sintetizada con una temperatura interna de 200 degC y una presioacuten de 20 Kgcm2
correspondiente a los paraacutemetros de secado por aspersioacuten y una concentracioacuten de esferas de
poliestireno de 50 La muestra en la Fig 413(b) fue sintetizada con una temperatura interna de
180 degC y una presioacuten de 15 Kgcm2 correspondiente a los paraacutemetros de secado por aspersioacuten y
una concentracioacuten de esferas de poliestireno de 30 De acuerdo a la clasificacioacuten BET las
isotermas corresponden a una isoterma tiacutepica tipo II Este tipo de isoterma se caracteriza por
raacutepido aumento inicial del volumen de gas adsorbido con el incremento en la presioacuten relativa
cambiando a un incremento lento El punto de inflexioacuten corresponde tanto a la finalizacioacuten del
recubrimiento de la mono capa y el llenado de los poros por condensacioacuten capilar El resto de la
curva corresponde a la formacioacuten de la multicapa Este tipo de isoterma es usualmente
encontrado en partiacuteculas mesoporosas El aacuterea superficial es calculada a partir de las isotermas
usando el meacutetodo BET a una presioacuten relativa por debajo de 03 A partir de la ecuacioacuten BET el
aacuterea superficial especiacutefica SBET de las partiacuteculas porosas de BaFe12O19 fue determinada SBET de
75
los agregados de BaFe12O19 varioacute de 1116 hasta 2705 m2g (Tabla IV) Dos tipos de poro son
observados en los agregados de BaFe12O19 mesoporos y macroporos Los mesoporos se
presentan en los espacios entre las partiacuteculas primarias y son el resultado de la pirolisis de las
micelas formadas por el surfactante Los macroporos son obtenidos como resultado de la pirolisis
del poliestireno Los insertos en la Fig 413(a) y Fig 413(b) muestran la distribucioacuten de tamantildeo
de los mesoporos obtenidos por el meacutetodo BET de adsorcioacuten de N2 El diaacutemetro promedio de
mesoporo varioacute entre 34 nm y 12 nm aproximadamente
Figura 413 Isotermas de adsorcioacutendesorcioacuten BET para (a) muestra con 50 de esferas de PS bajo condiciones de
secado por aspersioacuten de 200 degC y 20 Kgcm2 y (b) muestra con 30 de esferas de PS bajo condiciones de secado
por aspersioacuten de 180 degC y 15 Kgcm2 Las muestras fueron calcinas a 700 degC
425 Espectroscopiacutea infrarroja
El espectro FTIR de los agregados de BaFe12O19 calcinados a 700 degC mostrado en la Fig 414
evidencia de las bandas de vibracioacuten tiacutepicas para la BaFe12O19 estequiomeacutetrica a 132740 cm-1
y
140412 cm-1
las cuales son asignadas a los modos de vibracioacuten Fe-O de los sitios tetraeacutedricos y
octaeacutedricos en BaFe12O19 Las posiciones de estas bandas dependen de la estequiometriacutea de la
BaFe12O19 Las posiciones de las bandas a 35508 cm-1
54503 cm-1
61631 cm-1
69926 cm-1
y
87333 cm-1
corresponden a los enlacesgrupos funcionales del peacuteptido DS La interaccioacuten entre
BaFe12O19 y el poliacutemero induce un cambio en los picos caracteriacutesticos de BaFe12O19 a nuacutemero de
76
onda mayores como una funcioacuten de la relacioacuten surfactantepoliacutemero La presencia de nuevas
bandas en el espectro correspondiente a la BaFe12O19 en 30984 cm-1
y 87333 cm-1
indica la
adsorcioacuten del peacuteptido La regioacuten de 600 a 1000 cm-1
contiene los grupos funcionales
correspondientes a los enlaces C-C C-O y C-N Asiacute mismo la regioacuten entre 750 y 900 cm-1
incluyen grupos aromaacuteticos por lo tanto los grupos funcionales correspondientes a la
fenilalanina o al triptoacutefano pueden corresponder a los observados en el espectro IR [84]
Figura 414 Espectro Infrarrojo (IR) que muestra los enlacesgrupos funcionales a nuacutemeros de onda (cm-1
)
especiacuteficos correspondientes al peacuteptido DS-HaloTag libre y los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 libres y
cargados con el peacuteptido
426 Propiedades magneacuteticas
Una manera de medir las propiedades magneacuteticas es a traveacutes de las curvas de histeacuteresis las cuales
permiten la evaluacioacuten de las propiedades macroscoacutepicas tales como la saturacioacuten magneacutetica Ms
remanencia magneacutetica Mr y coercitividad Hc Estas propiedades definen el caraacutecter magneacutetico
de los materiales sintetizados La Fig 415 muestra las curvas de histeacuteresis a diferentes
77
temperaturas de calcinacioacuten La Tabla 4III muestra las propiedades magneacuteticas de todas las
muestras En general Ms Mr y Hc muestran un incremento como una funcioacuten de la temperatura
de calcinacioacuten y Hc incrementa con la temperatura en todos los casos El valor maacutes bajo de Mr
se obtuvo para la muestra calcinada a 700 degC Ademaacutes hay un cambio claro en el
comportamiento magneacutetico asociado con las temperaturas del tratamiento teacutermico El cambio
tiene que estar relacionado con el porcentaje del contenido de las diferentes fases presentadas en
las muestras y tambieacuten tiene que estar relacionado al tamantildeo de los cristales que constituyen los
agregados de BaFe12O19 A partir de las curvas de histeacuteresis mostradas en la Fig 420 y basado en
los valores de coercitividad mostrados en la Tabla 4III se observa que uacutenicamente el material
obtenido a 700 degC se comporta como un material magneacutetico semi-duro mientras que para todas
las demaacutes temperaturas desde 800 a 1000 degC el material muestra un comportamiento magneacutetico
duro
Figura 415 Curvas de histeacuteresis de los agregados de BaFe12O19 calcinados a diferentes temperaturas Los valores de
las muestras fueron tomadas a temperatura ambiente y 5000 Oe
78
Tabla 4III Propiedades magneacuteticas de los agregados porosos de hexaferrita de bario
Propiedades magneacuteticas
Muestra Temperatura de
calcinacioacuten (ordmC) Ms (emug) Mr (emug) Hc (Oe)
1 700 1424 379 194650
2 800 1249 592 463160
3 900 2826 152 479146
4 1000 4511 241 427750
El anaacutelisis de la composicioacuten estructural de los agregados indican que las fases monoferrita (O) y
hematita (F) estaacuten presentes Sin embargo la fase hexagonal H es la fase mayoritaria a la
temperatura de calcinacioacuten de 1000 degC Como se muestra en la Tabla 4III un cambio
significativo ocurre como una funcioacuten de la temperatura de calcinacioacuten en las propiedades
magneacuteticas de las muestras Es evidente que el cambio estaacute relacionado con la presencia de las
diferentes fases La mejor combinacioacuten de las propiedades magneacuteticas fue Ms = 4511 emug
(1000 degC) y Hc = 479148 Oe (900 degC)
Estos valores de magnetizacioacuten son cercanos a los obtenidos por Xu y cols [23] quienes
sintetizaron esferas mesoporosas huecas de BaFe12O19 usando el meacutetodo de pirolisis por
aspersioacuten obteniendo un valor de Ms = 504 emug para muestras calcinadas a 1000 degC
Gonzaacutelez-Carrentildeo y cols [25] obtuvieron un valor Ms = 500 emug para esferas huecas de
BaFe12O19 calcinadas a la misma temperatura obtenidas a partir de pirolisis por aerosol La
diferencia en los valores de magnetizacioacuten obtenidos por eacutestos autores y los valores obtenidos en
eacuteste trabajo puede ser debida principalmente a la estructura de la BaFe12O19 dado que en todos
los casos la morfologiacutea de la BaFe12O19 fue esfeacuterica sin embargo la BaFe12019 obtenida en este
trabajo presento una estructura porosa mientras que la estructura de obtenida por Xu y
Gonzaacutelez-Carrentildeo obtuvieron una estructura hueca
Por otra parte no uacutenicamente la estructura y morfologiacutea de las BaFe12O19 afecta las propiedades
magneacuteticas sino tambieacuten el meacutetodo de preparacioacuten Por ejemplo An y cols [42] sintetizaron
79
BaFe12O19 con una morfologiacutea esfeacuterica a traveacutes de un meacutetodo ultrasoacutenico asistido por sales En
este caso los valores de magnetizacioacuten obtenidos por los autores fue Ms = 619 emug (T = 950
degC) lo cual dista del valor obtenido en el presente trabajo de investigacioacuten
43 PROPIEDADES BIOLOacuteGICAS
431 Extraccioacuten de ADN plasmiacutedico
La extraccioacuten de ADN plasmiacutedico se llevoacute a cabo para verificar la presencia del gen de intereacutes en
los plaacutesmidos replicados en la cepa T7 de la bacteria E coli a partir de la cual se sintetizoacute el
peacuteptido DS La Fig 416 obtenida con el Fotocodificador EL LOGIC 200 muestra la extraccioacuten
de ADN de naturaleza plasmiacutedica de la cepa T7 de E coli Se obtuvo una extraccioacuten exitosa del
plaacutesmido pF1A T7 con un rendimiento de 350 ngmL
Figura 416 Extraccioacuten de ADN plasmiacutedico La columna 1 es referida al marcador Kb Plus DNA Ladder de peso
molecular conocido (pares de bases pb) El marcador se compone de 20 bandas de ADN de alta pureza de doble
cadena que abarca 100 pb hasta 12000 pb La columna 2 representa el ADNp de la cepa NEB (New England Biolab)
T7 DS Ademaacutes puede ser observado en la columna 2 la presencia de tres bandas a) es referida al ADNp relajado
b) describe el ADNp enrollado y c) explica el ADNp suacuteper-enrrollado
80
432 Siacutentesis induccioacuten y expresioacuten del peacuteptido DS
a Siacutentesis a partir del plaacutesmido pF1A T7 Flexireg
La Fig 417 muestra un anaacutelisis electroforeacutetico en un gel de SDS-poliacrilamida (SDS-PAGE)
que revela la expresioacuten del peacuteptido DS En la Fig 417 la columna 1 es referida al marcador
Spectra Multicolor Broad Range Protein Ladder Las columnas 2-5 muestras los efectos de las
concentraciones del inductor IPTG 05 1 2 y 3 mM Cada una de las bandas observadas en el
gel SDS-PAGE representa una proteiacutena distinta En las columnas 2-5 se observa una banda a la
altura de aproximadamente 26 KDa lo cual indica la expresioacuten del peacuteptido DS y que estaacute de
acuerdo con los valores de la literatura Sin embargo la intensidad de la banda en la columna 4 es
maacutes intensa lo cual indica que una concentracioacuten 2 mM de IPTG tiene una mayor eficiencia en la
induccioacuten del peacuteptido DS Por otra parte un aumento en la concentracioacuten de IPTG a 3 mM inhibe
la expresioacuten del peacuteptido DS como se puede observar en la columna 5
Figura 417 Separacioacuten de proteiacutenas por electroforesis en gel SDS-PAGE
81
b Siacutentesis a partir del plaacutesmido pFN21K
La Fig 418(a) y Fig 418(b) muestra imaacutegenes de microscopiacutea oacuteptica a diferentes
magnificaciones Las ceacutelulas CHO normalmente ancladas a la superficie tienen forma
fibroblastoide y pueden adaptarse a crecer en suspensioacuten adquiriendo entonces una forma
esfeacuterica Las ceacutelulas transfectadas son faacuteciles de detectar ya que eacutestas adquieren una coloracioacuten
azul debida a la integracioacuten de un plaacutesmido que contiene un gen reportero el cual estaacute vinculado a
una secuencia regulatoria en el cultivo celular Estos genes otorgan caracteriacutesticas que facilitan su
expresioacuten identificacioacuten y medicioacuten La expresioacuten del gen reportero puede ser observada en la
Fig 418 Las ceacutelulas CHO son tentildeidas al momento de antildeadir una moleacutecula orgaacutenica X-gal que
degrada la beta-galactosidasa presente en las ceacutelulas CHO
Figura 418 Imaacutegenes del microscopio oacuteptico en las cuales se puede observar la expresioacuten de un gen reportero
indicando las ceacutelulas CHO han sido transfectadas
La Fig 419 muestra un anaacutelisis tipo Western blot En la placa fotograacutefica se observa la proteiacutena
de intereacutes DS-HaloTag a una altura de ~61 KDa sintetizada a partir del plaacutesmido pfN21K El
volumen final en los carriles 1-3 fue de 198 microl con una concentracioacuten de proteiacutena (microgmicroL) de 29
28 y 27 respectivamente De acuerdo a la literatura el peso molecular del peacuteptido DS es ~26
KDa y el peso molecular de HaloTag es ~34 KDa Por lo que el peso de 61 KDa observado en la
placa fotograacutefica corresponde al peso molecular de la proteiacutena de fusioacuten DS-HaloTag
82
Figura 419 Anaacutelisis tipo Western blot La proteiacutena de intereacutes DS-HaloTag aparece a una altura de 61 ~KDa
433 Caracterizacioacuten del peacuteptido DS
La correspondiente caracterizacioacuten del peacuteptido DS es mostrada en la Tabla 4IV la cual incluye
caracteriacutesticas tales como la longitud y peso del peacuteptido punto isoeleacutectrico residuos hidrofoacutebicos
e hidrofiacutelicos residuos cargados y distribucioacuten de los aminoaacutecidos presentes (Tabla 4V y Fig
420)
Tabla 4IV Informacioacuten de secuencia
Informacioacuten de secuencia
Secuencia Proteiacutena
Longitud 252
Organismo Dominio de unioacuten a Su(H) sin intron
Nombre DS sin introacuten marco de traduccioacuten +1
Peso 26371 KDa
Punto isoeleacutectrico 1075
Iacutendice alifaacutetico 60556
Residuos de aminoaacutecidos
Hidrofobicidad Cantidad Tipo de carga Cantidad
Hidrofoacutebico (A F G I L M P V W)1 121 Negativa (D E)
1 17
Hidrofiacutelico (C N Q S T Y)1 78 Positiva (R K)
1 32
1 = Abreviacioacuten de los aminoaacutecidos con una sola letra
83
Tabla 4V Tabla de distribucioacuten de aminoaacutecidos
Aminoaacutecido Cantidad Aminoaacutecido Cantidad
Alanina (A) 31 Metionina (M) 2
Cisteiacutena (C) 0 Asparagina (N) 9
Aacutecido aspaacutertico (D) 11 Prolina (P) 16
Aacutecido glutaacutemico (E) 6 Glutamina (Q) 7
Fenilalanina (F) 10 Arginina (R) 17
Glicina (G) 24 Serina (S) 35
Histidina (H) 4 Treonina (T) 24
Isoleucina (I) 9 Valina (V) 11
Lisina (K) 15 Triptofano (W) 4
Leucina (L) 14 Tirosina (Y) 3
Figura 420 Histograma de distribucioacuten de aminoaacutecidos
A nuestro mejor conocimiento el peacuteptido DS (Dominio de unioacuten a supresor de Hairless [Su(H)]
no ha sido probado como faacutermaco modelo en sistemas DDS Sin embargo cientos de peacuteptidos
derivados a partir de proteiacutenas presentes principalmente en el citosol mitocondria yo nuacutecleo han
sido identificados y probados [11] Li [13] produjo el peacuteptido LL-37 antimicrobiano en E coli el
84
cual exhibe diversas propiedades inmunomoduladoras tales como la habilidad de mediar la
quimiotaxis acelerar la angiogeacutenesis y promover la cicatrizacioacuten
En las uacuteltimas deacutecadas el desarrollo de terapias a partir de peacuteptidos ha llevado a un nuacutemero sin
precedentes de aprobaciones en el mercado Kaspar y cols [37] describen las direcciones futuras
en el desarrollo de terapias basadas en peacuteptidos Algunos peacuteptidos aprobados en 2012 por la FDA
son linaclotide utilizado para el tratamiento de desoacuterdenes gastrointestinales lucinactant usado
para prevenir el siacutendrome respiratorio peginesatide usado para el tratamiento de anemia entre
otros
44 PRUEBAS DE CARGALIBERACIOacuteN
En la Fig 421 se observa como disminuyen los valores de densidad oacuteptica (DO600) en la
interaccioacuten BaFe12O19-DS-HaloTag a medida que el tiempo transcurre La disminucioacuten de DO600
indica que el peacuteptido DS-HaloTag es absorbido sobre la superficie de los sistemas
nanoestructurados de BaFe12O19 Como puede ser observado en la Figura 45 los valores de
DO600 se mantienen constante en ~ 0243 en un tiempo de 140 min lo cual indica que en este
punto los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 han alcanzado su saturacioacuten y por lo tanto no
pueden absorber maacutes cantidad de peacuteptido DS-HaloTag A partir de la graacutefica se determinoacute la
concentracioacuten de peacuteptido DS-HaloTag absorbido por los sistemas nanoestructurados de
BaFe12O19 Sabiendo que la concentracioacuten inicial (C1) del peacuteptido DS-HaloTag fue de 24 microgmicroL
y calculando la concentracioacuten remanente (C2) del peacuteptido DS-HaloTag en la salucioacuten acuosa lo
cual corresponde al momento de saturacioacuten de los sistemas nanoparticulados de BaFe12O19 (140
min) a una longitud de onda λ = 595 nm a partir de la ecuacioacuten de regresioacuten polinomial de orden
2 y = 2Endash05x2 ndash 00069x + 07866 y con un coeficiente de correlacioacuten R2 = 096021 se obtiene
una concentracioacuten C2 = 0268 microgmicroL por lo tanto la concentracioacuten absorbida de peacuteptido DS-
HaloTag por los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 corresponde a C1 - C2 = 213 microgmicroL
Asiacute el porcentaje de peacuteptido DS-HaloTag puede ser calculado a partir de la siguiente expresioacuten
85
Ecuacioacuten 41
donde
Cab = absorcioacuten de DS-HaloTag sobre los sistemas de BaFe12O19
C1 = concentracioacuten inicial de DS-HaloTag
C2 = concentracioacuten remanente de DS-HaloTag en solucioacuten acuosa
Por lo tanto
Cab = 875
Figura 421 Interaccioacuten BaFe12O19-DS-HaloTag La disminucioacuten en los valores de DO a medida que el tiempo
transcurre indica la absorcioacuten del peacuteptido por los agregados de BaFe12O19
86
Una vez saturados los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 se tomaron 10 microL de la solucioacuten
acuosa que contiene el peacuteptido DS a los cuales se les agrego 50 microL de buffer de lisis La mezcla
se llevoacute a ebullicioacuten por 10 min para ser cargada en un gel de poliacrilamida La Fig 422
muestra una electroforesis de un gel SDS-PAGE llevada a cabo a 200 V por 40 min La Fig
428(a) muestra la interaccioacuten entre los agregados de BaFe12O19 y el plaacutesmido pFN1A T7 Flexireg
y advierte como la concentracioacuten de la proteiacutena (columna izquierda) decrece (la intensidad de las
bandas se ve disminuida) lo cual indica que el peacuteptido DS es absorbido por los agregados de
BaFe12O19
Figura 422 Anaacutelisis visual SDS-PAGE de la interaccioacuten BaFe12O19-DS-HaloTag que muestra coacutemo disminuye la
cantidad de proteiacutena libre en el medio
Adicionalmente el anaacutelisis FTIR mostrado en la Fig 414 confirma que el peacuteptido DS-HaloTag
fue absorbido por los sistemas nanoparticulados de BaFe12O19 El espectro IR mostrado en la Fig
419 exhibe los enlacesgrupos funcionales del peacuteptido DS a 35508 cm-1
54503 cm-1
61603
cm-1
69926 cm-1
y 87333 cm-1
Puede ser observado que el enlacegrupo funcional a 87333 cm-
1 aparece en los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 cargados con el peacuteptido lo que
confirma su absorcioacuten por el sistema asiacute mismo el enlacegrupo funcional que aparece a 30984
87
cm-1
en los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 pudiera corresponder al observado en el
peacuteptido DS-HaloTag por la proximidad que eacuteste presenta Por otra parte los enlacesgrupos
funcionales a 54503 cm-1
61631 cm-1
y 69926 cm-1
que no aparecen en los sistemas
nanoestructurados de BaFe12O19 cargados con el peacuteptido pudieran corresponder a la parte de la
proteiacutena de bajo peso molecular lo cual puede estar de acuerdo con los resultados mostrados en
la Figura puesto que el gel de poliacrilamida (10) revela que en la interaccioacuten BaFe12O19-DS-
HaloTag los peacuteptidos que en su mayoriacutea son absorbidos son aquellos que corresponden a un peso
molecular grande
La absorcioacuten del peacuteptido DS-HaloTag sobre los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 puede
ser explicada a partir del hecho de que el potencial zeta (Fig 423) del sistema nanoestructura de
BaFe12O19 ζ BaFe12O19 tiene un valor negativo a un pH de 74 (pH al cual se llevoacute a cabo la
interaccioacuten) mientras que la carga superficial del peacuteptido DS ζ DS al mismo pH tiene un valor
positivo
Figura 423 Carga superficial (mV) en funcioacuten del pH para el peacuteptido DS-HaloTag y los sistemas nanoestructurados
de BaFe12O19
Ademaacutes el peacuteptido DS presenta residuos de aminoaacutecidos (aa) hidrofoacutebicos (Alanina (A)
Fenilalanina (F) Glicina (G) Isoleucina (I) Leucina (L) Metionina (M) Prolina (P) Valina (V)
Triptoacutefano (W)) e hidrofiacutelicos (Cisteiacutena (C) Asparagina (N) Glutamina (Q) Serina (S) Treonina
88
(T) Tirosina (Y)) y tomando en cuenta que BaFe12O19 en solucioacuten acuosa puede formar
hidroxilos (grupos OH) que pueden reaccionar con los radicales (R) de los aminoaacutecidos se
propone un modelo (Fig 424) de las posibles interacciones entre los sistemas nanoestructurados
de BaFe12O19 y el peacuteptido DS-HaloTag
Figura 424 Modelo propuesto para las posibles interacciones BaFe12O19-DS-HaloTag
La Fig 425 muestra el perfil de liberacioacuten del peacuteptido DS-HaloTag de los sistemas
nanoestructurados de BaFe12O19 cuando eacutestos fueron colocados en medio de cultivo F12K bajo
una atmoacutesfera de 5 de CO2 a 37 ordmC Es bien sabido que entre mayor sea la diferencia de
potencial zeta ζ coexistiraacute una mayor atraccioacuten entre partiacuteculas de carga superficial opuesta Por
lo tanto como puede ser observado en la graacutefica de carga superficial los valores de pH a los
cuales se promoveriacutea una mayor absorcioacuten de peacuteptido DS-HaloTag sobre los sistemas
nanoestructurados de BaFe12O19 estariacutean en pH 58-6 Sin embargo se decidioacute trabajar a un valor
de pH 74 debido a que la solucioacuten acuosa en la cual se encuentra el peacuteptido DS-HaloTag
originalmente tiene este valor Otras razones por las cuales se optoacute trabajar con este valor es que
al pH 74 sigue existiendo una carga superficial opuesta entre el peacuteptido DS-HaloTag y los
sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 mientras que una disminucioacuten en el valor de pH
pudiera provocar una desnaturalizacioacuten de la proteiacutena Una vez incubado en medio F12K bajo
89
condiciones de 5 CO2 y temperatura de 37 ordmC el CO2 tiene la funcioacuten de contrarrestar la
alcalinizacioacuten del medio debido a la actividad metaboacutelica propia de las ceacutelulas en cultivo y una
variacioacuten de pH hacia lo aacutecido o lo baacutesico hace que el peacuteptido sea liberado por parte de los
sistemas nanoparticulados de BaFe12O19 El medio F12K es un medio celular que fue
desarrollado principalmente para ceacutelulas de hepatocito humano asiacute tambieacuten para ceacutelulas de
hiacutegado de rata y pollo en un ambiente de suero reducido Para el presente estudio se trabajoacute con
medio F12K incompleto libre de ceacutelulas con la finalidad de verificar que el peacuteptido DS-HaloTag
fuera liberado precisamente al hecho de que el CO2 acidifica el medio causando variaciones en el
potencial zeta ζ de cada uno de los integrantes de la mezcla es decir los sistemas
nanoestructurados de BaFe12O19 y el peacuteptido DS-HaloTag
Figura 425 Perfiles de liberacioacuten del peacuteptido DS-HaloTag que muestra un aumento de la DO600 a medida que
transcurre el tiempo (t) El aumento en los valores de la DO600 indica que el peacuteptido DS-HaloTag es liberado de los
sistemas nanoestructurados de BaFe12O19
El uso de un disentildeo experimental fraccionario 2f nos permite evaluar el efecto que tienen
determinados paraacutemetros sobre una variable de respuesta Especiacuteficamente para este trabajo de
90
investigacioacuten las variables oslashagregado SBET Vmesoporo y oslashmacroporo fueron evaluadas a partir del efecto
de la temperatura y presioacuten en el proceso de secado por aspersioacuten y la concentracioacuten de agente
poroacutegeno utilizado durante la siacutentesis sol-gel A partir de los datos estadiacutesticos arrojados por el
anaacutelisis de varianza ANOVA se establece queacute paraacutemetros tienen un efecto significativo sobre la
variable de respuesta De esta manera el disentildeo experimental fraccionario 2f nos permitiraacute
optimizar el proceso de siacutentesis de los agregados nanoestructurados de BaFe12O19 para obtener la
morfologiacutea y estructura deseada lo cual a su vez tendraacute un efecto sobre las propiedades fiacutesicas
quiacutemicas y magneacuteticas del producto final
El uso de las teacutecnicas XRD SEM TEM BET FTIR y VSM proporcionoacute detalles necesarios en
cuanto a la caracterizacioacuten estructural morfoloacutegica y magneacutetica de los agregados de BaFe12O19
Asiacute a partir de los espectros de XRD fue observada la presencia de tres fases la fase hexagonal
BaFe12O19 la monoferrita de bario BaFe2O4 y la fase hematita Fe2O3 cuya coexistencia fue
confirmada por TEM Las propiedades magneacuteticas (Ms Mr y Hc) determinadas a partir de las
curvas de histeacuteresis obtenidas a partir de un VSM son afectadas por la morfologiacutea y estructura
macro-mesoporosa (observada por SEM y BET) asiacute como la mezcla de fases presentes en los
agregados de BaFe12O19 Las propiedades magneacuteticas sobre todo un comportamiento
superparamagneacutetico es perseguido para aplicaciones biomeacutedicas tal como los sistemas DDS
debido a que esta caracteriacutestica permite dirigir y focalizar un faacutermaco a un sitio especifico de
accioacuten mediante la aplicacioacuten de un campo magneacutetico externo Por lo tanto la concentracioacuten y
nuacutemero de dosificaciones puede ser reducida disminuyendo los efectos secundarios no deseados
Las caracteriacutesticas obtenidas en el presente trabajo de investigacioacuten hacen de los sistemas
nanoestructurados de BaFe12O19 un candidato como sistema de liberacioacuten de faacutermacos Esto fue
corroborado al evaluar la capacidad de carga de los sistemas de BaFe12O19 al ser cargados con el
peacuteptido DS usado como faacutermaco modelo La capacidad de carga asiacute como el perfil de liberacioacuten
del peacuteptido fueron evaluados por teacutecnicas de espectroscopia UV-vis FTIR SDS-PAGE
potencial zeta y anaacutelisis tipo Western blot El porcentaje de absorcioacuten del peacuteptido fue del peacuteptido
fue de 875
91
CAPIacuteTULO 5
CONCLUSIONES
92
CAPIacuteTULO 5 CONCLUSIONES
1- Agregados esfeacutericos nanoestructurados de BaFe12O19 de 17 microm con tamantildeo de
macroporo de 223 nm y tamantildeo de mesoporo entre 34 y 12 nm fueron disentildeados y
sintetizados exitosamente usando un disentildeo experimental 2f a traveacutes del meacutetodo sol-gel y
secado por aspersioacuten
2- Mediante un anaacutelisis estadiacutestico de varianza ANOVA se determinoacute que la presioacuten (P) es
el uacutenico factor significativo que afecta el tamantildeo de agregado de BaFe12O19 Por otra
parte ninguacuten paraacutemetro evaluado en el disentildeo 2f tuvo un efecto significativo sobre el
tamantildeo de macroporo Sin embargo el aacuterea superficial especiacutefica BET se vio afectada por
la concentracioacuten de agente poroacutegeno ( esferas de PS) asiacute como las combinaciones presioacuten-
poroacutegeno y temperatura poroacutegeno Por uacuteltimo los factores que mostraron un efecto
significativo sobre el volumen de mesoporo fueron la presioacuten y las combinaciones entre
presioacuten-poroacutegeno y temperatura poroacutegeno
3- La saturacioacuten magneacutetica Ms delos agregados BaFe12O19 varioacute entre 1424-4511 emug y
los valores de coercitividad Hc estuvieron entre 19465-427750 Oe Mostrando un
comportamiento magneacutetico semiduro con valores de Ms = 1424 y Hc = 19463 Oe para la
muestra calcinada a 700 degC
4- A partir del plaacutesmido pF1A T7 de la cepa T7 de E coli fue posible sintetizar el peacuteptido
DS mediante la induccioacuten con IPTG 2mM Por otra parte tambieacuten fue posible la siacutentesis
del peacuteptido DS a traveacutes de la transfeccioacuten de ceacutelulas CHO en cultivo celular con el vector
pFN21K Asiacute mismo fue posible la imnunodeteccioacuten del peacuteptido DS mediante la
utilizacioacuten de anticuerpos monoclonales anti-HaloTag El peacuteptido DS tiene gran
probabilidad de bloquear el dominio intracelular de Notch (NICD) que es un activo en
ceacutelulas canceriacutegenas
5- La capacidad de absorcioacuten del peacuteptido DS sobre los sistemas nanoestructurados de
BaFe12O19 fue del 875
93
TRABAJO A FUTURO Y RECOMENDACIONES
La capacidad de carga y perfil de liberacioacuten del peacuteptido DS fue probado en el presente trabajo de
investigacioacuten Por lo tanto la formulacioacuten empleada para el disentildeo y siacutentesis de los sistemas
nanoestructurados de BaFe12O19 hacen de estos sistemas un candidato para ser aplicados como
sistemas de liberacioacuten de faacutermaco Sin embargo debido a que la biocompatibilidad es un
requisito fundamental para ser aplicados en los sistemas bioloacutegicos es imprescindible realizar
estudios de citotoxicidad ya sea in vitro o in vivo por ejemplo los ensayos MTT los cuales se
basan en la capacidad de las ceacutelulas viables para reducir y convertir la sal de tetrazolio Bromuro
de 3-(45-dimetiltiazol-2-il)-25-difeniltetrazolio compuesto relativamente incoloro en formazan
una sustancia fuertemente lipofiacutelica de color morado El ensayo MTT es considerado como una
prueba de viabilidad que trabaja eficientemente en la mayoriacutea de los casos por lo tanto es
frecuentemente usada por si sola para evaluar la citotoxicidad in vitro particularmente para
evaluacioacuten de citotoxicidad en las nanopartiacuteculas
Asiacute mismo se recomienda realizar estudios sobre la modificacioacuten superficial de los agregados
nanoestructurados de BaFe12O19 por ejemplo a traveacutes de la PEGilacion el cual es un proceso de
unioacuten tanto covalente como no covalente de polietilenglicol (PEG) hacia la moleacutecula o estructura
a modificar O bien la modificacioacuten superficial pudiera llevarse a cabo empleando alguacuten otro
tipo de moleacutecula ya sean poliacutemeros proteiacutenas ADN etc Asiacute la modificacioacuten superficial
reduciraacute la inmunogenecidad y antigenecidad de la BaFe12O19 empleado como sistema portador
de faacutermaco Ademaacutes la modificacioacuten superficial permitiraacute enmascarar a la BaFe12O19 lo que le
permitiraacute evadir el sistema retiacuteculo endotelial y aumentar el tiempo de circulacioacuten en el torrente
sanguiacuteneo por lo tanto llegando a su sitio de accioacuten con mayor facilidad
94
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ANEXOS
CONSEJO NACIONAL DE CIENICA Y TECNOLOGIacuteA
CURRICULUM VITAE UacuteNICO
TORRES CADENAS SAMUEL
PRODUCCIOacuteN CIENTIFICA
ARTIacuteCULOS
2017 S Torres-Cadenas J Reyes-Gasga A Bravo-Patintildeo I Betancourt ME Contreras-Garciacutea Morphological
and magnetic properties of sol-gel synthetized meso and macroporous spheres of barium hexaferrite
(BaFe12O19) Journal of Magnetism and Magnetic Materials (2017) doi
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Hexaferrite Microspheres With Hierarchical Porous Structure for Drug Delivery Journal of Silicate Based
and Composite Materials
PARTICIPACIONES EN CONGRESOS
2016 Esferas Bioceramicas de Baomiddot6Fe2O3 con Estructura Tipo Nido Nacional VIII Congreso Nacional de
Cristalografiacutea II reunioacuten de la Sociedad Latinoamericana de Cristalografiacutea A Bravo-Patintildeo VS
Loacutepez-Aacutelvarez ME Contreras-Garciacutea Meacuterida Yucataacuten
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Extranjero 4th
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Microscopy Congress Colombia
Accepted Manuscript
Morphological and magnetic properties of sol-gel synthetized meso and mac-roporous spheres of barium hexaferrite (BaFe12O19)
S Torres-Cadenas Joseacute Reyes-Gasga A Bravo-Patintildeo I Betancourt MEContreras-Garciacutea
PII S0304-8853(16)32862-1DOI httpdxdoiorg101016jjmmm201702018Reference MAGMA 62474
To appear in Journal of Magnetism and Magnetic Materials
Received Date 31 October 2016Accepted Date 11 February 2017
Please cite this article as S Torres-Cadenas J Reyes-Gasga A Bravo-Patintildeo I Betancourt ME Contreras-Garciacutea Morphological and magnetic properties of sol-gel synthetized meso and macroporous spheres of bariumhexaferrite (BaFe12O19) Journal of Magnetism and Magnetic Materials (2017) doi httpdxdoiorg101016jjmmm201702018
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MORPHOLOGICAL AND MAGNETIC PROPERTIES OF SOL-GEL
SYNTHETIZED MESO AND MACROPOROUS SPHERES OF BARIUM
HEXAFERRITE (BaFe12O19)
S Torres-Cadenasa Joseacute Reyes-Gasgab A Bravo-Patintildeoc I Betancourtd M
E Contreras-Garciacuteaa
aInstituto de Investigaciones Metaluacutergicas y Materiales UMSNH Edificio U Ciudad Universitaria Santiago Tapia 403 Colonia Centro 58030 Morelia Meacutexico Email storres_chotmailcom eucontregmailcom
bInstituto de Fiacutesica UNAM Circuito de la Investigacioacuten sn Ciudad Universitaria
04510 Coyoacaacuten Meacutexico DF Meacutexico Email jreyesfisicaunammx
cCentro Multidisciplinario de Estudios en Biotecnologiacutea (CMEB) de la FMVZ UMSNH Posta Zooteacutecnica Km 85 carretera Morelia-Zinapecuaro CP 58890 col La Palma Tarimbaro Michoacaacuten Meacutexico Email brapalhotmailcom
dInstituto de Investigaciones en Materiales UNAM Ciudad de Meacutexico CP 04510 Meacutexico Email israelbiimunammx
Corresponding Author
Dr Joseacute Reyes-Gasga Instituto de Fiacutesica UNAM Circuito de la Investigacioacuten sn Ciudad Universitaria 04510 Coyoacaacuten Meacutexico DF Meacutexico Tel (5255) 56225083 Email jreyesfisicaunammx
Highlights
bull 15 microm porous spheres of BaFe12O19 were synthetized by the sol-gel
method
bull Surfactant Tween20 (C58H114O26) enabled the creation of the mesoporous
structure
bull Polystyrene spheres (PS) were used as the template for the formation of
macropores
bull Spheres resembled a nest or ball-of-yarn type of elongated BaFe12O19
crystals
bull Magnetic properties are evaluated as function of the calcination
temperature
Abstract
Porous spherical aggregates of barium hexaferrite (BaFe12O19) with 15 microm in
diameter were synthetized by the surfactant-assisted sol-gel method The
surfactant Tween20 (C58H114O26) which enables mesoporous structures as well
as polystyrene spheres (PS) as the template agent for the formation of
macropores were used Two synthetic routes (hereafter named A and B) whose
difference was the absence or presence of PS were followed for synthesis X-ray
diffraction (XRD) scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron
microscopy (TEM) in high resolution mode (HRTEM) were used for
characterization Size and morphology of the spheres were similar in both cases
and they resemble a nest or ball-of-yarn type structure Pore size and BaFe12O19
crystal size produced by the two routes are different The magnetic properties of
the spheres were evaluated using a vibrating sample magnetometer (VSM) as
function of the calcination temperature The spheres present ferromagnetic
behavior in both routes
Key words Barium hexaferrite Porous spherical aggregates Surfactant-assisted
sol-gel synthesis Morphological properties Magnetic properties
1 Introduction
In recent decades ceramic materials represent a prominent alternative in scientific
and technological development in a wide range of research fields Specifically
biomedical ceramic materials have been used in orthopedic applications dental
implants tissue regeneration and as drug delivery systems [1] Iron-oxide-based
materials including barium hexaferrite (BaFe12O19) are good Drug Delivery
System (DDS) candidates [2-4] because of their physical chemical and magnetic
properties These magnetic properties are highly necessary for response to an
external magnetic field to target for example the drug into a specific site in the
human body Moreover the BaFe12O19 magnetic microparticles with spherical
morphology have different applications such as permanent magnets [5] electronic
devices [6] gas sensors [7] catalytic supports [8] and more recently in biomedical
applications such as advanced functional magnetic materials for the treatment of
cancer through magnetic hyperthermia [9] contrast agents for MRI [10] and drug
delivery systems [11]
A variety of methods have been used for the synthesis of iron-oxide-based
bioceramics including co-precipitation hydrolysis hydrothermal synthesis inverse
microemulsion and the sol-gel method [12-14] Of these methods sol-gel has
attracted special interest because it allows the development of new materials with
good homogeneity and purity [15-17] In addition it is a relatively fast simple and
inexpensive method Moreover the kinetics of the chemical reactions carried out in
the synthesis is easily controlled by low temperatures processing [17] Unlike
classical methods for powder ceramic processing of BaFe12O19 that require high
calcination temperatures (1200-1300 degC) sol-gel produces the BaFe12O19
microparticles at rather low calcination temperature [18] In addition the use of
surfactant-assisted sol gel synthesis allows more disperse systems enabling the
formation of a larger number of ordered structures and the surfactant allows the
formation of micelles that also act as templates resulting in the formation of
mesopores after elimination of the surfactant by calcination during the thermal
treatment
Surfactant-assisted sol-gel synthesis as structure-directing agents or dispersants
and templates as macropore-forming agents is investigated in this work for the
production of ceramic microstructures designed with hierarchical porosity for
biomedical applications that require highly specific surface areas and the unique
design of materials capable of conducting fluids and interacting with cell tissues
Among the materials designed for these applications pore size distribution and
their interconnectivity determine the viability of the material for a such specific
application
Therefore in the present study BaFe12O19 spherical magnetic macro- and meso-
porous microparticles were synthetized by the surfactant-assisted sol-gel method
as well as polystyrene spheres (PS) as templates for formation microspheres and
dried by spray drying The morphological characterization and magnetic properties
of the spheres are compared as a function of thermal treatment temperature
2 Materials method and experimental procedure
21 Materials
Commercial reagent grade products were used without purification The reagents
were from Aldrich iron nitrate (III) nonahydrate Fe(NO3)3 9H2O barium carbonate
BaCO3 and surfactant Tween20 and from Merck ammonium hydroxide NH4OH
The hydrophilic nonionic surfactant Tween20 (C58H114O26) is an ester of
polyoxyethylene sorbitan with a molecular weight of 1225 Daltons calculated
assuming 20 units of ethylene oxide 1 sorbitol and lauric acid as the primary fatty
acid Monodisperse Polystyrene microspheres (PS) synthesized in the laboratory
were used as the pore-forming agent
22 Synthesis of BaFe12O19
Spheres of barium hexaferrite were synthesized by the sol-gel method either
assisted by surfactants (route A) or assisted by surfactants and templates (route
B) Figure 1 shows the flow diagram of routes A and B Two suspensions were
prepared in each route The first was composed of Fe(NO3)39H2O and BaCO3
salts with a stoichiometric molar ratio dissolved in deionized water The second
was formed by the surfactant Tween20 in aqueous solution Both suspensions
were mixed with constant magnetic stirring and during the reaction the pH of the
slurry was adjusted to 8 with NH4OH Route B included a third suspension
consisting of 30 wt polystyrene spheres in deionized water The PS were
monodispersed with a mean diameter of 200nm The PS suspension was added
to the mixture with constant magnetic stirring for 1h
The resulting suspension was subjected to spray drying using a Mini Spray Dryer
(Yamato ADL31) The conditions in the spray drying equipment for both routes
were determined by experimental design as drying temperature (T = 175 degC) and
drying pressure (P = 15 Kgcm2)
Powders obtained after spray drying (xerogels) were subjected to thermal
treatment for the elimination of organic agents surfactant and template (in each
case) structural water the formation of oxides and crystallization Four different
temperatures were evaluated in both routes for thermal treatment 700 800 900
and 1000 degC
23 Structural morphological chemical and magnetic characterization
Structural chemical and morphological analysis of the spheres was performed by
X-ray diffraction (XRD) scanning electron microscopy (SEM) and transmission
electron microscopy (TEM) in high resolution mode (HRTEM)
Samples were analyzed by X-ray diffraction on a Bruker diffractometer model D8
Advance using Cu Kα radiation (45 kV 30 mA) to determine the crystal structures
and phases presented Samples were scanned from 20deg to 80deg in 2θ and a
constant step of 002ordmseg
For microstructural characterization of the samples the scanning electron
microscope JEOL JSM-7600F and the transmission electron microscope FEG
Phillips Technai F20 were used The SEM was coupled with energy dispersive X-
ray spectroscopy equipment (EDS)
The Digital Micrograph software (Gatan Inc) was used for image analysis and the
linear Lynx software (Verfuumlgbare Software) was used for the statistical analysis of
the data Size distribution of the pores in the spherical aggregates was measured
by the Barrett-Joyner-Halenda (BJH) technique using a Quantachrome (St 1 on
NOVA touch 1LX) instrument
The analysis of the magnetic properties of the samples was performed using a
vibrating sample magnetometer (VSM LDJ 9600) at room temperature applying a
constant magnetic field of 5000 Oe Magnetic saturation (Ms) remnant
magnetization (Mr) and coercivity (Hc) values were obtained from the hysteresis
curves
3 Results
31 X-ray diffraction
Figure 2 shows the x-ray diffraction spectra of the samples obtained from routes A
and B at the calcination temperatures of 700 800 900 and 1000 degC as indicated
in Figure 1
Indexing the x-ray spectra indicates the coexistence of hexaferrite H = BaFe12O19
monoferrite O = BaFe2O4 and hematite F = Fe2O3 in all samples The phase H
(hexaferrite) is hexagonal (Open Database Crystallography card COD No
1008841) with lattice parameters a = b = 0589 nm and c = 2318 nm The O
(monoferrite) phase is orthorhombic (COD card No 4107896) with lattice
parameters a = 1899 nm b = 0538 nm c = 0844 nm The F (hematite) phase is
hexagonal (COD card No 9015964) with lattice parameters a = b = 0503 nm and
c = 1374 nm It is noteworthy that at the calcination temperature of 1000 degC the
major phase is H phase in both routes
As shown in Figure 2 the content of the H phase increases as the content of the F
phase decreases with temperature in both routes In route A the O phase is
present in all samples in route B the O occurs phase only in the sample treated at
700 degC However there is no clear evidence of preferential growth direction of any
phase in the XRD spectra
32 SEM images EDS spectra and spheres and pores size
SEM images indicate that all the samples obtained in routes A and B calcined at
different temperatures are spherical and substantially the same size Figure 3
shows the SEM image of the spheres obtained in route A and the insert which
shows a magnification of these spheres indicates that the spheres are
polycrystalline composed of mesopores and elongated nanometric crystals Figure
4 shows the SEM image of the spheres obtained through route B and the insert
shows that these spheres are also polycrystalline composed of meso- and macro-
pores and micrometric elongated crystals
Figure 5 shows the size distribution of the spheres observed in the samples of
routes A (Figure 5A) and B (Figure 5B) thermally treated at 700degC respectively
Although the average size is slightly different for the samples calcined at different
temperatures all these values are within the range indicated by the standard
deviation at about 15 microns Therefore all the spherical aggregates are
practically the same size The aggregate size is the result of the droplet size
produced in the nozzle of the spray dryer although the size can also be influenced
by the rheology of the gel slurry fed to the spray dryer
Figure 6 shows the size distribution of the pores in the spherical aggregates of
routes A and B For the mesoporous range as mentioned above this size
distribution was measured by the BJH technique In Figure 6A for the samples of
route A the average diameter of the pores in these samples are on the order of 57
plusmn 2 nm Figure 6B shows the case of the mesopores observed in the spheres
obtained by route B they are on the order of 12 plusmn 55 nm The macropores in the
spheres of route B have an average size of about 220 plusmn 53 nm (Figure 6C) This
last result is logical because the suspension fed in route B consists of spheres of
monomodal polystyrene whose average size is of about 250 nm in addition to the
gel
The micrometric-size spheres obtained by route A and route B are both composed
of elongated crystals or fibers but these crystals are of nanometric size for route
A while they are of 35 plusmn 7 nm wide and 300 plusmn 80 nm long for route B The
existence of an interconnected hierarchical pore structure in these spheres is
evident
EDS spectra from the spheres showed the characteristic peaks of barium (Ba) iron
(Fe) and oxygen (O) (Figure 7) [19] In these spectra the Cu peak comes from the
sample holder Therefore the composition of spheres obtained by both routes
contains the same elements as already shown by XRD This results also confirm
that no contamination was present in either route
33 TEM images
Figure 8 shows some of the HRTEM images of the elongated crystals which
conform the spheres obtained in routes A and B Note the nanometric size of the
elongated crystals of BaFe12O19 In some cases the coexistence of crystals of
BaFe12O19 with crystals of BaFe2O4 and Fe2O3 were observed These images
agree quite well with the results obtained by XRD and show the coexistence of a
mixture of phases in the synthesized spheres in both routes
34 Hysteresis loops and magnetic properties
One way to measure the magnetic properties is through the hysteresis loops
which affords the evaluation of macroscopic properties such as saturation
magnetization Ms remanence magnetization Mr and coercive field These
properties define the soft or hard magnetic character of the synthesized materials
Figure 9 shows the hysteresis loops at different calcination temperatures for the
samples obtained by the route A (Figure 9A) and the route B (Figure 9B) The
highest magnetization values are observed in the case of route B Table 1 shows
the magnetic properties of all the samples In general Ms Mr and Hc show an
increment as a function of the calcination temperature and coercivity (Hc)
increases with temperature in all the samples The lowest value of Mr is obtained in
the sample treated at 800 degC for route A In route B the lowest Mr value is obtained
for the sample treated at 700 degC There is also a clear change in the magnetic
behavior associated with the temperatures of the calcination treatment This
change must be related to the percentage of content of the different phases
presented in the samples and it must also be related to the size of the crystals
constituting the spherical aggregates
From Figure 9A and based on the values of coercivity shown in Table 1 the
samples obtained in the route A at temperatures of 700 800 and 900 degC behave as
semi-hard magnetic materials whereas the one obtained at 1000 degC behaves as a
hard magnetic material The shape of the hysteresis loop in the sample at 900 degC
is characteristic of a sample in which two phases coexist On the other hand
Figure 9B indicates that only the material obtained at 700 degC through route B
behaves as a semi-hard magnetic material the others show hard magnetic
material behavior The semi-hard ferromagnetic behavior in these materials makes
them good candidates for biomedical applications [20]
4 Discussion
The results clearly indicate that we succeed in developing a route for the synthesis
of porous spheres of barium hexaferrite with different pore sizes The porous
structures are of great interest in research because of their prominent applications
in different fields of science [21] For example they can be used to charge an
adequate amount of different types of molecules (ie drugs proteins andor
peptides) within the interior of the pore (and also on the surface of the structure)
thus acting as a drug carrier system [22] Mesopores are useful in applications
where interaction with fluids is part of the integration process in which molecules
will be exchanged in the system as in the case of drug delivery Macropores allow
the adsorption of large molecules such as proteins or peptides or even cells that
are currently of great interest in the development of new medical treatments based
on the lsquoin sitursquo drug delivery such as magnetofection [23] gene therapy [24] and
cell labeling [25]
In obtaining macropores the surface charge of the PS spheres and steric factors
play an important role in the self-assembly of BaFe12O19 precursor ions into the PS
particles [26] Pores in the spherical aggregates are consequently produced when
the system is subjected to thermal treatment (700 800 900 and 1000 degC) resulting
in the pyrolysis of the surfactant and the PS Thus the BaFe12O19 precursor ions
are adsorbed into the PS surface being embedded within the micrometer size
spherical aggregate during the spray drying This reaction can be considered a
typical polymerization reaction which means that polymerization takes place
between BaFe12O19 and PS particles contained in an aqueous phase [27] As a
result the PSBaFe12O19 hybrid particles are obtained
In regard to magnetic behavior the hysteresis loops indicate that materials
produced at temperatures of 700 800 and 900 degC in route A fall within the range of
semi-hard magnetic materials whereas at 1000 degC the material becomes a hard
magnetic material In the case of route B the material behaves like a semi-hard
magnetic material only at 700 degC The obtained materials behave like hard
magnetic materials from 800 degC to 1000 degC Analysis of the structural composition
of the spheres indicated that monoferrite (O) and hematite (F) phases are present
However the H phase is the major phase at the calcination temperature of 1000
degC
As shown in Table 1 a significant change occurred as function of calcination
temperature in the magnetic properties of the samples This change has also to be
related to the presence of the different phases Best combinations of magnetic
properties were Ms = 4467 emug and Hc = 479012 Oe for route A and Ms =
4511 emug and Hc = 479146 Oe for route B respectively
The coexistence of the H O and F phases has been reported as a general fact in
obtaining barium hexaferrite [28] The O phase presents an anomalous resonance
near 400 degC that could indicate a phase with magnetic behavior [29] The F phase
has anti-ferromagnetic ordering [30] and thus a characteristic low Ms (1105
emug) [31-33] Therefore for route B it is possible to attribute the observed Ms
variations to the variable content of this phase so that the sample with greater
amount of Fe2O3 (at 700 degC) presents a very low value of Ms Decreasing presence
of Fe2O3 (by progressively increasing the temperature) increases the proportion of
the hexaferrite phase and consequently the Ms values are significantly recovered
In route A the larger value of Ms is coupled with a larger value of Hc which must
be attributed to the presence of a large amount of hexaferrite phase By contrast in
the route B the largest value of Ms of the sample sintered at 1000 degC does not
imply a larger value of Hc (which is recorded for the sample sintered at 900 degC)
which is most like due to significance differences in particle size between the two
phases Samples with Hc gt 4000 Oe can be considered as materials with hard
magnetic behavior
Therefore it seems in this study a larger amount of the Fe2O3 phase obtained at
lower temperatures contributes to a decrement in the magnetic properties resulting
in semi-hard magnetic behavior while an increment in hard magnetic behavior can
mainly be attributed to a decrement in the amount of the Fe2O3 phase as the
BaFe12O19 phase increases
5 Conclusions
Porous spherical aggregates of barium hexaferrite (BaFe12O19) of approximately
15 microm in diameter and 200 nm pores were obtained by the sol-gel chemical
synthesis method using polystyrene (PS) as the pore-forming agent The
morphology of the spheres resembles a nest or ball-of-yarn type structure in which
the crystals belong to the barium hexaferrite phase as the major phase in
coexistence with the monoferrite (BaFe2O4) and hematite (Fe2O3) phases
However the barium hexaferrite phase is the major phase at the calcination
temperature of 1000 degC The magnetic properties of the spheres indicate that the
samples calcined at 700 degC present semi-hard magnetic behavior suggesting they
would be good candidates for use in biomedical applications
Acknowledgements
We thank to V S Loacutepez Alvarez and A Rodriguez Torres for the technical support STC acknowledges the Consejo Nacional de Ciencia y Tecnologiacutea (CONACYT) by scholarship and CIC-UMSNH for the financial support to this research
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Captions for figures
Figure 1 Flowchart of routes A and B followed for the synthesis of the barium hexaferrite spheres The main difference between the routes is that in route B the polystyrene spheres (PS) were added for generating macropores
Figure 2 XRD spectra of the samples obtained by the route A (A) and the route B (B) at the indicated calcination temperature H = BaFe12O19 O = BaFe2O4 F = Fe2O3 Note that at 1000 degC the phase H is the major both cases
Figure 3 SEM image of the spheres obtained in the synthesis route A The spheres are polycrystalline consisting of elongated crystals and nano-sized mesopores The insert shows a magnified view
Figure 4 SEM image of the spheres obtained in the synthesis route B The spheres are polycrystalline with elongated crystals of micrometer size and with meso- and macro-mesoporous structure The insert shows a magnified view
Figure 5 A) Size distribution of the spheres in samples of route A B) Size distribution of the spheres in samples of route B
Figure 6 Size distribution of the mesopores of the spheres measured by the BJH technique A) Route A 57 plusmn 2 nm B) Route B 12 plusmn 55 nm C) Size distribution of the macropores in the spheres of route B on average they are on the order of 220 plusmn 53 nm
Figure 7 EDS spectra of the spheres obtained in the route A (A) and in the route B (B) The spectra are similar for both routes and correspond to the elements Ba Fe and O
Figure 8 HRTEM images of the crystals of BaFe12O19 that make up the spheres obtained in the routes A (A-B) and B (C-D)
Figure 9 Hysteresis loops registered in the samples obtained by route A (A) and route B (B) at different calcination temperatures Note the difference in the magnetic behavior between the two routes in relation to the calcination temperature reaching higher magnetization values in the case of route B
Captions for table
Table 1
Magnetic properties of the samples calcined at different temperatures according to route A (A) and route B (B) The values were obtained from the hysteresis loops shown in Figure 9
Table 1
Magnetic Properties
Route Calcination temperature (degC)
Ms
(emug)
Mr
(emug)
Hc
(Oe)
A
700 2461 593 24220
800 1728 273 23451
900 2371 910 66740
1000 4467 2412 479012
B
700 1424 379 19465
800 1249 592 463160
900 2826 1527 479146
1000 4511 2410 427750
MORPHOLOGICAL AND MAGNETIC PROPERTIES OF SOL-GEL
SYNTHETIZED MESO AND MACROPOROUS SPHERES OF BARIUM
HEXAFERRITE (BaFe12O19)
S Torres-Cadenasa Joseacute Reyes-Gasgab A Bravo-Patintildeoc I Betancourtd M
E Contreras-Garciacuteaa
HIGHLIGHTS
bull 15 microm porous spheres of BaFe12O19 were synthetized by the sol-gel
method
bull Surfactant Tween20 (C58H114O26) enabled the creation of the mesoporous
structure
bull Polystyrene spheres (PS) were used as the template for the formation of
macropores
bull Spheres resembled a nest or ball-of-yarn type of elongated BaFe12O19
crystals
bull Magnetic properties are evaluated as function of the calcination
temperature
265-RXUQDORI(QJLQHHULQJ265-(1 ZZZLRVUMHQRUJ661H661S9ROVVXH 1RY__9__33
QWHUQDWLRQDORUJDQL]DWLRQRI6FLHQWLILF5HVHDUFK _3 D J H
D2ā)H2 DV6XVLQJWHWUDFFOLQHDVPRGHOGUXJ67RUUHV$UDYR0(ampRQWUHUDV
QVWLWXWRGHQYHVWLJDFLRQHV0HWDO~UJLFDV0DWHULDOHV8061+0RUHOLD0LFKRDFiQ0p[LFRampHQWUR0XOWLGLVFLSOLQDULRGH(VWXGLRVHQLRWHFQRORJtD8061+7DULPEDUR0LFKRDFiQ0p[LFR
$EVWUDFW 7KLVSDSHUIRFXVHVRQWKHORDGLQJDQGUHOHDVHVWXGLHVRIWHWUDFFOLQHDVPRGHOGUXJIURPVSKHULFDODJJUHJDWHVRIPLFURQVL]HDSSUR[ P LQGLDPHWHURIEDULXPKH[DIHUULWH D2ā)H2VQWKHWL]HGIURPZHWFKHPLFDOVROJHOPHWKRGYLDVSUDGULQJ D2ā)H2 DJJUHJDWHVZHUHFKDUDFWHUL]HGXVLQJ[UDGLIIUDFWLRQDQGVFDQQLQJHOHFWURQPLFURVFRS7KH ORDGFDSDFLWRID2ā)H2 VVWHPVZDVUHDFKHGDWPLQXWHVDIWHUFRQWDFW ZLWK WHWUDFFOLQH GUXJ 5HOHDVH RI WHWUDFFOLQH ZDV FRQILUP IURP ( FROL EDFWHULDO GHDWK ZKHQD2ā)H2 SDUWLFOHVZHUHLQFRQWDFWZLWKWKHEDFWHULDHZRUGV DULXP+H[DIHUULWHUXJHOLYHU6VWHP6ROHO0HWKRG7HWUDFFOLQH
17528amp721QUHFHQWGHFDGHVWKHELRPHGLFDOILHOGKDVDJUHDWVFLHQWLILFOHDSDYDULHWRIPDWHULDOVIRUH[DPSOH
GHQGULPHUPLFHOOHVHPXOVLRQVOLSRVRPHVQDQRSDUWLFOHVVWHPVgt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ā)H2 VQWKHVL]HGE WKH VROJHODQGVSUDGULQJPHWKRGZDVLQYHVWLJDWHG
(3(50(17$D2ā)H2 VQWKHVLV1DQRVWUXFWXUHGPDJQHWLFVSKHULFDODJJUHJDWHVRIEDULXPKH[DIHUULWHD2ā)H2ZHUHVQWKHVL]HGEPROHFXODU VHOIDVVHPEO E FKHPLFDO VROJHO PHWKRG DQG VSUD GULQJ Q EULHI VDOWV RI LURQ QLWUDWHQRQDKGUDWH)H12+26LJPD$OGULFKDQGEDULXPFDUERQDWHDamp2 6LJPD$OGULFKZHUHGLVVROYHG LQGHLRQL]HG ZDWHU E PDJQHWLF VWLUULQJ USP IRU PLQ LQ D PRODU UDWLR RI $ VHFRQG VXVSHQVLRQIRUPHG E VXUIDFWDQW 7ZHHQ 0HUFN ZDV GLVSHUVHG LQ GHLRQL]HG ZDWHU IRU PLQ DW USP RWKVXVSHQVLRQVZHUHPL[HGDJDLQEFRQVWDQWPDJQHWLFVWLUULQJIRUKRXUV7KHS+RIWKHUHVXOWLQJPL[WXUHZDVDGMXVWHG WR S+ XVLQJ DPPRQLXP KGUR[LGH1+2+7KHQ WKH UHVXOWLQJPL[WXUH ZDV IHG D WXEXODU GULQJFKDPEHURID0LQL6SUDUHUltDPDWR$WKURXJKDIORZRIKRWDLUDVFDUULHUJDV7KH SURFHVVRIVSUDGULQJZDVLQLWLDWHGEWKHJHQHUDWLRQRIGURSOHWVIURPWKHFROORLGDOVXVSHQVLRQIROORZHGEWKHDWRPL]DWLRQRIWKH OLTXLGDWD WHPSHUDWXUH7 ampDQGDSUHVVXUH3 NJFP UHVXOWLQJ LQ WKHSURGXFWLRQRISRZGHUVFRPSRXQGVRI VROLGSDUWLFOHV7KHQ WKHSRZGHUZDVFROOHFWHGEDFFORQHDQGVXEMHFWHG WRKHDW WUHDWPHQWRIampDWDKHDWLQJ UDWHRI ampPLQ IRUKRXUV IRU IXUWKHUFKDUDFWHUL]DWLRQ)LQDOO WKH ORDGLQJDQG UHOHDVHFDSDELOLWIURPWKHD2ā)H2 VVWHPVZDVWHVWHGXVLQJDQWLELRWLFWHWUDFFOLQHDVPRGHOGUXJD2ā)H2 ampKDUDFWHUL]DWLRQ7KHSRZGHUVKHDW WUHDWHGDWampDIWHU WKHSURFHVVRI VSUDGULQJZHUHFKDUDFWHUL]HGXVLQJ[UDGLIIUDFWLRQ RQ D UXNHU PRGHO $GYDQFH XVLQJ UDGLDWLRQ ampX Į N9 P$ DQG VFDQQLQJ HOHFWURQPLFURVFRSILHOGHPLVVLRQ)(6(0XVLQJDPLFURVFRSH-(2-60)
RDGLQJDQGUHOHDVHVWXGRIWHWUDFFOLQH7KHORDGFDSDFLWRID2ā)H2 VVWHPVZHUHGHWHUPLQHGESODFLQJPJRID2ā)H2 SRZGHULQFRQWDFW ZLWK D VWDQGDUG VROXWLRQ RI WHWUDFFOLQH PJP LQ FRQVWDQW PDJQHWLF VWLUULQJ 7HWUDFFOLQH LV D
EURDGVSHFWUXP DQWLELRWLF XVHG WR WUHDW D QXPEHU RI EDFWHULDO LQIHFWLRQV ZKLFK DFWV E LQKLELWLQJ SURWHLQVQWKHVLV $Q DOLTXRW RI WKH WHWUDFFOLQH VROXWLRQ FRQWDLQLQJ SDUWLFOHV D2ā)H2 ZDV WDNHQ DW PLQXWHLQWHUYDOV ILUVW DOORZLQJ WKH SUHFLSLWDWLRQ RI SRZGHUV D2ā)H2 7KHQ ZH DQDO]HG WKH FKDQJHV LQ RSWLFDOGHQVLW2RIWKHWHWUDFFOLQHVROXWLRQXVLQJD89YLVVSHFWURSKRWRPHWHUampDU3UREHVSHFWUXP89YLVVSHFWUD7KHGHFUHDVHLQ2YDOXHVLQGLFDWHGWKDWWKHWHWUDFFOLQHZDVDGVRUEHGRQD2ā)H2 SDUWLFOHV7KH
D2Acirc)H2 DV6XVLQJWHWUDFFOLQHDVPRGHOGUXJ
QWHUQDWLRQDORUJDQL]DWLRQRI6FLHQWLILF5HVHDUFK _3 D J H
RSWLFDOGHQVLWPHDVXUHPHQWVZHUH WDNHQXQWLOREVHUYLQJVWDELOL]DWLRQ LQ WKH2UHDGLQJ7KXV LQGLFDWLQJ WKHPD[LPXP ORDG RI WHWUDFFOLQH RQ D2ā)H2 SDUWLFOHV 7R SHUIRUP WKH UHOHDVH VWXGLHV RI WHWUDFFOLQH IURPD2ā)H2 VVWHPV ZH FRQWLQXHG DV LQGLFDWH EHORZ $ KRH RI WKH OXH VWUDLQ RI (VFKHULFKLD FROL6WUDWDJHQH gtUHF$ HQG$ JU$ WKL KVG5 VXS( ODF=0 7Q FDP 7amp5V ZKLFK ZDVGLVWULEXWHGRQDJDUVROLGZDVWDNHQDQGLWLQFXEDWHGRYHUQLJKWDWamp7KHQDRXQJFRORQZDVVHOHFWHGDQGLQRFXODWHGLQWRPRIOLTXLGPHGLXPLQFXEDWLQJDWampRYHUQLJKWDWUSP7KHQPRIOLTXLGZHUH SODFHG LQ D P(UOHQPHHU IODVN LWZDV DGGHG PRI SUHLQRFXOXP DQG WKHD2ā)H2SDUWLFOHVFKDUJHGZLWK WHWUDFFOLQH$ ILUVW UHDGLQJRIRSWLFDOGHQVLWZDV WDNHQDW2ZKLFK LV WKH2DWWLPH ]HUR 7KH PHGLXP ZDV LQFXEDWHG DW amp DW USP $1( LQFXEDWRU VKDNHU DQG DWSUHGHWHUPLQHGWLPHVPDOLTXRWVZHUHWDNHQWRPHDVXUHWKH2 XQWLOVWDELOL]DWLRQLQWKH2 YDOXHV)RUUHIHUHQFH LQ WKH LQWHUSUHWDWLRQRI UHVXOWV WZRFRQWUROVZHUHSUHSDUHG7KH ILUVW FRPSRVHG VROHORI OLTXLGPHGLXPSOXVSUHLQRFXODWHG7KHVHFRQGFRPSRVHGIURPOLTXLGSUHLQRFXOXPSOXVXQFKDUJHGD2ā)H2SDUWLFOHV)RUERWKFRQWUROVZDVFDUULHGRXWWKHVDPHSURFHGXUHDVWKHWHVW
5(6876 $16amp866217KHSDWWHUQRI[UDGLIIUDFWLRQIRUWKHVDPSOHFDOFLQHGDWampVKRZQLQ)LJXUHLQGLFDWHVWKDWWKH
VDPSOHWKXVREWDLQHGLVFRPSRVHGRIDPL[WXUHDUHFUVWDOOLQHSKDVHV PRVWOEDULXPKH[DIHUULWHD)H2 ZLWKD KH[DJRQDO VWUXFWXUH WRJHWKHU ZLWK KHPDWLWH )H2 KDYLQJ DQ KH[DJRQDO VWUXFWXUH DQG WR D OHVVHU DPRXQWEDULXPPRQRIHUULWH D)H2ZLWKDQRUWKRUKRPELFVWUXFWXUH6HYHUDODXWKRUVgtKDYHUHSRUWHGWKHVQWKHVLVRID)H2 DWGLIIHUHQWWHPSHUDWXUHVLQZKLFKFRH[LVWDPL[WXUHVLPLODUWRWKHSKDVHVREWDLQHGLQWKLVUHVHDUFKRU WKH SUHVHQFH RI RQH RUPRUH GLIIHUHQW SKDVHV WR WKRVH VKRZQ KHUH 7KH GLIIHUHQFH LQ WKH SUHVHQFH RI WKHGLIIHUHQW SKDVHV DV ZHOO DV WKH ZHLJKW UDWLR RI WKH SKDVHV SUHVHQW FDQ EH LQIOXHQFHG E IDFWRUV VXFK DV WKHVQWKHVLVPHWKRGWSHRISUHFXUVRUVDOWVDQGWKHLUPRODUUDWLR WHPSHUDWXUHDQGUHVLGHQFHWLPHKHDWWUHDWPHQWDPRQJRWKHUVQJHQHUDODQLQFUHDVHLQWKH FDOFLQDWLRQWHPSHUDWXUHOHDGVWRLQFUHDVHGVDPSOHFUVWDOOL]DWLRQDQGJUHDWHUSXULWRIWKHD)H2 SKDVHDVKDVEHHQVKRZQHOVHZKHUH+RZHYHUDOWKRXJKKLJKHUWHPSHUDWXUHVFDQEHREWDLQHGD)H2 KLJKHUSXULWKLJKHU WHPSHUDWXUHVSURGXFH ODUJHUSDUWLFOH VL]H UHVXOWLQJ LQREWDLQLQJDKDUG PDJQHWLF PDWHULDO ZLWK PDJQHWLF SURSHUWLHV XQVXLWDEOH IRU ELRPHGLFDO DSSOLFDWLRQV LQ ZKLFK DVXSHUSDUDPDJQHWLFEHKDYLRU LV UHTXLUHGEHFDXVH WKLVGRHVQRW UHWDLQPDJQHWLVPDIWHU UHPRYDORI WKH PDJQHWLFILHOGgt
)LJ UDGLIIUDFWLRQSDWWHUQIRUDVDPSOHFDOFLQHGDWamp7KH5SDWWHUQVKRZVWKHSUHVHQFHRIWKUHHFUVWDOOLQHSKDVHV+ D2ā)H2) )H2 DQG2 D)H2
)LJXUHVKRZVDUHSUHVHQWDWLYH6(0LPDJHLQZKLFKQDQRVWUXFWXUHGVSKHULFDODJJUHJDWHVDUHREVHUYHGDSSUR[P LQGLDPHWHU 7KHLQVHUWLQWKHLPDJHVKRZVWKDWWKHDJJUHJDWHVDUHIRUPHG EQDQRPHWHUVL]HG
SDUWLFOHVQP
D2Acirc)H2 DV6XVLQJWHWUDFFOLQHDVPRGHOGUXJ
QWHUQDWLRQDORUJDQL]DWLRQRI6FLHQWLILF5HVHDUFK _3 D J H
)LJ VKRZV DUHSUHVHQWDWLYH6(0LPDJHLQZKLFKQDQRVWUXFWXUHGVSKHULFDODJJUHJDWHVDUHREVHUYHGDSSUR[P LQGLDPHWHU
7KHORDGFDSDFLWRID2ā)H2 SRZGHUVZDVREVHUYHGZKHQDQDO]LQJWKHGHFUHDVHLQWKH2YDOXHVIURPWKHWHWUDFFOLQHVROXWLRQLQFRQWDFWZLWKD2ā)H2 SDUWLFOHV7KHWHWUDFFOLQHFRQFHQWUDWLRQRIPJPHQVXUHV NLOOLQJ EDFWHULD ZKHQ LQ FRQWDFW )LJXUH VKRZV WKH GHFUHDVH LQ 2 YDOXHV ZKHQ WKH WHWUDFFOLQHVROXWLRQNHSWLQFRQWDFWZLWKWKHD2ā)H2 SDUWLFOHV7KLVLQGLFDWHVWKDWWHWUDFFOLQHZDVDGVRUEHGESDUWLFOHVRI D2ā)H2 )XUWKHUPRUH LW FDQ EH VHHQ IURP WKH JUDSK WKDW DW PLQ WKH D2ā)H2 SDUWLFOHV KDYHDGVRUEHGDOOSRVVLEOHWHWUDFFOLQHUHDFKLQJWKHLUVDWXUDWLRQ
)LJ YDULDWLRQLQRSWLFDOGHQVLWYDOXHVLQGLFDWLQJWKHDEVRUSWLRQRIWHWUDFFOLQHRQ D2ā)H2 VVWHPV
$IWHUWKHD2ā)H2 SDUWLFOHVZHUHORDGHGZLWKWHWUDFFOLQHWKHVHZHUHSODFHGLQDFXOWXUHPHGLXPIRU(FROL LQRUGHUWRWHVWWKHUHOHDVHRIWHWUDFFOLQH)LJXUHVDQGVKRZWKHHIIHFWRIWKHD2ā)H2 SDUWLFOHVORDGHG ZLWK WHWUDFFOLQH RQ JURZWK RI EDFWHULD 7KH GHFUHDVH LQ WKH 2 RI WKH FXOWXUH PHGLXP RI ( FROLLQGLFDWHVLQKLELWLRQDQGGHDWKRIWKHEDFWHULDQ)LJXUHDGHFUHDVHLQ2YDOXHVZHUHVHHQZKHQWKHEDFWHULDZDV LQ FRQWDFWZLWK WKHD2ā)H2 SDUWLFOHV ORDGHG ZLWK WHWUDFFOLQH DVZHOO DV WKH XQFKDUJHGD2ā)H2SDUWLFOHV +RZHYHU WKH GHFUHDVH LQ 2 ZDV PRUH UHPDUNDEOH ZKHQ WKH EDFWHULD FRPH LQ FRQWDFW ZLWKD2ā)H2 SDUWLFOHV ORDGHGZLWK WHWUDFFOLQH)LJXUHVKRZV WKHJURZWKFXUYHH[SUHVVHG LQFRORQIRUPLQJXQLWVamp)8HYDOXDWHGDVDQXPEHURIamp)8NLQHWLFVYHUVXV WLPH7KHNLQHWLFEHKDYLRUFRUUHVSRQGVWRDQRUPDOJURZWK UHDFKLQJ D PD[LPXP DW PLQXWHV DQG GHFUHDVLQJ WKHUHDIWHU 7KLV FXUYH LV PRGLILHG LQ PHGLDFRQWDLQLQJWKHD2ā)H2 SDUWLFOHVZLWKDQGZLWKRXWWHWUDFFOLQHQWKHSUHVHQFHRISDUWLFOHVRID2ā)H2
D2Acirc)H2 DV6XVLQJWHWUDFFOLQHDVPRGHOGUXJ
QWHUQDWLRQDORUJDQL]DWLRQRI6FLHQWLILF5HVHDUFK _3 D J H
WKHEDFWHULDKDYHDFRPSOHWHOGLIIHUHQWEHKDYLRUGHFUHDVLQJWKHamp)8 LQLWLDOOWRKDYHDPLQLPXPPLQXWHVDQG WKHQ JUDGXDOO LQFUHDVH KHQ LQ WKH PHGLD FRQWDLQLQJ WKH D2ā)H2 QDQRSDUWLFOHV ORDGHG ZLWKWHWUDFFOLQH WKH EHKDYLRU RI WKH JURZWK FXUYH FKDQJHV FRPSOHWHO VLQFH IURP WKH ILUVW PLQXWHV DQ HIIHFWVXJJHVWLQJLQKLELWLRQDQGGHDWKRIWKHEDFWHULDLVSUHVHQWHGVXJJHVWLQJWKDWWKHUHOHDVHWHWUDFFOLQHLVJLYHQLQDJUDGXDOZD
)LJ YDULDWLRQLQRSWLFDOGHQVLWYDOXHVGXHWRWKHHIIHFWRIWKHD2ā)H2 SDUWLFOHVORDGHGZLWKWHWUDFFOLQHRQJURZWKRIEDFWHULD
)LJ YDULDWLRQLQamp)8RI(FROL GXHWRWKHHIIHFWRID2ā)H2 SDUWLFOHVORDGHGZLWKWHWUDFFOLQHRQJURZWKRIEDFWHULD9 amp21amp8621
D2ā)H2 VSKHULFDO DJJUHJDWHV LQPLFURPHWHU VL]HZHUH VXFFHVVIXOO VQWKHVL]HG IURPDFKHPLFDOZHWVROJHOPHWKRGYLDVSUDGULQJRDGLQJDQGUHOHDVHVWXGLHVRIWHWUDFFOLQHDVDPRGHOGUXJVKRZVWKDWWKHD2ā)H2 VVWHPVFDQEHDJRRGFDQGLGDWHVDVGUXJGHOLYHUVVWHPV
9 $amp12((0(176HDFNQRZOHGJH WKHampRQVHMR1DFLRQDOGHampLHQFLD7HFQRORJtDamp21$amplt7EVFKRODUVKLSDQGampamp
8061+IRUWKHILQDQFLDOVXSSRUWWRWKLVUHVHDUFK5()(5(1amp(6
gt 0$UUXHER5)HUQiQGH]3DFKHFR05EDUUDDQG-6DQWDPDUtD0DJQHWLFQDQRSDUWLFOHVIRUGUXJGHOLYHU1DQRWRGD
gt )HOLFH 0 3 3UDEKDNDUDQ $ 3 5RGUtJXH] 6 5DPDNULVKQD UXJ GHOLYHU YHKLFOHV RQ D QDQRHQJLQHHULQJ SHUVSHFWLYH0DWHULDOV6FLHQFHDQG(QJLQHHULQJamp
gt 7 RQ]iOH]ampDUUHxR 03 0RUDOHV amp- 6HUQD DULXP IHUULWH QDQRSDUWLFOHV SUHSDUHG GLUHFWO E DHURVRO SUROVLV 0DWHULDOVHWWHUV plusmn
D2Acirc)H2 DV6XVLQJWHWUDFFOLQHDVPRGHOGUXJ
QWHUQDWLRQDORUJDQL]DWLRQRI6FLHQWLILF5HVHDUFK _3 D J H
gt 3 5HQ - XDQ ampKHQJ QIOXHQFH RI KHDW WUHDWPHQW FRQGLWLRQV RQ WKH VWUXFWXUH DQG PDJQHWLF SURSHUWLHV RI EDULXP IHUULWHD)H2 KROORZPLFURVSKHUHVRIORZGHQVLW0DWHULDOVampKHPLVWUDQG3KVLFV plusmn
gt $$WDLHDQG$0DOLampKDUDFWHULVWLFVRIEDULXPKH[DIHUULWH QDQRFUVWDOOLQHSRZGHUVSUHSDUHGEDVROJHOFRPEXVWLRQPHWKRGXVLQJLQRUJDQLFDJHQW-(OHFWURFHUDPLF
gt $ KDVHPL 5 6 $ODP $ 0RULVDNR 3UHSHUDWLRQ DQG PDJQHWLF SURSHUWLHV RI KH[DJRQDO EDULXP IHUULWH ILOPV XVLQJ D0QDQRSDUWLFOHV3KVLFD
gt 0ampKRL6ampKRlt6RQJ6DHN+LP--XQJ+HHamp3DUN63DUNltLP6QWKHVLVDQGFKDUDFWHUL]DWLRQRIKROORZD)H2 VXEPLFURQVSKHUHVIRUDGYDQFHIXQFWLRQDOPDJQHWLFPDWHULDOVampXUUHQW$SSOLHG3KVLFV gt ampDL-DQJLDQJ-XRlt+RX+DRltX(IIHFWRI1D12IRDPLQJDJHQWRQEDULXPIHUULWHKROORZPLFURVSKHUHVSUHSDUHGEVHOIUHDFWLYHTXHQFKLQJWHFKQRORJ-RXUQDORI$OORVDQGampRPSRXQGV plusmn
gt X -3DUNlt+RQJ$0DQH(WKOHQHJOFRODVVLVWHGVSUDSUROVLV IRU WKHVQWKHVLVRIKROORZD)H2VSKHUHV0DWHULDOVHWWHUV plusmn
gt 0 ampKRL 6 ampKR lt 6RQJ ampKRL 6 3DUN lt LP 1RYHO VQWKHVL]LQJ PHWKRG RI D)H2 PLFUR URG DQG LWV VXSHULRUFRHUFLYLWZLWKVKDSHDQLVRWURS0DWHULDOVHWWHUV plusmn
gt $XSWD0XSWD6QWKHVLVDQGVXUIDFHHQJLQHHULQJRI LURQR[LGHQDQRSDUWLFOHVIRUELRPHGLFDODSSOLFDWLRQVLRPDWHULDOV plusmn
gt 96KXEDHY753LVDQLF6-LQ0DJQHWLFQDQRSDUWLFOHVIRUWKHUDJQRVWLFV$GYDQFHGUXJHOLYHU5HYLHZV plusmn
gt 1$)UH63HQJampKHQJDQG66XQ0DJQHWLFQDQRSDUWLFOHVVQWKHVLVIXQFWLRQDOL]DWLRQDQGDSSOLFDWLRQVLQELRLPDJLQJDQGPDJQHWLFHQHUJVWRUDJHampKHP6RF5HY plusmn
gt 17UDQDDQG7-HEVWHU0DJQHWLFQDQRSDUWLFOHVELRPHGLFDODSSOLFDWLRQVDQGFKDOOHQJHV-0DWHUampKHP plusmn
gt $ )LJXHUROD 5 L ampRUDWR 0DQQD 7 3HOOHJULQRD )URP LURQ R[LGH QDQRSDUWLFOHV WRZDUGV DGYDQFHG LURQEDVHG LQRUJDQLFPDWHULDOVGHVLJQHGIRUELRPHGLFDODSSOLFDWLRQV3KDUPDFRORJLFDO5HVHDUFK plusmn
Publisher Szilikaacutetipari Tudomaacutenyos Egyesuumllet 1034 Budapest Beacutecsi uacutet 122-124 Telephonefax 06-1201-9360 E-mail infoszteorghu WEB wwwszteorghu Editor-in-Chief Dr Borosnyoacutei Adorjaacuten E-mail epitoanyagszteorghu WEB wwwepitoanyagorghu
A c c e p t a n c e o f M a n u s c r i p t
Dear authors
We are happy to inform you that the Editorial Board of eacutepiacutetőanyag ndash Journal of Silicate Based and
Composite Materials has made a decision on the following manuscript
S Torres-Cadenas A Bravo-Patintildeo J Zarate-Medina ME Contreras-Garciacutea
Nest-like BaObull6Fe2O3 microspheres with hierarchical porous structure for drug delivery
Suggestion accepted for publication
Your manuscript is now with the Editorial Office We call your attention that publication of the
paper will be possible after the approval of the final proof of the manuscript
Thank you for submitting your scientific results to eacutepiacutetőanyag ndash Journal of Silicate Based and
Composite Materials We wish further success for your research activities
Budapest 5 January 2017
Dr Borosnyoacutei Adorjaacuten
Editor-in-Chief
- TD STC (2)
- ANEXO 1
- ANEXO 2
- ANEXO 3
-
- Dear authors
-
- Budapest 5 January 2017
-
7
Figura 43 Imaacutegenes de SEM de los agregados de BaFe12O19 y sus correspondientes histogramas
de distribucioacuten de tamantildeo (a) Muestra con 50 de PS bajo condiciones de secado por aspersioacuten
de 200 degC y 20 Kgcm2 y su correspondiente distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula (b) (c) Muestra
con 30 de PS bajo condiciones de secado por aspersioacuten de 180 degC y 15 Kgcm2 y su
correspondiente distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula (d) Las muestras fueron calcinadas a 700
degC 66
Figura 44 (a) Espectro EDS de los agregados de BaFe12O19 el cual indica la presencia de los
elementos Ba Fe y O El C es producido por la cinta doble cara de carbono usada como adhesivo
en soporte (b) Mapeos quiacutemicos de EDS de los agregados de BaFe12O19 Imagen SEM en el
modo de electrones secundarios Las imaacutegenes de Ba (verde) Fe (rojo) y O (azul) indican su
distribucioacuten homogeacutenea y que estos elementos son los uacutenicos presentes en las muestras 67
Figura 45 Imaacutegenes de STEM-ADF de los agregados de BaFe12O19 Las esferas estaacuten
conformadas principalmente por cristales alargados 68
Figura 46 Imaacutegenes de una misma esfera de BaFe12O19 en el modo (a) STEM-ADF y (b) TEM
las cuales permiten comparar el contraste de los cristales que la conforman 68
Figura 47 Imaacutegenes de TEM en campo claro (a y c) y en campo oscuro (b y d) del material que
conforman las esferas despueacutes de haber sido desbaratadas por el tratamiento ultrasoacutenico El
inserto en (b) presenta el patroacuten SAEDP proveniente del material presentado en (a) El inserto en
(d) presenta el patroacuten SAEDP del cristal alargado presentado en (c) 69
Figura 48 Imaacutegenes HRTEM de los cristales que conforman los agregados porosos de
BaFe12O19 (a) y (b) corresponden a cristales individuales de la fase BaFe12O19 (c) Coexistencia
entre las fases BaFe12O19 y BaFe2O4 (d) Coexistencia entre las fases BaFe12O19 y Fe2O3 70
Figura 49 (a) Imagen de HRTEM de uno de los cristales alargados que conforman las esferas de
BaFe12O19 El inserto presenta la correspondiente FFT la cual indica que el eje de zona
corresponde al eje en la direccioacuten [2-110] (b) Imagen digitalmente procesada correspondiente al
aacuterea del recuadro indicado en (a) El filtro usado para el procesamiento es indicado en el inserto
(c) Imagen de HRTEM de otro de los cristales alargados con defectos (d) Imagen digitalmente
procesada del aacuterea indicada en el recuadro en (c) 71
8
Figura 410 Celda unitaria de BaFe12O19 obtenidas usando los valores indicados en [27] y
observada en la direccioacuten [10-10] (a) y en la direccioacuten [21-10] (b) Tambieacuten se presentan las
unidades S y R El plano que contiene a Ba es un plano espejo Ba en verde Fe en amarillo y O
en rojo 72
Figura 411 Simulacioacuten computacional de imaacutegenes de HRTEM en las direcciones [0001] (a)
[10-10] (b) y [2-1-10] (c) Se presenta la proyeccioacuten de la celda BaFe12O19 en las direcciones
indicadas la simulacioacuten de su imagen en el desenfoque de Scherzer y su correspondiente patroacuten
de difraccioacuten del aacuterea selecta simulado Las condiciones de simulacioacuten fueron V = 200 KV
desenfoque de Scherzer en -5485 nm y 4x4x4 celdas Ba en verde Fe en amarillo y O en rojo73
Figura 412 Imagen de HRTEM en la direccioacuten [1-100] de uno de los cristales alargados que
conforman los agregados de BaFe12O19 y la imagen computacionalmente simulada en la misma
direccioacuten En este caso la imagen de HRTEM no presenta defectos Tambieacuten se incluyen las
posiciones de los aacutetomos en la celda unitaria Ba en verde Fe en amarillo y O en rojo 74
Figura 413 Isotermas de adsorcioacutendesorcioacuten BET para (a) muestra con 50 de esferas de PS
bajo condiciones de secado por aspersioacuten de 200 degC y 20 Kgcm2 y (b) muestra con 30 de
esferas de PS bajo condiciones de secado por aspersioacuten de 180 degC y 15 Kgcm2 Las muestras
fueron calcinas a 700 degC 75
Figura 414 Espectro Infrarrojo (IR) que muestra los enlacesgrupos funcionales a nuacutemeros de
onda (cm-1
) especiacuteficos correspondientes al peacuteptido DS-HaloTag libre y los sistemas
nanoestructurados de BaFe12O19 libres y cargados con el peacuteptido 76
Figura 415 Curvas de histeacuteresis de los agregados de BaFe12O19 calcinados a diferentes
temperaturas Los valores de las muestras fueron tomadas a temperatura ambiente y 5000 Oe 77
Figura 416 Extraccioacuten de ADN plasmiacutedico La columna 1 es referida al marcador Kb Plus
DNA Ladder de peso molecular conocido (pares de bases pb) El marcador se compone de 20
bandas de ADN de alta pureza de doble cadena que abarca 100 pb hasta 12000 pb La columna 2
representa el ADNp de la cepa NEB (New England Biolab) T7 DS Ademaacutes puede ser observado
en la columna 2 la presencia de tres bandas a) es referida al ADNp relajado b) describe el ADNp
enrollado y c) explica el ADNp suacuteper-enrrollado 79
Figura 417 Separacioacuten de proteiacutenas por electroforesis en gel SDS-PAGE 80
9
Figura 418 Imaacutegenes del microscopio oacuteptico en las cuales se puede observar la expresioacuten de un
gen reportero indicando las ceacutelulas CHO han sido transfectadas 81
Figura 419 Anaacutelisis tipo Western blot La proteiacutena de intereacutes DS-HaloTag aparece a una altura
de 61 ~KDa 82
Figura 420 Histograma de distribucioacuten de aminoaacutecidos 83
Figura 421 Interaccioacuten BaFe12O19-DS-HaloTag La disminucioacuten en los valores de DO a medida
que el tiempo transcurre indica la absorcioacuten del peacuteptido por los agregados de BaFe12O19 85
Figura 422 Anaacutelisis visual SDS-PAGE de la interaccioacuten BaFe12O19-DS-HaloTag que muestra
coacutemo disminuye la cantidad de proteiacutena libre en el medio 86
Figura 423 Carga superficial (mV) en funcioacuten del pH para el peacuteptido DS-HaloTag y los
sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 87
Figura 424 Modelo propuesto para las posibles interacciones BaFe12O19-DS-HaloTag 88
Figura 425 Perfiles de liberacioacuten del peacuteptido DS 89
IacuteNDICE DE TABLAS
Tabla 3I Factores a evaluar en el disentildeo experimental A) Presioacuten (P) B) Temperatura (T) y C)
Concentracioacuten de poliestireno usado como agente poroacutegeno (PS) Cada uno de los paraacutemetros
presenta un nivel bajo (-) y un nivel alto (+) 46
Tabla 3II Matriz del disentildeo experimental 47
Tabla 4I Variables de respuesta (oslashagregado SBET Vmesoporo oslashmacroporo) del disentildeo experimental
fraccionario 2f como resultado del efecto de los factores P T y PS 61
Tabla 4II Anaacutelisis de variancia ANOVA 62
Tabla 4III Propiedades magneacuteticas de los agregados porosos de hexaferrita de bario 78
Tabla 4IV Informacioacuten de secuencia 82
Tabla 4V Tabla de distribucioacuten de aminoaacutecidos 83
10
RESUMEN
Hoy en diacutea existe una gran variedad de formulaciones para la siacutentesis de materiales
nanoestructurados a base de oacutexido de hierro para aplicaciones biomeacutedicas El objetivo del
presente trabajo fue disentildear y sintetizar agregados nanoestructurados de hexaferrita de bario
(BaFe12O19) de tamantildeo micromeacutetrico con jerarquiacutea meso-macroporosa usando el meacutetodo sol-gel
y secado por aspersioacuten Usando un disentildeo experimental factorial 2f se evaluaron la concentracioacuten
( peso) de agente poroacutegeno y los paraacutemetros de temperatura (T) y presioacuten (P) en el proceso de
secado por aspersioacuten para determinar el efecto de estas variables sobre el tamantildeo de agregado de
BaFe12O19 y el tamantildeo de macroporo A parir de teacutecnicas de caracterizacioacuten tales como XRD
SEM y TEM se determinoacute la estructura morfologiacutea y composicioacuten de los polvos de BaFe12O19
Se obtuvieron agregados esfeacutericos de 17 μm de diaacutemetro con una estructura meso-macroporosa
determinada a partir de SEM y BET El tamantildeo de macroporo fue de aproximadamente 223 nm y
el tamantildeo de mesoporo varioacute entre 34 nm y 12 nm Asiacute mismo mediante VSM se obtuvieron
curvas de histeacuteresis a partir de las cuales se determinoacute las propiedades magneacuteticas de los
agregados de BaFe12O19 A una temperatura de calcinacioacuten de 700 degC se obtuvo un material con
comportamiento semiduro cuyos valores de magnetizacioacuten de saturacioacuten y campo coercitivo
fueron Ms = 1424 emug y Hc = 19465 Oe respectivamente Finalmente los agregados de
BaFe12O19 fueron probados como portadores de moleacuteculas con actividad bioloacutegica para ello se
usoacute el peacuteptido DS como faacutermaco modelo sintetizado a partir de los plaacutesmidos pF1A T7 Flexireg y
pFN21K a partir de la cepa T7 de Escherichia coli Se determinoacute la capacidad de carga y perfil de
liberacioacuten del peacuteptido DS mediante las teacutecnicas de SDS-PAGE FTIR anaacutelisis tipo Wester blot y
UV-vis El porcentaje de absorcioacuten del peacuteptido DS por los agregados nanoestructurados de
BaFe12O19 fue de 875 Por lo tanto los agregados esfeacutericos nanoestructurados con jerarquiacutea
meso-macroporosa obtenidos en el presente trabajo de investigacioacuten pueden ser considerados
como candidatos para ser aplicados en el aacuterea biomeacutedica como sistemas de liberacioacuten de faacutermaco
Palabras clave BaFe12O19 sistemas nanoestructurados macro-mesoporosidad meacutetodo sol-gel
secado por aspersioacuten disentildeo experimental
11
ABSTRACT
Nowadays there is a great variety of formulations for the synthesis of nanostructured materials
based on iron oxide with biomedical applications The aim of the present work was to design and
synthesize nanostructured macro-mesoporous hierarchical spherical aggregates of barium
hexagonal ferrite BaFe12O19 using the sol-gel method through molecular self-assembly and spray-
drying Therefore using a 2f
factorial experimental design the concentration (wt) of template
and the parameters of temperature (T) and pressure (P) in the spray drying process were
evaluated to determine the effect of these variables on the aggregate size of BaFe12O19 and the
size of macropore Characterization techniques such as XRD SEM and TEM determined the
structure morphology and composition of the BaFe12O19 powders obtained after the spray-drying
process Spherical aggregates of 17 μm were obtained with a meso-macroporous structure
determined from SEM and BET The macropore size was about 223 nm and the mesopore size
varied between 34 nm and 12 nm Hysteresis loops were obtained from VSM technique and the
magnetic properties of BaFe12O19 aggregates were determined At a calcination temperature of
700 deg C a material with semi-hard behavior was obtained whose saturation magnetization and
coercive field values were Ms = 1424 emug and Hc = 19465 Oe respectively Finally the
BaFe12O19 aggregates were tested as carriers of biologically active molecules For this purpose
the peptide DS (Hairless suppressor binding domain [Su (H)] was used as the template drug
synthesized from the plasmids pF1A T7 Flexireg and pFN21K from the T7 strain of Escherichia
coli The loading capacity and release profile of the DS peptide was determined by the SDS-
PAGE FTIR Wester blot and UV-vis techniques Absorption performance of DS peptide by the
nanostructured aggregates of BaFe12O19 was 875Therefore the nanostructured macro-
mesoporous hierarchical spherical aggregates of barium hexagonal ferrite BaFe12O19 obtained in
the present research can be considered as candidates to be applied in the biomedical area as drug
delivery systems
12
CAPIacuteTULO 1
INTRODUCCIOacuteN
13
CAPIacuteTULO 1 INTRODUCCIOacuteN
La nanotecnologiacutea es un campo cientiacutefico multidisciplinario que aplica los principios de
ingenieriacutea y fabricacioacuten para el disentildeo siacutentesis caracterizacioacuten y aplicacioacuten de materiales a
escala nanomeacutetrica En las uacuteltimas deacutecadas la nanotecnologiacutea se ha desarrollado en diversas
aacutereas de investigacioacuten abarcando las matemaacuteticas quiacutemica fiacutesica biologiacutea electroacutenica
ingenieriacutea biomeacutedica y ciencia de materiales entre otras
Dentro del sector biomeacutedico una gran variedad de materiales orgaacutenicos e inorgaacutenicos tales como
micelas poliacutemeros liposomas lipoproteiacutenas dendriacutemeros y nanopartiacuteculas magneacuteticas han sido
investigados ampliamente para diferentes aplicaciones incluyendo terapia celular reparacioacuten de
tejidos imagen de resonancia magneacutetica hipertermia marcadores bioloacutegicos y como sistemas de
liberacioacuten de faacutermacos (DDS) Sin duda las partiacuteculas magneacuteticas son los materiales maacutes
prominentes usados como DDS debido a sus propiedades fiacutesicas quiacutemicas teacutermicas mecaacutenicas y
magneacuteticas que las hacen herramientas ideales para ser usadas en las aplicaciones antes
mencionadas Como plataformas para la liberacioacuten de faacutermacos estos sistemas pueden ofrecer
muchas ventajas por ejemplo (i) se estabilizan sin alterar la actividad farmacoloacutegica del
medicamento (ii) previenen la degradacioacuten metaboacutelica prematura en la circulacioacuten sisteacutemica o
interaccioacuten con el ambiente bioloacutegico de manera que alcance el objetivo pretendido en su estado
priacutestino (iii) liberan el medicamento en el sitio o tumor deseado y (iv) presentan una toxicidad
menor o similar que la del faacutermaco libre
Recientemente un gran nuacutemero de faacutermacos macromoleculares tales como peacuteptidos proteiacutenas y
aacutecidos nucleicos han sido descubiertos Sin embargo estos faacutermacos muestran pobre estabilidad
en la mayoriacutea de los ambientes bioloacutegicos y pobre penetracioacuten a traveacutes de la barrera
hematoencefaacutelica lo cual limita su administracioacuten a traveacutes de rutas parentales Ademaacutes cuando
estos faacutermacos son administrados parentalmente estaacuten expuestos a la degradacioacuten quiacutemico-
enzimaacutetica antes de alcanzar su sitio de destino debido a su estabilidad limitada y corta vida
media Por lo tanto una gran cantidad de trabajos se ha enfocado al desarrollo de sistemas DDS
para proporcionan una manera maacutes efectiva de liberar y proteger los peacuteptidos y proteiacutenas
14
Existen numerosos meacutetodos (i) fiacutesicos (ii) quiacutemicos (iii) bioloacutegicos e (hiacutebridos) para la siacutentesis
de nanopartiacuteculas El meacutetodo de preparacioacuten de los nanomateriales determinaraacute el tamantildeo y
distribucioacuten de las partiacuteculas su morfologiacutea quiacutemica superficial y consecuentemente sus
propiedades magneacuteticas
En esta investigacioacuten agregados esfeacutericos nanoestructurados de hexaferrita de bario (BaFe12O19)
de tamantildeo micromeacutetrico con jerarquiacutea macro-mesoporosa fueron sintetizados usando el meacutetodo
quiacutemico huacutemedo sol-gel mediante autoensamble molecular y secado por aspersioacuten aplicando un
disentildeo experimental factorial 2f En el procesamiento de los materiales dirigidos a una aplicacioacuten
especiacutefica una informacioacuten detallada sobre las caracteriacutesticas del material es requerida para
alcanzar el objetivo deseado Asiacute los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 se caracterizaron
mediante difraccioacuten de rayos x (XRD por sus siglas en ingleacutes) microscopiacutea electroacutenica de
barrido (SEM por sus siglas en ingleacutes) microscopiacutea electroacutenica de transmisioacuten (TEM por sus
siglas en ingleacutes) aacuterea superficial especiacutefica BET espectroscopiacutea infrarroja por transformada de
Fourier (FTIR por sus siglas en ingleacutes) y por magnetoacutemetro de muestra vibrante (VSM por sus
siglas en ingleacutes) para la determinacioacuten de las propiedades magneacuteticas
Finalmente los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 se evaluaron como portadores de
moleacuteculas bioloacutegicas El peacuteptido DS (Dominio de unioacuten a supresor de Hairless [Su(H)] se usoacute
como faacutermaco modelo para evaluar la capacidad de carga de los sistemas nanoestructurados de
BaFe12O19 como DDS Despueacutes de ser cargados los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 con
el peacuteptido se llevaron a cabo los estudios de liberacioacuten El peacuteptido DS se sintetizoacute a partir de los
plaacutesmidos pF1A T7 Flexireg pFN21K y pFN18K empleando la cepa T7 Express Iq Competent
XL-1 blue (T7) de Escherichia coli A su vez isopropil-β-D-1-tiogalactopiranoacutediso (IPTG) se
usoacute para inducir la produccioacuten del peacuteptido El IPTG es una moleacutecula de uso comuacuten en biologiacutea
molecular Se usa como un anaacutelogo no hidrolizable de la alolactosa un metabolito de la lactosa
que desencadena la transcripcioacuten del operoacuten lac y por lo tanto se usa para inducir la expresioacuten de
proteiacutenas cuando el gen estaacute bajo el control del operoacuten lac
15
11 OBJETIVOS
111 Objetivo General
Disentildear sintetizar y caracterizar sistemas nanoparticulados de hexaferrita de bario (BaFe12O19)
conformados en agregados micromeacutetricos con jerarquiacutea macro-mesoporosa a partir de un disentildeo
experimental factorial fraccionario 2f usando el meacutetodo quiacutemico sol-gel con autoensamble
molecular asistido por surfactante Tween 20 y esferas de poliestireno usadas como agente
poroacutegeno y mediante secado por aspersioacuten para ser usados como portadores de moleacuteculas con
actividad bioloacutegica
112 Objetivos Especiacuteficos
- Evaluar la concentracioacuten ( peso) de agente poroacutegeno y los paraacutemetros de temperatura
(T) y presioacuten (P) en el proceso de secado por aspersioacuten para determinar el efecto de estas
variables sobre el tamantildeo de agregado de BaFe12O19 y el tamantildeo de macroporo
- Sintetizar sistemas de BaFe12O19 mediante el meacutetodo quiacutemico sol-gel asistido por Tween
20 y esferas de poliestireno para producir agregados esfeacutericos nanoestructurados de
tamantildeo micromeacutetrico con jerarquiacutea macro-mesoporosa
-
- Caracterizar estructural morfoloacutegica y fisicoquiacutemicamente los sistemas nanoparticulados
de BaFe12O19 mediante teacutecnicas de XRD SEM TEM BET FTIR y VSM para
proporcionar los detalles necesarios respecto a las propiedades fiacutesicas quiacutemicas y
magneacuteticas de los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19
16
- Sintetizar y caracterizar el peacuteptido DS a partir de los plaacutesmidos pF1A T7 Flexireg
pFN21K y pFN18K empleando la cepa T7 de Escherichia coli el cual seraacute utilizado
como faacutermaco modelo
- Determinar las propiedades magneacuteticas de los sistemas nanoparticulados de BaFe12O19
incluyendo su magnetizacioacuten magneacutetica (Ms) remanencia magneacutetica (Mr) y coercitividad
(Hc) para ser explotadas en la entrega y direccionamiento del peacuteptido DS
- Determinar la carga superficial de los sistemas nanoparticulados de BaFe12O19 para
permitir una mejora en el rendimiento de adsorcioacuten del peacuteptido DS
-
- Determinar la capacidad de carga de los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 y
evaluar el perfil de liberacioacuten del peacuteptido DS para evaluar los sistemas de BaFe12O19
como candidatos para sistemas de liberacioacuten de faacutermaco
17
12 HIPOacuteTESIS
La obtencioacuten de agregados esfeacutericos de nanopartiacuteculas superparamagneacuteticas con nanoestructura y
macroporosidad disentildeada obtenidas utilizando teacutecnicas de autoensamblaje molecular con agentes
poroacutegenos y mediante secado por aspersioacuten permitiraacute la obtencioacuten de un portador de moleacuteculas
con actividad bioloacutegica maacutes viable que tenga un mejor desempentildeo en cuanto a la adsorcioacuten de
ciertas moleacuteculas bioloacutegicas sin perder las propiedades superparamagneacuteticas caracteriacutesticas de las
nanopartiacuteculas
18
13 JUSTIFICACIOacuteN
A pesar de los avances significativos en el diagnoacutestico y tratamiento del caacutencer eacutesta es una de las
enfermedades maacutes devastadoras que amenazan con la salud humana y es la segunda causa maacutes
comuacuten de mortalidad Actualmente la cirugiacutea radioterapia quimioterapia e inmunoterapia son
los meacutetodos de tratamiento maacutes utilizados sin embargo ninguno de estos meacutetodos ofrece una
verdadera recuperacioacuten total En muchos casos la erradicacioacuten quiruacutergica o tratamiento por
radiacioacuten no son factibles
Por otra parte el mayor problema de la quimioterapia es la limitada eficacia de los agentes
quimioterapeacuteuticos y su falta de especificidad a las ceacutelulas tumorales asiacute como a las altas
concentraciones de faacutermaco utilizadas Para superar este problema altas concentraciones o
frecuencias de dosificacioacuten de los agentes quimioterapeacuteuticos son requeridas resultando asiacute en
efectos secundarios severos no deseados debido a la alta citotoxicidad del faacutermaco Por lo tanto
surge la necesidad de desarrollar meacutetodos eficaces de administracioacuten de faacutermacos capaces de
mantener los niveles del faacutermaco en una concentracioacuten estrecha necesaria para evitar toxicidad
Ademaacutes de dirigir el medicamento a las ceacutelulas cancerosas mientras se reducen los efectos
secundarios en la mayor medida posible Esta necesidad se ve reflejada en coacutemo ha ido
incrementando gradualmente el nuacutemero de publicaciones a lo largo de los antildeos ya que la
tecnologiacutea basada en sistemas de liberacioacuten de faacutermaco (DDS) ha progresado en las uacuteltimas
deacutecadas Por ejemplo la revista Journal of Controlled Released (JCR) ha recibido
sustancialmente maacutes artiacuteculos de lo que publica (Fig 11)
Figura 11 Nuacutemero de artiacuteculos publicados anualmente en la revista Journal of Controlled Released desde 1984
19
Una amplia variedad de biomateriales compuestos de diversas formulaciones han sido usados
como DDS No obstante en las uacuteltimas dos deacutecadas las nanopartiacuteculas magneacuteticas han atraiacutedo
mucha atencioacuten como DDS [12] ademaacutes de otras aplicaciones tales como imagen de resonancia
magneacutetica (MRI) [34] reparacioacuten de tejidos [56] hipertermia magneacutetica [78] e inmunoensayos
[9] debido a su biocompatibilidad faacutecil modificacioacuten superficial y sus propiedades fiacutesicas
quiacutemicas y magneacuteticas uacutenicas Una de las caracteriacutesticas maacutes importantes de las nanopartiacuteculas
magneacuteticas es su comportamiento superparamagneacutetico donde la energiacutea teacutermica es
suficientemente fuerte para cambiar la direccioacuten de la magnetizacioacuten [10] por ejemplo las
fluctuaciones teacutermicas desmagnetizan espontaacuteneamente un ensamble previamente saturado
Como resultado de esta propiedad las partiacuteculas magneacuteticas muestran un potencial para mejorar
las caracteriacutesticas de contraste en MRI DDS e hipertermia Ademaacutes el comportamiento
superparamagneacutetico permite la manipulacioacuten de las partiacuteculas en presencia de un campo
magneacutetico externo Asiacute un sistema DDS puede ser guiado magneacuteticamente hasta el sitio de
accioacuten en el cual el faacutermaco seraacute liberado reduciendo de esta manera la concentracioacuten del
faacutermaco y su frecuencia de dosificacioacuten para evitar efectos secundarios no deseados Ademaacutes
Una vez eliminando el campo magneacutetico las nanopartiacuteculas magneacuteticas no muestran una
interaccioacuten magneacutetica ya que no retienen magnetismo [11] Por lo tanto la ausencia de
coercitividad prevendraacute la agregacioacuten potencial de las partiacuteculas que pudieran faacutecilmente causar
la formacioacuten de embolismo en los vasos sanguiacuteneos [12]
Maacutes auacuten los sistemas micromeacutetricos nanoestructurados permiten la preservacioacuten de las
propiedades a escala nanomeacutetrica pero con partiacuteculas a escala micromeacutetriacuteca Esto es importante
debido a que las partiacuteculas de tamantildeo micromeacutetrico son maacutes faacuteciles de manejar que las partiacuteculas
nanomeacutetricas Ademaacutes una jerarquiacutea macro-mesoporosa presentan una arquitectura que exhiben
alta aacuterea superficial baja densidad y buena estabilidad fisicoquiacutemica [13] Asiacute mismo la
estructura jeraacuterquica juega un papel importante en muchas de las propiedades y aplicaciones
funcionales del material [14] por ejemplo los materiales macro-mesoporosos muestran un
incremento considerable en la capacidad de carga de un faacutermaco En los materiales macro-
mesoporosos los macroporos proporcionan una interconectividad que mejora la difusioacuten o flujo
20
de fluidos Mientras que los mesoporos aumentan considerablemente el aacuterea superficial
especiacutefica y por lo tanto tienen una mayor capacidad para que las moleacuteculas puedan ser
adsorbidas [15] Por otra parte la morfologiacutea de las partiacuteculas juega un papel importante en el
tiempo de circulacioacuten en el torrente sanguiacuteneo Ademaacutes una morfologiacutea esfeacuterica es de
importancia praacutectica ya que en general eacutesta presenta mejores propiedades reoloacutegicas comparado
con otras morfologiacuteas Una gran variedad de meacutetodos han sido estudiados para la siacutentesis de
sistemas nanoestructurados dirigidos a aplicaciones biomeacutedicas La Fig 12 muestra las tres rutas
de siacutentesis maacutes importantes Sin duda los meacutetodos de siacutentesis quiacutemica huacutemeda principalmente el
meacutetodo sol-gel es el meacutetodo fundamental maacutes empleado en la siacutentesis de materiales para
aplicaciones biomeacutedicas debido a sus muchas ventajas i) los precursores pueden mezclarse a
nivel molecular lo cual permite la formacioacuten de soluciones soacutelidas del material a temperaturas de
procesamiento relativamente bajas cuando se compara con los meacutetodos tradicionales ii) es un
meacutetodo faacutecil sencillo y versaacutetil iii) permite un control quiacutemico y estructural es decir la
nucleacioacuten y crecimiento de las partiacuteculas coloidales primarias puede ser controlada para dar
partiacuteculas con tamantildeo y forma deseada ademaacutes de la composicioacuten quiacutemica deseada iv) los
materiales sintetizados a partir de este meacutetodo son obtenidos con una alta pureza
Figura 12 Meacutetodos de siacutentesis de los sistemas nanoestructurados dirigidos a aplicaciones biomeacutedicas Las tres rutas
principales incluyen meacutetodos quiacutemicos fiacutesicos y bioloacutegicos Fuente Instituto de Informacioacuten Cientiacutefica Modificado
de M Mahmoudi [16]
21
CAPIacuteTULO 2
REVISIOacuteN DEL ESTADO DEL ARTE
22
CAPIacuteTULO 2 REVISIOacuteN DEL ESTADO DEL ARTE
En el presente capiacutetulo se aborda coacutemo la nanotecnologiacutea ha revolucionado los diferentes
aspectos de la investigacioacuten cientiacutefica y tecnologiacutea en diversos campos tales como la electroacutenica
semiconductores quiacutemica fiacutesica ciencia de los materiales bioingenieriacutea medicina etc [17-27]
En las uacuteltimas deacutecadas la nanotecnologiacutea ha contribuido a avances significativos en el desarrollo
de los biomateriales y el aacuterea de la medicina a traveacutes de la terapia y diagnoacutestico cliacutenico para el
tratamiento de diversos tipos de caacutencer mediante el disentildeo e ingenieriacutea de materiales
nanoestructurados capaces de interactuar con los sistemas bioloacutegicos a escala molecular Las
aplicaciones maacutes prominentes de estos nanodispositivos incluyen terapia geacutenica MRI [28-30]
hipertermia [31-33] sistemas de liberacioacuten de faacutermacos (DDS) [3535] Una gran variedad de
materiales orgaacutenicos e inorgaacutenicos han sido investigados como sistemas DDS Sin embargo los
materiales magneacuteticos nanoestructurados de oacutexido de hierro son considerados los materiales maacutes
prominentes debido a sus caracteriacutesticas uacutenicas tales como biocompatibilidad alta aacuterea
superficial y comportamiento superparamagneacutetico lo que los hace una herramienta ideal para las
aplicaciones antes mencionas [36]
21 BIOMATERIALES
Un biomaterial puede ser definido como cualquier material natural o sinteacutetico usado para la
fabricacioacuten de dispositivos que reemplacen una parte de un sistema vivo o bien que realice una
funcioacuten en contacto iacutentimo con el tejido vivo de una manera segura confiable y fisioloacutegicamente
aceptable [37] Por lo tanto un biomaterial tiene que presentar propiedades compatibles con el
tejido a interactuar para obtener el efecto deseado El Consejo Asesor para Biomateriales de la
Universidad de Clemson ha definido formalmente un biomaterial como una sustancia de
actividad sisteacutemica y farmacoloacutegicamente inerte para su implantacioacuten o incorporacioacuten dentro o
con el sistema vivo
23
Debido a que los biomateriales tienen como objetivo interactuar con los tejidos o fluidos
bioloacutegicos del cuerpo humano es fundamental que estos cumplan con ciertos requisitos para
evitar inducir cambios o provocar reacciones no deseadas en el cuerpo humano Un requisito
fundamental es la biocompatibilidad la cual se refiere a la capacidad del material para realizar
con eficiencia una respuesta apropiada en el hueacutesped en una aplicacioacuten deseada es decir el
material y el entorno de los tejidos deben coexistir sin tener ninguacuten efecto no deseado o
inapropiado entre ellos [36] Otras caracteriacutesticas importantes son su baja toxicidad estabilidad
quiacutemica densidad y peso adecuado ademaacutes es deseable que sean econoacutemicos
211 Aplicaciones
En las uacuteltimas deacutecadas la siacutentesis y aplicacioacuten de biomateriales ha llegado a ser una de las aacutereas
de investigacioacuten maacutes activa y prometedora posicionada en la interseccioacuten de la quiacutemica ciencia
de los materiales bioingenieriacutea y la medicina
Una de las aplicaciones de los biomateriales que ha atraiacutedo cada vez maacutes la atencioacuten de los
cientiacuteficos es su uso como sistemas de liberacioacuten de faacutermaco Una gran variedad de materiales
han sido estudiados para esta aplicacioacuten por ejemplo dendriacutemeros micelas emulsiones
liposomas y sistemas nanoestructurados Especialmente las nanopartiacuteculas magneacuteticas a base de
hierro han sido de gran intereacutes debido a las oportunidades en la terapia de caacutencer y el tratamiento
de otras enfermedades Su potencial deriva de las propiedades intriacutensecas de sus nuacutecleos
magneacuteticos combinados con la capacidad de carga del faacutermaco y las propiedades bioquiacutemicas que
pueden ser adquiridas mediante su recubrimiento adecuado Ademaacutes las nanopartiacuteculas pueden
actuar a nivel tisular o celular lo cual implica que pueden ser endocitadas o fagocitadas
resultando en su internalizacioacuten En eacuteste proceso las nanopartiacuteculas pueden llegar maacutes allaacute de la
membrana citoplasmaacutetica
24
Entre las aplicaciones maacutes usadas de las nanopartiacuteculas como biomateriales se encuentran la
imagen de resonancia magneacutetica hipertermia y sistemas de liberacioacuten de faacutermacos las cuales se
explican a continuacioacuten
a Imagen de resonancia magneacutetica
Los avances en el desarrollo de nuevas estrategias y tecnologiacuteas para tratamiento y evaluacioacuten
precliacutenica de caacutencer mediante el uso de faacutermacos antitumorales destacan la creciente necesidad
de una evaluacioacuten a tratamientos tumorales in vivo mediante el uso de biomarcadores de imagen
La imagen de resonancia magneacutetica (MRI) se ha establecido como la herramienta principal en el
monitoreo in vivo de cambios morfoloacutegicos funcionales y metaboacutelicos en tumores soacutelidos debido
a su excelente contraste en tejidos blandos excelente resolucioacuten espacial y naturaleza no-
invasiva MRI es una teacutecnica que usa el magnetismo y pulso por radiofrecuencia (RF) para
producir imaacutegenes de tejidos u oacuterganos compuestos de elementos sensibles a la resonancia
magneacutetica tales como hidroacutegeno (H) La MRI se basa en los principios de la resonancia
magneacutetica nuclear El cuerpo bioloacutegico se compone de numerosos protones contenidos en el
nuacutecleo del H los cuales giran en sus ejes con la llamada frecuencia de Larmor produciendo un
campo magneacutetico representado por el momento o vector magneacutetico Una gran cantidad de
protones en el cuerpo resultaraacute en un vector magneacutetico neto que se alinea con el campo
magneacutetico externo o paralelo al eje longitudinal del magneto Esta alineacioacuten de protones es
llamada magnetizacioacuten longitudinal Cuando la magnetizacioacuten longitudinal se inclina
transversalmente debido a un impulso de RF se induce una corriente eleacutectrica o sentildeal de
resonancia magneacutetica que puede ser recibida por una bobina de RF En esencia la MRI se lleva a
cabo aplicando de manera alterna pulsos de RF al tejido bioloacutegico La Aplicacioacuten de pulsos de
RF en cierto tiempo de repeticioacuten (TR) y las sentildeales recibidas en un tiempo predefinido o tiempo
de repeticioacuten (TE) produce el contraste en las imaacutegenes de MRI Tales sentildeales de resonancia
magneacutetica son entonces codificadas en fase y frecuencia a imaacutegenes de resonancia magneacutetica por
la teacutecnica de transformada de Fourier
25
b Hipertermia
La hipertermia implica el tratamiento de ceacutelulas canceriacutegenas a traveacutes de la generacioacuten de calor
[38] Este enfoque involucra el aumento de la temperatura del ambiente local del tumor
resultando en un cambio en la fisiologiacutea de las ceacutelulas enfermas llevaacutendolas finalmente a la
apoptosis Dependiendo del grado en el aumento de la temperatura el tratamiento por hipertermia
puede ser clasificado como i) ablacioacuten teacutermica [39] en el cual el tumor es sometido a altas
temperaturas de calor mayores a 46 degC pudiendo llegar a los 56 degC causando que las ceacutelulas
experimenten necrosis coagulacioacuten o carbonizacioacuten ii) Hipertermia moderada [39] con
temperaturas entre 41 degC y 46 degC tiene efectos tanto a nivel celular como tisular las ceacutelulas
experimentan estreacutes teacutermico resultando en la activacioacuten yo iniciacioacuten de muchos mecanismos de
degradacioacuten intra- y extracelular tal como la degradacioacuten o pliegue iii) Diatermia [39] implica
temperaturas menores a 41 degC para el tratamiento de enfermedades reumaacuteticas en la fisioterapia
c Sistemas de liberacioacuten de faacutermaco
Los sistemas de liberacioacuten de faacutermaco tienen como objetivo la entrega y liberacioacuten de faacutermacos
a sitios de accioacuten especiacuteficos manteniendo la concentracioacuten del faacutermaco a un nivel terapeacuteutico
adecuado durante un periacuteodo de tiempo determinado Es decir un sistema ideal para la liberacioacuten
de faacutermacos debe ser capaz de controlar la liberacioacuten y focalizacioacuten del faacutermaco para garantizar
una alta eficiencia del faacutermaco a la vez que se disminuyen los efectos secundarios causados por
los faacutermacos anticanceriacutegenos que no uacutenicamente actuacutean sobre las ceacutelulas cancerosas sino
ademaacutes sobre las ceacutelulas sanas Un sistema nanoestructurado para la liberacioacuten de faacutermacos
puede penetrar en el cuerpo ya que su tamantildeo le permite ser administrado viacutea intravenosa o a
traveacutes de otras rutas de administracioacuten Ademaacutes los sistemas de liberacioacuten de faacutermaco deben
permanecer estables tanto fiacutesica como quiacutemicamente antes de llegar a su destino
26
22 SISTEMAS DE LIBERACIOacuteN DE FAacuteRMACO
En la Fig 21 se presentan los diferentes tipos de sistemas nanoparticulados empleados en la
liberacioacuten de faacutermacos los cuales se describen brevemente
Figura 21 Categoriacuteas esenciales de los materiales usados como DDS i) Materiales orgaacutenicos dendriacutemeros
micelas liposomas i) Materiales inorgaacutenicos nanopartiacuteculas de oro sistemas nanoestructurados a base de oacutexido de
hierro quantum dots (Modificado de Grumezescu [40] y Riggio [45])
221 Liposomas
Los liposomas tienen una larga historia como sistemas de liberacioacuten de faacutermaco debido a su faacutecil
preparacioacuten baja toxicidad y biodegradabilidad [4142] Los liposomas son estructuras
coloidales autoensambladas compuestas de bicapas lipiacutedicas que rodean un compartimiento
27
acuoso y puede encapsular una amplia variedad de faacutermacos quimioterapeacuteuticos ya sean
hidroacutefilos o hidroacutefobos [4344] Los liposomas se pueden clasificar como liposomas de primera
generacioacuten o liposomas desnudos con una superficie de fosfoliacutepido no modificado de segunda
generacioacuten o liposomas furtivos con una capa de carbohidratos o poliacutemeros hidroacutefilos
generalmente de PEG en la superficie de las vesiacuteculas y liposomas de tercera generacioacuten que
incorporan ligandos superficiales para mejorar el iacutendice terapeacuteutico del faacutermaco mediante el
aumento de la selectividad y la especificidad del complejo En la Fig 21 se representa
esquemaacuteticamente la estructura de los liposomas
222 Nanopartiacuteculas polimeacutericas
Las nanopartiacuteculas polimeacutericas (Fig 21) son portadores que van de 10 a 100 nm conformados
de poliacutemeros naturales o artificiales generalmente biodegradables donde los faacutermacos
terapeacuteuticos puede ser adsorbidos disueltos atrapados encapsulados o enlazados
covalentemente a la cadena principal del poliacutemero por medio de un enlace sencillo eacutester o amida
que se pueden hidrolizar in vivo a traveacutes de un cambio de pH
Los poliacutemeros sinteacuteticos que incluyen al aacutecido polilaacutectico (PLA) [46] aacutecido poliglicoacutelico (PGA)
[47] poli etilenglicol (PEG) [48] y sus copoliacutemeros han sido los maacutes ampliamente investigados
debido a su biocompatibilidad y biodegradabilidad Otros poliacutemeros naturales como el quitosano
y alginato han sido ampliamente probados [49]
223 Micelas
Las micelas son portadores esfeacutericos biodegradables con un intervalo de tamantildeo de 10-200 nm
Eacutestas son formadas por autoensamblaje de bloques de copoliacutemeros compuestos de dos o maacutes
cadenas de poliacutemeros con diferente hidrofobicidad Estos copoliacutemeros espontaacuteneamente se
28
ensamblan para formar una estructura de nuacutecleo-coraza en un medio acuoso para minimizar la
energiacutea libre del sistema (Fig 21) Los segmentos hidroacutefobos forman el nuacutecleo interior
hidroacutefobo para minimizar su exposicioacuten al medio ambiente mientras que las cadenas hidroacutefilas
forman la coraza hidroacutefila externa para estabilizar el nuacutecleo a traveacutes del contacto directo con el
agua [50]
224 Dendriacutemeros
Los dendriacutemeros son macromoleacuteculas altamente ramificadas esfeacutericas y sinteacuteticas con tamantildeo y
forma ajustable Contienen muacuteltiples capas con grupos terminales activos tambieacuten conocidos
como generaciones que se extienden hacia fuera desde un nuacutecleo iniciador llamado generacioacuten
cero (Fig 21) El tamantildeo de los dendriacutemeros estaacute generalmente en el rango de 1-15 nmLas
ramificaciones de estos poliacutemeros proporcionan un aacuterea superficial grande para que moleacuteculas
yo medicamentos quimioterapeacuteuticos puedan ser unidos a traveacutes de la conjugacioacuten covalente o
adsorcioacuten electrostaacutetica Alternativamente los agentes terapeacuteuticos se pueden cargar en las
cavidades de las regiones centrales a traveacutes de interaccioacuten hidrofoacutebica enlaces de hidroacutegeno o
enlace quiacutemico Los dendriacutemeros maacutes comuacutenmente estudiados pertenecen a la familia de los
dendriacutemeros PAMAM (poliamidoamina) Estos poliacutemeros han mostrado un gran potencial para la
liberacioacuten de medicamentos ya que son biodegradables y biocompatibles y tienen alta
solubilidad en agua [51]
225 Nanopartiacuteculas Magneacuteticas
La liberacioacuten controlada de faacutermacos con materiales funcionales nanoestructurados
especialmente las nanopartiacuteculas magneacuteticas estaacute atrayendo cada vez maacutes la atencioacuten debido a
las oportunidades en la terapia de caacutencer y el tratamiento de otras enfermedades El potencial de
las nanopartiacuteculas magneacuteticas deriva de las propiedades intriacutensecas de sus nuacutecleos magneacuteticos
combinados con su capacidad de carga del medicamento y las propiedades bioquiacutemicas que
pueden ser otorgados a estas por medio de un recubrimiento adecuado
29
23 CLASIFICACIOacuteN DE LOS MATERIALES MAGNEacuteTICOS
Desde el punto de vista del comportamiento magneacutetico podemos clasificar los materiales en
diamagneacuteticos paramagneacuteticos ferromagneacuteticos antiferromagneacuteticos ferrimagneacuteticos (Fig 22)
Figura 22 (a) Clasificacioacuten de los materiales seguacuten su comportamiento magneacutetico paramagneacuteticos
ferromagneacuteticos antiferromagneacuteticos y ferrimagneacuteticos (b) Los materiales superparamagneacuteticos son observados en
los nanomateriales ferro- y ferrimagneacuteticos que se componen de un soacutelo dominio magneacutetico
231 Diamagnetismo
El diamagnetismo se basa en la interaccioacuten entre el campo aplicado y los electrones moacuteviles del
material [52] El diamagnetismo se caracteriza por i) una magnetizacioacuten deacutebil del material en el
sentido opuesto al campo magneacutetico aplicado [53] ii) una susceptibilidad magneacutetica negativa y
pequentildea con permeabilidad relativa ligeramente menor que 1 iii) intensidad de respuesta muy
pequentildea
232 Paramagnetismo
En los materiales paramagneacuteticos los momentos magneacuteticos se encuentran desordenados por lo
que no mantiene un momento magneacutetico neto Estos materiales se caracterizan por i) requerir un
gran campo magneacutetico para poder adquirir una alta magnetizacioacuten ii) magnetizacioacuten deacutebil en el
30
mismo sentido que el campo magneacutetico aplicado iii) susceptibilidad magneacutetica positiva y
pequentildea con permeabilidad relativa ligeramente mayor que 1 iv) intensidad de respuesta muy
pequentildea Ejemplos de estos materiales son el Cr Mn y los gases diatoacutemicos La Fig 22(a)
muestra el ordenamiento magneacutetico de estos materiales
233 Ferromagnetismo
En los materiales ferromagneacuteticos los momentos magneacuteticos individuales de grupos de aacutetomos o
moleacuteculas se mantienen alineados entre siacute debido a un fuerte acoplamiento auacuten en ausencia de
campo exterior [54] Estos grupos se denominan dominios y actuacutean como un pequentildeo imaacuten
permanente En ausencia de campo aplicado los dominios tienen sus momentos magneacuteticos netos
distribuidos al azar Cuando se aplica un campo exterior los dominios tienden a alinearse con el
campo Este alineamiento puede permanecer en algunos casos con un muy fuerte acoplamiento
cuando se retira el campo creando un imaacuten permanente [55] Los materiales ferromagneacuteticos se
caracterizan por i) una fuertemente magnetizacioacuten en el mismo sentido que el campo magneacutetico
aplicado ii) susceptibilidad magneacutetica positiva y grande con permeabilidad relativa mucho
mayor que 1 iv) la agitacioacuten teacutermica tiende a desalinear los dominios A temperatura normal la
energiacutea teacutermica no es en general suficiente para desmagnetizar un material magnetizado sin
embargo por encima de la temperatura de Curie [56] el material se vuelve paramagneacutetico
debido a que los efectos teacutermicos de desorden son mayores que los efectos de alineamiento de la
interaccioacuten magneacutetica entre dominios La Fig 22(a) muestra el alineamiento de los materiales
ferromagneacuteticos
234 Antiferromagnetismo
Los materiales antiferromagneacuteticos tienen un estado natural en el cual los espines atoacutemicos de
aacutetomos adyacentes son opuestos de manera que el momento magneacutetico neto es nulo [57] Este
estado hace difiacutecil que el material se magnetice aunque de todas formas adopta una
31
permeabilidad relativa ligeramente mayor que 1 Por encima de una temperatura criacutetica llamada
temperatura de Neel un material antiferromagneacutetico se vuelve paramagneacutetico La Fig 22(a)
esquematiza el ordenamiento magneacutetico de los materiales antiferromagneacuteticos
235 Ferrimagnetismo
Los materiales ferrimagneacuteticos son similares a los antiferromagneacuteticos salvo que las especies de
aacutetomos alternados son diferentes (por ejemplo por la existencia de dos subredes cristalinas
entrelazadas) y tienen momentos magneacuteticos diferentes [58] Existe entonces una magnetizacioacuten
neta que puede ser en algunos casos muy intensa
236 Superparamagnetismo
El superparamagnetismo es una forma de magnetismo observado en los nanomateriales ferro- y
ferrimagneacuteticos que se componen de un soacutelo dominio magneacutetico [59] (Fig 22(b)) Debido a su
tamantildeo tan pequentildeo no hay orden de largo alcance en estos materiales Estos materiales se
caracterizan por i) alcanzar una magnetizacioacuten relativamente alta con bajos campos magneacuteticos
aplicados [59] ii) por debajo de la temperatura Curie los momentos magneacuteticos dentro de un
dominio magneacutetico se alinean paralelamente a un campo aplicado para producir la alta
magnetizacioacuten [59] iii) despueacutes de que un campo magneacutetico aplicado se ha eliminado no queda
magnetizacioacuten remanente (Mr) neta [59] La falta de Mr se debe al hecho de que la
magnetizacioacuten de cada dominio faacutecilmente salta entre dos orientaciones estables que estaacuten
separados por una pequentildea diferencia de energiacutea De hecho la diferencia de energiacutea es tan
pequentildea que la energiacutea teacutermica cancela la magnetizacioacuten total de la partiacutecula Compuestos de
hierro cobalto y niacutequel y sus aleaciones elementos de tierras raras intermetaacutelicos de gadolinio
oro y vanadio son ferromagneacuteticos que pueden ser utilizados para producir partiacuteculas
superparamagneacuteticas cuando el tamantildeo del dominio magneacutetico se encuentra a escala
nanomeacutetrica Otros materiales pueden ser utilizados incluyendo ferritas compuesto por oacutexidos
32
de hierro o con otros elementos como el aluminio cobre cobalto niacutequel manganeso magnesio
hierro y zinc Ademaacutes tambieacuten se pueden utilizar las ferritas hexagonales
24 FERRITAS HEXAGONALES
Desde el descubrimiento de las ferritas en la deacutecada de 1950 ha habido un gran intereacutes en las
ferritas hexagonales tambieacuten conocidas como hexaferritas Este intereacutes tanto cientiacutefico como
tecnoloacutegico ha ido creciendo exponencialmente hasta el diacutea de hoy Ademaacutes de su uso como
imanes permanentes las hexaferritas tienen aplicaciones como material de grabacioacuten magneacutetica
en almacenamiento de datos y como componentes en dispositivos eleacutectricos
Existen diferentes tipos de ferritas hexagonales indicadas como M W X Y Z y U todas ellas
con estrechas estructuras cristalinas altamente complejas De los diferentes tipos de ferritas
hexagonales las hexaferritas de mayor importancia comercial son las tipo M dentro de las cuales
se encuentran las hexaferritas de bario BaFe12O19 y las ferritas de estroncio con Sr reemplazando
al Ba en la misma foacutermula La importancia de estas ferritas es debido a su bajo costo y sus
propiedades como estabilidad quiacutemica alta resistividad magnetizacioacuten de saturacioacuten
conveniente y alta coercitividad magneacutetica etc
La unidad molecular de la ferrita tipo M estaacute formada por un bloque S y un bloque R con una
superposicioacuten de capas cuacutebicas y hexagonales (Fig 23(a) El plano basal que contiene el aacutetomo
de bario es un plano espejo y los dos bloques S por encima y por debajo del bloque R son por lo
tanto rotaciones de 180ordm alrededor del eje c de cada una Un bloque R espejo R es entonces
requerido para continuar la estructura y es por esta razoacuten que la ceacutelula unitaria requiere dos
unidades moleculares M dando la foacutermula de celda unitaria SRSR donde es una rotacioacuten del
bloque a 180ordm alrededor del eje c (Fig 23(a)) Los paraacutemetros reticulares de la BaFe12O19 son
2317 Aring para la longitud del eje c y 589 Aring para a la anchura del plano basal y este paraacutemetro a
es constante para todas las hexaferritas de bario La relacioacuten de altura a ancho es de 394 por lo
que BaFe12O19 tiene una gran anisotropiacutea cristalina Las vistas en perspectiva de la estructura son
33
tambieacuten mostradas en la Fig 23(b) y Fig 23(c) mientras que los poliedros de la estructura M
incluyendo el sitio bipiramidal del bloque R se muestran en la Fig 23(d) La Fig 23(e)
representa el apilamiento de los bloques R y S en la estructura M
Figura 23 (a) seccioacuten transversal de la estructura de la ferrita tipo M (BaFe12O19) Tomado de Robert C Pullar [60]
25 METODOS DE SIacuteNTESIS
251 Siacutentesis sol-gel
El meacutetodo sol-gel es un meacutetodo de siacutentesis quiacutemica huacutemeda el cual permite la fabricacioacuten de una
amplia gama de materiales con diversas configuraciones por ejemplo fibras peliacuteculas delgadas
monolitos y revestimientos Ademaacutes el meacutetodo sol-gel permite sintetizar materiales hiacutebridos
orgaacutenicos-inorgaacutenicos con una gran variedad de aplicaciones potenciales en diversos campos de
34
la investigacioacuten incluyendo la oacuteptica electroacutenica semiconductores superconductores y
biomateriales El meacutetodo sol gel ofrece una serie de ventajas i) los precursores pueden mezclarse
a nivel molecular lo cual permite la formacioacuten de soluciones soacutelidas del material a temperaturas
de procesamiento relativamente bajas cuando se compara con los meacutetodos tradicionales ii) es un
meacutetodo faacutecil sencillo y versaacutetil iii) permite un control quiacutemico y estructural es decir la
nucleacioacuten y crecimiento de las partiacuteculas coloidales primarias puede ser controlada para dar
partiacuteculas con tamantildeo y forma deseada ademaacutes de la composicioacuten quiacutemica deseada
Actualmente existe una amplia gama de rutas de siacutentesis derivadas del meacutetodo sol-gel (Fig 24)
En teacuterminos simples el meacutetodo sol-gel implica dos fases distintas La primera fase una
suspensioacuten coloidal la cual es una suspensioacuten estable de partiacuteculas soacutelidas coloidales dentro de
un liacutequido donde las partiacuteculas soacutelidas deben ser maacutes densas que el liacutequido de los alrededores y
suficientemente pequentildeas (2 nm a 1 microm lo cual corresponde a 103-10
9 aacutetomos por partiacutecula) para
que las fuerzas responsables de la dispersioacuten sean maacutes grandes que las fuerzas de gravedad La
segunda fase constituida por un gel el cual es una red soacutelida porosa tridimensionalmente
interconectada que forma una entidad continuacutea a lo largo de una fase secundaria usualmente
liacutequida
Se han dedicado esfuerzos considerables en el desarrollo de micro y nanopartiacuteculas de oacutexido de
hierro con propiedades magneacuteticas adecuadas para la investigacioacuten biomeacutedica Las
nanopartiacuteculas de oacutexido de hierro son las maacutes ampliamente investigadas en el campo meacutedico y
farmaceacuteutico debido a sus excelentes propiedades de biocompatibilidad estabilidad quiacutemica y
baja toxicidad El meacutetodo sol gel es un meacutetodo faacutecil y conveniente para sintetizar oacutexidos de
hierro a partir de soluciones acuosas de sales metaacutelicas Ademaacutes el tamantildeo la forma y la
composicioacuten de las partiacuteculas magneacuteticas dependen en gran medida del tipo de precursores
utilizados relacioacuten Fe2+
a Fe3+
temperatura de reaccioacuten valor de pH y la fuerza ioacutenica del medio
Por lo tanto el control del proceso mediante estos paraacutemetros es esencial en la produccioacuten
35
partiacuteculas monodispersas de oacutexido de hierro El meacutetodo sol-gel parte de una suspensioacuten coloidal
(sol) y la subsiguiente formacioacuten del (gel) En la preparacioacuten del sol los precursores tanto
orgaacutenicos como inorgaacutenicos experimentan reacciones de hidrolisis y condensacioacuten (o
polimerizacioacuten) para formar pequentildeas partiacuteculas soacutelidas en un liacutequido (ya sea un solvente
orgaacutenico o acuoso) Las partiacuteculas soacutelidas son tan pequentildeas (1-1000 nm) que las fuerzas
gravitacionales son despreciables y las interacciones estaacuten dominadas por fuerzas esteacutericas de
van der Waals y Coulombicas
Figura 24 Rutas de siacutentesis derivadas del meacutetodo sol-gel Tomado de httpsstrllnlgovstrMay05Satcherhtml
Varios grupos de investigacioacuten [61-63] han descrito la siacutentesis de partiacuteculas magneacuteticas
nanoestructurados de base de oacutexido de hierro a partir del meacutetodo sol-gel para aplicaciones en el
control de liberacioacuten de faacutermacos
36
Los avances en nanotecnologiacutea y ciencia de los materiales sugieren que algunos de los problemas
actuales de los materiales podriacutean ser resueltos o al menos mejorados mediante la modificacioacuten
superficial
252 Secado por aspersioacuten
El secado por aspersioacuten es un meacutetodo que permite la conversioacuten continua de fluidos (soluciones
emulsiones suspensiones mezclas pastas) en polvos soacutelidos mediante un proceso de secado
dirigido a disentildear y producir materiales con un gran potencial para diversos sectores industriales
tales como la industria quiacutemica cosmeacutetica alimentaria y farmaceacuteutica Este proceso es un
meacutetodo raacutepido simple sencillo de escalabilidad industrial y bajo costo El principio del meacutetodo
se basa en la eliminacioacuten de la humedad mediante la aplicacioacuten de calor al fluido alimentado El
secado por aspersioacuten consiste de tres etapas principales (a) atomizacioacuten del fluido (b)
vaporizacioacuten o secado del liacutequido mediante una corriente de gas y (c) separacioacuten y recoleccioacuten de
las partiacuteculas
Figura 25 Configuracioacuten del equipo de secado por aspersioacuten (a) secador por aspersioacuten concurrente misma
direccioacuten de flujo y (b) secador por aspersioacuten a contracorriente (c) Evolucioacuten de la temperatura en el proceso de
secado en una gotita liacutequida [Handscomb y cols] En la separacioacuten y recoleccioacuten del polvo se pueden emplear (d)
separadores tipo cicloacuten yo (e) filtros de bolsa
37
a Atomizacioacuten
La atomizacioacuten es el primer paso que experimenta el fluido alimentado durante el secado por
aspersioacuten la cual involucra el rompimiento del liacutequido a granel en un nuacutemero grande de gotitas
impulsado por el proceso de secado por aspersioacuten mediante la reduccioacuten de la resistencia interna
a la transferencia de humedad desde la gotita hasta el medio de los alrededores La atomizacioacuten
es una etapa criacutetica en el proceso de secado debido a su influencia en la forma estructura
velocidad y distribucioacuten de la gotita generada y por lo tanto la naturaleza y tamantildeo de partiacutecula
del producto final Consecuentemente hay una peacuterdida miacutenima de calor sensible y
eventualmente se producen las partiacuteculas con las caracteriacutesticas fiacutesicas y morfoloacutegicas deseadas
La Fig 25 presenta el diagrama de dos tipos de secadores por aspersioacuten (Fig 25(a) secador por
aspersioacuten concurrente y (Fig 25(b) secador por aspersioacuten a contracorriente
b Vaporizacioacuten
En esta etapa se constituye la formacioacuten de fase de la partiacutecula Con el liacutequido a granel
atomizado en pequentildeas gotas el siguiente paso involucra el contacto iacutentimo de la gotita con el
gas acarreador Esto permite la raacutepida evaporacioacuten de la humedad de la superficie de todas las
gotitas de una manera uniforme Aquiacute el requerimiento es un flujo de gas uniforme en la caacutemara
de secado Las gotas usualmente se encuentran en contacto con aire caliente en la caacutemara de
secado ya sea en la misma direccioacuten de flujo o a contracorriente
El paso maacutes criacutetico en la formacioacuten de la partiacutecula involucra la evaporacioacuten de la humedad ya
que este paso estaacute asociado con la formacioacuten del producto final La evaporacioacuten de la humedad
durante el proceso de secado puede ser visualizada en dos fases un periodo de velocidad
constante y un periodo de caiacuteda de velocidad Inicialmente cuando la gotita estaacute expuesta a una
corriente de gas caliente la raacutepida evaporacioacuten toma lugar Durante esta exposicioacuten la gotita se
calienta desde una temperatura inicial (T0) a la temperatura de evaporacioacuten de equilibrio (Teq)
38
(Fig 25(c)-AB) Durante este periodo la eliminacioacuten de la humedad sigue la curva del periodo
de velocidad constante a medida que la humedad es removida constantemente a partir de la
superficie de la gotita manteniendo el enfriamiento suficiente La superficie de la gotita
permanece saturada con la humedad en esta fase y su temperatura es constante e igual a la
temperatura de bulbo huacutemedo (Fig 25(c)-BC) A medida que se elimina la humedad de la gotita
el soluto disuelto en el liacutequido alcanza una concentracioacuten maacutes allaacute de su concentracioacuten de
saturacioacuten y tiende a formar una coraza delgada en la superficie de la gotita descrita como
formacioacuten de coraza El comienzo de formacioacuten de coraza es una caracteriacutestica cineacutetica
importante del proceso de secado por aspersioacuten Despueacutes de esta fase la eliminacioacuten de la
humedad regresa al proceso de difusioacuten controlada y la velocidad de evaporacioacuten es dependiente
de la velocidad de difusioacuten de vapor de agua a traveacutes de la coraza superficial Esto constituye el
periodo de caiacuteda de velocidad Durante el periodo de caiacuteda de velocidad aunque la partiacutecula
comenzaraacute a calentarse (Fig 25(c)-CD) es casi la parte maacutes friacutea del equipo de secado donde el
gas de secado estaacute en o cerca de la temperatura de salida del equipo de secado
c Separacioacuten y recoleccioacuten
Los sistemas empleados para la separacioacuten y recoleccioacuten del producto final incluyen separadores
tipo cicloacuten (Fig 25(d)) yo filtros de bolsa (Fig 25(e))
El disentildeo e ingenieriacutea de micro y nanopartiacuteculas a traveacutes del secado por aspersioacuten ha sido
investigado como una alternativa de proceso de manufacturacioacuten en la industria farmaceacuteutica
debido a su amplia aplicabilidad El secado por aspersioacuten ha sido exitosamente usado en la
industria farmaceacuteutica para producir productos con propiedades fiacutesicas y quiacutemicas definidas por
ejemplo tamantildeo y forma de partiacutecula controlada para incrementar la solubilidad del faacutermaco y la
biodisponibilidad de las sustancias activas Ademaacutes el ajuste de los paraacutemetros del proceso de
secado por aspersioacuten permite la manipulacioacuten de varias propiedades de la partiacutecula con respecto
a los requerimientos de la aplicacioacuten deseada
39
26 ESTUDIOS REALIZADOS SOBRE LA SIacuteNTESIS Y APLICACIOacuteN DE
MATERIALES NANOESTRUCTURADOS A BASE DE OXIDO DE HIERRO COMO
SISTEMAS DDS
Como se mencionoacute anteriormente los biomateriales han llegado a ser una de las aacutereas maacutes
atractivas en la investigacioacuten cientiacutefica y tecnoloacutegica para el desarrollo de dispositivos con
aplicaciones biomeacutedicas sorprendentes tal como ocurre con los sistemas de liberacioacuten de
faacutermaco Diversos biomateriales han sido investigados como DDS incluyendo dendriacutemeros
micelas liposomas poliacutemeros y partiacuteculas magneacuteticas A este respecto Szulc y colaboradores
[64] han estudiado dendrimeros de poli(propileno imina) modificados con azuacutecar como DDS para
liberacioacuten de citarabina Mientras Song y colaboradores [65] han estudiado un sistema DDS
micelar termosensible exitosamente cargado con Doxorubicina (DOX) cuya eficiencia de carga
fue de 17 Por otra parte Vahed y colaboradores [66] han estudiado un sistema DDS basado en
liposomas enfocaacutendose en estrategias de quimioterapia combinada para la co-liberacioacuten de dos
faacutermacos quimioterapeacuteuticos un agente quimioterapeacuteutico con metales anticanceriacutegenos y un
agente quimioterapeacuteutico con agentes geacutenicos Duggan y colaboradores [67] han estudiados
poliacutemeros tiolados como DDS mucoadhesivos
Actualmente los sistemas nanoestructurados de partiacuteculas magneacuteticas han ganado atencioacuten
considerable como DDS debido a su biocompatibilidad faacutecil modificacioacuten superficial y sus
propiedades fiacutesicas quiacutemicas y magneacuteticas uacutenicas Oka y colaboradores [68] estudiaron un
compoacutesito nuacutecleo-coraza para liberacioacuten localizada de faacutermaco El compoacutesito estaacute estructurado
por un nuacutecleo de poliacutemero biodegradable y una coraza de nanopartiacuteculas de oacutexido de hierro
preparado a partir de una emulsioacuten Pickering Ademaacutes estudiaron la capacidad de carga del
sistema nuacutecleo-coraza cargando partiacuteculas de pireno cuya presencia fue confirmada mediante un
anaacutelisis de fluorescencia despueacutes de ser expuestas a rayos UV Ademaacutes la caracterizacioacuten
morfoloacutegica del sistema nuacutecleo-coraza fue estudiada por SEM y TEM Las propiedades
cristalograacuteficas se estudiaron mediante XRD Finalmente se estudiaron sus propiedades
magneacuteticas usando un sistema de medicioacuten de propiedades fiacutesicas (Quantum Desing)
40
Por otra parte Chandra y colaboradores [69] estudiaron un compoacutesito dendrimero-
nanopartiacuteculas magneacuteticas como un vehiacuteculo de liberacioacuten enzimaacutetica de faacutermaco sensible a
estiacutemulos simples El sistema fue caracterizado por diferentes teacutecnicas microestructurales y
espectroscoacutepicas Ellos obtuvieron partiacuteculas mesoporosas con propiedades superparamagneacuteticas
Ademaacutes exploraron su uso en la liberacioacuten de DOX alcanzando una alta eficiencia (superior a
95) con velocidades de liberacioacuten controlada bajo pH y temperatura sostenida La interaccioacuten
quiacutemica entre la DOX y las nanopartiacuteculas fue confirmada por un cambio en el potencial zeta y
una disminucioacuten en la intensidad de fluorescencia Otros estudios sobre DDS basados en
nanopartiacuteculas magneacuteticas pueden ser encontrados en la literatura [70-74]
Los sistemas DDS pueden ser disentildeados con gran variedad de diferentes morfologiacuteas las cuales
han sido reportadas en la literatura [75] Estas morfologiacuteas incluyen partiacuteculas esfeacutericas
completamente densas partiacuteculas rugosas partiacuteculas huecas partiacuteculas tipo dona y partiacuteculas
porosas Estas uacuteltimas muestran caracteriacutesticas notables sobre todo aquellas partiacuteculas con una
jerarquiacutea macro-mesoporosa ya que exhiben alta aacuterea superficial baja densidad y buena
estabilidad fisicoquiacutemica Ademaacutes dichos materiales pueden incrementar considerablemente la
capacidad de carga de un faacutermaco debido a que proporcionan una interconectividad que mejora
la difusioacuten o flujo de fluidos a la vez que aumentan considerablemente el aacuterea superficial
especiacutefica Por lo tanto estos sistemas aumentan la capacidad para que las moleacuteculas puedan ser
adsorbidas
Muchos estudios sobre sistemas nanoestructurados (macromeso)porosos han sido reportados en
la literatura Por ejemplo Liu y colaboradores [76] estudiaron materiales magneacuteticos
macroporosos siliacuteceos ordenados tridimensionalmente los cuales fueron fabricados por la
combinacioacuten de una co-sedimentacioacuten simple de un sistema coloidal binario de esferas de
PMMA y partiacuteculas de magnetita y la infiltracioacuten de precursores de silicio A partir de la
caracterizacioacuten por SEM y TEM establecen que los materiales macroporosos presentan una
estructura de empaquetamiento cubico centrado en las caras (fcc) con macroporos del orden de
200 nm Ademaacutes la caracterizacioacuten magneacutetica mostroacute que los materiales poseen una alta
magnetizacioacuten (192 emug) y comportamiento superparamagneacutetico
41
Por otra parte Santamariacutea y colaboradores [77] sintetizaron un sistema estructurado meso-
macroporoso de siacutelice para liberacioacuten controlada de ibuprofeno (IBU) El sistema fue sintetizado
usando una emulsioacuten WO usando decano como fase dispersa Los materiales obtenidos fueron
caracterizados por TEM SEM dispersioacuten de difraccioacuten de rayos x a bajo aacutengulo (SAXS) e
isotermas de adsorcioacuten-desorcioacuten de N2 Los resultados obtenidos mostraron que la carga del IBU
incrementa a medida que la presencia de macroporos en el material incrementa Esto uacuteltimo lo
atribuyen suponiendo que los macroporos permiten que el faacutermaco acceda a los poros internos
Pero establecen que cuando uacutenicamente mesoporos estuvieron en el material el IBU fue
probablemente adsorbido uacutenicamente sobre los mesoporos uacutenicamente cercanos a la superficie
Maacutes aun sentildealan que mientras maacutes cantidad de macroporos estaacuten presentes en el material maacutes
bajo fue el comportamiento de liberacioacuten del IBU debido a que el ibuprofeno adsorbido en los
poros internos tiene que difundirse a lo largo de los canales macroporos hasta la superficie del
material
Una amplia gama de meacutetodos han sido estudiados para la siacutentesis de sistemas magneacuteticos
nanoestructurados siendo los meacutetodos quiacutemicos los mayormente usados entre estos meacutetodos la
teacutecnica sol-gel sobresale debido a ventajas tales como el uso temperaturas de procesamiento
relativamente bajas comparadas con los meacutetodos tradicionales la facilidad sencillez y
versatilidad del meacutetodo el control sobre el tamantildeo y morfologiacutea del material y la obtencioacuten de
materiales relativamente puros Por ejemplo Anjaneyulu y Vijayalakshmi [82] fabricaron un
compoacutesito [HAP (Ca)10(PO4)6(OH)2] magnetita (Fe3O4) derivado del meacutetodo sol-gel sobre una
aleacioacuten Ti-6Al-4V El compoacutesito fue caracterizado por XRD SEM-EDAX y mediciones de
aacutengulo de contacto Ademaacutes realizaron un estudio de bioactividad in vitro el cual conformo que
el Ti-6Al-4V revestido por el compoacutesito fue altamente bioactivo e indujo la formacioacuten de apatita
en la presencia de las nanopartiacuteculas de Fe3O4 Por lo tanto su estudio sugiere que los implantes
recubiertos con HAPFe3O4 pueden ser usados para aplicaciones biomeacutedicas Ademaacutes una
revisioacuten detallada sobre materiales para aplicaciones biomeacutedicas sintetizados por el meacutetodo sol-
gel es proporcionada por G J Owens y colaboradores [83] en la revista Progress in Materials
Science publicada en 2016 Los materiales sintetizados por este meacutetodo incluyen los materiales a
42
base de siacutelice materiales a base de fosfatos materiales a base de metales (FendashO TindashO ZnndashO
etc) y materiales hiacutebridos orgaacutenicos-inorgaacutenicos
El aumento en el nuacutemero de artiacuteculos publicados en una gran variedad de revistas cientiacuteficas
dirigidas al disentildeo siacutentesis e ingenieriacutea de una amplia gama de materiales con diversas
formulaciones por ejemplo los liposomas dendriacutemeros micelas partiacuteculas polimeacutericas y
materiales magneacuteticos nanoestructurados revela que el aacuterea biomeacutedica ha llegado a ser un aacuterea
de gran intereacutes debido al potencial de estos materiales para ser usados en una gran variedad de
aplicaciones tal como agentes de contraste para MRI tratamiento de caacutencer mediante
hipertermia y como DDS
Dentro de los materiales maacutes prominentes para este tipo de aplicaciones se encuentran los
materiales magneacuteticos a base de oacutexido de hierro dentro de los cuales podemos incluir a los
sistemas nanoestructurados de hexaferrita de bario (BaFe12O19) disentildeados y sintetizados en el
presente trabajo de investigacioacuten La relevancia de estos materiales se basa en su
biocompatibilidad aprobados por la Federal Drug Administration (FDA) para su uso biomeacutedico
Una ventaja de los materiales porosos en especial aquellos materiales con una jerarquiacutea macro-
mesoporosa tal es el caso de los sistemas de BaFe12O19 sintetizados aquiacute es la presencia de una
arquitectura que exhiba alta aacuterea superficial baja densidad y buena estabilidad fisicoquiacutemica lo
cual reflejariacutea un incremento considerable en la capacidad de carga de moleacuteculas con actividad
bioloacutegica usadas como faacutermaco modelo ya sea de naturaleza hidrofoacutebica o hidrofiacutelica Ademaacutes
mediante la aplicacioacuten de un campo magneacutetico externo las propiedades magneacuteticas pueden ser
aprovechadas para dirigir y focalizar el faacutermaco a un sitio especiacutefico de accioacuten logrando un perfil
de liberacioacuten controlado Por lo tanto la concentracioacuten y nuacutemero de dosificaciones del faacutermaco
se reduciriacutea lo cual se veriacutea reflejado en la disminucioacuten de efectos secundarios no deseados en el
tratamiento de enfermedades tales como el caacutencer
43
CAPIacuteTULO 3
DESARROLLO EXPERIMENTAL
44
CAPIacuteTULO 3 DESARROLLO EXPERIMENTAL
En el presente capiacutetulo se describe el procedimiento experimental llevado a cabo durante el
trabajo de investigacioacuten La Fig 32 muestra las tres etapas principales que constituyen el
procedimiento experimental para el estudio de los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 I)
Disentildeo (Fig 31) y Siacutentesis II) Caracterizacioacuten y III) Pruebas bioloacutegicas La Tabla 3I muestra
los factores a evaluar en el disentildeo experimental fraccionario 2f
31 MATERIALES INICIALES
Se usaron productos comerciales grado reactivo sin purificacioacuten alguna Los reactivos usados
para la siacutentesis de la hexaferrita de bario fueron marca Sigma-Aldrich Nitrato de hierro (III)
nonahidratado Fe(NO3)39H2O carbonato de bario BaCO3 e hidroacutexido de amonio El surfactante
utilizado fue el Tween 20 (Merck) El surfactante hidrofiacutelico no-ioacutenico Tween 20 (C58H114O26) es
un eacutester de polioxietileno sorbitan (con un peso molecular calculado de 1225 Daltones asumiendo
20 unidades de oacutexido de etileno 1 sornitol y un aacutecido laacuteurico como aacutecido graso primario
Microesferas de poliestireno (PS) monodispersas sintetizadas en el laboratorio fueron usadas
como agente poroacutegeno o agente formador de poro
La primera etapa establece el disentildeo y siacutentesis de agregados esfeacutericos nanoestructurados de
hexaferrita de bario de tamantildeo micromeacutetrico con jerarquiacutea macro-mesoporosa (de aquiacute en
adelante llamados simplemente agregados de BaFe12O19) En esta etapa un disentildeo factorial 2f fue
usado para disentildear y evaluar los efectos de la temperatura (T) presioacuten (P) y concentracioacuten de
agente poroacutegeno ( en peso) en el meacutetodo de siacutentesis sol-gel acoplado a secado por aspersioacuten La
siacutentesis sol-gel se inicioacute con el uso de nitrato de hierro (III) nonahidratado Fe(NO)3 y carbonato
45
de bario BaCO3 como sales precursoras las cuales son disueltas en agua desionizada A su vez
Tween 20 se usoacute como surfactante para permitir la creacioacuten de la estructura mesoporosa
La mezcla de sales precursoras + Tween 20 se agitoacute por 30 min mediante agitacioacuten magneacutetica
modificando el pH a 8 usando NH4OH A continuacioacuten se agregoacute una suspensioacuten acuosa de
esferas de poliestireno (PS) usada como agente poroacutegeno con una concentracioacuten de 30 o 50
de acuerdo al disentildeo factorial 2f La suspensioacuten resultante se sometioacute al proceso de secado por
aspersioacuten donde se evaluaron los paraacutemetros de temperatura (T degC) y presioacuten (P Kgcm2) de
acuerdo a los valores del disentildeo factorial 2f Como resultado se obtuvo un compoacutesito
ceraacutemicopoliacutemero el cual fue sometido a un tratamiento teacutermico a temperaturas de 700 degC hasta
1000 degC para obtener el material macro-mesoporoso con estructura y morfologiacutea deseada
La segunda etapa se enfoca en la caracterizacioacuten Esta etapa del proceso aborda las teacutecnicas de
caracterizacioacuten estructural morfoloacutegica fiacutesica quiacutemica y magneacutetica de los agregados de
BaFe12O19 Difraccioacuten de rayos X (XRD) fue usada para determinar la estructura y cristalinidad
de los agregados de BaFe12O19 Microscopiacutea electroacutenica de barrido (SEM) fue usada para
determinar la morfologiacutea y tamantildeo de los agregados de BaFe12O19 ademaacutes de caracterizarlos
quiacutemicamente mediante anaacutelisis EDS y mapeo quiacutemico Microscopiacutea electroacutenica de transmisioacuten
(TEM) fue usada para determinar la morfologiacutea y estructura de los agregados de BaFe12O19
usando las modalidades de campo claro (BF) campo oscuro (DF) alta resolucioacuten (HRTEM)
barrido-transmisioacuten (STEM) en su modalidad de campo oscuro anular (STEM-ADF) y difraccioacuten
electroacutenica de aacuterea selecta (SAEDP) Determinacioacuten de aacuterea superficial especiacutefica BET mediante
adsorcioacutendesorcioacuten de N2 Espectroscopiacutea infrarroja por transformada de Fourier (FTIR)
Potencial zeta ζ El Magnetoacutemetro de muestra vibrante (VSM) fue usada para determinacioacuten de
las propiedades magneacuteticas (saturacioacuten magneacutetica Ms remanencia magneacutetica Mr y coercitividad
Hc) La tercera etapa evaluacutea las pruebas bioloacutegicas Los agregados de BaFe12O19 se evaluaron
como DDS al probar su capacidad de carga usando el peacuteptido DS como faacutermaco modelo El
peacuteptido DS se sintetizoacute a partir de los plaacutesmidos pF1A T7 Flexireg pFN21K y pFN18K
empleando la cepa T7 de Escherichia coli A su vez isopropil-β-D-1-tiogalactopiranoacutediso
(IPTG) se usoacute para inducir la produccioacuten del peacuteptido
46
Figura 31 Disentildeo experimental fraccionario 2f Las variables de entrada son la presioacuten (P) Temperatura (T) y
porcentaje de agente poroacutegeno (PS) Las variables de respuesta son la morfologiacutea y tamantildeo de agregado aacuterea
superficial BET volumen de mesoporo y tamantildeo de macroporo
Tabla 3I Factores a evaluar en el disentildeo experimental A) Presioacuten (P) B) Temperatura (T) y C) Concentracioacuten de
poliestireno usado como agente poroacutegeno (PS) Cada uno de los paraacutemetros presenta un nivel bajo (-) y un nivel
alto (+)
Factor Paraacutemetro Nivel
Bajo (-) Alto (+)
A P (Kgcm2) 15 2
B T (degC) 180 200
C PS 30 50
Los disentildeos factoriales se usan ampliamente en experimentos que incluyen varios factores
cuando es necesario estudiar el efecto conjunto de los factores sobre una respuesta El disentildeo 2f
es de particular importancia ya que proporciona el menor nuacutemero de corridas con las que pueden
estudiarse f factores en un disentildeo factorial completo
El resultado total del disentildeo factorial 2f es representado en la Tabla 3II El nivel alto para cada
factor estaacute representado por el siacutembolo maacutes (+) mientras el siacutembolo menos (-) representa el nivel
bajo Los resultados del disentildeo factorial de dos factores pueden ampliarse en el caso general en
que hay a niveles del factor A b niveles del factor B y c niveles del factor C dispuestos en un
experimento factorial En general habraacute abchellipn observaciones totales si se hacen n reacuteplicas del
47
experimento completo Es necesario un miacutenimo de dos replicas (n ge 2) para determinar una suma
de cuadrados debida al error si todas las interacciones posibles estaacuten incluidas en el modelo
Cuando todos los factores del experimento son fijos es sencillo formular y probar hipoacutetesis
acerca de los efectos principales y las interacciones
Tabla 3II Matriz del disentildeo experimental
A B AB C AC BC ABC
(1) - - + - + + -
a + - - - - + +
b - + - - - - +
ab + + + - - - -
c - - + + - - +
ac + - - + + - -
bc - + - + + + -
abc + + + + + + +
48
Figura 32 Diagrama de flujo que muestra las etapas principales en el desarrollo experimental en la siacutentesis de
agregados nanoestructurados de BaFe12O19 i) Disentildeo y Siacutentesis ii) Caracterizacioacuten y iii) pruebas bioloacutegicas
49
32 DISENtildeO EXPERIMENTAL FRACCIONARIO 2f
El disentildeo del sistema de los agregados esfeacutericos nanoestructurados macroporosos de BaFe12O19
fue llevado a cabo usando un disentildeo factorial 2f El teacutermino 2
f mide la cantidad de condiciones
experimentales siendo f el nuacutemero de factores a evaluar En este caso particular cada factor
presenta dos niveles lo cual estaacute representado por el nuacutemero 2 en el teacutermino 2f El disentildeo
permitioacute evaluar el efecto de los paraacutemetros del secado por aspersioacuten tales como la presioacuten del
aire (P Kgcm2) y la temperatura de entrada (T degC) Asiacute tambieacuten como la concentracioacuten del
poroacutegeno () en el tamantildeo y volumen de los aglomerados esfeacutericos obtenidos en el proceso de
secado por aspersioacuten
33 SIacuteNTESIS DE AGREGADOS DE BaFe12O19
Las esferas de BaFe12O19 fueron sintetizadas por el meacutetodo sol-gel asistido por surfactantes y
agentes poroacutegenos Durante la siacutentesis dos suspensiones fueron preparadas la primera
compuesta por las sales de Fe(NO3)39H2O y BaCO3 las cuales fueron disueltas en agua
desionizada y agitadas magneacuteticamente con una relacioacuten molar estequiometria la segunda
formada por el surfactante Tween 20 en solucioacuten acuosa Ambas suspensiones fueron mezcladas
con agitacioacuten magneacutetica constante Durante el proceso de reaccioacuten el pH de la suspensioacuten fue
ajustado a 80 usando NH4OH Una tercera suspensioacuten compuesta por esferas de poliestireno
dispersas en agua desionizada fue adicionada a la mezcla con agitacioacuten magneacutetica constante por 1
h variando la concentracioacuten de acuerdo al disentildeo experimental
La mezcla coloidal resultante fue alimentada a una caacutemara de secado tubular de un equipo Mini
Spray Dryer (Yamato ADL31) a traveacutes de un flujo concurrente de aire caliente como gas
acarreador El proceso de secado fue iniciado por la generacioacuten de pequentildeas gotas a partir de la
suspensioacuten coloidal seguida por la atomizacioacuten del liacutequido a una temperatura y presioacuten variando
de acuerdo al disentildeo experimental resultando en la produccioacuten de polvos (xerogeles) compuestos
de partiacuteculas soacutelidas Finalmente el polvo fue recolectado mediante un cicloacuten y sometido a un
50
tratamiento teacutermico para la eliminacioacuten total de los agentes orgaacutenicos surfactante y el agente
poroacutegeno la eliminacioacuten total de agua estructural la formacioacuten de oacutexidos y la cristalizacioacuten de
los mismos Cuatro diferentes temperaturas de tratamiento isoteacutermico fueron evaluadas 700 800
900 y 1000 degC a una velocidad de calentamiento de 3 degCmin por 2 h con el objeto de seguir la
cristalizacioacuten y la formacioacuten de las fases de hexaferrita de bario asiacute como la evaluacioacuten de la
microestructura y de las propiedades magneacuteticas en funcioacuten de la temperatura de tratamiento
teacutermico
34 CARACTERIZACIOacuteN
341 Difraccioacuten de rayos X
Las fases y estructuras cristalinas de la BaFe12O19 fueron analizadas por difraccioacuten de rayos x en
un difractoacutemetro Bruker modelo D8 Advance usando radiacioacuten Cu Kα (45 KV 30 mA) Las
muestras analizadas fueron escaneadas en un rango 2θ a partir de 20 a 80 deg y una amplitud de
paso constante de 002deg
342 Microscopiacutea electroacutenica de barrido
La caracterizacioacuten estructural y morfoloacutegica de la BaFe12O19 fue llevada a cabo en un
microscopio electroacutenico de barrido (SEM) de emisioacuten de campo JEOL JSM-7600F asiacute como su
caracterizacioacuten quiacutemica usando la teacutecnica de espectroscopiacutea de divisioacuten de energiacutea de los rayos
caracteriacutesticos (EDS) El tamantildeo de los agregados de BaFe12O19 fue determinado a partir de
imaacutegenes de SEM mediante la medicioacuten y anaacutelisis estadiacutestico de los datos usando el programa
Lince linear intercept (Verfuumlgbare Software)
51
343 Microscopiacutea electroacutenica de transmisioacuten
El microscopio electroacutenico de transmisioacuten (TEM) de emisioacuten de campo FEG Phillips Tecnai F20
fue usado para la obtencioacuten y estudio de la cristalinidad de las esferas de BaFe12O19 usando las
teacutecnicas de difraccioacuten de aacuterea selecta (SAEDP) alta resolucioacuten (HRTEM) y microscopia
electroacutenica de barrido-transmisioacuten (STEM) en su modalidad de campo oscuro anular (STEM-
ADF) Para su observacioacuten por TEM 10 mg del polvo obtenido despueacutes del secado por
aspersioacuten y calcinado a 700 degC se dispersoacute en 10 mL de etanol (Sigma-Aldrich) en un tubo para
micro-centrifuga de 15 ml (Eppendorf) Despueacutes la solucioacuten se dispersoacute usando un equipo
limpiador de vibracioacuten ultrasoacutenica Branson 1510 (42 KHz a 70 W) por 30 min Con ayuda de un
capilar una gota de la suspensioacuten homogeacutenea se depositoacute sobre una rejilla de cobre de 300 mesh
previamente recubierta con colodioacuten y una peliacutecula delgada de carboacuten La rejilla se secoacute a
temperatura ambiente por toda la noche El anaacutelisis y procesamiento computacional de las
imaacutegenes de TEM asiacute como la obtencioacuten de su transformada raacutepida de Fourier (FFT) se
analizaron con el software Digital Micrograph de la compantildeiacutea Gatan Tomando en cuenta las
posiciones xyz reportadas para la BaFe12O19 con grupo espacial P3mmc [47] se simularon
computacionalmente las imaacutegenes de HRTEM Para esto se crecioacute la celda a una supercelda de
4x4x4 celdas con el programa Diamond Crystal and Molecular Visualization [48] y se simularon
las imaacutegenes de TEM en el programa Simulatem [49] Las condiciones para la simulacioacuten fueron
200 Kv Cs de 12 mm y foco de Scherzer -5485 nm
344 Isotermas de adsorcioacutendesorcioacuten de nitroacutegeno
Las isotermas de adsorcioacutendesorcioacuten de nitroacutegeno a 77 K fueron obtenidas en un instrumento
Quantachrome Antes de su anaacutelisis las muestras (014 ndash 038 g) fueron colocadas en un tubo
bajo atmosfera de N2 y entonces degasificadas por 4 h a 100 degC Ademaacutes la distribucioacuten de
tamantildeo de mesoporo fue medida mediante la teacutecnica Barrett-Joyner-Halenda (BJH)
52
345 Espectroscopiacutea infrarroja
Las mediciones de espectroscopiacutea infrarroja (IR) fueron llevadas a cabo a temperatura ambiente
(46 HR) en un espectrofotoacutemetro con Transformada de Fourier Marca Bruker Modelo Tensor
27 Los espectrogramas fueron obtenidos en un rango de longitud de onda de 4000 a 400 cm-1
(tiempo de escaneo 32 scans) con una resolucioacuten de 4 cm-1
Los espectros fueron obtenidos a
partir de muestras en polvo con una correccioacuten de liacutenea base y suavizado usando el software
Tensor
346 Propiedades magneacuteticas
El anaacutelisis de las propiedades magneacuteticas de los agregados de BaFe12O19 fueron llevas a cabo
usando un magnetoacutemetro de muestra vibrante (VSM LDJ 9600) a temperatura ambiente
aplicando un campo magneacutetico constante de 5000 Oe Los valores de saturacioacuten magneacutetica (Ms)
magnetizacioacuten remanente (Mr) y coercitividad (Hc) fueron obtenidos a partir de la curva de
histeacuteresis
347 Potencial zeta ζ
Las mediciones de potencial zeta de los agregados de BaFe12O19 fueron obtenidos usando un
equipo ZetaMeter (Zetasizer Modelo Malverin 300 HSA) Se prepararon diferentes suspensiones
de polvo de BaFe12O19 (0011g) en 20 mL de agua destilada Para cada suspension el valor de pH
fue modificado a valores aacutecidos y baacutesicos desde 20 hasta 100 usando como modificadores de
pH aacutecido niacutetrico HNO3 e hidroacutexido de amonio NH4OH respectivamente
35 PRUEBAS BIOLOacuteGICAS
351 Extraccioacuten de ADN plasmiacutedico
La Fig 33 muestra el diagrama de extraccioacuten de ADN plasmidico Las etapas principales en la
extraccioacuten de ADNp incluye la preparacioacuten del lisado lavado y elucioacuten (Fig 33(a)) El plaacutesmido
53
recombinante presente en la cepa T7 Express Iq Competent de Escherichia coli [MiniF
laqIq(CamR)fhuA2 lacZT7 gene1 [Ion] ompT gal sulA11 R(mcr-73miniTn10mdashTets)2[dcm]
R(zgb-210Tn10mdashTets) endA1 Δ(mcrC-mrr)114IS10] fue aislado de acuerdo a las
instrucciones del Kit PureYieldTM Plasmid Miniprep System (Fig 33(b)) 30 microL de ADN + 10
microL de buffer de carga fueron cargados en un gel de agarosa al 08 para determinar la presencia
del plaacutesmido mediante electroforesis La electroforesis se llevoacute a cabo a 90 V por 30 min El gel
fue analizado en un Fotocodificador EL LOGIC 200
Figura 33 Extraccioacuten de ADN plasmiacutedico (a) Pasos generales en la extraccioacuten de ADNp y (b) procedimiento del
Kit Pure YieldTM Plasmid Miniprep System
352 Siacutentesis del peacuteptido DS
La Fig 34 muestra el diagrama general de siacutentesis del peacuteptido DS El Diagrama incluye los
pasos desde la expresioacuten del peacuteptido hasta su deteccioacuten y revelado con luminol
54
Figura 34 Diagrama de siacutentesis del peacuteptido DS a partir del plaacutesmido pFN21K El Diagrama incluye los pasos desde
la expresioacuten del peacuteptido hasta su deteccioacuten y revelado con luminol en un anaacutelisis tipo Western
a Siacutentesis a partir del plaacutesmido pF1A T7 Flexireg
Un pre-inoacuteculo de E coli fue preparado tomando una asada de la cepa T7 modificada para
sintetizar el peacuteptido pF1A T7 Flexi la cual se inoculo en 30 mL del medio de cultivo Luria-
Bertani (LB) El cultivo fue incubado a 37 degC por 18 h en agitacioacuten a 150 rpm La induccioacuten se
llevoacute a cabo distribuyendo 200 microL de pre-inoacuteculo + 20 microL de ampicilina (100 microgmL) en 20 mL
de LB El medio de cultivo fue incubado hasta alcanzar una densidad oacuteptica (DO) de 04 ndash 06
Los valores de DO fueron medidos en un Espectro Cary 50 Probe UV-vis spectro usando una
longitud de onda λ = 600 nm Una vez alcanzada la DO diferentes concentraciones de isopropil-
β-D-1-tiogalactopiranoacutesido (IPTG) fueron agregadas para inducir la concentracioacuten del peacuteptido
La concentracioacuten de IPTG fue calculada usando la Ecuacioacuten 1 La induccioacuten se incuboacute a 37 degC
por 3 h 10 mL de la induccioacuten fue tomado y centrifugado a 13000 rpm por 1 min el
sobrenadante fue descartado y fueron agregados al sedimento 100 microL de buffer de lisis La
muestra se hirvioacute por 10 min 50 microL de muestra fueron cargados en un gel de poliacrilamida para
determinar la expresioacuten del peacuteptido de intereacutes La muestra fue tratada con dodecil sulfato de
sodio (SDS CH3(CH2)10CH2OSO3-
Na+) La electroforesis se llevoacute a cabo a 200 V por 40 min
El fundamento de la electroforesis se basa en el movimiento de las partiacuteculas cargadas en un
campo eleacutectrico hacia un electrodo con carga opuesta El anioacuten del SDS se une con fuerza a las
55
proteiacutenas por adsorcioacuten no especiacutefica cuanto mayor es la proteiacutena maacutes cantidad del anioacuten
adsorberaacute El SDS desnaturaliza por completo a las proteiacutenas rompiendo todas las interacciones
no covalentes Como resultado las proteiacutenas adquieren una carga negativa a consecuencia de la
adsorcioacuten del anioacuten SO3-
La movilidad de las macromoleacuteculas depende de su carga forma y
tamantildeo Sin embargo dado que todas las proteiacutenas de la muestra tienen casi la misma forma y
carga el tamantildeo de las proteiacutenas se convierte en el factor determinante para su separacioacuten
Ecuacioacuten 31
donde
C1 = concentracioacuten de IPTG deseada
V1 = volumen del medio LB
C2 = concentracioacuten del stock de IPTG
V2 = volumen necesario de IPTG para alcanzar la concentracioacuten deseada
b Siacutentesis a partir del plaacutesmido pFN21K
Con el objetivo de llevar a cabo la expresioacuten y produccioacuten de proteiacutenas recombinantes ceacutelulas
derivadas de ovario de haacutemster chino Cricetulus griseus (ceacutelulas CHO) fueron transferidas con
el vector pFN21K construido especialmente para expresar el peacuteptido deseado 300 000 ceacutelulas
CHOpozo fueron sembradas en placas de seis pozos para cultivo celular en 1 mL de medio de
crecimiento completo (F-12K) e incubadas a una atmoacutesfera de 5 de CO2 y a 37 ordm C 24 horas
despueacutes las ceacutelulas CHO se transfectaron haciendo uso del kit XfetTM Transfection Reagent
siguiendo las instrucciones del fabricante y empleando 5 microg de plaacutesmido El cultivo celular
transfectado fue incubado durante 24 h en una atmosfera de 5 de CO2 y a 37 ordm C despueacutes de los
56
cuales el medio fue sustituido por medio celular nuevo y se incuboacute a las mismas condiciones de
CO2 y temperatura Se verificoacute la transfeccioacuten positiva de las ceacutelulas CHO y se procedioacute a la
extraccioacuten de proteiacutena total Las ceacutelulas CHO fueron lavadas dos veces con PBS frio esteacuteril a
continuacioacuten fueron antildeadidos a cada pozo 80 microL de buffer de lisis con una concentracioacuten final de
2X El complejo lisado fue recuperado en tubos de 15 mL y la proteiacutena se centrifugoacute a 14000
rpm a 4 ordmC por 20 min El sobrenadante fue recuperado Un anaacutelisis tipo Western blot fue
utilizado para verificar la expresioacuten del peacuteptido con ayuda de anticuerpos monoclonales El
primer paso de este anaacutelisis consistioacute en la separacioacuten de macromoleacuteculas proteicas mediante
geles de poliacrilamida al 10 Posteriormente las proteiacutenas se transfieren a una matriz de
nitrocelulosa la cual fue bloqueada con una solucioacuten de caseiacutena al 1 en amortiguador salino de
Tween20 al 01 Tris 100 mM pH 75 NaCl 09 (TTBS) Posteriormente se llevoacute a cabo una
serie de lavados utilizando solucioacuten amortiguadora de fosfatos (PBS) KHPO4 106 mM NaCl
15517 mM y NaPO4 297 mM pH 74 La deteccioacuten del peacuteptido deseado se realizoacute adicionando
como anticuerpo primario anti-HaloTagreg y como anticuerpo secundario anti-gallina acoplado a
la enzima peroxidasa de raacutebano (HRP) El revelado en una placa fotograacutefica para la deteccioacuten del
peacuteptido se llevoacute a cabo mediante la adicioacuten de luminol
353 Cargaliberacioacuten del peacuteptido
a Carga BaFe12O19-pF1AT7 Flexireg
10 mg de polvo de BaFe12O19 fueron puestos en contacto con 40 mL del peacuteptido DS producido a
partir del plaacutesmido pF1A T7 Flexireg mediante agitacioacuten lenta a temperatura ambiente durante 2 h
Los polvos de BaFe12O19 fueron recuperados del peacuteptido tomando 50 microL de la suspensioacuten a los
cuales se les agrego 50 microL de agua desionizada + 50 microL de buffer de lisis La mezcla se llevoacute a
ebullicioacuten por 10 min para su posterior carga en un gel de poliacrilamida para realizar un anaacutelisis
tipo Western
57
b Carga BaFe12O19-pFN21K
10 mg de polvo de BaFe12O19 fueron puestos en contacto con 40 mL de una solucioacuten acuosa del
peacuteptido DS-HaloTag mediante agitacioacuten lenta a temperatura ambiente Una aliacutecuota de la
solucioacuten fue tomada a tiempos predeterminados para medir la DO600 La disminucioacuten de DO
indica que el peacuteptido DS-HaloTag se ha absorbido en los sistemas nanoestructurados de
BaFe12O19
354 Liberacioacuten del peacuteptido DS de los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19
Los polvos de BaFe12O19 fueron recuperados de la solucioacuten acuosa que conteniacutea el peacuteptido DS-
HaloTag A continuacioacuten fueron colocados en medio F12K e incubados a una atmoacutesfera de 5
de CO2 a 37 ordmC Para verificar la liberacioacuten del peacuteptido Halo-DS a tiempos predeterminados una
aliacutecuota del medio fue tomada y medida la DO600
58
CAPIacuteTULO 4
RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN
59
CAPIacuteTULO 4 RESULTADOS Y DISCUSION
En este capiacutetulo se presentan los resultados obtenidos en el disentildeo y siacutentesis de los sistemas
nanoestructurados de BaFe12O19 fabricados a partir de un disentildeo experimental factorial 2f y
sintetizados a traveacutes del meacutetodo sol-gel y secado por aspersioacuten A partir de los resultados
obtenidos en la caracterizacioacuten estructural morfoloacutegica fisicoquiacutemica y magneacutetica de los
sistemas de BaFe12O19 asiacute como las pruebas bioloacutegicas que incluyen el estudio de carga y
liberacioacuten del peacuteptido DS utilizado como faacutermaco modelo se discute la capacidad de estos
sistemas para ser usados como sistemas de liberacioacuten de faacutermaco
41 DISENtildeO FACTORIAL 2f
La Tabla 4I muestra el total de 8 experimentos llevados a cabo cuando se realizoacute el disentildeo
experimental 2f asiacute como los valores obtenidos para el diaacutemetro promedio de agregado de
BaFe12O19 aacuterea superficial especiacutefica BET volumen de mesoporo y diaacutemetro promedio de
macroporo de los agregados de BaFe12O19el volumen de poro y el tamantildeo de aglomerado
promedio para todos los experimentos Se observa un efecto sobre el volumen de poro y el
tamantildeo de los agregados nanoestructurados macroporosos de BaFe12O19 Los diaacutemetros promedio
de los agregados esfeacutericos obtenidos despueacutes del proceso de secado por aspersioacuten y calcinados a
700 degC variaron de 150 a 173 microm Las partiacuteculas nanoestructuradas superparamagneacuteticas de
oacutexido de hierro desde 29 nm hasta 35 microm han sido sintetizadas por varios autores La mayoriacutea
de las aplicaciones son dependientes del tamantildeo En este trabajo se ha elegido sintetizar
agregados esfeacutericos macroporosos de tamantildeo micromeacutetrico con la finalidad de aumentar la carga
uacutetil en los sistemas de liberacioacuten de faacutermacos asegurando tambieacuten con ello la estabilidad de los
agregados durante el transporte en el torrente sanguiacuteneo Ademaacutes se ha tomado en cuenta que el
tamantildeo maacutes grande de agregado obtenido aquiacute sea capaz de ser inyectado auacuten en los capilares
(los cuales miden alrededor de 5 a 10 microacutemetros de diaacutemetro)
60
Un anaacutelisis estadiacutestico de variancia (ANOVA) fue llevado a cabo para establecer que los factores
A B y C correspondientes a la presioacuten (P) temperatura (T) y PS respectivamente asiacute como
sus interacciones AB AC BC y ABC afectan la morfologiacutea y el tamantildeo del agregado Para este
tipo de modelo la estadiacutestica de prueba (F0) para cada efecto principal e interaccioacuten pueden
construirse dividiendo el cuadrado medio (MS) correspondiente del efecto o interaccioacuten por el
cuadrado medio del error Mientras que el estadiacutestico de referencia (FT) es obtenido a partir de la
literatura El nuacutemero de grados de libertad (GL) de cualquier efecto principal es el nuacutemero de
niveles del factor menos uno y el nuacutemero de GL de una interaccioacuten es el producto del nuacutemero de
GL asociados con los componentes individuales de la interaccioacuten Cuando F0 gt FT los efectos
individuales o sus interacciones muestran un efecto significativo en las variables de respuesta
De acuerdo al anaacutelisis ANOVA en la Tabla 4II el cual analiza el diaacutemetro de agregado
promedio el uacutenico factor que tienen un efecto significativo sobre el tamantildeo del agregado es la
presioacuten de aire del aspersor Mientras que un efecto miacutenimo puede estar dado por la temperatura
o por la combinacioacuten de los factores presioacuten-temperatura y temperatura-poroacutegeno
De la misma manera un anaacutelisis ANOVA en la Tabla 4II donde se muestra el anaacutelisis de aacuterea
superficial especiacutefica BET de los agregados nanoestructurados muestra que los factores que
tienen un efecto significativo sobre BET estaacuten dados por la concentracioacuten del template por siacute
sola ademaacutes de la interaccioacuten entre los factores presioacuten-template y temperatura-template
Ademaacutes un anaacutelisis ANOVA fue llevado a cabo para analizar el volumen de mesoporos de los
agregados nanoestructurados obtenidos La Tabla 4II muestra que los efectos que tienen un
efecto significativo sobre el volumen de mesoporos son la presioacuten por siacute sola y la interaccioacuten de
los factores presioacuten-template y temperatura-template
Finalmente un anaacutelisis ANOVA fue llevado a cabo para analizar el diaacutemetro de macroporo La
Tabla 4II muestra que ninguacuten factor tiene un efecto significativo sobre el tamantildeo de macroporo
Pudiera ser considerado que los factores que tienen un miacutenimo efecto sobre el tamantildeo de
61
macroporo son la temperatura por si sola y las interacciones de los factores presioacuten-temperatura
y temperatura-poroacutegeno Se concluye que el tamantildeo de macroporo es determinado
principalmente por el tamantildeo del PS En este trabajo las esferas del agente poroacutegeno de PS
usadas fueron de 200 nm de diaacutemetro promedio
Tabla 4I Variables de respuesta (oslashagregado SBET Vmesoporo oslashmacroporo) del disentildeo experimental fraccionario 2f como
resultado del efecto de los factores P T y PS
1No Exp
2Factor
3oslashagregado
4SBET
5Vmesoporo
6oslashmacroporo
P T PS
1 - - - 169 2705 00743 1946
2 - + - 173 2456 00639 2340
3 + - - 171 3420 01686 2362
4 + + - 158 2199 00238 2213
5 - - + 150 2031 00463 2206
6 - + + 164 2064 00085 2435
7 + - + 172 1481 01015 2085
8 - - + 173 1116 00143 1971
1 = Nuacutemero de experimento 2 = Los factores de presioacuten (P Kgcm2) temperatura (T degC) y porcentaje en peso del
poliestireno (PS) usado como agente poroacutegeno muestran dos niveles nivel bajo (-) y nivel alto (+)
correspondientes a 15 Kgcm2 y 20 Kgcm
2 180 degC y 200 degC y 30 y 50 respectivamente 3 oslashagregado (microm) =
diaacutemetro promedio de agregado de BaFe12O19 SBET (m2g) = aacuterea superficial especiacutefica BET Vmesoporo (cm
3g)=
volumen de mesoporo oslashmacroporo (nm) = diaacutemetro promedio de macroporo de los agregados de BaFe12O19
62
Tabla 4II Anaacutelisis de variancia ANOVA
ANOVA
EFECTO FACTOR 1SS
2GL
3MS
4F0
5FT
oslashagregado
A 049 1 00150 574
532
B 039 1 00095 363
AB -035 1 00076 293
C -005 1 00001 005
AC 015 1 00014 053
BC 031 1 00060 229
ABC 017 1 00018 069
ERROR 0041 8 00026
TOTAL 0083 15
SBET
A -2235 1 31220 2300
532
B -1653 1 17070 1128
AB -2529 1 39970 294
C -5501 1 18910 1393
AC -3887 1 94420 6958
BC -4235 1 11200 8260
ABC -0590 1 00021 0001
ERROR 21713 8 1357
TOTAL 70108 15
Vmesoporo
A -079 1 0063 866
532
B -050 1 0168 398
AB 035 1 0023 174
C 046 1 0049 298
AC -065 1 0008 581
BC -066 1 0101 602
ABC 059 1 0014 479
ERROR 0073 8 00046
TOTAL 0227 15
oslashmacroporo
A 600 1 2250 001
532
B -656 1 2689 234
AB -766 1 3667 319
C 176 1 1936 016
AC -384 1 9216 080
BC -754 1 35532 309
ABC 480 1 14400 125
ERROR 18372 8 11483
TOTAL 30860 15
1SS = suma de cuadrados
2GL = grados de libertad
3MS = cuadrado promedio
4F0 = valor estadiacutestico de prueba F
5FT = valor estadiacutestico de referencia
63
42 CARACTERIZACIOacuteN
421 Difraccioacuten de rayos X
La Fig 41 presenta los espectros de XRD de las muestras obtenidas a temperaturas de
calcinacioacuten de 700 800 900 y 1000 degC La indexacioacuten de los espectros de XRD indicoacute la
coexistencia de las fases hexaferrita H = BaFe12O19 monoferrita O = BaFe2O4 y hematita F =
Fe2O3 en todas las muestras La fase H hexaferrita tiene una celda unitaria hexagonal (tarjeta
Crystallography Open Database COD 1008841) con paraacutemetros de red a = b =0589 nm y c =
2318 nm la fase monoferrita O tiene una celda unitaria ortorroacutembica (tarjeta COD 4107896) con
paraacutemetros de red a = 1899 nm b = 0538 nm c = 0844 nm y la fase hematita F tiene una celda
unitaria hexagonal (tarjeta COD 9015964) con paraacutemetros de red a = b = 0503 nm y c = 1374
nm Como puede observarse el contenido de la fase H aumenta con la temperatura y
simultaacuteneamente disminuye la fase F
Figura 41 Espectro DRX del polvo de las esferas de BaFe12O19 obtenidas despueacutes del proceso de secado por
aspersioacuten y calcinado a diferentes temperaturas Este presenta las fases H = BaFe12O19 (tarjeta Crystallography Open
Database COD 1008841) F = Fe2O3 (tarjeta COD 9015964)
64
422 Microscopiacutea electroacutenica de barrido
La Fig 42(a) muestra una imagen de SEM representativa de los agregados esfeacutericos de
BaFe12O19 de los polvos obtenidos despueacutes del proceso de secado por aspersioacuten y antes de ser
sometido a un tratamiento teacutermico Una amplificacioacuten a 20000 X (Fig 42(b)) muestra un
agregado de BaFe12O19 en el cual pueden ser observadas las esferas de poliestireno (PS) antes de
ser eliminadas durante el tratamiento teacutermico
Figura 42 Imaacutegen SEM de (a) agregados esfeacutericos de BaFe12O19 antes de ser tratados teacutermicamente y (b) una
amplificacioacuten a 20000 X que muestra un agregado de BaFe12O19 en el cual pueden ser observadas las esferas de
poliestireno (PS) antes de ser eliminadas
La Fig 43(a) y Fig 43(c) muestra imaacutegenes de SEM representativas de los agregados de
BaFe12O19 Las imaacutegenes fueron tomadas con electrones secundarios (SE) a 5 KV Se puede
observar que los agregados porosos nanoestructurados presentan una morfologiacutea esfeacuterica Los
insertos en la Fig 43(a) y Fig 43(c) muestran una amplificacioacuten de los agregados de BaFe12O19
Noacutetese que las esferas son macroporosas y policristalinas constituidas por cristales alargados o
fibras de tamantildeo micromeacutetrico formando una estructura tipo nido La macroporosidad fue
producto de la pirolisis de las esferas de poliestireno durante el tratamiento teacutermico Sin embargo
no existe evidencia clara en los espectros de DRX (Fig 41) de crecimiento preferencial de
ninguna de las fases
65
Las Fig 43(b) y Fig 43(d) muestra los histogramas de distribucioacuten de tamantildeo de agregado
correspondiente a las Fig 43(a) y Fig 43(c) respectivamente Los agregados tienen un diaacutemetro
promedio de aprox 17 microm el cual como se mencionoacute anteriormente cumple con el requisito de
ser menor de 50 microm para poder ser introducido en una suspensioacuten inyectable Los agregados
esfeacutericos observados en las muestras son praacutecticamente del mismo tamantildeo puesto que el tamantildeo
de estos agregados es resultado del tamantildeo de la gota producida en la boquilla del equipo de
secado pero tambieacuten puede estar influenciado por la reologiacutea de la suspensioacuten alimentada La
distribucioacuten de tamantildeo de agregado fue determinada a partir de imaacutegenes SEM mediante anaacutelisis
estadiacutestico usando el software linear Lynx Los histogramas describen el comportamiento en
cuanto a tendencia central forma y dispersioacuten del conjunto de datos analizados (agregados de
BaFe12O19 N = 300)
Ademaacutes se observa una morfologiacutea esfeacuterica homogeacutenea con un tamantildeo de macroporo de aprox
200 nm de diaacutemetro con una desviacioacuten estaacutendar de 50 nm Este resultado es loacutegico si
consideramos que la suspensioacuten alimentada estaacute constituida ademaacutes del gel por las esferas de
poliestireno monomodales cuyo tamantildeo promedio es de 223 nm Por lo tanto estos materiales
caen en la clasificacioacuten de materiales macroporosos de acuerdo a la IUPAC Ademaacutes la
distribucioacuten de los mesoporos de los agregados esfeacutericos obtenidos fue determinada por la teacutecnica
BJH En promedio los mesoporos son del orden de 12 nm con una desviacioacuten estaacutendar de 2 nm
Como se mencionoacute anteriormente debido al disentildeo factorial 2f un conjunto de 8 experimentos
fue realizado Todas las muestras tienen una estructura y morfologiacutea similar por lo tanto las
imaacutegenes representativas para cada una de las concentraciones de PS 30 y 50 en peso
respectivamente son mostradas La muestra en la Fig 43(a) fue sintetizada con una temperatura
interna de 200 degC y una presioacuten de 20 Kgcm2 correspondiente a los paraacutemetros de secado por
aspersioacuten y a una concentracioacuten de esferas de poliestireno de 50 La muestra en la Fig 43(c)
fue sintetizada con una temperatura interna de 180 degC y una presioacuten de 15 Kgcm2
correspondiente a los paraacutemetros de secado por aspersioacuten y una concentracioacuten de esferas de
poliestireno de 30 La diferencia principal entre las imaacutegenes de las Fig 44(3) y Fig 44(3) es
la distribucioacuten de tamantildeo de poro
66
Figura 43 Imaacutegenes de SEM de los agregados de BaFe12O19 y sus correspondientes histogramas de distribucioacuten de
tamantildeo (a) Muestra con 50 de PS bajo condiciones de secado por aspersioacuten de 200 degC y 20 Kgcm2 y su
correspondiente distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula (b) (c) Muestra con 30 de PS bajo condiciones de secado por
aspersioacuten de 180 degC y 15 Kgcm2 y su correspondiente distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula (d) Las muestras fueron
calcinadas a 700 degC
Una variedad de diferentes morfologiacuteas han sido reportadas en la literatura Por ejemplo
Okuyama y cols [75] han reportado la siacutentesis de partiacuteculas esfeacutericas completamente densas
partiacuteculas esfeacutericas rugosas partiacuteculas huecas partiacuteculas tipo dona partiacuteculas porosas partiacuteculas
encapsuladas y una mezcla de partiacuteculas Chiemi y cols [51] han reportado la siacutentesis de
partiacuteculas nuacutecleo-coraza Ademaacutes otras morfologiacuteas tales como nanoalambres nanocilindros
nanotubos y nanopartiacuteculas tipo gusano han sido reportadas en la literatura En este trabajo se han
obtenido agregados nanoestructurados de BaFe12O19 con una morfologiacutea esfeacuterica Una ventaja de
las partiacuteculas esfeacutericas es su importancia praacutectica debido a sus propiedades reoloacutegicas cuando se
67
comparan con otras morfologiacuteas Por ejemplo cuando se encuentran en los vasos sanguiacuteneos el
flujo de los microagregados de forma esfeacuterica en el torrente sanguiacuteneo se ve mejorado
El anaacutelisis EDS (Fig 44(a)) y su respectivo mapeo quiacutemico (Fig 44(b)) realizado en el SEM
indicoacute que los agregados de BaFe12O19 estaacuten compuestos como era de esperarse por los
elementos quiacutemicos Ba Fe y O El pico de C es producido por la cinta doble cara de carbono
usada como adhesivo en soporte Este resultado demuestra que la composicioacuten de las esferas
obtenidas contiene los mismos elementos que fueron introducidos en la siacutentesis y no presentan
contaminacioacuten
Figura 44 (a) Espectro EDS de los agregados de BaFe12O19 el cual indica la presencia de los elementos Ba Fe y O
El C es producido por la cinta doble cara de carbono usada como adhesivo en soporte (b) Mapeos quiacutemicos de EDS
de los agregados de BaFe12O19 Imagen SEM en el modo de electrones secundarios Las imaacutegenes de Ba (verde) Fe
(rojo) y O (azul) indican su distribucioacuten homogeacutenea y que estos elementos son los uacutenicos presentes en las muestras
423 Microscopiacutea electroacutenica de transmisioacuten
La Fig 45 presenta las imaacutegenes de STEM-ADF de los agregados de BaFe12O19 calcinadas a
700 degC Estas imaacutegenes confirman que las esferas estaacuten conformadas principalmente por cristales
alargados tipo platelets Estos cristales son tan alargados que llegan a alcanzar una longitud del
tamantildeo de la esfera Por ejemplo en la Fig 45(d) se observa una esfera de aproximadamente 921
nm de diaacutemetro y la longitud del cristal maacutes largo es de 700 nm aproximadamente El tamantildeo
68
promedio de las esferas fue de 17 +- 04 microm y de los cristales alargados de 2991 +- 801 nm en
longitud y 341 +- 77 nm en espesor
Figura 45 Imaacutegenes de STEM-ADF de los agregados de BaFe12O19 Las esferas estaacuten conformadas principalmente
por cristales alargados
La Fig 46 muestra imaacutegenes de STEM-ADF (Fig 46(a)) y de TEM (Fig 46(b) de una esfera
de BaFe12O19 de aproximadamente 1 microm de diaacutemetro Estas imaacutegenes permiten comparar el
contraste presentado por los cristales que conforman las esferas por estas teacutecnicas Noacutetese que la
esfera presenta un cristal alargado de aproximadamente 850 nm de largo y cuyo contraste es
mejor observado por STEM-ADF
Figura 46 Imaacutegenes de una misma esfera de BaFe12O19 en el modo (a) STEM-ADF y (b) TEM las cuales permiten
comparar el contraste de los cristales que la conforman
69
Es importante indicar que el uso del limpiador ultrasoacutenico permitioacute obtener las muestras
analizadas por TEM en este trabajo El limpiador produce una vibracioacuten de 42 KHz a una
potencia de 70 W y genera alternativamente ondas de alta y baja presioacuten que transmiten sonidos
de alta y baja frecuencia La baja presioacuten genera burbujas microscoacutepicas que explotan
raacutepidamente liberando asiacute la energiacutea Este proceso denominado cavitacioacuten puede llevar a la
desintegracioacuten de los materiales que conforman las esferas de BaFe12O19 El calor permite
acelerar el proceso
En la Fig 47 se presentan las imaacutegenes de TEM en el modo de campo claro (Fig 47(a) y Fig
47(c) y en el modo de campo oscuro (Fig 47(b) y Fig 47(d) del material que conforman los
agregados despueacutes de haber sido desaglomerados por el tratamiento ultrasoacutenico al que fueron
sometidas Este material fue por lo tanto estructuralmente estudiado por difraccioacuten electroacutenica
de aacuterea selecta (SAEDP) El inserto en la Fig 47(b) presenta el patroacuten SAEDP de anillos
provenientes del material presentado en la Fig 47(a) mientras que el inserto en la Fig 47(d)
presenta el patroacuten SAEDP del cristal alargado mostrado en la Figura 47(c) La indexacioacuten de
estos patrones indicoacute que todo el material corresponde a la estructura hexagonal de la BaFe12O19
con paraacutemetros de red a = b = 0589 nm y c = 2318 nm (tarjeta Crystallography Open Database
COD 1008841)
Figura 47 Imaacutegenes de TEM en campo claro (a y c) y en campo oscuro (b y d) del material que conforman las
esferas despueacutes de haber sido desbaratadas por el tratamiento ultrasoacutenico El inserto en (b) presenta el patroacuten SAEDP
proveniente del material presentado en (a) El inserto en (d) presenta el patroacuten SAEDP del cristal alargado
presentado en (c)
70
La Fig 48(a) y Fig 48(b) muestran imaacutegenes HRTEM de uno de los cristales alargados
individuales que conforman los agregados poros de BaFe12O19 obtenidos Ademaacutes la
coexistencia de las fases entre los cristales de BaFe12O19 y los cristales de BaFe2O4 son
mostrados en la Fig 48(c) Por otra parte la Fig 48(d) muestra la coexistencia de las fases entre
los cristales de BaFe12O19 y los cristales de Fe2O3
Figura 48 Imaacutegenes HRTEM de los cristales que conforman los agregados porosos de BaFe12O19 (a) y (b)
corresponden a cristales individuales de la fase BaFe12O19 (c) Coexistencia entre las fases BaFe12O19 y BaFe2O4 (d)
Coexistencia entre las fases BaFe12O19 y Fe2O3
Las fibras fueron tambieacuten observadas por HRTEM para analizar la estructura y el ordenamiento
que presentan los aacutetomos que conforman sus cristales La Fig 49(a) presenta la imagen de
HRTEM de uno de los cristales alargados El inserto en esta figura presenta la correspondiente
Transformada Raacutepida de Fourier (FFT) del cristal la cual indica que el eje de zona corresponde
al eje de la zona en la direccioacuten [2-110] En la Fig 49(b) se presenta la imagen digitalmente
procesada correspondiente al aacuterea del recuadro indicado en la Fig 49(a) y la cual fue obtenida
usando el filtro indicado por el inserto A parte del arreglo presentado esta imagen indica que el
eje de crecimiento de los cristales alargados es en la direccioacuten [10-10] En el estudio por HRTEM
no solo se observan cristales alargados perfectamente formados sino que una gran mayoriacutea
presenta defectos principalmente fallas de apilamiento La Fig 49(c) presenta una imagen de
HRTEM de otro de los cristales alargados en la cual se observa una gran cantidad de defectos
71
La imagen presentada en la Fig 49(d) corresponde a la imagen digitalmente procesada del aacuterea
indicada en el recuadro presentado en la Fig 49(c)
Figura 49 (a) Imagen de HRTEM de uno de los cristales alargados que conforman las esferas de BaFe12O19 El
inserto presenta la correspondiente FFT la cual indica que el eje de zona corresponde al eje en la direccioacuten [2-110]
(b) Imagen digitalmente procesada correspondiente al aacuterea del recuadro indicado en (a) El filtro usado para el
procesamiento es indicado en el inserto (c) Imagen de HRTEM de otro de los cristales alargados con defectos (d)
Imagen digitalmente procesada del aacuterea indicada en el recuadro en (c)
Usando los valores de las posiciones xyz reportadas para BaFe12O19 con grupo espacial P3mmc
[27] se obtuvo la celda unitaria y se simularon digitalmente las imaacutegenes de HRTEM La Fig
410 presenta la celda unitaria obtenida en las direcciones [10-10] (Fig 410(a) y [21-10] (Fig
410(b)
La estructura de BaFe12O19 se puede construir usando tres unidades baacutesicas [30-32] S R y T La
unidad S a su vez presenta dos sub-unidades S0 con una carga eleacutectrica neutra y con foacutermula
quiacutemica Me22+
Fe43+
O8 (donde Me representa metales divalentes tales como Mn2+
Fe2+
Co2+
Ni2+
Zn2+
Mg2+
) y S2+
con carga eleacutectrica 2+ y con foacutermula quiacutemica (Fe63+
O8)2+
La unidad R
presenta carga eleacutectrica 2- y con foacutermula quiacutemica (Ba2+
Fe 63+
O11)2-
La unidad T presenta carga
eleacutectrica neutra y con foacutermula quiacutemica Ba22+
Fe83+
O 14 Estas unidades se unen para dar lugar a la
estructura de diferentes oacutexidos ferromagneacuteticos Por ejemplo al unir la unidad S2+
con la unidad
R se obtiene la secuencia de apilamiento RS la cual presenta carga eleacutectrica neutra y con
foacutermula quiacutemica BaFe12O19 Asiacute la celda unitaria de la BaFe12O19 se obtiene con la secuencia
SRSR donde dignifica una rotacioacuten de 180ordm alrededor del eje c La Fig 410 presenta las
72
unidades S S R y R de la celda unitaria de la BaFe12O19 observadas en las direcciones [21-10]
y [10-10] respectivamente
Vale la pena comentar que si se designa como la unidad M a BaFe12O19 y definimos a ST con
foacutermula quiacutemica Ba22+
Me22+
Fe123+
O22 como la unidad Y las hexaferritas pueden representarse
como apilamientos de las unidades S M y Y [64] Por lo tanto la combinacioacuten de las unidades S
R y T da origen al apilamiento que generan las diferentes estructuras observadas en las ferritas
[6566] y es natural deducir la existencia de las estructuras tipo politipo con la misma
composicioacuten quiacutemica en estos compuestos En nuestro caso los patrones de difraccioacuten SAEDP
obtenidos en este trabajo no indican la presencia de estructuras tipo politipo ya que no se
presentaron reflexiones provenientes de suacuteper-redes
Figura 410 Celda unitaria de BaFe12O19 obtenidas usando los valores indicados en [27] y observada en la direccioacuten
[10-10] (a) y en la direccioacuten [21-10] (b) Tambieacuten se presentan las unidades S y R El plano que contiene a Ba es un
plano espejo Ba en verde Fe en amarillo y O en rojo
La Fig 411 muestra la simulacioacuten digital de las imaacutegenes de HRTEM y sus correspondientes
patrones de difraccioacuten de aacuterea selecta en la direccioacuten [0001] (Fig 411(a) en la direccioacuten [10-10]
(Fig 411(b) y en la direccioacuten [2-1-10] (Fig 411(c) En estas Figuras se presentan las posiciones
de los aacutetomos de Ba (en verde) Fe (en amarillo) y O (en rojo) dentro de la celda unitaria
hexagonal de BaFe12O19 en proyeccioacuten a lo largo de las direcciones [0001] [10-10] y [2-1-10]
respectivamente Las condiciones de simulacioacuten fueron V = 200 KV con desenfoque de Scherzer
en -5485 nm y 4x4x4 celdas Noacutetese que las liacuteneas oscuras corresponden a posiciones de los
73
aacutetomos de Ba con los aacutetomos de Fe Los resultados indicaron que los agregados de BaFe12O19
producidos consisten de varios pequentildeos cristales alargados platelets cuyos arreglos atoacutemicos
presentan en algunos casos un perfecto arreglo (regiones libres de defectos) pero tambieacuten se
observaron desajustes en el apilamiento (mismatches) en otros casos
Figura 411 Simulacioacuten computacional de imaacutegenes de HRTEM en las direcciones [0001] (a) [10-10] (b) y [2-1-
10] (c) Se presenta la proyeccioacuten de la celda BaFe12O19 en las direcciones indicadas la simulacioacuten de su imagen en
el desenfoque de Scherzer y su correspondiente patroacuten de difraccioacuten del aacuterea selecta simulado Las condiciones de
simulacioacuten fueron V = 200 KV desenfoque de Scherzer en -5485 nm y 4x4x4 celdas Ba en verde Fe en amarillo
y O en rojo
La Fig 412 muestra la imagen de HRTEM experimental en la direccioacuten [2-110] de uno de los
cristales alargados que conforman los agregados de BaFe12O19 junto con la imagen
computacional simulada en la misma direccioacuten En este caso la imagen de HRTEM no presenta
defectos (al menos no observables) y las franjas presentan una periodicidad de 1159 nm que
corresponden a la mitad de la periodicidad a lo largo del eje c Tambieacuten se incluye las posiciones
de la superposicioacuten de los aacutetomos de Ba con los aacutetomos de Fe
74
Figura 412 Imagen de HRTEM en la direccioacuten [1-100] de uno de los cristales alargados que conforman los
agregados de BaFe12O19 y la imagen computacionalmente simulada en la misma direccioacuten En este caso la imagen de
HRTEM no presenta defectos Tambieacuten se incluyen las posiciones de los aacutetomos en la celda unitaria Ba en verde Fe
en amarillo y O en rojo
424 Isotermas de adsorcioacutendesorcioacuten de nitroacutegeno
La Fig 413 muestra las isotermas tiacutepicas de adsorcioacutendesorcioacuten para las muestras de BaFe12O19
calcinadas a 700 degC con concentraciones de PS de 30 y 50 respectivamente La muestra en la
Fig 413(a) fue sintetizada con una temperatura interna de 200 degC y una presioacuten de 20 Kgcm2
correspondiente a los paraacutemetros de secado por aspersioacuten y una concentracioacuten de esferas de
poliestireno de 50 La muestra en la Fig 413(b) fue sintetizada con una temperatura interna de
180 degC y una presioacuten de 15 Kgcm2 correspondiente a los paraacutemetros de secado por aspersioacuten y
una concentracioacuten de esferas de poliestireno de 30 De acuerdo a la clasificacioacuten BET las
isotermas corresponden a una isoterma tiacutepica tipo II Este tipo de isoterma se caracteriza por
raacutepido aumento inicial del volumen de gas adsorbido con el incremento en la presioacuten relativa
cambiando a un incremento lento El punto de inflexioacuten corresponde tanto a la finalizacioacuten del
recubrimiento de la mono capa y el llenado de los poros por condensacioacuten capilar El resto de la
curva corresponde a la formacioacuten de la multicapa Este tipo de isoterma es usualmente
encontrado en partiacuteculas mesoporosas El aacuterea superficial es calculada a partir de las isotermas
usando el meacutetodo BET a una presioacuten relativa por debajo de 03 A partir de la ecuacioacuten BET el
aacuterea superficial especiacutefica SBET de las partiacuteculas porosas de BaFe12O19 fue determinada SBET de
75
los agregados de BaFe12O19 varioacute de 1116 hasta 2705 m2g (Tabla IV) Dos tipos de poro son
observados en los agregados de BaFe12O19 mesoporos y macroporos Los mesoporos se
presentan en los espacios entre las partiacuteculas primarias y son el resultado de la pirolisis de las
micelas formadas por el surfactante Los macroporos son obtenidos como resultado de la pirolisis
del poliestireno Los insertos en la Fig 413(a) y Fig 413(b) muestran la distribucioacuten de tamantildeo
de los mesoporos obtenidos por el meacutetodo BET de adsorcioacuten de N2 El diaacutemetro promedio de
mesoporo varioacute entre 34 nm y 12 nm aproximadamente
Figura 413 Isotermas de adsorcioacutendesorcioacuten BET para (a) muestra con 50 de esferas de PS bajo condiciones de
secado por aspersioacuten de 200 degC y 20 Kgcm2 y (b) muestra con 30 de esferas de PS bajo condiciones de secado
por aspersioacuten de 180 degC y 15 Kgcm2 Las muestras fueron calcinas a 700 degC
425 Espectroscopiacutea infrarroja
El espectro FTIR de los agregados de BaFe12O19 calcinados a 700 degC mostrado en la Fig 414
evidencia de las bandas de vibracioacuten tiacutepicas para la BaFe12O19 estequiomeacutetrica a 132740 cm-1
y
140412 cm-1
las cuales son asignadas a los modos de vibracioacuten Fe-O de los sitios tetraeacutedricos y
octaeacutedricos en BaFe12O19 Las posiciones de estas bandas dependen de la estequiometriacutea de la
BaFe12O19 Las posiciones de las bandas a 35508 cm-1
54503 cm-1
61631 cm-1
69926 cm-1
y
87333 cm-1
corresponden a los enlacesgrupos funcionales del peacuteptido DS La interaccioacuten entre
BaFe12O19 y el poliacutemero induce un cambio en los picos caracteriacutesticos de BaFe12O19 a nuacutemero de
76
onda mayores como una funcioacuten de la relacioacuten surfactantepoliacutemero La presencia de nuevas
bandas en el espectro correspondiente a la BaFe12O19 en 30984 cm-1
y 87333 cm-1
indica la
adsorcioacuten del peacuteptido La regioacuten de 600 a 1000 cm-1
contiene los grupos funcionales
correspondientes a los enlaces C-C C-O y C-N Asiacute mismo la regioacuten entre 750 y 900 cm-1
incluyen grupos aromaacuteticos por lo tanto los grupos funcionales correspondientes a la
fenilalanina o al triptoacutefano pueden corresponder a los observados en el espectro IR [84]
Figura 414 Espectro Infrarrojo (IR) que muestra los enlacesgrupos funcionales a nuacutemeros de onda (cm-1
)
especiacuteficos correspondientes al peacuteptido DS-HaloTag libre y los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 libres y
cargados con el peacuteptido
426 Propiedades magneacuteticas
Una manera de medir las propiedades magneacuteticas es a traveacutes de las curvas de histeacuteresis las cuales
permiten la evaluacioacuten de las propiedades macroscoacutepicas tales como la saturacioacuten magneacutetica Ms
remanencia magneacutetica Mr y coercitividad Hc Estas propiedades definen el caraacutecter magneacutetico
de los materiales sintetizados La Fig 415 muestra las curvas de histeacuteresis a diferentes
77
temperaturas de calcinacioacuten La Tabla 4III muestra las propiedades magneacuteticas de todas las
muestras En general Ms Mr y Hc muestran un incremento como una funcioacuten de la temperatura
de calcinacioacuten y Hc incrementa con la temperatura en todos los casos El valor maacutes bajo de Mr
se obtuvo para la muestra calcinada a 700 degC Ademaacutes hay un cambio claro en el
comportamiento magneacutetico asociado con las temperaturas del tratamiento teacutermico El cambio
tiene que estar relacionado con el porcentaje del contenido de las diferentes fases presentadas en
las muestras y tambieacuten tiene que estar relacionado al tamantildeo de los cristales que constituyen los
agregados de BaFe12O19 A partir de las curvas de histeacuteresis mostradas en la Fig 420 y basado en
los valores de coercitividad mostrados en la Tabla 4III se observa que uacutenicamente el material
obtenido a 700 degC se comporta como un material magneacutetico semi-duro mientras que para todas
las demaacutes temperaturas desde 800 a 1000 degC el material muestra un comportamiento magneacutetico
duro
Figura 415 Curvas de histeacuteresis de los agregados de BaFe12O19 calcinados a diferentes temperaturas Los valores de
las muestras fueron tomadas a temperatura ambiente y 5000 Oe
78
Tabla 4III Propiedades magneacuteticas de los agregados porosos de hexaferrita de bario
Propiedades magneacuteticas
Muestra Temperatura de
calcinacioacuten (ordmC) Ms (emug) Mr (emug) Hc (Oe)
1 700 1424 379 194650
2 800 1249 592 463160
3 900 2826 152 479146
4 1000 4511 241 427750
El anaacutelisis de la composicioacuten estructural de los agregados indican que las fases monoferrita (O) y
hematita (F) estaacuten presentes Sin embargo la fase hexagonal H es la fase mayoritaria a la
temperatura de calcinacioacuten de 1000 degC Como se muestra en la Tabla 4III un cambio
significativo ocurre como una funcioacuten de la temperatura de calcinacioacuten en las propiedades
magneacuteticas de las muestras Es evidente que el cambio estaacute relacionado con la presencia de las
diferentes fases La mejor combinacioacuten de las propiedades magneacuteticas fue Ms = 4511 emug
(1000 degC) y Hc = 479148 Oe (900 degC)
Estos valores de magnetizacioacuten son cercanos a los obtenidos por Xu y cols [23] quienes
sintetizaron esferas mesoporosas huecas de BaFe12O19 usando el meacutetodo de pirolisis por
aspersioacuten obteniendo un valor de Ms = 504 emug para muestras calcinadas a 1000 degC
Gonzaacutelez-Carrentildeo y cols [25] obtuvieron un valor Ms = 500 emug para esferas huecas de
BaFe12O19 calcinadas a la misma temperatura obtenidas a partir de pirolisis por aerosol La
diferencia en los valores de magnetizacioacuten obtenidos por eacutestos autores y los valores obtenidos en
eacuteste trabajo puede ser debida principalmente a la estructura de la BaFe12O19 dado que en todos
los casos la morfologiacutea de la BaFe12O19 fue esfeacuterica sin embargo la BaFe12019 obtenida en este
trabajo presento una estructura porosa mientras que la estructura de obtenida por Xu y
Gonzaacutelez-Carrentildeo obtuvieron una estructura hueca
Por otra parte no uacutenicamente la estructura y morfologiacutea de las BaFe12O19 afecta las propiedades
magneacuteticas sino tambieacuten el meacutetodo de preparacioacuten Por ejemplo An y cols [42] sintetizaron
79
BaFe12O19 con una morfologiacutea esfeacuterica a traveacutes de un meacutetodo ultrasoacutenico asistido por sales En
este caso los valores de magnetizacioacuten obtenidos por los autores fue Ms = 619 emug (T = 950
degC) lo cual dista del valor obtenido en el presente trabajo de investigacioacuten
43 PROPIEDADES BIOLOacuteGICAS
431 Extraccioacuten de ADN plasmiacutedico
La extraccioacuten de ADN plasmiacutedico se llevoacute a cabo para verificar la presencia del gen de intereacutes en
los plaacutesmidos replicados en la cepa T7 de la bacteria E coli a partir de la cual se sintetizoacute el
peacuteptido DS La Fig 416 obtenida con el Fotocodificador EL LOGIC 200 muestra la extraccioacuten
de ADN de naturaleza plasmiacutedica de la cepa T7 de E coli Se obtuvo una extraccioacuten exitosa del
plaacutesmido pF1A T7 con un rendimiento de 350 ngmL
Figura 416 Extraccioacuten de ADN plasmiacutedico La columna 1 es referida al marcador Kb Plus DNA Ladder de peso
molecular conocido (pares de bases pb) El marcador se compone de 20 bandas de ADN de alta pureza de doble
cadena que abarca 100 pb hasta 12000 pb La columna 2 representa el ADNp de la cepa NEB (New England Biolab)
T7 DS Ademaacutes puede ser observado en la columna 2 la presencia de tres bandas a) es referida al ADNp relajado
b) describe el ADNp enrollado y c) explica el ADNp suacuteper-enrrollado
80
432 Siacutentesis induccioacuten y expresioacuten del peacuteptido DS
a Siacutentesis a partir del plaacutesmido pF1A T7 Flexireg
La Fig 417 muestra un anaacutelisis electroforeacutetico en un gel de SDS-poliacrilamida (SDS-PAGE)
que revela la expresioacuten del peacuteptido DS En la Fig 417 la columna 1 es referida al marcador
Spectra Multicolor Broad Range Protein Ladder Las columnas 2-5 muestras los efectos de las
concentraciones del inductor IPTG 05 1 2 y 3 mM Cada una de las bandas observadas en el
gel SDS-PAGE representa una proteiacutena distinta En las columnas 2-5 se observa una banda a la
altura de aproximadamente 26 KDa lo cual indica la expresioacuten del peacuteptido DS y que estaacute de
acuerdo con los valores de la literatura Sin embargo la intensidad de la banda en la columna 4 es
maacutes intensa lo cual indica que una concentracioacuten 2 mM de IPTG tiene una mayor eficiencia en la
induccioacuten del peacuteptido DS Por otra parte un aumento en la concentracioacuten de IPTG a 3 mM inhibe
la expresioacuten del peacuteptido DS como se puede observar en la columna 5
Figura 417 Separacioacuten de proteiacutenas por electroforesis en gel SDS-PAGE
81
b Siacutentesis a partir del plaacutesmido pFN21K
La Fig 418(a) y Fig 418(b) muestra imaacutegenes de microscopiacutea oacuteptica a diferentes
magnificaciones Las ceacutelulas CHO normalmente ancladas a la superficie tienen forma
fibroblastoide y pueden adaptarse a crecer en suspensioacuten adquiriendo entonces una forma
esfeacuterica Las ceacutelulas transfectadas son faacuteciles de detectar ya que eacutestas adquieren una coloracioacuten
azul debida a la integracioacuten de un plaacutesmido que contiene un gen reportero el cual estaacute vinculado a
una secuencia regulatoria en el cultivo celular Estos genes otorgan caracteriacutesticas que facilitan su
expresioacuten identificacioacuten y medicioacuten La expresioacuten del gen reportero puede ser observada en la
Fig 418 Las ceacutelulas CHO son tentildeidas al momento de antildeadir una moleacutecula orgaacutenica X-gal que
degrada la beta-galactosidasa presente en las ceacutelulas CHO
Figura 418 Imaacutegenes del microscopio oacuteptico en las cuales se puede observar la expresioacuten de un gen reportero
indicando las ceacutelulas CHO han sido transfectadas
La Fig 419 muestra un anaacutelisis tipo Western blot En la placa fotograacutefica se observa la proteiacutena
de intereacutes DS-HaloTag a una altura de ~61 KDa sintetizada a partir del plaacutesmido pfN21K El
volumen final en los carriles 1-3 fue de 198 microl con una concentracioacuten de proteiacutena (microgmicroL) de 29
28 y 27 respectivamente De acuerdo a la literatura el peso molecular del peacuteptido DS es ~26
KDa y el peso molecular de HaloTag es ~34 KDa Por lo que el peso de 61 KDa observado en la
placa fotograacutefica corresponde al peso molecular de la proteiacutena de fusioacuten DS-HaloTag
82
Figura 419 Anaacutelisis tipo Western blot La proteiacutena de intereacutes DS-HaloTag aparece a una altura de 61 ~KDa
433 Caracterizacioacuten del peacuteptido DS
La correspondiente caracterizacioacuten del peacuteptido DS es mostrada en la Tabla 4IV la cual incluye
caracteriacutesticas tales como la longitud y peso del peacuteptido punto isoeleacutectrico residuos hidrofoacutebicos
e hidrofiacutelicos residuos cargados y distribucioacuten de los aminoaacutecidos presentes (Tabla 4V y Fig
420)
Tabla 4IV Informacioacuten de secuencia
Informacioacuten de secuencia
Secuencia Proteiacutena
Longitud 252
Organismo Dominio de unioacuten a Su(H) sin intron
Nombre DS sin introacuten marco de traduccioacuten +1
Peso 26371 KDa
Punto isoeleacutectrico 1075
Iacutendice alifaacutetico 60556
Residuos de aminoaacutecidos
Hidrofobicidad Cantidad Tipo de carga Cantidad
Hidrofoacutebico (A F G I L M P V W)1 121 Negativa (D E)
1 17
Hidrofiacutelico (C N Q S T Y)1 78 Positiva (R K)
1 32
1 = Abreviacioacuten de los aminoaacutecidos con una sola letra
83
Tabla 4V Tabla de distribucioacuten de aminoaacutecidos
Aminoaacutecido Cantidad Aminoaacutecido Cantidad
Alanina (A) 31 Metionina (M) 2
Cisteiacutena (C) 0 Asparagina (N) 9
Aacutecido aspaacutertico (D) 11 Prolina (P) 16
Aacutecido glutaacutemico (E) 6 Glutamina (Q) 7
Fenilalanina (F) 10 Arginina (R) 17
Glicina (G) 24 Serina (S) 35
Histidina (H) 4 Treonina (T) 24
Isoleucina (I) 9 Valina (V) 11
Lisina (K) 15 Triptofano (W) 4
Leucina (L) 14 Tirosina (Y) 3
Figura 420 Histograma de distribucioacuten de aminoaacutecidos
A nuestro mejor conocimiento el peacuteptido DS (Dominio de unioacuten a supresor de Hairless [Su(H)]
no ha sido probado como faacutermaco modelo en sistemas DDS Sin embargo cientos de peacuteptidos
derivados a partir de proteiacutenas presentes principalmente en el citosol mitocondria yo nuacutecleo han
sido identificados y probados [11] Li [13] produjo el peacuteptido LL-37 antimicrobiano en E coli el
84
cual exhibe diversas propiedades inmunomoduladoras tales como la habilidad de mediar la
quimiotaxis acelerar la angiogeacutenesis y promover la cicatrizacioacuten
En las uacuteltimas deacutecadas el desarrollo de terapias a partir de peacuteptidos ha llevado a un nuacutemero sin
precedentes de aprobaciones en el mercado Kaspar y cols [37] describen las direcciones futuras
en el desarrollo de terapias basadas en peacuteptidos Algunos peacuteptidos aprobados en 2012 por la FDA
son linaclotide utilizado para el tratamiento de desoacuterdenes gastrointestinales lucinactant usado
para prevenir el siacutendrome respiratorio peginesatide usado para el tratamiento de anemia entre
otros
44 PRUEBAS DE CARGALIBERACIOacuteN
En la Fig 421 se observa como disminuyen los valores de densidad oacuteptica (DO600) en la
interaccioacuten BaFe12O19-DS-HaloTag a medida que el tiempo transcurre La disminucioacuten de DO600
indica que el peacuteptido DS-HaloTag es absorbido sobre la superficie de los sistemas
nanoestructurados de BaFe12O19 Como puede ser observado en la Figura 45 los valores de
DO600 se mantienen constante en ~ 0243 en un tiempo de 140 min lo cual indica que en este
punto los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 han alcanzado su saturacioacuten y por lo tanto no
pueden absorber maacutes cantidad de peacuteptido DS-HaloTag A partir de la graacutefica se determinoacute la
concentracioacuten de peacuteptido DS-HaloTag absorbido por los sistemas nanoestructurados de
BaFe12O19 Sabiendo que la concentracioacuten inicial (C1) del peacuteptido DS-HaloTag fue de 24 microgmicroL
y calculando la concentracioacuten remanente (C2) del peacuteptido DS-HaloTag en la salucioacuten acuosa lo
cual corresponde al momento de saturacioacuten de los sistemas nanoparticulados de BaFe12O19 (140
min) a una longitud de onda λ = 595 nm a partir de la ecuacioacuten de regresioacuten polinomial de orden
2 y = 2Endash05x2 ndash 00069x + 07866 y con un coeficiente de correlacioacuten R2 = 096021 se obtiene
una concentracioacuten C2 = 0268 microgmicroL por lo tanto la concentracioacuten absorbida de peacuteptido DS-
HaloTag por los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 corresponde a C1 - C2 = 213 microgmicroL
Asiacute el porcentaje de peacuteptido DS-HaloTag puede ser calculado a partir de la siguiente expresioacuten
85
Ecuacioacuten 41
donde
Cab = absorcioacuten de DS-HaloTag sobre los sistemas de BaFe12O19
C1 = concentracioacuten inicial de DS-HaloTag
C2 = concentracioacuten remanente de DS-HaloTag en solucioacuten acuosa
Por lo tanto
Cab = 875
Figura 421 Interaccioacuten BaFe12O19-DS-HaloTag La disminucioacuten en los valores de DO a medida que el tiempo
transcurre indica la absorcioacuten del peacuteptido por los agregados de BaFe12O19
86
Una vez saturados los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 se tomaron 10 microL de la solucioacuten
acuosa que contiene el peacuteptido DS a los cuales se les agrego 50 microL de buffer de lisis La mezcla
se llevoacute a ebullicioacuten por 10 min para ser cargada en un gel de poliacrilamida La Fig 422
muestra una electroforesis de un gel SDS-PAGE llevada a cabo a 200 V por 40 min La Fig
428(a) muestra la interaccioacuten entre los agregados de BaFe12O19 y el plaacutesmido pFN1A T7 Flexireg
y advierte como la concentracioacuten de la proteiacutena (columna izquierda) decrece (la intensidad de las
bandas se ve disminuida) lo cual indica que el peacuteptido DS es absorbido por los agregados de
BaFe12O19
Figura 422 Anaacutelisis visual SDS-PAGE de la interaccioacuten BaFe12O19-DS-HaloTag que muestra coacutemo disminuye la
cantidad de proteiacutena libre en el medio
Adicionalmente el anaacutelisis FTIR mostrado en la Fig 414 confirma que el peacuteptido DS-HaloTag
fue absorbido por los sistemas nanoparticulados de BaFe12O19 El espectro IR mostrado en la Fig
419 exhibe los enlacesgrupos funcionales del peacuteptido DS a 35508 cm-1
54503 cm-1
61603
cm-1
69926 cm-1
y 87333 cm-1
Puede ser observado que el enlacegrupo funcional a 87333 cm-
1 aparece en los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 cargados con el peacuteptido lo que
confirma su absorcioacuten por el sistema asiacute mismo el enlacegrupo funcional que aparece a 30984
87
cm-1
en los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 pudiera corresponder al observado en el
peacuteptido DS-HaloTag por la proximidad que eacuteste presenta Por otra parte los enlacesgrupos
funcionales a 54503 cm-1
61631 cm-1
y 69926 cm-1
que no aparecen en los sistemas
nanoestructurados de BaFe12O19 cargados con el peacuteptido pudieran corresponder a la parte de la
proteiacutena de bajo peso molecular lo cual puede estar de acuerdo con los resultados mostrados en
la Figura puesto que el gel de poliacrilamida (10) revela que en la interaccioacuten BaFe12O19-DS-
HaloTag los peacuteptidos que en su mayoriacutea son absorbidos son aquellos que corresponden a un peso
molecular grande
La absorcioacuten del peacuteptido DS-HaloTag sobre los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 puede
ser explicada a partir del hecho de que el potencial zeta (Fig 423) del sistema nanoestructura de
BaFe12O19 ζ BaFe12O19 tiene un valor negativo a un pH de 74 (pH al cual se llevoacute a cabo la
interaccioacuten) mientras que la carga superficial del peacuteptido DS ζ DS al mismo pH tiene un valor
positivo
Figura 423 Carga superficial (mV) en funcioacuten del pH para el peacuteptido DS-HaloTag y los sistemas nanoestructurados
de BaFe12O19
Ademaacutes el peacuteptido DS presenta residuos de aminoaacutecidos (aa) hidrofoacutebicos (Alanina (A)
Fenilalanina (F) Glicina (G) Isoleucina (I) Leucina (L) Metionina (M) Prolina (P) Valina (V)
Triptoacutefano (W)) e hidrofiacutelicos (Cisteiacutena (C) Asparagina (N) Glutamina (Q) Serina (S) Treonina
88
(T) Tirosina (Y)) y tomando en cuenta que BaFe12O19 en solucioacuten acuosa puede formar
hidroxilos (grupos OH) que pueden reaccionar con los radicales (R) de los aminoaacutecidos se
propone un modelo (Fig 424) de las posibles interacciones entre los sistemas nanoestructurados
de BaFe12O19 y el peacuteptido DS-HaloTag
Figura 424 Modelo propuesto para las posibles interacciones BaFe12O19-DS-HaloTag
La Fig 425 muestra el perfil de liberacioacuten del peacuteptido DS-HaloTag de los sistemas
nanoestructurados de BaFe12O19 cuando eacutestos fueron colocados en medio de cultivo F12K bajo
una atmoacutesfera de 5 de CO2 a 37 ordmC Es bien sabido que entre mayor sea la diferencia de
potencial zeta ζ coexistiraacute una mayor atraccioacuten entre partiacuteculas de carga superficial opuesta Por
lo tanto como puede ser observado en la graacutefica de carga superficial los valores de pH a los
cuales se promoveriacutea una mayor absorcioacuten de peacuteptido DS-HaloTag sobre los sistemas
nanoestructurados de BaFe12O19 estariacutean en pH 58-6 Sin embargo se decidioacute trabajar a un valor
de pH 74 debido a que la solucioacuten acuosa en la cual se encuentra el peacuteptido DS-HaloTag
originalmente tiene este valor Otras razones por las cuales se optoacute trabajar con este valor es que
al pH 74 sigue existiendo una carga superficial opuesta entre el peacuteptido DS-HaloTag y los
sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 mientras que una disminucioacuten en el valor de pH
pudiera provocar una desnaturalizacioacuten de la proteiacutena Una vez incubado en medio F12K bajo
89
condiciones de 5 CO2 y temperatura de 37 ordmC el CO2 tiene la funcioacuten de contrarrestar la
alcalinizacioacuten del medio debido a la actividad metaboacutelica propia de las ceacutelulas en cultivo y una
variacioacuten de pH hacia lo aacutecido o lo baacutesico hace que el peacuteptido sea liberado por parte de los
sistemas nanoparticulados de BaFe12O19 El medio F12K es un medio celular que fue
desarrollado principalmente para ceacutelulas de hepatocito humano asiacute tambieacuten para ceacutelulas de
hiacutegado de rata y pollo en un ambiente de suero reducido Para el presente estudio se trabajoacute con
medio F12K incompleto libre de ceacutelulas con la finalidad de verificar que el peacuteptido DS-HaloTag
fuera liberado precisamente al hecho de que el CO2 acidifica el medio causando variaciones en el
potencial zeta ζ de cada uno de los integrantes de la mezcla es decir los sistemas
nanoestructurados de BaFe12O19 y el peacuteptido DS-HaloTag
Figura 425 Perfiles de liberacioacuten del peacuteptido DS-HaloTag que muestra un aumento de la DO600 a medida que
transcurre el tiempo (t) El aumento en los valores de la DO600 indica que el peacuteptido DS-HaloTag es liberado de los
sistemas nanoestructurados de BaFe12O19
El uso de un disentildeo experimental fraccionario 2f nos permite evaluar el efecto que tienen
determinados paraacutemetros sobre una variable de respuesta Especiacuteficamente para este trabajo de
90
investigacioacuten las variables oslashagregado SBET Vmesoporo y oslashmacroporo fueron evaluadas a partir del efecto
de la temperatura y presioacuten en el proceso de secado por aspersioacuten y la concentracioacuten de agente
poroacutegeno utilizado durante la siacutentesis sol-gel A partir de los datos estadiacutesticos arrojados por el
anaacutelisis de varianza ANOVA se establece queacute paraacutemetros tienen un efecto significativo sobre la
variable de respuesta De esta manera el disentildeo experimental fraccionario 2f nos permitiraacute
optimizar el proceso de siacutentesis de los agregados nanoestructurados de BaFe12O19 para obtener la
morfologiacutea y estructura deseada lo cual a su vez tendraacute un efecto sobre las propiedades fiacutesicas
quiacutemicas y magneacuteticas del producto final
El uso de las teacutecnicas XRD SEM TEM BET FTIR y VSM proporcionoacute detalles necesarios en
cuanto a la caracterizacioacuten estructural morfoloacutegica y magneacutetica de los agregados de BaFe12O19
Asiacute a partir de los espectros de XRD fue observada la presencia de tres fases la fase hexagonal
BaFe12O19 la monoferrita de bario BaFe2O4 y la fase hematita Fe2O3 cuya coexistencia fue
confirmada por TEM Las propiedades magneacuteticas (Ms Mr y Hc) determinadas a partir de las
curvas de histeacuteresis obtenidas a partir de un VSM son afectadas por la morfologiacutea y estructura
macro-mesoporosa (observada por SEM y BET) asiacute como la mezcla de fases presentes en los
agregados de BaFe12O19 Las propiedades magneacuteticas sobre todo un comportamiento
superparamagneacutetico es perseguido para aplicaciones biomeacutedicas tal como los sistemas DDS
debido a que esta caracteriacutestica permite dirigir y focalizar un faacutermaco a un sitio especifico de
accioacuten mediante la aplicacioacuten de un campo magneacutetico externo Por lo tanto la concentracioacuten y
nuacutemero de dosificaciones puede ser reducida disminuyendo los efectos secundarios no deseados
Las caracteriacutesticas obtenidas en el presente trabajo de investigacioacuten hacen de los sistemas
nanoestructurados de BaFe12O19 un candidato como sistema de liberacioacuten de faacutermacos Esto fue
corroborado al evaluar la capacidad de carga de los sistemas de BaFe12O19 al ser cargados con el
peacuteptido DS usado como faacutermaco modelo La capacidad de carga asiacute como el perfil de liberacioacuten
del peacuteptido fueron evaluados por teacutecnicas de espectroscopia UV-vis FTIR SDS-PAGE
potencial zeta y anaacutelisis tipo Western blot El porcentaje de absorcioacuten del peacuteptido fue del peacuteptido
fue de 875
91
CAPIacuteTULO 5
CONCLUSIONES
92
CAPIacuteTULO 5 CONCLUSIONES
1- Agregados esfeacutericos nanoestructurados de BaFe12O19 de 17 microm con tamantildeo de
macroporo de 223 nm y tamantildeo de mesoporo entre 34 y 12 nm fueron disentildeados y
sintetizados exitosamente usando un disentildeo experimental 2f a traveacutes del meacutetodo sol-gel y
secado por aspersioacuten
2- Mediante un anaacutelisis estadiacutestico de varianza ANOVA se determinoacute que la presioacuten (P) es
el uacutenico factor significativo que afecta el tamantildeo de agregado de BaFe12O19 Por otra
parte ninguacuten paraacutemetro evaluado en el disentildeo 2f tuvo un efecto significativo sobre el
tamantildeo de macroporo Sin embargo el aacuterea superficial especiacutefica BET se vio afectada por
la concentracioacuten de agente poroacutegeno ( esferas de PS) asiacute como las combinaciones presioacuten-
poroacutegeno y temperatura poroacutegeno Por uacuteltimo los factores que mostraron un efecto
significativo sobre el volumen de mesoporo fueron la presioacuten y las combinaciones entre
presioacuten-poroacutegeno y temperatura poroacutegeno
3- La saturacioacuten magneacutetica Ms delos agregados BaFe12O19 varioacute entre 1424-4511 emug y
los valores de coercitividad Hc estuvieron entre 19465-427750 Oe Mostrando un
comportamiento magneacutetico semiduro con valores de Ms = 1424 y Hc = 19463 Oe para la
muestra calcinada a 700 degC
4- A partir del plaacutesmido pF1A T7 de la cepa T7 de E coli fue posible sintetizar el peacuteptido
DS mediante la induccioacuten con IPTG 2mM Por otra parte tambieacuten fue posible la siacutentesis
del peacuteptido DS a traveacutes de la transfeccioacuten de ceacutelulas CHO en cultivo celular con el vector
pFN21K Asiacute mismo fue posible la imnunodeteccioacuten del peacuteptido DS mediante la
utilizacioacuten de anticuerpos monoclonales anti-HaloTag El peacuteptido DS tiene gran
probabilidad de bloquear el dominio intracelular de Notch (NICD) que es un activo en
ceacutelulas canceriacutegenas
5- La capacidad de absorcioacuten del peacuteptido DS sobre los sistemas nanoestructurados de
BaFe12O19 fue del 875
93
TRABAJO A FUTURO Y RECOMENDACIONES
La capacidad de carga y perfil de liberacioacuten del peacuteptido DS fue probado en el presente trabajo de
investigacioacuten Por lo tanto la formulacioacuten empleada para el disentildeo y siacutentesis de los sistemas
nanoestructurados de BaFe12O19 hacen de estos sistemas un candidato para ser aplicados como
sistemas de liberacioacuten de faacutermaco Sin embargo debido a que la biocompatibilidad es un
requisito fundamental para ser aplicados en los sistemas bioloacutegicos es imprescindible realizar
estudios de citotoxicidad ya sea in vitro o in vivo por ejemplo los ensayos MTT los cuales se
basan en la capacidad de las ceacutelulas viables para reducir y convertir la sal de tetrazolio Bromuro
de 3-(45-dimetiltiazol-2-il)-25-difeniltetrazolio compuesto relativamente incoloro en formazan
una sustancia fuertemente lipofiacutelica de color morado El ensayo MTT es considerado como una
prueba de viabilidad que trabaja eficientemente en la mayoriacutea de los casos por lo tanto es
frecuentemente usada por si sola para evaluar la citotoxicidad in vitro particularmente para
evaluacioacuten de citotoxicidad en las nanopartiacuteculas
Asiacute mismo se recomienda realizar estudios sobre la modificacioacuten superficial de los agregados
nanoestructurados de BaFe12O19 por ejemplo a traveacutes de la PEGilacion el cual es un proceso de
unioacuten tanto covalente como no covalente de polietilenglicol (PEG) hacia la moleacutecula o estructura
a modificar O bien la modificacioacuten superficial pudiera llevarse a cabo empleando alguacuten otro
tipo de moleacutecula ya sean poliacutemeros proteiacutenas ADN etc Asiacute la modificacioacuten superficial
reduciraacute la inmunogenecidad y antigenecidad de la BaFe12O19 empleado como sistema portador
de faacutermaco Ademaacutes la modificacioacuten superficial permitiraacute enmascarar a la BaFe12O19 lo que le
permitiraacute evadir el sistema retiacuteculo endotelial y aumentar el tiempo de circulacioacuten en el torrente
sanguiacuteneo por lo tanto llegando a su sitio de accioacuten con mayor facilidad
94
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ANEXOS
CONSEJO NACIONAL DE CIENICA Y TECNOLOGIacuteA
CURRICULUM VITAE UacuteNICO
TORRES CADENAS SAMUEL
PRODUCCIOacuteN CIENTIFICA
ARTIacuteCULOS
2017 S Torres-Cadenas J Reyes-Gasga A Bravo-Patintildeo I Betancourt ME Contreras-Garciacutea Morphological
and magnetic properties of sol-gel synthetized meso and macroporous spheres of barium hexaferrite
(BaFe12O19) Journal of Magnetism and Magnetic Materials (2017) doi
httpdxdoiorg101016jjmmm201702018
2016 S Torres A Bravo ME Contreras BaO6Fe2O3 as DDS using tetracycline as model drug IOSR Journal of
Engineering (IOSRJEN) 11 (2016) 20-24 httpwwwiosrjenorgpagesvolume6-issue11(part-1)html
2016 S Torres-Cadenas A Bravo-Patiacutentildeo J Zarate-Medina ME Contreras-Garciacutea Nest-Like Barium
Hexaferrite Microspheres With Hierarchical Porous Structure for Drug Delivery Journal of Silicate Based
and Composite Materials
PARTICIPACIONES EN CONGRESOS
2016 Esferas Bioceramicas de Baomiddot6Fe2O3 con Estructura Tipo Nido Nacional VIII Congreso Nacional de
Cristalografiacutea II reunioacuten de la Sociedad Latinoamericana de Cristalografiacutea A Bravo-Patintildeo VS
Loacutepez-Aacutelvarez ME Contreras-Garciacutea Meacuterida Yucataacuten
2016 Nest-Like Barium Hexaferrite Microspheres With Hierarchical Porous Structure for Drug Delivery
Extranjero 4th
International Conference on Competitive Materials and Technology Processes A
Bravo-Patintildeo M E Contreras-Garciacutea Miskolc-Lillafured Hungay
2015 Baobull6Fe2O3A Vehicle for Drug Delivery Extranjero 14th
International Union of Materials Research
Societies-International Conference on Advanced Materials Alejandro Bravo Patintildeo Humberto
Contreras Cornejo Joseacute Antonio Rodriguez Torres Maria Eugenia Contreras Garciacutea Rep Popular
Democraacutetica Corea
2014 BaFe12O19 as Drug Delivery Vehicle A Morphological and Structural Studio Nacional 18th
International Microscopy Congress Alejandro Bravo Patintildeo Victor Sayil Loacutepez Aacutelvarez Mariacutea Eugenia
Contreras Garciacutea Meacutexico
102
2014 BaFe12O19 Como Sistema Nanoestructurado para Liberacioacuten de Faacutermacos Nacional AMIDIQ ldquoLa
Interdisciplinariedad en la Ingenieriacutea Quiacutemicardquo Alejandro Bravo Patintildeo Joseacute Antonio Rodriacuteguez Torres
Mariacutea Eugenia Contreras Garciacutea Meacutexico
2013 BaFe12O19 Nanoparticles ndash A scheme for Drug Delivery Internacional 12th
Inter-American
Microscopy Congress Alejandro Bravo Patintildeo Joseacute Antonio Rodriguez Torres Mariacutea Eugenia Contreras
Garciacutea Meacutexico
2013 Escuela de Materia Condensada y Nanociencia Nacional International Multidisciplinar Joint
Meeting Nanocience and Condensed Matter Physis Meacutexico
2013 IV Foro de Vinculacioacuten Universidad-Industria Nacional VIII Escuela de Materiales y
Nanotecnologiacutea Meacutexico
2013 Magnetic Nanoparticles Engineered To Drug Delivery Internacional XXII International Materials
Research Congress Alejandro Bravo Patioacute Maria Eugenia Contreras Garciacutea Meacutexico
2013 Microscopiacutea Electroacutenica de Barrido con FE SEM y Teacutecnicas EDS Extranjero 12th Inter-American
Microscopy Congress Colombia
Accepted Manuscript
Morphological and magnetic properties of sol-gel synthetized meso and mac-roporous spheres of barium hexaferrite (BaFe12O19)
S Torres-Cadenas Joseacute Reyes-Gasga A Bravo-Patintildeo I Betancourt MEContreras-Garciacutea
PII S0304-8853(16)32862-1DOI httpdxdoiorg101016jjmmm201702018Reference MAGMA 62474
To appear in Journal of Magnetism and Magnetic Materials
Received Date 31 October 2016Accepted Date 11 February 2017
Please cite this article as S Torres-Cadenas J Reyes-Gasga A Bravo-Patintildeo I Betancourt ME Contreras-Garciacutea Morphological and magnetic properties of sol-gel synthetized meso and macroporous spheres of bariumhexaferrite (BaFe12O19) Journal of Magnetism and Magnetic Materials (2017) doi httpdxdoiorg101016jjmmm201702018
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MORPHOLOGICAL AND MAGNETIC PROPERTIES OF SOL-GEL
SYNTHETIZED MESO AND MACROPOROUS SPHERES OF BARIUM
HEXAFERRITE (BaFe12O19)
S Torres-Cadenasa Joseacute Reyes-Gasgab A Bravo-Patintildeoc I Betancourtd M
E Contreras-Garciacuteaa
aInstituto de Investigaciones Metaluacutergicas y Materiales UMSNH Edificio U Ciudad Universitaria Santiago Tapia 403 Colonia Centro 58030 Morelia Meacutexico Email storres_chotmailcom eucontregmailcom
bInstituto de Fiacutesica UNAM Circuito de la Investigacioacuten sn Ciudad Universitaria
04510 Coyoacaacuten Meacutexico DF Meacutexico Email jreyesfisicaunammx
cCentro Multidisciplinario de Estudios en Biotecnologiacutea (CMEB) de la FMVZ UMSNH Posta Zooteacutecnica Km 85 carretera Morelia-Zinapecuaro CP 58890 col La Palma Tarimbaro Michoacaacuten Meacutexico Email brapalhotmailcom
dInstituto de Investigaciones en Materiales UNAM Ciudad de Meacutexico CP 04510 Meacutexico Email israelbiimunammx
Corresponding Author
Dr Joseacute Reyes-Gasga Instituto de Fiacutesica UNAM Circuito de la Investigacioacuten sn Ciudad Universitaria 04510 Coyoacaacuten Meacutexico DF Meacutexico Tel (5255) 56225083 Email jreyesfisicaunammx
Highlights
bull 15 microm porous spheres of BaFe12O19 were synthetized by the sol-gel
method
bull Surfactant Tween20 (C58H114O26) enabled the creation of the mesoporous
structure
bull Polystyrene spheres (PS) were used as the template for the formation of
macropores
bull Spheres resembled a nest or ball-of-yarn type of elongated BaFe12O19
crystals
bull Magnetic properties are evaluated as function of the calcination
temperature
Abstract
Porous spherical aggregates of barium hexaferrite (BaFe12O19) with 15 microm in
diameter were synthetized by the surfactant-assisted sol-gel method The
surfactant Tween20 (C58H114O26) which enables mesoporous structures as well
as polystyrene spheres (PS) as the template agent for the formation of
macropores were used Two synthetic routes (hereafter named A and B) whose
difference was the absence or presence of PS were followed for synthesis X-ray
diffraction (XRD) scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron
microscopy (TEM) in high resolution mode (HRTEM) were used for
characterization Size and morphology of the spheres were similar in both cases
and they resemble a nest or ball-of-yarn type structure Pore size and BaFe12O19
crystal size produced by the two routes are different The magnetic properties of
the spheres were evaluated using a vibrating sample magnetometer (VSM) as
function of the calcination temperature The spheres present ferromagnetic
behavior in both routes
Key words Barium hexaferrite Porous spherical aggregates Surfactant-assisted
sol-gel synthesis Morphological properties Magnetic properties
1 Introduction
In recent decades ceramic materials represent a prominent alternative in scientific
and technological development in a wide range of research fields Specifically
biomedical ceramic materials have been used in orthopedic applications dental
implants tissue regeneration and as drug delivery systems [1] Iron-oxide-based
materials including barium hexaferrite (BaFe12O19) are good Drug Delivery
System (DDS) candidates [2-4] because of their physical chemical and magnetic
properties These magnetic properties are highly necessary for response to an
external magnetic field to target for example the drug into a specific site in the
human body Moreover the BaFe12O19 magnetic microparticles with spherical
morphology have different applications such as permanent magnets [5] electronic
devices [6] gas sensors [7] catalytic supports [8] and more recently in biomedical
applications such as advanced functional magnetic materials for the treatment of
cancer through magnetic hyperthermia [9] contrast agents for MRI [10] and drug
delivery systems [11]
A variety of methods have been used for the synthesis of iron-oxide-based
bioceramics including co-precipitation hydrolysis hydrothermal synthesis inverse
microemulsion and the sol-gel method [12-14] Of these methods sol-gel has
attracted special interest because it allows the development of new materials with
good homogeneity and purity [15-17] In addition it is a relatively fast simple and
inexpensive method Moreover the kinetics of the chemical reactions carried out in
the synthesis is easily controlled by low temperatures processing [17] Unlike
classical methods for powder ceramic processing of BaFe12O19 that require high
calcination temperatures (1200-1300 degC) sol-gel produces the BaFe12O19
microparticles at rather low calcination temperature [18] In addition the use of
surfactant-assisted sol gel synthesis allows more disperse systems enabling the
formation of a larger number of ordered structures and the surfactant allows the
formation of micelles that also act as templates resulting in the formation of
mesopores after elimination of the surfactant by calcination during the thermal
treatment
Surfactant-assisted sol-gel synthesis as structure-directing agents or dispersants
and templates as macropore-forming agents is investigated in this work for the
production of ceramic microstructures designed with hierarchical porosity for
biomedical applications that require highly specific surface areas and the unique
design of materials capable of conducting fluids and interacting with cell tissues
Among the materials designed for these applications pore size distribution and
their interconnectivity determine the viability of the material for a such specific
application
Therefore in the present study BaFe12O19 spherical magnetic macro- and meso-
porous microparticles were synthetized by the surfactant-assisted sol-gel method
as well as polystyrene spheres (PS) as templates for formation microspheres and
dried by spray drying The morphological characterization and magnetic properties
of the spheres are compared as a function of thermal treatment temperature
2 Materials method and experimental procedure
21 Materials
Commercial reagent grade products were used without purification The reagents
were from Aldrich iron nitrate (III) nonahydrate Fe(NO3)3 9H2O barium carbonate
BaCO3 and surfactant Tween20 and from Merck ammonium hydroxide NH4OH
The hydrophilic nonionic surfactant Tween20 (C58H114O26) is an ester of
polyoxyethylene sorbitan with a molecular weight of 1225 Daltons calculated
assuming 20 units of ethylene oxide 1 sorbitol and lauric acid as the primary fatty
acid Monodisperse Polystyrene microspheres (PS) synthesized in the laboratory
were used as the pore-forming agent
22 Synthesis of BaFe12O19
Spheres of barium hexaferrite were synthesized by the sol-gel method either
assisted by surfactants (route A) or assisted by surfactants and templates (route
B) Figure 1 shows the flow diagram of routes A and B Two suspensions were
prepared in each route The first was composed of Fe(NO3)39H2O and BaCO3
salts with a stoichiometric molar ratio dissolved in deionized water The second
was formed by the surfactant Tween20 in aqueous solution Both suspensions
were mixed with constant magnetic stirring and during the reaction the pH of the
slurry was adjusted to 8 with NH4OH Route B included a third suspension
consisting of 30 wt polystyrene spheres in deionized water The PS were
monodispersed with a mean diameter of 200nm The PS suspension was added
to the mixture with constant magnetic stirring for 1h
The resulting suspension was subjected to spray drying using a Mini Spray Dryer
(Yamato ADL31) The conditions in the spray drying equipment for both routes
were determined by experimental design as drying temperature (T = 175 degC) and
drying pressure (P = 15 Kgcm2)
Powders obtained after spray drying (xerogels) were subjected to thermal
treatment for the elimination of organic agents surfactant and template (in each
case) structural water the formation of oxides and crystallization Four different
temperatures were evaluated in both routes for thermal treatment 700 800 900
and 1000 degC
23 Structural morphological chemical and magnetic characterization
Structural chemical and morphological analysis of the spheres was performed by
X-ray diffraction (XRD) scanning electron microscopy (SEM) and transmission
electron microscopy (TEM) in high resolution mode (HRTEM)
Samples were analyzed by X-ray diffraction on a Bruker diffractometer model D8
Advance using Cu Kα radiation (45 kV 30 mA) to determine the crystal structures
and phases presented Samples were scanned from 20deg to 80deg in 2θ and a
constant step of 002ordmseg
For microstructural characterization of the samples the scanning electron
microscope JEOL JSM-7600F and the transmission electron microscope FEG
Phillips Technai F20 were used The SEM was coupled with energy dispersive X-
ray spectroscopy equipment (EDS)
The Digital Micrograph software (Gatan Inc) was used for image analysis and the
linear Lynx software (Verfuumlgbare Software) was used for the statistical analysis of
the data Size distribution of the pores in the spherical aggregates was measured
by the Barrett-Joyner-Halenda (BJH) technique using a Quantachrome (St 1 on
NOVA touch 1LX) instrument
The analysis of the magnetic properties of the samples was performed using a
vibrating sample magnetometer (VSM LDJ 9600) at room temperature applying a
constant magnetic field of 5000 Oe Magnetic saturation (Ms) remnant
magnetization (Mr) and coercivity (Hc) values were obtained from the hysteresis
curves
3 Results
31 X-ray diffraction
Figure 2 shows the x-ray diffraction spectra of the samples obtained from routes A
and B at the calcination temperatures of 700 800 900 and 1000 degC as indicated
in Figure 1
Indexing the x-ray spectra indicates the coexistence of hexaferrite H = BaFe12O19
monoferrite O = BaFe2O4 and hematite F = Fe2O3 in all samples The phase H
(hexaferrite) is hexagonal (Open Database Crystallography card COD No
1008841) with lattice parameters a = b = 0589 nm and c = 2318 nm The O
(monoferrite) phase is orthorhombic (COD card No 4107896) with lattice
parameters a = 1899 nm b = 0538 nm c = 0844 nm The F (hematite) phase is
hexagonal (COD card No 9015964) with lattice parameters a = b = 0503 nm and
c = 1374 nm It is noteworthy that at the calcination temperature of 1000 degC the
major phase is H phase in both routes
As shown in Figure 2 the content of the H phase increases as the content of the F
phase decreases with temperature in both routes In route A the O phase is
present in all samples in route B the O occurs phase only in the sample treated at
700 degC However there is no clear evidence of preferential growth direction of any
phase in the XRD spectra
32 SEM images EDS spectra and spheres and pores size
SEM images indicate that all the samples obtained in routes A and B calcined at
different temperatures are spherical and substantially the same size Figure 3
shows the SEM image of the spheres obtained in route A and the insert which
shows a magnification of these spheres indicates that the spheres are
polycrystalline composed of mesopores and elongated nanometric crystals Figure
4 shows the SEM image of the spheres obtained through route B and the insert
shows that these spheres are also polycrystalline composed of meso- and macro-
pores and micrometric elongated crystals
Figure 5 shows the size distribution of the spheres observed in the samples of
routes A (Figure 5A) and B (Figure 5B) thermally treated at 700degC respectively
Although the average size is slightly different for the samples calcined at different
temperatures all these values are within the range indicated by the standard
deviation at about 15 microns Therefore all the spherical aggregates are
practically the same size The aggregate size is the result of the droplet size
produced in the nozzle of the spray dryer although the size can also be influenced
by the rheology of the gel slurry fed to the spray dryer
Figure 6 shows the size distribution of the pores in the spherical aggregates of
routes A and B For the mesoporous range as mentioned above this size
distribution was measured by the BJH technique In Figure 6A for the samples of
route A the average diameter of the pores in these samples are on the order of 57
plusmn 2 nm Figure 6B shows the case of the mesopores observed in the spheres
obtained by route B they are on the order of 12 plusmn 55 nm The macropores in the
spheres of route B have an average size of about 220 plusmn 53 nm (Figure 6C) This
last result is logical because the suspension fed in route B consists of spheres of
monomodal polystyrene whose average size is of about 250 nm in addition to the
gel
The micrometric-size spheres obtained by route A and route B are both composed
of elongated crystals or fibers but these crystals are of nanometric size for route
A while they are of 35 plusmn 7 nm wide and 300 plusmn 80 nm long for route B The
existence of an interconnected hierarchical pore structure in these spheres is
evident
EDS spectra from the spheres showed the characteristic peaks of barium (Ba) iron
(Fe) and oxygen (O) (Figure 7) [19] In these spectra the Cu peak comes from the
sample holder Therefore the composition of spheres obtained by both routes
contains the same elements as already shown by XRD This results also confirm
that no contamination was present in either route
33 TEM images
Figure 8 shows some of the HRTEM images of the elongated crystals which
conform the spheres obtained in routes A and B Note the nanometric size of the
elongated crystals of BaFe12O19 In some cases the coexistence of crystals of
BaFe12O19 with crystals of BaFe2O4 and Fe2O3 were observed These images
agree quite well with the results obtained by XRD and show the coexistence of a
mixture of phases in the synthesized spheres in both routes
34 Hysteresis loops and magnetic properties
One way to measure the magnetic properties is through the hysteresis loops
which affords the evaluation of macroscopic properties such as saturation
magnetization Ms remanence magnetization Mr and coercive field These
properties define the soft or hard magnetic character of the synthesized materials
Figure 9 shows the hysteresis loops at different calcination temperatures for the
samples obtained by the route A (Figure 9A) and the route B (Figure 9B) The
highest magnetization values are observed in the case of route B Table 1 shows
the magnetic properties of all the samples In general Ms Mr and Hc show an
increment as a function of the calcination temperature and coercivity (Hc)
increases with temperature in all the samples The lowest value of Mr is obtained in
the sample treated at 800 degC for route A In route B the lowest Mr value is obtained
for the sample treated at 700 degC There is also a clear change in the magnetic
behavior associated with the temperatures of the calcination treatment This
change must be related to the percentage of content of the different phases
presented in the samples and it must also be related to the size of the crystals
constituting the spherical aggregates
From Figure 9A and based on the values of coercivity shown in Table 1 the
samples obtained in the route A at temperatures of 700 800 and 900 degC behave as
semi-hard magnetic materials whereas the one obtained at 1000 degC behaves as a
hard magnetic material The shape of the hysteresis loop in the sample at 900 degC
is characteristic of a sample in which two phases coexist On the other hand
Figure 9B indicates that only the material obtained at 700 degC through route B
behaves as a semi-hard magnetic material the others show hard magnetic
material behavior The semi-hard ferromagnetic behavior in these materials makes
them good candidates for biomedical applications [20]
4 Discussion
The results clearly indicate that we succeed in developing a route for the synthesis
of porous spheres of barium hexaferrite with different pore sizes The porous
structures are of great interest in research because of their prominent applications
in different fields of science [21] For example they can be used to charge an
adequate amount of different types of molecules (ie drugs proteins andor
peptides) within the interior of the pore (and also on the surface of the structure)
thus acting as a drug carrier system [22] Mesopores are useful in applications
where interaction with fluids is part of the integration process in which molecules
will be exchanged in the system as in the case of drug delivery Macropores allow
the adsorption of large molecules such as proteins or peptides or even cells that
are currently of great interest in the development of new medical treatments based
on the lsquoin sitursquo drug delivery such as magnetofection [23] gene therapy [24] and
cell labeling [25]
In obtaining macropores the surface charge of the PS spheres and steric factors
play an important role in the self-assembly of BaFe12O19 precursor ions into the PS
particles [26] Pores in the spherical aggregates are consequently produced when
the system is subjected to thermal treatment (700 800 900 and 1000 degC) resulting
in the pyrolysis of the surfactant and the PS Thus the BaFe12O19 precursor ions
are adsorbed into the PS surface being embedded within the micrometer size
spherical aggregate during the spray drying This reaction can be considered a
typical polymerization reaction which means that polymerization takes place
between BaFe12O19 and PS particles contained in an aqueous phase [27] As a
result the PSBaFe12O19 hybrid particles are obtained
In regard to magnetic behavior the hysteresis loops indicate that materials
produced at temperatures of 700 800 and 900 degC in route A fall within the range of
semi-hard magnetic materials whereas at 1000 degC the material becomes a hard
magnetic material In the case of route B the material behaves like a semi-hard
magnetic material only at 700 degC The obtained materials behave like hard
magnetic materials from 800 degC to 1000 degC Analysis of the structural composition
of the spheres indicated that monoferrite (O) and hematite (F) phases are present
However the H phase is the major phase at the calcination temperature of 1000
degC
As shown in Table 1 a significant change occurred as function of calcination
temperature in the magnetic properties of the samples This change has also to be
related to the presence of the different phases Best combinations of magnetic
properties were Ms = 4467 emug and Hc = 479012 Oe for route A and Ms =
4511 emug and Hc = 479146 Oe for route B respectively
The coexistence of the H O and F phases has been reported as a general fact in
obtaining barium hexaferrite [28] The O phase presents an anomalous resonance
near 400 degC that could indicate a phase with magnetic behavior [29] The F phase
has anti-ferromagnetic ordering [30] and thus a characteristic low Ms (1105
emug) [31-33] Therefore for route B it is possible to attribute the observed Ms
variations to the variable content of this phase so that the sample with greater
amount of Fe2O3 (at 700 degC) presents a very low value of Ms Decreasing presence
of Fe2O3 (by progressively increasing the temperature) increases the proportion of
the hexaferrite phase and consequently the Ms values are significantly recovered
In route A the larger value of Ms is coupled with a larger value of Hc which must
be attributed to the presence of a large amount of hexaferrite phase By contrast in
the route B the largest value of Ms of the sample sintered at 1000 degC does not
imply a larger value of Hc (which is recorded for the sample sintered at 900 degC)
which is most like due to significance differences in particle size between the two
phases Samples with Hc gt 4000 Oe can be considered as materials with hard
magnetic behavior
Therefore it seems in this study a larger amount of the Fe2O3 phase obtained at
lower temperatures contributes to a decrement in the magnetic properties resulting
in semi-hard magnetic behavior while an increment in hard magnetic behavior can
mainly be attributed to a decrement in the amount of the Fe2O3 phase as the
BaFe12O19 phase increases
5 Conclusions
Porous spherical aggregates of barium hexaferrite (BaFe12O19) of approximately
15 microm in diameter and 200 nm pores were obtained by the sol-gel chemical
synthesis method using polystyrene (PS) as the pore-forming agent The
morphology of the spheres resembles a nest or ball-of-yarn type structure in which
the crystals belong to the barium hexaferrite phase as the major phase in
coexistence with the monoferrite (BaFe2O4) and hematite (Fe2O3) phases
However the barium hexaferrite phase is the major phase at the calcination
temperature of 1000 degC The magnetic properties of the spheres indicate that the
samples calcined at 700 degC present semi-hard magnetic behavior suggesting they
would be good candidates for use in biomedical applications
Acknowledgements
We thank to V S Loacutepez Alvarez and A Rodriguez Torres for the technical support STC acknowledges the Consejo Nacional de Ciencia y Tecnologiacutea (CONACYT) by scholarship and CIC-UMSNH for the financial support to this research
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[30] S Kamali N Shahmiri JS Garitaonandia J Aringngstroumlm M Sahlberg T Ericsson L Haumlggstroumlm Effect of mixing tool on magnetic properties of hematite nanoparticles prepared by solndashgel method Thin Solid Films 534 (2013) 260ndash264
[31] H Hao D Sun Y Xu P Liu G Zhang Y Sun D Gao Hematite nanoplates Controllable synthesis gas sensing photocatalytic and magnetic properties J Colloid Interf Sci 462 (2016) 315ndash324
[32] M Chirita I Grozescu Fe2O3-nanoparticles physical properties and their photochemical and photoelectrochemical applications Chem Bull Politehnica Univ (Timisoara) 54 (2009) 1-8
[33] NA Frey S Peng K Cheng S Sun Magnetic nanoparticles synthesis functionalization and applications in bioimaging and magnetic energy storage Chem Soc Rev 38 (2009) 2532ndash2542
Captions for figures
Figure 1 Flowchart of routes A and B followed for the synthesis of the barium hexaferrite spheres The main difference between the routes is that in route B the polystyrene spheres (PS) were added for generating macropores
Figure 2 XRD spectra of the samples obtained by the route A (A) and the route B (B) at the indicated calcination temperature H = BaFe12O19 O = BaFe2O4 F = Fe2O3 Note that at 1000 degC the phase H is the major both cases
Figure 3 SEM image of the spheres obtained in the synthesis route A The spheres are polycrystalline consisting of elongated crystals and nano-sized mesopores The insert shows a magnified view
Figure 4 SEM image of the spheres obtained in the synthesis route B The spheres are polycrystalline with elongated crystals of micrometer size and with meso- and macro-mesoporous structure The insert shows a magnified view
Figure 5 A) Size distribution of the spheres in samples of route A B) Size distribution of the spheres in samples of route B
Figure 6 Size distribution of the mesopores of the spheres measured by the BJH technique A) Route A 57 plusmn 2 nm B) Route B 12 plusmn 55 nm C) Size distribution of the macropores in the spheres of route B on average they are on the order of 220 plusmn 53 nm
Figure 7 EDS spectra of the spheres obtained in the route A (A) and in the route B (B) The spectra are similar for both routes and correspond to the elements Ba Fe and O
Figure 8 HRTEM images of the crystals of BaFe12O19 that make up the spheres obtained in the routes A (A-B) and B (C-D)
Figure 9 Hysteresis loops registered in the samples obtained by route A (A) and route B (B) at different calcination temperatures Note the difference in the magnetic behavior between the two routes in relation to the calcination temperature reaching higher magnetization values in the case of route B
Captions for table
Table 1
Magnetic properties of the samples calcined at different temperatures according to route A (A) and route B (B) The values were obtained from the hysteresis loops shown in Figure 9
Table 1
Magnetic Properties
Route Calcination temperature (degC)
Ms
(emug)
Mr
(emug)
Hc
(Oe)
A
700 2461 593 24220
800 1728 273 23451
900 2371 910 66740
1000 4467 2412 479012
B
700 1424 379 19465
800 1249 592 463160
900 2826 1527 479146
1000 4511 2410 427750
MORPHOLOGICAL AND MAGNETIC PROPERTIES OF SOL-GEL
SYNTHETIZED MESO AND MACROPOROUS SPHERES OF BARIUM
HEXAFERRITE (BaFe12O19)
S Torres-Cadenasa Joseacute Reyes-Gasgab A Bravo-Patintildeoc I Betancourtd M
E Contreras-Garciacuteaa
HIGHLIGHTS
bull 15 microm porous spheres of BaFe12O19 were synthetized by the sol-gel
method
bull Surfactant Tween20 (C58H114O26) enabled the creation of the mesoporous
structure
bull Polystyrene spheres (PS) were used as the template for the formation of
macropores
bull Spheres resembled a nest or ball-of-yarn type of elongated BaFe12O19
crystals
bull Magnetic properties are evaluated as function of the calcination
temperature
265-RXUQDORI(QJLQHHULQJ265-(1 ZZZLRVUMHQRUJ661H661S9ROVVXH 1RY__9__33
QWHUQDWLRQDORUJDQL]DWLRQRI6FLHQWLILF5HVHDUFK _3 D J H
D2ā)H2 DV6XVLQJWHWUDFFOLQHDVPRGHOGUXJ67RUUHV$UDYR0(ampRQWUHUDV
QVWLWXWRGHQYHVWLJDFLRQHV0HWDO~UJLFDV0DWHULDOHV8061+0RUHOLD0LFKRDFiQ0p[LFRampHQWUR0XOWLGLVFLSOLQDULRGH(VWXGLRVHQLRWHFQRORJtD8061+7DULPEDUR0LFKRDFiQ0p[LFR
$EVWUDFW 7KLVSDSHUIRFXVHVRQWKHORDGLQJDQGUHOHDVHVWXGLHVRIWHWUDFFOLQHDVPRGHOGUXJIURPVSKHULFDODJJUHJDWHVRIPLFURQVL]HDSSUR[ P LQGLDPHWHURIEDULXPKH[DIHUULWH D2ā)H2VQWKHWL]HGIURPZHWFKHPLFDOVROJHOPHWKRGYLDVSUDGULQJ D2ā)H2 DJJUHJDWHVZHUHFKDUDFWHUL]HGXVLQJ[UDGLIIUDFWLRQDQGVFDQQLQJHOHFWURQPLFURVFRS7KH ORDGFDSDFLWRID2ā)H2 VVWHPVZDVUHDFKHGDWPLQXWHVDIWHUFRQWDFW ZLWK WHWUDFFOLQH GUXJ 5HOHDVH RI WHWUDFFOLQH ZDV FRQILUP IURP ( FROL EDFWHULDO GHDWK ZKHQD2ā)H2 SDUWLFOHVZHUHLQFRQWDFWZLWKWKHEDFWHULDHZRUGV DULXP+H[DIHUULWHUXJHOLYHU6VWHP6ROHO0HWKRG7HWUDFFOLQH
17528amp721QUHFHQWGHFDGHVWKHELRPHGLFDOILHOGKDVDJUHDWVFLHQWLILFOHDSDYDULHWRIPDWHULDOVIRUH[DPSOH
GHQGULPHUPLFHOOHVHPXOVLRQVOLSRVRPHVQDQRSDUWLFOHVVWHPVgt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ā)H2 VQWKHVL]HGE WKH VROJHODQGVSUDGULQJPHWKRGZDVLQYHVWLJDWHG
(3(50(17$D2ā)H2 VQWKHVLV1DQRVWUXFWXUHGPDJQHWLFVSKHULFDODJJUHJDWHVRIEDULXPKH[DIHUULWHD2ā)H2ZHUHVQWKHVL]HGEPROHFXODU VHOIDVVHPEO E FKHPLFDO VROJHO PHWKRG DQG VSUD GULQJ Q EULHI VDOWV RI LURQ QLWUDWHQRQDKGUDWH)H12+26LJPD$OGULFKDQGEDULXPFDUERQDWHDamp2 6LJPD$OGULFKZHUHGLVVROYHG LQGHLRQL]HG ZDWHU E PDJQHWLF VWLUULQJ USP IRU PLQ LQ D PRODU UDWLR RI $ VHFRQG VXVSHQVLRQIRUPHG E VXUIDFWDQW 7ZHHQ 0HUFN ZDV GLVSHUVHG LQ GHLRQL]HG ZDWHU IRU PLQ DW USP RWKVXVSHQVLRQVZHUHPL[HGDJDLQEFRQVWDQWPDJQHWLFVWLUULQJIRUKRXUV7KHS+RIWKHUHVXOWLQJPL[WXUHZDVDGMXVWHG WR S+ XVLQJ DPPRQLXP KGUR[LGH1+2+7KHQ WKH UHVXOWLQJPL[WXUH ZDV IHG D WXEXODU GULQJFKDPEHURID0LQL6SUDUHUltDPDWR$WKURXJKDIORZRIKRWDLUDVFDUULHUJDV7KH SURFHVVRIVSUDGULQJZDVLQLWLDWHGEWKHJHQHUDWLRQRIGURSOHWVIURPWKHFROORLGDOVXVSHQVLRQIROORZHGEWKHDWRPL]DWLRQRIWKH OLTXLGDWD WHPSHUDWXUH7 ampDQGDSUHVVXUH3 NJFP UHVXOWLQJ LQ WKHSURGXFWLRQRISRZGHUVFRPSRXQGVRI VROLGSDUWLFOHV7KHQ WKHSRZGHUZDVFROOHFWHGEDFFORQHDQGVXEMHFWHG WRKHDW WUHDWPHQWRIampDWDKHDWLQJ UDWHRI ampPLQ IRUKRXUV IRU IXUWKHUFKDUDFWHUL]DWLRQ)LQDOO WKH ORDGLQJDQG UHOHDVHFDSDELOLWIURPWKHD2ā)H2 VVWHPVZDVWHVWHGXVLQJDQWLELRWLFWHWUDFFOLQHDVPRGHOGUXJD2ā)H2 ampKDUDFWHUL]DWLRQ7KHSRZGHUVKHDW WUHDWHGDWampDIWHU WKHSURFHVVRI VSUDGULQJZHUHFKDUDFWHUL]HGXVLQJ[UDGLIIUDFWLRQ RQ D UXNHU PRGHO $GYDQFH XVLQJ UDGLDWLRQ ampX Į N9 P$ DQG VFDQQLQJ HOHFWURQPLFURVFRSILHOGHPLVVLRQ)(6(0XVLQJDPLFURVFRSH-(2-60)
RDGLQJDQGUHOHDVHVWXGRIWHWUDFFOLQH7KHORDGFDSDFLWRID2ā)H2 VVWHPVZHUHGHWHUPLQHGESODFLQJPJRID2ā)H2 SRZGHULQFRQWDFW ZLWK D VWDQGDUG VROXWLRQ RI WHWUDFFOLQH PJP LQ FRQVWDQW PDJQHWLF VWLUULQJ 7HWUDFFOLQH LV D
EURDGVSHFWUXP DQWLELRWLF XVHG WR WUHDW D QXPEHU RI EDFWHULDO LQIHFWLRQV ZKLFK DFWV E LQKLELWLQJ SURWHLQVQWKHVLV $Q DOLTXRW RI WKH WHWUDFFOLQH VROXWLRQ FRQWDLQLQJ SDUWLFOHV D2ā)H2 ZDV WDNHQ DW PLQXWHLQWHUYDOV ILUVW DOORZLQJ WKH SUHFLSLWDWLRQ RI SRZGHUV D2ā)H2 7KHQ ZH DQDO]HG WKH FKDQJHV LQ RSWLFDOGHQVLW2RIWKHWHWUDFFOLQHVROXWLRQXVLQJD89YLVVSHFWURSKRWRPHWHUampDU3UREHVSHFWUXP89YLVVSHFWUD7KHGHFUHDVHLQ2YDOXHVLQGLFDWHGWKDWWKHWHWUDFFOLQHZDVDGVRUEHGRQD2ā)H2 SDUWLFOHV7KH
D2Acirc)H2 DV6XVLQJWHWUDFFOLQHDVPRGHOGUXJ
QWHUQDWLRQDORUJDQL]DWLRQRI6FLHQWLILF5HVHDUFK _3 D J H
RSWLFDOGHQVLWPHDVXUHPHQWVZHUH WDNHQXQWLOREVHUYLQJVWDELOL]DWLRQ LQ WKH2UHDGLQJ7KXV LQGLFDWLQJ WKHPD[LPXP ORDG RI WHWUDFFOLQH RQ D2ā)H2 SDUWLFOHV 7R SHUIRUP WKH UHOHDVH VWXGLHV RI WHWUDFFOLQH IURPD2ā)H2 VVWHPV ZH FRQWLQXHG DV LQGLFDWH EHORZ $ KRH RI WKH OXH VWUDLQ RI (VFKHULFKLD FROL6WUDWDJHQH gtUHF$ HQG$ JU$ WKL KVG5 VXS( ODF=0 7Q FDP 7amp5V ZKLFK ZDVGLVWULEXWHGRQDJDUVROLGZDVWDNHQDQGLWLQFXEDWHGRYHUQLJKWDWamp7KHQDRXQJFRORQZDVVHOHFWHGDQGLQRFXODWHGLQWRPRIOLTXLGPHGLXPLQFXEDWLQJDWampRYHUQLJKWDWUSP7KHQPRIOLTXLGZHUH SODFHG LQ D P(UOHQPHHU IODVN LWZDV DGGHG PRI SUHLQRFXOXP DQG WKHD2ā)H2SDUWLFOHVFKDUJHGZLWK WHWUDFFOLQH$ ILUVW UHDGLQJRIRSWLFDOGHQVLWZDV WDNHQDW2ZKLFK LV WKH2DWWLPH ]HUR 7KH PHGLXP ZDV LQFXEDWHG DW amp DW USP $1( LQFXEDWRU VKDNHU DQG DWSUHGHWHUPLQHGWLPHVPDOLTXRWVZHUHWDNHQWRPHDVXUHWKH2 XQWLOVWDELOL]DWLRQLQWKH2 YDOXHV)RUUHIHUHQFH LQ WKH LQWHUSUHWDWLRQRI UHVXOWV WZRFRQWUROVZHUHSUHSDUHG7KH ILUVW FRPSRVHG VROHORI OLTXLGPHGLXPSOXVSUHLQRFXODWHG7KHVHFRQGFRPSRVHGIURPOLTXLGSUHLQRFXOXPSOXVXQFKDUJHGD2ā)H2SDUWLFOHV)RUERWKFRQWUROVZDVFDUULHGRXWWKHVDPHSURFHGXUHDVWKHWHVW
5(6876 $16amp866217KHSDWWHUQRI[UDGLIIUDFWLRQIRUWKHVDPSOHFDOFLQHGDWampVKRZQLQ)LJXUHLQGLFDWHVWKDWWKH
VDPSOHWKXVREWDLQHGLVFRPSRVHGRIDPL[WXUHDUHFUVWDOOLQHSKDVHV PRVWOEDULXPKH[DIHUULWHD)H2 ZLWKD KH[DJRQDO VWUXFWXUH WRJHWKHU ZLWK KHPDWLWH )H2 KDYLQJ DQ KH[DJRQDO VWUXFWXUH DQG WR D OHVVHU DPRXQWEDULXPPRQRIHUULWH D)H2ZLWKDQRUWKRUKRPELFVWUXFWXUH6HYHUDODXWKRUVgtKDYHUHSRUWHGWKHVQWKHVLVRID)H2 DWGLIIHUHQWWHPSHUDWXUHVLQZKLFKFRH[LVWDPL[WXUHVLPLODUWRWKHSKDVHVREWDLQHGLQWKLVUHVHDUFKRU WKH SUHVHQFH RI RQH RUPRUH GLIIHUHQW SKDVHV WR WKRVH VKRZQ KHUH 7KH GLIIHUHQFH LQ WKH SUHVHQFH RI WKHGLIIHUHQW SKDVHV DV ZHOO DV WKH ZHLJKW UDWLR RI WKH SKDVHV SUHVHQW FDQ EH LQIOXHQFHG E IDFWRUV VXFK DV WKHVQWKHVLVPHWKRGWSHRISUHFXUVRUVDOWVDQGWKHLUPRODUUDWLR WHPSHUDWXUHDQGUHVLGHQFHWLPHKHDWWUHDWPHQWDPRQJRWKHUVQJHQHUDODQLQFUHDVHLQWKH FDOFLQDWLRQWHPSHUDWXUHOHDGVWRLQFUHDVHGVDPSOHFUVWDOOL]DWLRQDQGJUHDWHUSXULWRIWKHD)H2 SKDVHDVKDVEHHQVKRZQHOVHZKHUH+RZHYHUDOWKRXJKKLJKHUWHPSHUDWXUHVFDQEHREWDLQHGD)H2 KLJKHUSXULWKLJKHU WHPSHUDWXUHVSURGXFH ODUJHUSDUWLFOH VL]H UHVXOWLQJ LQREWDLQLQJDKDUG PDJQHWLF PDWHULDO ZLWK PDJQHWLF SURSHUWLHV XQVXLWDEOH IRU ELRPHGLFDO DSSOLFDWLRQV LQ ZKLFK DVXSHUSDUDPDJQHWLFEHKDYLRU LV UHTXLUHGEHFDXVH WKLVGRHVQRW UHWDLQPDJQHWLVPDIWHU UHPRYDORI WKH PDJQHWLFILHOGgt
)LJ UDGLIIUDFWLRQSDWWHUQIRUDVDPSOHFDOFLQHGDWamp7KH5SDWWHUQVKRZVWKHSUHVHQFHRIWKUHHFUVWDOOLQHSKDVHV+ D2ā)H2) )H2 DQG2 D)H2
)LJXUHVKRZVDUHSUHVHQWDWLYH6(0LPDJHLQZKLFKQDQRVWUXFWXUHGVSKHULFDODJJUHJDWHVDUHREVHUYHGDSSUR[P LQGLDPHWHU 7KHLQVHUWLQWKHLPDJHVKRZVWKDWWKHDJJUHJDWHVDUHIRUPHG EQDQRPHWHUVL]HG
SDUWLFOHVQP
D2Acirc)H2 DV6XVLQJWHWUDFFOLQHDVPRGHOGUXJ
QWHUQDWLRQDORUJDQL]DWLRQRI6FLHQWLILF5HVHDUFK _3 D J H
)LJ VKRZV DUHSUHVHQWDWLYH6(0LPDJHLQZKLFKQDQRVWUXFWXUHGVSKHULFDODJJUHJDWHVDUHREVHUYHGDSSUR[P LQGLDPHWHU
7KHORDGFDSDFLWRID2ā)H2 SRZGHUVZDVREVHUYHGZKHQDQDO]LQJWKHGHFUHDVHLQWKH2YDOXHVIURPWKHWHWUDFFOLQHVROXWLRQLQFRQWDFWZLWKD2ā)H2 SDUWLFOHV7KHWHWUDFFOLQHFRQFHQWUDWLRQRIPJPHQVXUHV NLOOLQJ EDFWHULD ZKHQ LQ FRQWDFW )LJXUH VKRZV WKH GHFUHDVH LQ 2 YDOXHV ZKHQ WKH WHWUDFFOLQHVROXWLRQNHSWLQFRQWDFWZLWKWKHD2ā)H2 SDUWLFOHV7KLVLQGLFDWHVWKDWWHWUDFFOLQHZDVDGVRUEHGESDUWLFOHVRI D2ā)H2 )XUWKHUPRUH LW FDQ EH VHHQ IURP WKH JUDSK WKDW DW PLQ WKH D2ā)H2 SDUWLFOHV KDYHDGVRUEHGDOOSRVVLEOHWHWUDFFOLQHUHDFKLQJWKHLUVDWXUDWLRQ
)LJ YDULDWLRQLQRSWLFDOGHQVLWYDOXHVLQGLFDWLQJWKHDEVRUSWLRQRIWHWUDFFOLQHRQ D2ā)H2 VVWHPV
$IWHUWKHD2ā)H2 SDUWLFOHVZHUHORDGHGZLWKWHWUDFFOLQHWKHVHZHUHSODFHGLQDFXOWXUHPHGLXPIRU(FROL LQRUGHUWRWHVWWKHUHOHDVHRIWHWUDFFOLQH)LJXUHVDQGVKRZWKHHIIHFWRIWKHD2ā)H2 SDUWLFOHVORDGHG ZLWK WHWUDFFOLQH RQ JURZWK RI EDFWHULD 7KH GHFUHDVH LQ WKH 2 RI WKH FXOWXUH PHGLXP RI ( FROLLQGLFDWHVLQKLELWLRQDQGGHDWKRIWKHEDFWHULDQ)LJXUHDGHFUHDVHLQ2YDOXHVZHUHVHHQZKHQWKHEDFWHULDZDV LQ FRQWDFWZLWK WKHD2ā)H2 SDUWLFOHV ORDGHG ZLWK WHWUDFFOLQH DVZHOO DV WKH XQFKDUJHGD2ā)H2SDUWLFOHV +RZHYHU WKH GHFUHDVH LQ 2 ZDV PRUH UHPDUNDEOH ZKHQ WKH EDFWHULD FRPH LQ FRQWDFW ZLWKD2ā)H2 SDUWLFOHV ORDGHGZLWK WHWUDFFOLQH)LJXUHVKRZV WKHJURZWKFXUYHH[SUHVVHG LQFRORQIRUPLQJXQLWVamp)8HYDOXDWHGDVDQXPEHURIamp)8NLQHWLFVYHUVXV WLPH7KHNLQHWLFEHKDYLRUFRUUHVSRQGVWRDQRUPDOJURZWK UHDFKLQJ D PD[LPXP DW PLQXWHV DQG GHFUHDVLQJ WKHUHDIWHU 7KLV FXUYH LV PRGLILHG LQ PHGLDFRQWDLQLQJWKHD2ā)H2 SDUWLFOHVZLWKDQGZLWKRXWWHWUDFFOLQHQWKHSUHVHQFHRISDUWLFOHVRID2ā)H2
D2Acirc)H2 DV6XVLQJWHWUDFFOLQHDVPRGHOGUXJ
QWHUQDWLRQDORUJDQL]DWLRQRI6FLHQWLILF5HVHDUFK _3 D J H
WKHEDFWHULDKDYHDFRPSOHWHOGLIIHUHQWEHKDYLRUGHFUHDVLQJWKHamp)8 LQLWLDOOWRKDYHDPLQLPXPPLQXWHVDQG WKHQ JUDGXDOO LQFUHDVH KHQ LQ WKH PHGLD FRQWDLQLQJ WKH D2ā)H2 QDQRSDUWLFOHV ORDGHG ZLWKWHWUDFFOLQH WKH EHKDYLRU RI WKH JURZWK FXUYH FKDQJHV FRPSOHWHO VLQFH IURP WKH ILUVW PLQXWHV DQ HIIHFWVXJJHVWLQJLQKLELWLRQDQGGHDWKRIWKHEDFWHULDLVSUHVHQWHGVXJJHVWLQJWKDWWKHUHOHDVHWHWUDFFOLQHLVJLYHQLQDJUDGXDOZD
)LJ YDULDWLRQLQRSWLFDOGHQVLWYDOXHVGXHWRWKHHIIHFWRIWKHD2ā)H2 SDUWLFOHVORDGHGZLWKWHWUDFFOLQHRQJURZWKRIEDFWHULD
)LJ YDULDWLRQLQamp)8RI(FROL GXHWRWKHHIIHFWRID2ā)H2 SDUWLFOHVORDGHGZLWKWHWUDFFOLQHRQJURZWKRIEDFWHULD9 amp21amp8621
D2ā)H2 VSKHULFDO DJJUHJDWHV LQPLFURPHWHU VL]HZHUH VXFFHVVIXOO VQWKHVL]HG IURPDFKHPLFDOZHWVROJHOPHWKRGYLDVSUDGULQJRDGLQJDQGUHOHDVHVWXGLHVRIWHWUDFFOLQHDVDPRGHOGUXJVKRZVWKDWWKHD2ā)H2 VVWHPVFDQEHDJRRGFDQGLGDWHVDVGUXJGHOLYHUVVWHPV
9 $amp12((0(176HDFNQRZOHGJH WKHampRQVHMR1DFLRQDOGHampLHQFLD7HFQRORJtDamp21$amplt7EVFKRODUVKLSDQGampamp
8061+IRUWKHILQDQFLDOVXSSRUWWRWKLVUHVHDUFK5()(5(1amp(6
gt 0$UUXHER5)HUQiQGH]3DFKHFR05EDUUDDQG-6DQWDPDUtD0DJQHWLFQDQRSDUWLFOHVIRUGUXJGHOLYHU1DQRWRGD
gt )HOLFH 0 3 3UDEKDNDUDQ $ 3 5RGUtJXH] 6 5DPDNULVKQD UXJ GHOLYHU YHKLFOHV RQ D QDQRHQJLQHHULQJ SHUVSHFWLYH0DWHULDOV6FLHQFHDQG(QJLQHHULQJamp
gt 7 RQ]iOH]ampDUUHxR 03 0RUDOHV amp- 6HUQD DULXP IHUULWH QDQRSDUWLFOHV SUHSDUHG GLUHFWO E DHURVRO SUROVLV 0DWHULDOVHWWHUV plusmn
D2Acirc)H2 DV6XVLQJWHWUDFFOLQHDVPRGHOGUXJ
QWHUQDWLRQDORUJDQL]DWLRQRI6FLHQWLILF5HVHDUFK _3 D J H
gt 3 5HQ - XDQ ampKHQJ QIOXHQFH RI KHDW WUHDWPHQW FRQGLWLRQV RQ WKH VWUXFWXUH DQG PDJQHWLF SURSHUWLHV RI EDULXP IHUULWHD)H2 KROORZPLFURVSKHUHVRIORZGHQVLW0DWHULDOVampKHPLVWUDQG3KVLFV plusmn
gt $$WDLHDQG$0DOLampKDUDFWHULVWLFVRIEDULXPKH[DIHUULWH QDQRFUVWDOOLQHSRZGHUVSUHSDUHGEDVROJHOFRPEXVWLRQPHWKRGXVLQJLQRUJDQLFDJHQW-(OHFWURFHUDPLF
gt $ KDVHPL 5 6 $ODP $ 0RULVDNR 3UHSHUDWLRQ DQG PDJQHWLF SURSHUWLHV RI KH[DJRQDO EDULXP IHUULWH ILOPV XVLQJ D0QDQRSDUWLFOHV3KVLFD
gt 0ampKRL6ampKRlt6RQJ6DHN+LP--XQJ+HHamp3DUN63DUNltLP6QWKHVLVDQGFKDUDFWHUL]DWLRQRIKROORZD)H2 VXEPLFURQVSKHUHVIRUDGYDQFHIXQFWLRQDOPDJQHWLFPDWHULDOVampXUUHQW$SSOLHG3KVLFV gt ampDL-DQJLDQJ-XRlt+RX+DRltX(IIHFWRI1D12IRDPLQJDJHQWRQEDULXPIHUULWHKROORZPLFURVSKHUHVSUHSDUHGEVHOIUHDFWLYHTXHQFKLQJWHFKQRORJ-RXUQDORI$OORVDQGampRPSRXQGV plusmn
gt X -3DUNlt+RQJ$0DQH(WKOHQHJOFRODVVLVWHGVSUDSUROVLV IRU WKHVQWKHVLVRIKROORZD)H2VSKHUHV0DWHULDOVHWWHUV plusmn
gt 0 ampKRL 6 ampKR lt 6RQJ ampKRL 6 3DUN lt LP 1RYHO VQWKHVL]LQJ PHWKRG RI D)H2 PLFUR URG DQG LWV VXSHULRUFRHUFLYLWZLWKVKDSHDQLVRWURS0DWHULDOVHWWHUV plusmn
gt $XSWD0XSWD6QWKHVLVDQGVXUIDFHHQJLQHHULQJRI LURQR[LGHQDQRSDUWLFOHVIRUELRPHGLFDODSSOLFDWLRQVLRPDWHULDOV plusmn
gt 96KXEDHY753LVDQLF6-LQ0DJQHWLFQDQRSDUWLFOHVIRUWKHUDJQRVWLFV$GYDQFHGUXJHOLYHU5HYLHZV plusmn
gt 1$)UH63HQJampKHQJDQG66XQ0DJQHWLFQDQRSDUWLFOHVVQWKHVLVIXQFWLRQDOL]DWLRQDQGDSSOLFDWLRQVLQELRLPDJLQJDQGPDJQHWLFHQHUJVWRUDJHampKHP6RF5HY plusmn
gt 17UDQDDQG7-HEVWHU0DJQHWLFQDQRSDUWLFOHVELRPHGLFDODSSOLFDWLRQVDQGFKDOOHQJHV-0DWHUampKHP plusmn
gt $ )LJXHUROD 5 L ampRUDWR 0DQQD 7 3HOOHJULQRD )URP LURQ R[LGH QDQRSDUWLFOHV WRZDUGV DGYDQFHG LURQEDVHG LQRUJDQLFPDWHULDOVGHVLJQHGIRUELRPHGLFDODSSOLFDWLRQV3KDUPDFRORJLFDO5HVHDUFK plusmn
Publisher Szilikaacutetipari Tudomaacutenyos Egyesuumllet 1034 Budapest Beacutecsi uacutet 122-124 Telephonefax 06-1201-9360 E-mail infoszteorghu WEB wwwszteorghu Editor-in-Chief Dr Borosnyoacutei Adorjaacuten E-mail epitoanyagszteorghu WEB wwwepitoanyagorghu
A c c e p t a n c e o f M a n u s c r i p t
Dear authors
We are happy to inform you that the Editorial Board of eacutepiacutetőanyag ndash Journal of Silicate Based and
Composite Materials has made a decision on the following manuscript
S Torres-Cadenas A Bravo-Patintildeo J Zarate-Medina ME Contreras-Garciacutea
Nest-like BaObull6Fe2O3 microspheres with hierarchical porous structure for drug delivery
Suggestion accepted for publication
Your manuscript is now with the Editorial Office We call your attention that publication of the
paper will be possible after the approval of the final proof of the manuscript
Thank you for submitting your scientific results to eacutepiacutetőanyag ndash Journal of Silicate Based and
Composite Materials We wish further success for your research activities
Budapest 5 January 2017
Dr Borosnyoacutei Adorjaacuten
Editor-in-Chief
- TD STC (2)
- ANEXO 1
- ANEXO 2
- ANEXO 3
-
- Dear authors
-
- Budapest 5 January 2017
-
8
Figura 410 Celda unitaria de BaFe12O19 obtenidas usando los valores indicados en [27] y
observada en la direccioacuten [10-10] (a) y en la direccioacuten [21-10] (b) Tambieacuten se presentan las
unidades S y R El plano que contiene a Ba es un plano espejo Ba en verde Fe en amarillo y O
en rojo 72
Figura 411 Simulacioacuten computacional de imaacutegenes de HRTEM en las direcciones [0001] (a)
[10-10] (b) y [2-1-10] (c) Se presenta la proyeccioacuten de la celda BaFe12O19 en las direcciones
indicadas la simulacioacuten de su imagen en el desenfoque de Scherzer y su correspondiente patroacuten
de difraccioacuten del aacuterea selecta simulado Las condiciones de simulacioacuten fueron V = 200 KV
desenfoque de Scherzer en -5485 nm y 4x4x4 celdas Ba en verde Fe en amarillo y O en rojo73
Figura 412 Imagen de HRTEM en la direccioacuten [1-100] de uno de los cristales alargados que
conforman los agregados de BaFe12O19 y la imagen computacionalmente simulada en la misma
direccioacuten En este caso la imagen de HRTEM no presenta defectos Tambieacuten se incluyen las
posiciones de los aacutetomos en la celda unitaria Ba en verde Fe en amarillo y O en rojo 74
Figura 413 Isotermas de adsorcioacutendesorcioacuten BET para (a) muestra con 50 de esferas de PS
bajo condiciones de secado por aspersioacuten de 200 degC y 20 Kgcm2 y (b) muestra con 30 de
esferas de PS bajo condiciones de secado por aspersioacuten de 180 degC y 15 Kgcm2 Las muestras
fueron calcinas a 700 degC 75
Figura 414 Espectro Infrarrojo (IR) que muestra los enlacesgrupos funcionales a nuacutemeros de
onda (cm-1
) especiacuteficos correspondientes al peacuteptido DS-HaloTag libre y los sistemas
nanoestructurados de BaFe12O19 libres y cargados con el peacuteptido 76
Figura 415 Curvas de histeacuteresis de los agregados de BaFe12O19 calcinados a diferentes
temperaturas Los valores de las muestras fueron tomadas a temperatura ambiente y 5000 Oe 77
Figura 416 Extraccioacuten de ADN plasmiacutedico La columna 1 es referida al marcador Kb Plus
DNA Ladder de peso molecular conocido (pares de bases pb) El marcador se compone de 20
bandas de ADN de alta pureza de doble cadena que abarca 100 pb hasta 12000 pb La columna 2
representa el ADNp de la cepa NEB (New England Biolab) T7 DS Ademaacutes puede ser observado
en la columna 2 la presencia de tres bandas a) es referida al ADNp relajado b) describe el ADNp
enrollado y c) explica el ADNp suacuteper-enrrollado 79
Figura 417 Separacioacuten de proteiacutenas por electroforesis en gel SDS-PAGE 80
9
Figura 418 Imaacutegenes del microscopio oacuteptico en las cuales se puede observar la expresioacuten de un
gen reportero indicando las ceacutelulas CHO han sido transfectadas 81
Figura 419 Anaacutelisis tipo Western blot La proteiacutena de intereacutes DS-HaloTag aparece a una altura
de 61 ~KDa 82
Figura 420 Histograma de distribucioacuten de aminoaacutecidos 83
Figura 421 Interaccioacuten BaFe12O19-DS-HaloTag La disminucioacuten en los valores de DO a medida
que el tiempo transcurre indica la absorcioacuten del peacuteptido por los agregados de BaFe12O19 85
Figura 422 Anaacutelisis visual SDS-PAGE de la interaccioacuten BaFe12O19-DS-HaloTag que muestra
coacutemo disminuye la cantidad de proteiacutena libre en el medio 86
Figura 423 Carga superficial (mV) en funcioacuten del pH para el peacuteptido DS-HaloTag y los
sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 87
Figura 424 Modelo propuesto para las posibles interacciones BaFe12O19-DS-HaloTag 88
Figura 425 Perfiles de liberacioacuten del peacuteptido DS 89
IacuteNDICE DE TABLAS
Tabla 3I Factores a evaluar en el disentildeo experimental A) Presioacuten (P) B) Temperatura (T) y C)
Concentracioacuten de poliestireno usado como agente poroacutegeno (PS) Cada uno de los paraacutemetros
presenta un nivel bajo (-) y un nivel alto (+) 46
Tabla 3II Matriz del disentildeo experimental 47
Tabla 4I Variables de respuesta (oslashagregado SBET Vmesoporo oslashmacroporo) del disentildeo experimental
fraccionario 2f como resultado del efecto de los factores P T y PS 61
Tabla 4II Anaacutelisis de variancia ANOVA 62
Tabla 4III Propiedades magneacuteticas de los agregados porosos de hexaferrita de bario 78
Tabla 4IV Informacioacuten de secuencia 82
Tabla 4V Tabla de distribucioacuten de aminoaacutecidos 83
10
RESUMEN
Hoy en diacutea existe una gran variedad de formulaciones para la siacutentesis de materiales
nanoestructurados a base de oacutexido de hierro para aplicaciones biomeacutedicas El objetivo del
presente trabajo fue disentildear y sintetizar agregados nanoestructurados de hexaferrita de bario
(BaFe12O19) de tamantildeo micromeacutetrico con jerarquiacutea meso-macroporosa usando el meacutetodo sol-gel
y secado por aspersioacuten Usando un disentildeo experimental factorial 2f se evaluaron la concentracioacuten
( peso) de agente poroacutegeno y los paraacutemetros de temperatura (T) y presioacuten (P) en el proceso de
secado por aspersioacuten para determinar el efecto de estas variables sobre el tamantildeo de agregado de
BaFe12O19 y el tamantildeo de macroporo A parir de teacutecnicas de caracterizacioacuten tales como XRD
SEM y TEM se determinoacute la estructura morfologiacutea y composicioacuten de los polvos de BaFe12O19
Se obtuvieron agregados esfeacutericos de 17 μm de diaacutemetro con una estructura meso-macroporosa
determinada a partir de SEM y BET El tamantildeo de macroporo fue de aproximadamente 223 nm y
el tamantildeo de mesoporo varioacute entre 34 nm y 12 nm Asiacute mismo mediante VSM se obtuvieron
curvas de histeacuteresis a partir de las cuales se determinoacute las propiedades magneacuteticas de los
agregados de BaFe12O19 A una temperatura de calcinacioacuten de 700 degC se obtuvo un material con
comportamiento semiduro cuyos valores de magnetizacioacuten de saturacioacuten y campo coercitivo
fueron Ms = 1424 emug y Hc = 19465 Oe respectivamente Finalmente los agregados de
BaFe12O19 fueron probados como portadores de moleacuteculas con actividad bioloacutegica para ello se
usoacute el peacuteptido DS como faacutermaco modelo sintetizado a partir de los plaacutesmidos pF1A T7 Flexireg y
pFN21K a partir de la cepa T7 de Escherichia coli Se determinoacute la capacidad de carga y perfil de
liberacioacuten del peacuteptido DS mediante las teacutecnicas de SDS-PAGE FTIR anaacutelisis tipo Wester blot y
UV-vis El porcentaje de absorcioacuten del peacuteptido DS por los agregados nanoestructurados de
BaFe12O19 fue de 875 Por lo tanto los agregados esfeacutericos nanoestructurados con jerarquiacutea
meso-macroporosa obtenidos en el presente trabajo de investigacioacuten pueden ser considerados
como candidatos para ser aplicados en el aacuterea biomeacutedica como sistemas de liberacioacuten de faacutermaco
Palabras clave BaFe12O19 sistemas nanoestructurados macro-mesoporosidad meacutetodo sol-gel
secado por aspersioacuten disentildeo experimental
11
ABSTRACT
Nowadays there is a great variety of formulations for the synthesis of nanostructured materials
based on iron oxide with biomedical applications The aim of the present work was to design and
synthesize nanostructured macro-mesoporous hierarchical spherical aggregates of barium
hexagonal ferrite BaFe12O19 using the sol-gel method through molecular self-assembly and spray-
drying Therefore using a 2f
factorial experimental design the concentration (wt) of template
and the parameters of temperature (T) and pressure (P) in the spray drying process were
evaluated to determine the effect of these variables on the aggregate size of BaFe12O19 and the
size of macropore Characterization techniques such as XRD SEM and TEM determined the
structure morphology and composition of the BaFe12O19 powders obtained after the spray-drying
process Spherical aggregates of 17 μm were obtained with a meso-macroporous structure
determined from SEM and BET The macropore size was about 223 nm and the mesopore size
varied between 34 nm and 12 nm Hysteresis loops were obtained from VSM technique and the
magnetic properties of BaFe12O19 aggregates were determined At a calcination temperature of
700 deg C a material with semi-hard behavior was obtained whose saturation magnetization and
coercive field values were Ms = 1424 emug and Hc = 19465 Oe respectively Finally the
BaFe12O19 aggregates were tested as carriers of biologically active molecules For this purpose
the peptide DS (Hairless suppressor binding domain [Su (H)] was used as the template drug
synthesized from the plasmids pF1A T7 Flexireg and pFN21K from the T7 strain of Escherichia
coli The loading capacity and release profile of the DS peptide was determined by the SDS-
PAGE FTIR Wester blot and UV-vis techniques Absorption performance of DS peptide by the
nanostructured aggregates of BaFe12O19 was 875Therefore the nanostructured macro-
mesoporous hierarchical spherical aggregates of barium hexagonal ferrite BaFe12O19 obtained in
the present research can be considered as candidates to be applied in the biomedical area as drug
delivery systems
12
CAPIacuteTULO 1
INTRODUCCIOacuteN
13
CAPIacuteTULO 1 INTRODUCCIOacuteN
La nanotecnologiacutea es un campo cientiacutefico multidisciplinario que aplica los principios de
ingenieriacutea y fabricacioacuten para el disentildeo siacutentesis caracterizacioacuten y aplicacioacuten de materiales a
escala nanomeacutetrica En las uacuteltimas deacutecadas la nanotecnologiacutea se ha desarrollado en diversas
aacutereas de investigacioacuten abarcando las matemaacuteticas quiacutemica fiacutesica biologiacutea electroacutenica
ingenieriacutea biomeacutedica y ciencia de materiales entre otras
Dentro del sector biomeacutedico una gran variedad de materiales orgaacutenicos e inorgaacutenicos tales como
micelas poliacutemeros liposomas lipoproteiacutenas dendriacutemeros y nanopartiacuteculas magneacuteticas han sido
investigados ampliamente para diferentes aplicaciones incluyendo terapia celular reparacioacuten de
tejidos imagen de resonancia magneacutetica hipertermia marcadores bioloacutegicos y como sistemas de
liberacioacuten de faacutermacos (DDS) Sin duda las partiacuteculas magneacuteticas son los materiales maacutes
prominentes usados como DDS debido a sus propiedades fiacutesicas quiacutemicas teacutermicas mecaacutenicas y
magneacuteticas que las hacen herramientas ideales para ser usadas en las aplicaciones antes
mencionadas Como plataformas para la liberacioacuten de faacutermacos estos sistemas pueden ofrecer
muchas ventajas por ejemplo (i) se estabilizan sin alterar la actividad farmacoloacutegica del
medicamento (ii) previenen la degradacioacuten metaboacutelica prematura en la circulacioacuten sisteacutemica o
interaccioacuten con el ambiente bioloacutegico de manera que alcance el objetivo pretendido en su estado
priacutestino (iii) liberan el medicamento en el sitio o tumor deseado y (iv) presentan una toxicidad
menor o similar que la del faacutermaco libre
Recientemente un gran nuacutemero de faacutermacos macromoleculares tales como peacuteptidos proteiacutenas y
aacutecidos nucleicos han sido descubiertos Sin embargo estos faacutermacos muestran pobre estabilidad
en la mayoriacutea de los ambientes bioloacutegicos y pobre penetracioacuten a traveacutes de la barrera
hematoencefaacutelica lo cual limita su administracioacuten a traveacutes de rutas parentales Ademaacutes cuando
estos faacutermacos son administrados parentalmente estaacuten expuestos a la degradacioacuten quiacutemico-
enzimaacutetica antes de alcanzar su sitio de destino debido a su estabilidad limitada y corta vida
media Por lo tanto una gran cantidad de trabajos se ha enfocado al desarrollo de sistemas DDS
para proporcionan una manera maacutes efectiva de liberar y proteger los peacuteptidos y proteiacutenas
14
Existen numerosos meacutetodos (i) fiacutesicos (ii) quiacutemicos (iii) bioloacutegicos e (hiacutebridos) para la siacutentesis
de nanopartiacuteculas El meacutetodo de preparacioacuten de los nanomateriales determinaraacute el tamantildeo y
distribucioacuten de las partiacuteculas su morfologiacutea quiacutemica superficial y consecuentemente sus
propiedades magneacuteticas
En esta investigacioacuten agregados esfeacutericos nanoestructurados de hexaferrita de bario (BaFe12O19)
de tamantildeo micromeacutetrico con jerarquiacutea macro-mesoporosa fueron sintetizados usando el meacutetodo
quiacutemico huacutemedo sol-gel mediante autoensamble molecular y secado por aspersioacuten aplicando un
disentildeo experimental factorial 2f En el procesamiento de los materiales dirigidos a una aplicacioacuten
especiacutefica una informacioacuten detallada sobre las caracteriacutesticas del material es requerida para
alcanzar el objetivo deseado Asiacute los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 se caracterizaron
mediante difraccioacuten de rayos x (XRD por sus siglas en ingleacutes) microscopiacutea electroacutenica de
barrido (SEM por sus siglas en ingleacutes) microscopiacutea electroacutenica de transmisioacuten (TEM por sus
siglas en ingleacutes) aacuterea superficial especiacutefica BET espectroscopiacutea infrarroja por transformada de
Fourier (FTIR por sus siglas en ingleacutes) y por magnetoacutemetro de muestra vibrante (VSM por sus
siglas en ingleacutes) para la determinacioacuten de las propiedades magneacuteticas
Finalmente los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 se evaluaron como portadores de
moleacuteculas bioloacutegicas El peacuteptido DS (Dominio de unioacuten a supresor de Hairless [Su(H)] se usoacute
como faacutermaco modelo para evaluar la capacidad de carga de los sistemas nanoestructurados de
BaFe12O19 como DDS Despueacutes de ser cargados los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 con
el peacuteptido se llevaron a cabo los estudios de liberacioacuten El peacuteptido DS se sintetizoacute a partir de los
plaacutesmidos pF1A T7 Flexireg pFN21K y pFN18K empleando la cepa T7 Express Iq Competent
XL-1 blue (T7) de Escherichia coli A su vez isopropil-β-D-1-tiogalactopiranoacutediso (IPTG) se
usoacute para inducir la produccioacuten del peacuteptido El IPTG es una moleacutecula de uso comuacuten en biologiacutea
molecular Se usa como un anaacutelogo no hidrolizable de la alolactosa un metabolito de la lactosa
que desencadena la transcripcioacuten del operoacuten lac y por lo tanto se usa para inducir la expresioacuten de
proteiacutenas cuando el gen estaacute bajo el control del operoacuten lac
15
11 OBJETIVOS
111 Objetivo General
Disentildear sintetizar y caracterizar sistemas nanoparticulados de hexaferrita de bario (BaFe12O19)
conformados en agregados micromeacutetricos con jerarquiacutea macro-mesoporosa a partir de un disentildeo
experimental factorial fraccionario 2f usando el meacutetodo quiacutemico sol-gel con autoensamble
molecular asistido por surfactante Tween 20 y esferas de poliestireno usadas como agente
poroacutegeno y mediante secado por aspersioacuten para ser usados como portadores de moleacuteculas con
actividad bioloacutegica
112 Objetivos Especiacuteficos
- Evaluar la concentracioacuten ( peso) de agente poroacutegeno y los paraacutemetros de temperatura
(T) y presioacuten (P) en el proceso de secado por aspersioacuten para determinar el efecto de estas
variables sobre el tamantildeo de agregado de BaFe12O19 y el tamantildeo de macroporo
- Sintetizar sistemas de BaFe12O19 mediante el meacutetodo quiacutemico sol-gel asistido por Tween
20 y esferas de poliestireno para producir agregados esfeacutericos nanoestructurados de
tamantildeo micromeacutetrico con jerarquiacutea macro-mesoporosa
-
- Caracterizar estructural morfoloacutegica y fisicoquiacutemicamente los sistemas nanoparticulados
de BaFe12O19 mediante teacutecnicas de XRD SEM TEM BET FTIR y VSM para
proporcionar los detalles necesarios respecto a las propiedades fiacutesicas quiacutemicas y
magneacuteticas de los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19
16
- Sintetizar y caracterizar el peacuteptido DS a partir de los plaacutesmidos pF1A T7 Flexireg
pFN21K y pFN18K empleando la cepa T7 de Escherichia coli el cual seraacute utilizado
como faacutermaco modelo
- Determinar las propiedades magneacuteticas de los sistemas nanoparticulados de BaFe12O19
incluyendo su magnetizacioacuten magneacutetica (Ms) remanencia magneacutetica (Mr) y coercitividad
(Hc) para ser explotadas en la entrega y direccionamiento del peacuteptido DS
- Determinar la carga superficial de los sistemas nanoparticulados de BaFe12O19 para
permitir una mejora en el rendimiento de adsorcioacuten del peacuteptido DS
-
- Determinar la capacidad de carga de los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 y
evaluar el perfil de liberacioacuten del peacuteptido DS para evaluar los sistemas de BaFe12O19
como candidatos para sistemas de liberacioacuten de faacutermaco
17
12 HIPOacuteTESIS
La obtencioacuten de agregados esfeacutericos de nanopartiacuteculas superparamagneacuteticas con nanoestructura y
macroporosidad disentildeada obtenidas utilizando teacutecnicas de autoensamblaje molecular con agentes
poroacutegenos y mediante secado por aspersioacuten permitiraacute la obtencioacuten de un portador de moleacuteculas
con actividad bioloacutegica maacutes viable que tenga un mejor desempentildeo en cuanto a la adsorcioacuten de
ciertas moleacuteculas bioloacutegicas sin perder las propiedades superparamagneacuteticas caracteriacutesticas de las
nanopartiacuteculas
18
13 JUSTIFICACIOacuteN
A pesar de los avances significativos en el diagnoacutestico y tratamiento del caacutencer eacutesta es una de las
enfermedades maacutes devastadoras que amenazan con la salud humana y es la segunda causa maacutes
comuacuten de mortalidad Actualmente la cirugiacutea radioterapia quimioterapia e inmunoterapia son
los meacutetodos de tratamiento maacutes utilizados sin embargo ninguno de estos meacutetodos ofrece una
verdadera recuperacioacuten total En muchos casos la erradicacioacuten quiruacutergica o tratamiento por
radiacioacuten no son factibles
Por otra parte el mayor problema de la quimioterapia es la limitada eficacia de los agentes
quimioterapeacuteuticos y su falta de especificidad a las ceacutelulas tumorales asiacute como a las altas
concentraciones de faacutermaco utilizadas Para superar este problema altas concentraciones o
frecuencias de dosificacioacuten de los agentes quimioterapeacuteuticos son requeridas resultando asiacute en
efectos secundarios severos no deseados debido a la alta citotoxicidad del faacutermaco Por lo tanto
surge la necesidad de desarrollar meacutetodos eficaces de administracioacuten de faacutermacos capaces de
mantener los niveles del faacutermaco en una concentracioacuten estrecha necesaria para evitar toxicidad
Ademaacutes de dirigir el medicamento a las ceacutelulas cancerosas mientras se reducen los efectos
secundarios en la mayor medida posible Esta necesidad se ve reflejada en coacutemo ha ido
incrementando gradualmente el nuacutemero de publicaciones a lo largo de los antildeos ya que la
tecnologiacutea basada en sistemas de liberacioacuten de faacutermaco (DDS) ha progresado en las uacuteltimas
deacutecadas Por ejemplo la revista Journal of Controlled Released (JCR) ha recibido
sustancialmente maacutes artiacuteculos de lo que publica (Fig 11)
Figura 11 Nuacutemero de artiacuteculos publicados anualmente en la revista Journal of Controlled Released desde 1984
19
Una amplia variedad de biomateriales compuestos de diversas formulaciones han sido usados
como DDS No obstante en las uacuteltimas dos deacutecadas las nanopartiacuteculas magneacuteticas han atraiacutedo
mucha atencioacuten como DDS [12] ademaacutes de otras aplicaciones tales como imagen de resonancia
magneacutetica (MRI) [34] reparacioacuten de tejidos [56] hipertermia magneacutetica [78] e inmunoensayos
[9] debido a su biocompatibilidad faacutecil modificacioacuten superficial y sus propiedades fiacutesicas
quiacutemicas y magneacuteticas uacutenicas Una de las caracteriacutesticas maacutes importantes de las nanopartiacuteculas
magneacuteticas es su comportamiento superparamagneacutetico donde la energiacutea teacutermica es
suficientemente fuerte para cambiar la direccioacuten de la magnetizacioacuten [10] por ejemplo las
fluctuaciones teacutermicas desmagnetizan espontaacuteneamente un ensamble previamente saturado
Como resultado de esta propiedad las partiacuteculas magneacuteticas muestran un potencial para mejorar
las caracteriacutesticas de contraste en MRI DDS e hipertermia Ademaacutes el comportamiento
superparamagneacutetico permite la manipulacioacuten de las partiacuteculas en presencia de un campo
magneacutetico externo Asiacute un sistema DDS puede ser guiado magneacuteticamente hasta el sitio de
accioacuten en el cual el faacutermaco seraacute liberado reduciendo de esta manera la concentracioacuten del
faacutermaco y su frecuencia de dosificacioacuten para evitar efectos secundarios no deseados Ademaacutes
Una vez eliminando el campo magneacutetico las nanopartiacuteculas magneacuteticas no muestran una
interaccioacuten magneacutetica ya que no retienen magnetismo [11] Por lo tanto la ausencia de
coercitividad prevendraacute la agregacioacuten potencial de las partiacuteculas que pudieran faacutecilmente causar
la formacioacuten de embolismo en los vasos sanguiacuteneos [12]
Maacutes auacuten los sistemas micromeacutetricos nanoestructurados permiten la preservacioacuten de las
propiedades a escala nanomeacutetrica pero con partiacuteculas a escala micromeacutetriacuteca Esto es importante
debido a que las partiacuteculas de tamantildeo micromeacutetrico son maacutes faacuteciles de manejar que las partiacuteculas
nanomeacutetricas Ademaacutes una jerarquiacutea macro-mesoporosa presentan una arquitectura que exhiben
alta aacuterea superficial baja densidad y buena estabilidad fisicoquiacutemica [13] Asiacute mismo la
estructura jeraacuterquica juega un papel importante en muchas de las propiedades y aplicaciones
funcionales del material [14] por ejemplo los materiales macro-mesoporosos muestran un
incremento considerable en la capacidad de carga de un faacutermaco En los materiales macro-
mesoporosos los macroporos proporcionan una interconectividad que mejora la difusioacuten o flujo
20
de fluidos Mientras que los mesoporos aumentan considerablemente el aacuterea superficial
especiacutefica y por lo tanto tienen una mayor capacidad para que las moleacuteculas puedan ser
adsorbidas [15] Por otra parte la morfologiacutea de las partiacuteculas juega un papel importante en el
tiempo de circulacioacuten en el torrente sanguiacuteneo Ademaacutes una morfologiacutea esfeacuterica es de
importancia praacutectica ya que en general eacutesta presenta mejores propiedades reoloacutegicas comparado
con otras morfologiacuteas Una gran variedad de meacutetodos han sido estudiados para la siacutentesis de
sistemas nanoestructurados dirigidos a aplicaciones biomeacutedicas La Fig 12 muestra las tres rutas
de siacutentesis maacutes importantes Sin duda los meacutetodos de siacutentesis quiacutemica huacutemeda principalmente el
meacutetodo sol-gel es el meacutetodo fundamental maacutes empleado en la siacutentesis de materiales para
aplicaciones biomeacutedicas debido a sus muchas ventajas i) los precursores pueden mezclarse a
nivel molecular lo cual permite la formacioacuten de soluciones soacutelidas del material a temperaturas de
procesamiento relativamente bajas cuando se compara con los meacutetodos tradicionales ii) es un
meacutetodo faacutecil sencillo y versaacutetil iii) permite un control quiacutemico y estructural es decir la
nucleacioacuten y crecimiento de las partiacuteculas coloidales primarias puede ser controlada para dar
partiacuteculas con tamantildeo y forma deseada ademaacutes de la composicioacuten quiacutemica deseada iv) los
materiales sintetizados a partir de este meacutetodo son obtenidos con una alta pureza
Figura 12 Meacutetodos de siacutentesis de los sistemas nanoestructurados dirigidos a aplicaciones biomeacutedicas Las tres rutas
principales incluyen meacutetodos quiacutemicos fiacutesicos y bioloacutegicos Fuente Instituto de Informacioacuten Cientiacutefica Modificado
de M Mahmoudi [16]
21
CAPIacuteTULO 2
REVISIOacuteN DEL ESTADO DEL ARTE
22
CAPIacuteTULO 2 REVISIOacuteN DEL ESTADO DEL ARTE
En el presente capiacutetulo se aborda coacutemo la nanotecnologiacutea ha revolucionado los diferentes
aspectos de la investigacioacuten cientiacutefica y tecnologiacutea en diversos campos tales como la electroacutenica
semiconductores quiacutemica fiacutesica ciencia de los materiales bioingenieriacutea medicina etc [17-27]
En las uacuteltimas deacutecadas la nanotecnologiacutea ha contribuido a avances significativos en el desarrollo
de los biomateriales y el aacuterea de la medicina a traveacutes de la terapia y diagnoacutestico cliacutenico para el
tratamiento de diversos tipos de caacutencer mediante el disentildeo e ingenieriacutea de materiales
nanoestructurados capaces de interactuar con los sistemas bioloacutegicos a escala molecular Las
aplicaciones maacutes prominentes de estos nanodispositivos incluyen terapia geacutenica MRI [28-30]
hipertermia [31-33] sistemas de liberacioacuten de faacutermacos (DDS) [3535] Una gran variedad de
materiales orgaacutenicos e inorgaacutenicos han sido investigados como sistemas DDS Sin embargo los
materiales magneacuteticos nanoestructurados de oacutexido de hierro son considerados los materiales maacutes
prominentes debido a sus caracteriacutesticas uacutenicas tales como biocompatibilidad alta aacuterea
superficial y comportamiento superparamagneacutetico lo que los hace una herramienta ideal para las
aplicaciones antes mencionas [36]
21 BIOMATERIALES
Un biomaterial puede ser definido como cualquier material natural o sinteacutetico usado para la
fabricacioacuten de dispositivos que reemplacen una parte de un sistema vivo o bien que realice una
funcioacuten en contacto iacutentimo con el tejido vivo de una manera segura confiable y fisioloacutegicamente
aceptable [37] Por lo tanto un biomaterial tiene que presentar propiedades compatibles con el
tejido a interactuar para obtener el efecto deseado El Consejo Asesor para Biomateriales de la
Universidad de Clemson ha definido formalmente un biomaterial como una sustancia de
actividad sisteacutemica y farmacoloacutegicamente inerte para su implantacioacuten o incorporacioacuten dentro o
con el sistema vivo
23
Debido a que los biomateriales tienen como objetivo interactuar con los tejidos o fluidos
bioloacutegicos del cuerpo humano es fundamental que estos cumplan con ciertos requisitos para
evitar inducir cambios o provocar reacciones no deseadas en el cuerpo humano Un requisito
fundamental es la biocompatibilidad la cual se refiere a la capacidad del material para realizar
con eficiencia una respuesta apropiada en el hueacutesped en una aplicacioacuten deseada es decir el
material y el entorno de los tejidos deben coexistir sin tener ninguacuten efecto no deseado o
inapropiado entre ellos [36] Otras caracteriacutesticas importantes son su baja toxicidad estabilidad
quiacutemica densidad y peso adecuado ademaacutes es deseable que sean econoacutemicos
211 Aplicaciones
En las uacuteltimas deacutecadas la siacutentesis y aplicacioacuten de biomateriales ha llegado a ser una de las aacutereas
de investigacioacuten maacutes activa y prometedora posicionada en la interseccioacuten de la quiacutemica ciencia
de los materiales bioingenieriacutea y la medicina
Una de las aplicaciones de los biomateriales que ha atraiacutedo cada vez maacutes la atencioacuten de los
cientiacuteficos es su uso como sistemas de liberacioacuten de faacutermaco Una gran variedad de materiales
han sido estudiados para esta aplicacioacuten por ejemplo dendriacutemeros micelas emulsiones
liposomas y sistemas nanoestructurados Especialmente las nanopartiacuteculas magneacuteticas a base de
hierro han sido de gran intereacutes debido a las oportunidades en la terapia de caacutencer y el tratamiento
de otras enfermedades Su potencial deriva de las propiedades intriacutensecas de sus nuacutecleos
magneacuteticos combinados con la capacidad de carga del faacutermaco y las propiedades bioquiacutemicas que
pueden ser adquiridas mediante su recubrimiento adecuado Ademaacutes las nanopartiacuteculas pueden
actuar a nivel tisular o celular lo cual implica que pueden ser endocitadas o fagocitadas
resultando en su internalizacioacuten En eacuteste proceso las nanopartiacuteculas pueden llegar maacutes allaacute de la
membrana citoplasmaacutetica
24
Entre las aplicaciones maacutes usadas de las nanopartiacuteculas como biomateriales se encuentran la
imagen de resonancia magneacutetica hipertermia y sistemas de liberacioacuten de faacutermacos las cuales se
explican a continuacioacuten
a Imagen de resonancia magneacutetica
Los avances en el desarrollo de nuevas estrategias y tecnologiacuteas para tratamiento y evaluacioacuten
precliacutenica de caacutencer mediante el uso de faacutermacos antitumorales destacan la creciente necesidad
de una evaluacioacuten a tratamientos tumorales in vivo mediante el uso de biomarcadores de imagen
La imagen de resonancia magneacutetica (MRI) se ha establecido como la herramienta principal en el
monitoreo in vivo de cambios morfoloacutegicos funcionales y metaboacutelicos en tumores soacutelidos debido
a su excelente contraste en tejidos blandos excelente resolucioacuten espacial y naturaleza no-
invasiva MRI es una teacutecnica que usa el magnetismo y pulso por radiofrecuencia (RF) para
producir imaacutegenes de tejidos u oacuterganos compuestos de elementos sensibles a la resonancia
magneacutetica tales como hidroacutegeno (H) La MRI se basa en los principios de la resonancia
magneacutetica nuclear El cuerpo bioloacutegico se compone de numerosos protones contenidos en el
nuacutecleo del H los cuales giran en sus ejes con la llamada frecuencia de Larmor produciendo un
campo magneacutetico representado por el momento o vector magneacutetico Una gran cantidad de
protones en el cuerpo resultaraacute en un vector magneacutetico neto que se alinea con el campo
magneacutetico externo o paralelo al eje longitudinal del magneto Esta alineacioacuten de protones es
llamada magnetizacioacuten longitudinal Cuando la magnetizacioacuten longitudinal se inclina
transversalmente debido a un impulso de RF se induce una corriente eleacutectrica o sentildeal de
resonancia magneacutetica que puede ser recibida por una bobina de RF En esencia la MRI se lleva a
cabo aplicando de manera alterna pulsos de RF al tejido bioloacutegico La Aplicacioacuten de pulsos de
RF en cierto tiempo de repeticioacuten (TR) y las sentildeales recibidas en un tiempo predefinido o tiempo
de repeticioacuten (TE) produce el contraste en las imaacutegenes de MRI Tales sentildeales de resonancia
magneacutetica son entonces codificadas en fase y frecuencia a imaacutegenes de resonancia magneacutetica por
la teacutecnica de transformada de Fourier
25
b Hipertermia
La hipertermia implica el tratamiento de ceacutelulas canceriacutegenas a traveacutes de la generacioacuten de calor
[38] Este enfoque involucra el aumento de la temperatura del ambiente local del tumor
resultando en un cambio en la fisiologiacutea de las ceacutelulas enfermas llevaacutendolas finalmente a la
apoptosis Dependiendo del grado en el aumento de la temperatura el tratamiento por hipertermia
puede ser clasificado como i) ablacioacuten teacutermica [39] en el cual el tumor es sometido a altas
temperaturas de calor mayores a 46 degC pudiendo llegar a los 56 degC causando que las ceacutelulas
experimenten necrosis coagulacioacuten o carbonizacioacuten ii) Hipertermia moderada [39] con
temperaturas entre 41 degC y 46 degC tiene efectos tanto a nivel celular como tisular las ceacutelulas
experimentan estreacutes teacutermico resultando en la activacioacuten yo iniciacioacuten de muchos mecanismos de
degradacioacuten intra- y extracelular tal como la degradacioacuten o pliegue iii) Diatermia [39] implica
temperaturas menores a 41 degC para el tratamiento de enfermedades reumaacuteticas en la fisioterapia
c Sistemas de liberacioacuten de faacutermaco
Los sistemas de liberacioacuten de faacutermaco tienen como objetivo la entrega y liberacioacuten de faacutermacos
a sitios de accioacuten especiacuteficos manteniendo la concentracioacuten del faacutermaco a un nivel terapeacuteutico
adecuado durante un periacuteodo de tiempo determinado Es decir un sistema ideal para la liberacioacuten
de faacutermacos debe ser capaz de controlar la liberacioacuten y focalizacioacuten del faacutermaco para garantizar
una alta eficiencia del faacutermaco a la vez que se disminuyen los efectos secundarios causados por
los faacutermacos anticanceriacutegenos que no uacutenicamente actuacutean sobre las ceacutelulas cancerosas sino
ademaacutes sobre las ceacutelulas sanas Un sistema nanoestructurado para la liberacioacuten de faacutermacos
puede penetrar en el cuerpo ya que su tamantildeo le permite ser administrado viacutea intravenosa o a
traveacutes de otras rutas de administracioacuten Ademaacutes los sistemas de liberacioacuten de faacutermaco deben
permanecer estables tanto fiacutesica como quiacutemicamente antes de llegar a su destino
26
22 SISTEMAS DE LIBERACIOacuteN DE FAacuteRMACO
En la Fig 21 se presentan los diferentes tipos de sistemas nanoparticulados empleados en la
liberacioacuten de faacutermacos los cuales se describen brevemente
Figura 21 Categoriacuteas esenciales de los materiales usados como DDS i) Materiales orgaacutenicos dendriacutemeros
micelas liposomas i) Materiales inorgaacutenicos nanopartiacuteculas de oro sistemas nanoestructurados a base de oacutexido de
hierro quantum dots (Modificado de Grumezescu [40] y Riggio [45])
221 Liposomas
Los liposomas tienen una larga historia como sistemas de liberacioacuten de faacutermaco debido a su faacutecil
preparacioacuten baja toxicidad y biodegradabilidad [4142] Los liposomas son estructuras
coloidales autoensambladas compuestas de bicapas lipiacutedicas que rodean un compartimiento
27
acuoso y puede encapsular una amplia variedad de faacutermacos quimioterapeacuteuticos ya sean
hidroacutefilos o hidroacutefobos [4344] Los liposomas se pueden clasificar como liposomas de primera
generacioacuten o liposomas desnudos con una superficie de fosfoliacutepido no modificado de segunda
generacioacuten o liposomas furtivos con una capa de carbohidratos o poliacutemeros hidroacutefilos
generalmente de PEG en la superficie de las vesiacuteculas y liposomas de tercera generacioacuten que
incorporan ligandos superficiales para mejorar el iacutendice terapeacuteutico del faacutermaco mediante el
aumento de la selectividad y la especificidad del complejo En la Fig 21 se representa
esquemaacuteticamente la estructura de los liposomas
222 Nanopartiacuteculas polimeacutericas
Las nanopartiacuteculas polimeacutericas (Fig 21) son portadores que van de 10 a 100 nm conformados
de poliacutemeros naturales o artificiales generalmente biodegradables donde los faacutermacos
terapeacuteuticos puede ser adsorbidos disueltos atrapados encapsulados o enlazados
covalentemente a la cadena principal del poliacutemero por medio de un enlace sencillo eacutester o amida
que se pueden hidrolizar in vivo a traveacutes de un cambio de pH
Los poliacutemeros sinteacuteticos que incluyen al aacutecido polilaacutectico (PLA) [46] aacutecido poliglicoacutelico (PGA)
[47] poli etilenglicol (PEG) [48] y sus copoliacutemeros han sido los maacutes ampliamente investigados
debido a su biocompatibilidad y biodegradabilidad Otros poliacutemeros naturales como el quitosano
y alginato han sido ampliamente probados [49]
223 Micelas
Las micelas son portadores esfeacutericos biodegradables con un intervalo de tamantildeo de 10-200 nm
Eacutestas son formadas por autoensamblaje de bloques de copoliacutemeros compuestos de dos o maacutes
cadenas de poliacutemeros con diferente hidrofobicidad Estos copoliacutemeros espontaacuteneamente se
28
ensamblan para formar una estructura de nuacutecleo-coraza en un medio acuoso para minimizar la
energiacutea libre del sistema (Fig 21) Los segmentos hidroacutefobos forman el nuacutecleo interior
hidroacutefobo para minimizar su exposicioacuten al medio ambiente mientras que las cadenas hidroacutefilas
forman la coraza hidroacutefila externa para estabilizar el nuacutecleo a traveacutes del contacto directo con el
agua [50]
224 Dendriacutemeros
Los dendriacutemeros son macromoleacuteculas altamente ramificadas esfeacutericas y sinteacuteticas con tamantildeo y
forma ajustable Contienen muacuteltiples capas con grupos terminales activos tambieacuten conocidos
como generaciones que se extienden hacia fuera desde un nuacutecleo iniciador llamado generacioacuten
cero (Fig 21) El tamantildeo de los dendriacutemeros estaacute generalmente en el rango de 1-15 nmLas
ramificaciones de estos poliacutemeros proporcionan un aacuterea superficial grande para que moleacuteculas
yo medicamentos quimioterapeacuteuticos puedan ser unidos a traveacutes de la conjugacioacuten covalente o
adsorcioacuten electrostaacutetica Alternativamente los agentes terapeacuteuticos se pueden cargar en las
cavidades de las regiones centrales a traveacutes de interaccioacuten hidrofoacutebica enlaces de hidroacutegeno o
enlace quiacutemico Los dendriacutemeros maacutes comuacutenmente estudiados pertenecen a la familia de los
dendriacutemeros PAMAM (poliamidoamina) Estos poliacutemeros han mostrado un gran potencial para la
liberacioacuten de medicamentos ya que son biodegradables y biocompatibles y tienen alta
solubilidad en agua [51]
225 Nanopartiacuteculas Magneacuteticas
La liberacioacuten controlada de faacutermacos con materiales funcionales nanoestructurados
especialmente las nanopartiacuteculas magneacuteticas estaacute atrayendo cada vez maacutes la atencioacuten debido a
las oportunidades en la terapia de caacutencer y el tratamiento de otras enfermedades El potencial de
las nanopartiacuteculas magneacuteticas deriva de las propiedades intriacutensecas de sus nuacutecleos magneacuteticos
combinados con su capacidad de carga del medicamento y las propiedades bioquiacutemicas que
pueden ser otorgados a estas por medio de un recubrimiento adecuado
29
23 CLASIFICACIOacuteN DE LOS MATERIALES MAGNEacuteTICOS
Desde el punto de vista del comportamiento magneacutetico podemos clasificar los materiales en
diamagneacuteticos paramagneacuteticos ferromagneacuteticos antiferromagneacuteticos ferrimagneacuteticos (Fig 22)
Figura 22 (a) Clasificacioacuten de los materiales seguacuten su comportamiento magneacutetico paramagneacuteticos
ferromagneacuteticos antiferromagneacuteticos y ferrimagneacuteticos (b) Los materiales superparamagneacuteticos son observados en
los nanomateriales ferro- y ferrimagneacuteticos que se componen de un soacutelo dominio magneacutetico
231 Diamagnetismo
El diamagnetismo se basa en la interaccioacuten entre el campo aplicado y los electrones moacuteviles del
material [52] El diamagnetismo se caracteriza por i) una magnetizacioacuten deacutebil del material en el
sentido opuesto al campo magneacutetico aplicado [53] ii) una susceptibilidad magneacutetica negativa y
pequentildea con permeabilidad relativa ligeramente menor que 1 iii) intensidad de respuesta muy
pequentildea
232 Paramagnetismo
En los materiales paramagneacuteticos los momentos magneacuteticos se encuentran desordenados por lo
que no mantiene un momento magneacutetico neto Estos materiales se caracterizan por i) requerir un
gran campo magneacutetico para poder adquirir una alta magnetizacioacuten ii) magnetizacioacuten deacutebil en el
30
mismo sentido que el campo magneacutetico aplicado iii) susceptibilidad magneacutetica positiva y
pequentildea con permeabilidad relativa ligeramente mayor que 1 iv) intensidad de respuesta muy
pequentildea Ejemplos de estos materiales son el Cr Mn y los gases diatoacutemicos La Fig 22(a)
muestra el ordenamiento magneacutetico de estos materiales
233 Ferromagnetismo
En los materiales ferromagneacuteticos los momentos magneacuteticos individuales de grupos de aacutetomos o
moleacuteculas se mantienen alineados entre siacute debido a un fuerte acoplamiento auacuten en ausencia de
campo exterior [54] Estos grupos se denominan dominios y actuacutean como un pequentildeo imaacuten
permanente En ausencia de campo aplicado los dominios tienen sus momentos magneacuteticos netos
distribuidos al azar Cuando se aplica un campo exterior los dominios tienden a alinearse con el
campo Este alineamiento puede permanecer en algunos casos con un muy fuerte acoplamiento
cuando se retira el campo creando un imaacuten permanente [55] Los materiales ferromagneacuteticos se
caracterizan por i) una fuertemente magnetizacioacuten en el mismo sentido que el campo magneacutetico
aplicado ii) susceptibilidad magneacutetica positiva y grande con permeabilidad relativa mucho
mayor que 1 iv) la agitacioacuten teacutermica tiende a desalinear los dominios A temperatura normal la
energiacutea teacutermica no es en general suficiente para desmagnetizar un material magnetizado sin
embargo por encima de la temperatura de Curie [56] el material se vuelve paramagneacutetico
debido a que los efectos teacutermicos de desorden son mayores que los efectos de alineamiento de la
interaccioacuten magneacutetica entre dominios La Fig 22(a) muestra el alineamiento de los materiales
ferromagneacuteticos
234 Antiferromagnetismo
Los materiales antiferromagneacuteticos tienen un estado natural en el cual los espines atoacutemicos de
aacutetomos adyacentes son opuestos de manera que el momento magneacutetico neto es nulo [57] Este
estado hace difiacutecil que el material se magnetice aunque de todas formas adopta una
31
permeabilidad relativa ligeramente mayor que 1 Por encima de una temperatura criacutetica llamada
temperatura de Neel un material antiferromagneacutetico se vuelve paramagneacutetico La Fig 22(a)
esquematiza el ordenamiento magneacutetico de los materiales antiferromagneacuteticos
235 Ferrimagnetismo
Los materiales ferrimagneacuteticos son similares a los antiferromagneacuteticos salvo que las especies de
aacutetomos alternados son diferentes (por ejemplo por la existencia de dos subredes cristalinas
entrelazadas) y tienen momentos magneacuteticos diferentes [58] Existe entonces una magnetizacioacuten
neta que puede ser en algunos casos muy intensa
236 Superparamagnetismo
El superparamagnetismo es una forma de magnetismo observado en los nanomateriales ferro- y
ferrimagneacuteticos que se componen de un soacutelo dominio magneacutetico [59] (Fig 22(b)) Debido a su
tamantildeo tan pequentildeo no hay orden de largo alcance en estos materiales Estos materiales se
caracterizan por i) alcanzar una magnetizacioacuten relativamente alta con bajos campos magneacuteticos
aplicados [59] ii) por debajo de la temperatura Curie los momentos magneacuteticos dentro de un
dominio magneacutetico se alinean paralelamente a un campo aplicado para producir la alta
magnetizacioacuten [59] iii) despueacutes de que un campo magneacutetico aplicado se ha eliminado no queda
magnetizacioacuten remanente (Mr) neta [59] La falta de Mr se debe al hecho de que la
magnetizacioacuten de cada dominio faacutecilmente salta entre dos orientaciones estables que estaacuten
separados por una pequentildea diferencia de energiacutea De hecho la diferencia de energiacutea es tan
pequentildea que la energiacutea teacutermica cancela la magnetizacioacuten total de la partiacutecula Compuestos de
hierro cobalto y niacutequel y sus aleaciones elementos de tierras raras intermetaacutelicos de gadolinio
oro y vanadio son ferromagneacuteticos que pueden ser utilizados para producir partiacuteculas
superparamagneacuteticas cuando el tamantildeo del dominio magneacutetico se encuentra a escala
nanomeacutetrica Otros materiales pueden ser utilizados incluyendo ferritas compuesto por oacutexidos
32
de hierro o con otros elementos como el aluminio cobre cobalto niacutequel manganeso magnesio
hierro y zinc Ademaacutes tambieacuten se pueden utilizar las ferritas hexagonales
24 FERRITAS HEXAGONALES
Desde el descubrimiento de las ferritas en la deacutecada de 1950 ha habido un gran intereacutes en las
ferritas hexagonales tambieacuten conocidas como hexaferritas Este intereacutes tanto cientiacutefico como
tecnoloacutegico ha ido creciendo exponencialmente hasta el diacutea de hoy Ademaacutes de su uso como
imanes permanentes las hexaferritas tienen aplicaciones como material de grabacioacuten magneacutetica
en almacenamiento de datos y como componentes en dispositivos eleacutectricos
Existen diferentes tipos de ferritas hexagonales indicadas como M W X Y Z y U todas ellas
con estrechas estructuras cristalinas altamente complejas De los diferentes tipos de ferritas
hexagonales las hexaferritas de mayor importancia comercial son las tipo M dentro de las cuales
se encuentran las hexaferritas de bario BaFe12O19 y las ferritas de estroncio con Sr reemplazando
al Ba en la misma foacutermula La importancia de estas ferritas es debido a su bajo costo y sus
propiedades como estabilidad quiacutemica alta resistividad magnetizacioacuten de saturacioacuten
conveniente y alta coercitividad magneacutetica etc
La unidad molecular de la ferrita tipo M estaacute formada por un bloque S y un bloque R con una
superposicioacuten de capas cuacutebicas y hexagonales (Fig 23(a) El plano basal que contiene el aacutetomo
de bario es un plano espejo y los dos bloques S por encima y por debajo del bloque R son por lo
tanto rotaciones de 180ordm alrededor del eje c de cada una Un bloque R espejo R es entonces
requerido para continuar la estructura y es por esta razoacuten que la ceacutelula unitaria requiere dos
unidades moleculares M dando la foacutermula de celda unitaria SRSR donde es una rotacioacuten del
bloque a 180ordm alrededor del eje c (Fig 23(a)) Los paraacutemetros reticulares de la BaFe12O19 son
2317 Aring para la longitud del eje c y 589 Aring para a la anchura del plano basal y este paraacutemetro a
es constante para todas las hexaferritas de bario La relacioacuten de altura a ancho es de 394 por lo
que BaFe12O19 tiene una gran anisotropiacutea cristalina Las vistas en perspectiva de la estructura son
33
tambieacuten mostradas en la Fig 23(b) y Fig 23(c) mientras que los poliedros de la estructura M
incluyendo el sitio bipiramidal del bloque R se muestran en la Fig 23(d) La Fig 23(e)
representa el apilamiento de los bloques R y S en la estructura M
Figura 23 (a) seccioacuten transversal de la estructura de la ferrita tipo M (BaFe12O19) Tomado de Robert C Pullar [60]
25 METODOS DE SIacuteNTESIS
251 Siacutentesis sol-gel
El meacutetodo sol-gel es un meacutetodo de siacutentesis quiacutemica huacutemeda el cual permite la fabricacioacuten de una
amplia gama de materiales con diversas configuraciones por ejemplo fibras peliacuteculas delgadas
monolitos y revestimientos Ademaacutes el meacutetodo sol-gel permite sintetizar materiales hiacutebridos
orgaacutenicos-inorgaacutenicos con una gran variedad de aplicaciones potenciales en diversos campos de
34
la investigacioacuten incluyendo la oacuteptica electroacutenica semiconductores superconductores y
biomateriales El meacutetodo sol gel ofrece una serie de ventajas i) los precursores pueden mezclarse
a nivel molecular lo cual permite la formacioacuten de soluciones soacutelidas del material a temperaturas
de procesamiento relativamente bajas cuando se compara con los meacutetodos tradicionales ii) es un
meacutetodo faacutecil sencillo y versaacutetil iii) permite un control quiacutemico y estructural es decir la
nucleacioacuten y crecimiento de las partiacuteculas coloidales primarias puede ser controlada para dar
partiacuteculas con tamantildeo y forma deseada ademaacutes de la composicioacuten quiacutemica deseada
Actualmente existe una amplia gama de rutas de siacutentesis derivadas del meacutetodo sol-gel (Fig 24)
En teacuterminos simples el meacutetodo sol-gel implica dos fases distintas La primera fase una
suspensioacuten coloidal la cual es una suspensioacuten estable de partiacuteculas soacutelidas coloidales dentro de
un liacutequido donde las partiacuteculas soacutelidas deben ser maacutes densas que el liacutequido de los alrededores y
suficientemente pequentildeas (2 nm a 1 microm lo cual corresponde a 103-10
9 aacutetomos por partiacutecula) para
que las fuerzas responsables de la dispersioacuten sean maacutes grandes que las fuerzas de gravedad La
segunda fase constituida por un gel el cual es una red soacutelida porosa tridimensionalmente
interconectada que forma una entidad continuacutea a lo largo de una fase secundaria usualmente
liacutequida
Se han dedicado esfuerzos considerables en el desarrollo de micro y nanopartiacuteculas de oacutexido de
hierro con propiedades magneacuteticas adecuadas para la investigacioacuten biomeacutedica Las
nanopartiacuteculas de oacutexido de hierro son las maacutes ampliamente investigadas en el campo meacutedico y
farmaceacuteutico debido a sus excelentes propiedades de biocompatibilidad estabilidad quiacutemica y
baja toxicidad El meacutetodo sol gel es un meacutetodo faacutecil y conveniente para sintetizar oacutexidos de
hierro a partir de soluciones acuosas de sales metaacutelicas Ademaacutes el tamantildeo la forma y la
composicioacuten de las partiacuteculas magneacuteticas dependen en gran medida del tipo de precursores
utilizados relacioacuten Fe2+
a Fe3+
temperatura de reaccioacuten valor de pH y la fuerza ioacutenica del medio
Por lo tanto el control del proceso mediante estos paraacutemetros es esencial en la produccioacuten
35
partiacuteculas monodispersas de oacutexido de hierro El meacutetodo sol-gel parte de una suspensioacuten coloidal
(sol) y la subsiguiente formacioacuten del (gel) En la preparacioacuten del sol los precursores tanto
orgaacutenicos como inorgaacutenicos experimentan reacciones de hidrolisis y condensacioacuten (o
polimerizacioacuten) para formar pequentildeas partiacuteculas soacutelidas en un liacutequido (ya sea un solvente
orgaacutenico o acuoso) Las partiacuteculas soacutelidas son tan pequentildeas (1-1000 nm) que las fuerzas
gravitacionales son despreciables y las interacciones estaacuten dominadas por fuerzas esteacutericas de
van der Waals y Coulombicas
Figura 24 Rutas de siacutentesis derivadas del meacutetodo sol-gel Tomado de httpsstrllnlgovstrMay05Satcherhtml
Varios grupos de investigacioacuten [61-63] han descrito la siacutentesis de partiacuteculas magneacuteticas
nanoestructurados de base de oacutexido de hierro a partir del meacutetodo sol-gel para aplicaciones en el
control de liberacioacuten de faacutermacos
36
Los avances en nanotecnologiacutea y ciencia de los materiales sugieren que algunos de los problemas
actuales de los materiales podriacutean ser resueltos o al menos mejorados mediante la modificacioacuten
superficial
252 Secado por aspersioacuten
El secado por aspersioacuten es un meacutetodo que permite la conversioacuten continua de fluidos (soluciones
emulsiones suspensiones mezclas pastas) en polvos soacutelidos mediante un proceso de secado
dirigido a disentildear y producir materiales con un gran potencial para diversos sectores industriales
tales como la industria quiacutemica cosmeacutetica alimentaria y farmaceacuteutica Este proceso es un
meacutetodo raacutepido simple sencillo de escalabilidad industrial y bajo costo El principio del meacutetodo
se basa en la eliminacioacuten de la humedad mediante la aplicacioacuten de calor al fluido alimentado El
secado por aspersioacuten consiste de tres etapas principales (a) atomizacioacuten del fluido (b)
vaporizacioacuten o secado del liacutequido mediante una corriente de gas y (c) separacioacuten y recoleccioacuten de
las partiacuteculas
Figura 25 Configuracioacuten del equipo de secado por aspersioacuten (a) secador por aspersioacuten concurrente misma
direccioacuten de flujo y (b) secador por aspersioacuten a contracorriente (c) Evolucioacuten de la temperatura en el proceso de
secado en una gotita liacutequida [Handscomb y cols] En la separacioacuten y recoleccioacuten del polvo se pueden emplear (d)
separadores tipo cicloacuten yo (e) filtros de bolsa
37
a Atomizacioacuten
La atomizacioacuten es el primer paso que experimenta el fluido alimentado durante el secado por
aspersioacuten la cual involucra el rompimiento del liacutequido a granel en un nuacutemero grande de gotitas
impulsado por el proceso de secado por aspersioacuten mediante la reduccioacuten de la resistencia interna
a la transferencia de humedad desde la gotita hasta el medio de los alrededores La atomizacioacuten
es una etapa criacutetica en el proceso de secado debido a su influencia en la forma estructura
velocidad y distribucioacuten de la gotita generada y por lo tanto la naturaleza y tamantildeo de partiacutecula
del producto final Consecuentemente hay una peacuterdida miacutenima de calor sensible y
eventualmente se producen las partiacuteculas con las caracteriacutesticas fiacutesicas y morfoloacutegicas deseadas
La Fig 25 presenta el diagrama de dos tipos de secadores por aspersioacuten (Fig 25(a) secador por
aspersioacuten concurrente y (Fig 25(b) secador por aspersioacuten a contracorriente
b Vaporizacioacuten
En esta etapa se constituye la formacioacuten de fase de la partiacutecula Con el liacutequido a granel
atomizado en pequentildeas gotas el siguiente paso involucra el contacto iacutentimo de la gotita con el
gas acarreador Esto permite la raacutepida evaporacioacuten de la humedad de la superficie de todas las
gotitas de una manera uniforme Aquiacute el requerimiento es un flujo de gas uniforme en la caacutemara
de secado Las gotas usualmente se encuentran en contacto con aire caliente en la caacutemara de
secado ya sea en la misma direccioacuten de flujo o a contracorriente
El paso maacutes criacutetico en la formacioacuten de la partiacutecula involucra la evaporacioacuten de la humedad ya
que este paso estaacute asociado con la formacioacuten del producto final La evaporacioacuten de la humedad
durante el proceso de secado puede ser visualizada en dos fases un periodo de velocidad
constante y un periodo de caiacuteda de velocidad Inicialmente cuando la gotita estaacute expuesta a una
corriente de gas caliente la raacutepida evaporacioacuten toma lugar Durante esta exposicioacuten la gotita se
calienta desde una temperatura inicial (T0) a la temperatura de evaporacioacuten de equilibrio (Teq)
38
(Fig 25(c)-AB) Durante este periodo la eliminacioacuten de la humedad sigue la curva del periodo
de velocidad constante a medida que la humedad es removida constantemente a partir de la
superficie de la gotita manteniendo el enfriamiento suficiente La superficie de la gotita
permanece saturada con la humedad en esta fase y su temperatura es constante e igual a la
temperatura de bulbo huacutemedo (Fig 25(c)-BC) A medida que se elimina la humedad de la gotita
el soluto disuelto en el liacutequido alcanza una concentracioacuten maacutes allaacute de su concentracioacuten de
saturacioacuten y tiende a formar una coraza delgada en la superficie de la gotita descrita como
formacioacuten de coraza El comienzo de formacioacuten de coraza es una caracteriacutestica cineacutetica
importante del proceso de secado por aspersioacuten Despueacutes de esta fase la eliminacioacuten de la
humedad regresa al proceso de difusioacuten controlada y la velocidad de evaporacioacuten es dependiente
de la velocidad de difusioacuten de vapor de agua a traveacutes de la coraza superficial Esto constituye el
periodo de caiacuteda de velocidad Durante el periodo de caiacuteda de velocidad aunque la partiacutecula
comenzaraacute a calentarse (Fig 25(c)-CD) es casi la parte maacutes friacutea del equipo de secado donde el
gas de secado estaacute en o cerca de la temperatura de salida del equipo de secado
c Separacioacuten y recoleccioacuten
Los sistemas empleados para la separacioacuten y recoleccioacuten del producto final incluyen separadores
tipo cicloacuten (Fig 25(d)) yo filtros de bolsa (Fig 25(e))
El disentildeo e ingenieriacutea de micro y nanopartiacuteculas a traveacutes del secado por aspersioacuten ha sido
investigado como una alternativa de proceso de manufacturacioacuten en la industria farmaceacuteutica
debido a su amplia aplicabilidad El secado por aspersioacuten ha sido exitosamente usado en la
industria farmaceacuteutica para producir productos con propiedades fiacutesicas y quiacutemicas definidas por
ejemplo tamantildeo y forma de partiacutecula controlada para incrementar la solubilidad del faacutermaco y la
biodisponibilidad de las sustancias activas Ademaacutes el ajuste de los paraacutemetros del proceso de
secado por aspersioacuten permite la manipulacioacuten de varias propiedades de la partiacutecula con respecto
a los requerimientos de la aplicacioacuten deseada
39
26 ESTUDIOS REALIZADOS SOBRE LA SIacuteNTESIS Y APLICACIOacuteN DE
MATERIALES NANOESTRUCTURADOS A BASE DE OXIDO DE HIERRO COMO
SISTEMAS DDS
Como se mencionoacute anteriormente los biomateriales han llegado a ser una de las aacutereas maacutes
atractivas en la investigacioacuten cientiacutefica y tecnoloacutegica para el desarrollo de dispositivos con
aplicaciones biomeacutedicas sorprendentes tal como ocurre con los sistemas de liberacioacuten de
faacutermaco Diversos biomateriales han sido investigados como DDS incluyendo dendriacutemeros
micelas liposomas poliacutemeros y partiacuteculas magneacuteticas A este respecto Szulc y colaboradores
[64] han estudiado dendrimeros de poli(propileno imina) modificados con azuacutecar como DDS para
liberacioacuten de citarabina Mientras Song y colaboradores [65] han estudiado un sistema DDS
micelar termosensible exitosamente cargado con Doxorubicina (DOX) cuya eficiencia de carga
fue de 17 Por otra parte Vahed y colaboradores [66] han estudiado un sistema DDS basado en
liposomas enfocaacutendose en estrategias de quimioterapia combinada para la co-liberacioacuten de dos
faacutermacos quimioterapeacuteuticos un agente quimioterapeacuteutico con metales anticanceriacutegenos y un
agente quimioterapeacuteutico con agentes geacutenicos Duggan y colaboradores [67] han estudiados
poliacutemeros tiolados como DDS mucoadhesivos
Actualmente los sistemas nanoestructurados de partiacuteculas magneacuteticas han ganado atencioacuten
considerable como DDS debido a su biocompatibilidad faacutecil modificacioacuten superficial y sus
propiedades fiacutesicas quiacutemicas y magneacuteticas uacutenicas Oka y colaboradores [68] estudiaron un
compoacutesito nuacutecleo-coraza para liberacioacuten localizada de faacutermaco El compoacutesito estaacute estructurado
por un nuacutecleo de poliacutemero biodegradable y una coraza de nanopartiacuteculas de oacutexido de hierro
preparado a partir de una emulsioacuten Pickering Ademaacutes estudiaron la capacidad de carga del
sistema nuacutecleo-coraza cargando partiacuteculas de pireno cuya presencia fue confirmada mediante un
anaacutelisis de fluorescencia despueacutes de ser expuestas a rayos UV Ademaacutes la caracterizacioacuten
morfoloacutegica del sistema nuacutecleo-coraza fue estudiada por SEM y TEM Las propiedades
cristalograacuteficas se estudiaron mediante XRD Finalmente se estudiaron sus propiedades
magneacuteticas usando un sistema de medicioacuten de propiedades fiacutesicas (Quantum Desing)
40
Por otra parte Chandra y colaboradores [69] estudiaron un compoacutesito dendrimero-
nanopartiacuteculas magneacuteticas como un vehiacuteculo de liberacioacuten enzimaacutetica de faacutermaco sensible a
estiacutemulos simples El sistema fue caracterizado por diferentes teacutecnicas microestructurales y
espectroscoacutepicas Ellos obtuvieron partiacuteculas mesoporosas con propiedades superparamagneacuteticas
Ademaacutes exploraron su uso en la liberacioacuten de DOX alcanzando una alta eficiencia (superior a
95) con velocidades de liberacioacuten controlada bajo pH y temperatura sostenida La interaccioacuten
quiacutemica entre la DOX y las nanopartiacuteculas fue confirmada por un cambio en el potencial zeta y
una disminucioacuten en la intensidad de fluorescencia Otros estudios sobre DDS basados en
nanopartiacuteculas magneacuteticas pueden ser encontrados en la literatura [70-74]
Los sistemas DDS pueden ser disentildeados con gran variedad de diferentes morfologiacuteas las cuales
han sido reportadas en la literatura [75] Estas morfologiacuteas incluyen partiacuteculas esfeacutericas
completamente densas partiacuteculas rugosas partiacuteculas huecas partiacuteculas tipo dona y partiacuteculas
porosas Estas uacuteltimas muestran caracteriacutesticas notables sobre todo aquellas partiacuteculas con una
jerarquiacutea macro-mesoporosa ya que exhiben alta aacuterea superficial baja densidad y buena
estabilidad fisicoquiacutemica Ademaacutes dichos materiales pueden incrementar considerablemente la
capacidad de carga de un faacutermaco debido a que proporcionan una interconectividad que mejora
la difusioacuten o flujo de fluidos a la vez que aumentan considerablemente el aacuterea superficial
especiacutefica Por lo tanto estos sistemas aumentan la capacidad para que las moleacuteculas puedan ser
adsorbidas
Muchos estudios sobre sistemas nanoestructurados (macromeso)porosos han sido reportados en
la literatura Por ejemplo Liu y colaboradores [76] estudiaron materiales magneacuteticos
macroporosos siliacuteceos ordenados tridimensionalmente los cuales fueron fabricados por la
combinacioacuten de una co-sedimentacioacuten simple de un sistema coloidal binario de esferas de
PMMA y partiacuteculas de magnetita y la infiltracioacuten de precursores de silicio A partir de la
caracterizacioacuten por SEM y TEM establecen que los materiales macroporosos presentan una
estructura de empaquetamiento cubico centrado en las caras (fcc) con macroporos del orden de
200 nm Ademaacutes la caracterizacioacuten magneacutetica mostroacute que los materiales poseen una alta
magnetizacioacuten (192 emug) y comportamiento superparamagneacutetico
41
Por otra parte Santamariacutea y colaboradores [77] sintetizaron un sistema estructurado meso-
macroporoso de siacutelice para liberacioacuten controlada de ibuprofeno (IBU) El sistema fue sintetizado
usando una emulsioacuten WO usando decano como fase dispersa Los materiales obtenidos fueron
caracterizados por TEM SEM dispersioacuten de difraccioacuten de rayos x a bajo aacutengulo (SAXS) e
isotermas de adsorcioacuten-desorcioacuten de N2 Los resultados obtenidos mostraron que la carga del IBU
incrementa a medida que la presencia de macroporos en el material incrementa Esto uacuteltimo lo
atribuyen suponiendo que los macroporos permiten que el faacutermaco acceda a los poros internos
Pero establecen que cuando uacutenicamente mesoporos estuvieron en el material el IBU fue
probablemente adsorbido uacutenicamente sobre los mesoporos uacutenicamente cercanos a la superficie
Maacutes aun sentildealan que mientras maacutes cantidad de macroporos estaacuten presentes en el material maacutes
bajo fue el comportamiento de liberacioacuten del IBU debido a que el ibuprofeno adsorbido en los
poros internos tiene que difundirse a lo largo de los canales macroporos hasta la superficie del
material
Una amplia gama de meacutetodos han sido estudiados para la siacutentesis de sistemas magneacuteticos
nanoestructurados siendo los meacutetodos quiacutemicos los mayormente usados entre estos meacutetodos la
teacutecnica sol-gel sobresale debido a ventajas tales como el uso temperaturas de procesamiento
relativamente bajas comparadas con los meacutetodos tradicionales la facilidad sencillez y
versatilidad del meacutetodo el control sobre el tamantildeo y morfologiacutea del material y la obtencioacuten de
materiales relativamente puros Por ejemplo Anjaneyulu y Vijayalakshmi [82] fabricaron un
compoacutesito [HAP (Ca)10(PO4)6(OH)2] magnetita (Fe3O4) derivado del meacutetodo sol-gel sobre una
aleacioacuten Ti-6Al-4V El compoacutesito fue caracterizado por XRD SEM-EDAX y mediciones de
aacutengulo de contacto Ademaacutes realizaron un estudio de bioactividad in vitro el cual conformo que
el Ti-6Al-4V revestido por el compoacutesito fue altamente bioactivo e indujo la formacioacuten de apatita
en la presencia de las nanopartiacuteculas de Fe3O4 Por lo tanto su estudio sugiere que los implantes
recubiertos con HAPFe3O4 pueden ser usados para aplicaciones biomeacutedicas Ademaacutes una
revisioacuten detallada sobre materiales para aplicaciones biomeacutedicas sintetizados por el meacutetodo sol-
gel es proporcionada por G J Owens y colaboradores [83] en la revista Progress in Materials
Science publicada en 2016 Los materiales sintetizados por este meacutetodo incluyen los materiales a
42
base de siacutelice materiales a base de fosfatos materiales a base de metales (FendashO TindashO ZnndashO
etc) y materiales hiacutebridos orgaacutenicos-inorgaacutenicos
El aumento en el nuacutemero de artiacuteculos publicados en una gran variedad de revistas cientiacuteficas
dirigidas al disentildeo siacutentesis e ingenieriacutea de una amplia gama de materiales con diversas
formulaciones por ejemplo los liposomas dendriacutemeros micelas partiacuteculas polimeacutericas y
materiales magneacuteticos nanoestructurados revela que el aacuterea biomeacutedica ha llegado a ser un aacuterea
de gran intereacutes debido al potencial de estos materiales para ser usados en una gran variedad de
aplicaciones tal como agentes de contraste para MRI tratamiento de caacutencer mediante
hipertermia y como DDS
Dentro de los materiales maacutes prominentes para este tipo de aplicaciones se encuentran los
materiales magneacuteticos a base de oacutexido de hierro dentro de los cuales podemos incluir a los
sistemas nanoestructurados de hexaferrita de bario (BaFe12O19) disentildeados y sintetizados en el
presente trabajo de investigacioacuten La relevancia de estos materiales se basa en su
biocompatibilidad aprobados por la Federal Drug Administration (FDA) para su uso biomeacutedico
Una ventaja de los materiales porosos en especial aquellos materiales con una jerarquiacutea macro-
mesoporosa tal es el caso de los sistemas de BaFe12O19 sintetizados aquiacute es la presencia de una
arquitectura que exhiba alta aacuterea superficial baja densidad y buena estabilidad fisicoquiacutemica lo
cual reflejariacutea un incremento considerable en la capacidad de carga de moleacuteculas con actividad
bioloacutegica usadas como faacutermaco modelo ya sea de naturaleza hidrofoacutebica o hidrofiacutelica Ademaacutes
mediante la aplicacioacuten de un campo magneacutetico externo las propiedades magneacuteticas pueden ser
aprovechadas para dirigir y focalizar el faacutermaco a un sitio especiacutefico de accioacuten logrando un perfil
de liberacioacuten controlado Por lo tanto la concentracioacuten y nuacutemero de dosificaciones del faacutermaco
se reduciriacutea lo cual se veriacutea reflejado en la disminucioacuten de efectos secundarios no deseados en el
tratamiento de enfermedades tales como el caacutencer
43
CAPIacuteTULO 3
DESARROLLO EXPERIMENTAL
44
CAPIacuteTULO 3 DESARROLLO EXPERIMENTAL
En el presente capiacutetulo se describe el procedimiento experimental llevado a cabo durante el
trabajo de investigacioacuten La Fig 32 muestra las tres etapas principales que constituyen el
procedimiento experimental para el estudio de los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 I)
Disentildeo (Fig 31) y Siacutentesis II) Caracterizacioacuten y III) Pruebas bioloacutegicas La Tabla 3I muestra
los factores a evaluar en el disentildeo experimental fraccionario 2f
31 MATERIALES INICIALES
Se usaron productos comerciales grado reactivo sin purificacioacuten alguna Los reactivos usados
para la siacutentesis de la hexaferrita de bario fueron marca Sigma-Aldrich Nitrato de hierro (III)
nonahidratado Fe(NO3)39H2O carbonato de bario BaCO3 e hidroacutexido de amonio El surfactante
utilizado fue el Tween 20 (Merck) El surfactante hidrofiacutelico no-ioacutenico Tween 20 (C58H114O26) es
un eacutester de polioxietileno sorbitan (con un peso molecular calculado de 1225 Daltones asumiendo
20 unidades de oacutexido de etileno 1 sornitol y un aacutecido laacuteurico como aacutecido graso primario
Microesferas de poliestireno (PS) monodispersas sintetizadas en el laboratorio fueron usadas
como agente poroacutegeno o agente formador de poro
La primera etapa establece el disentildeo y siacutentesis de agregados esfeacutericos nanoestructurados de
hexaferrita de bario de tamantildeo micromeacutetrico con jerarquiacutea macro-mesoporosa (de aquiacute en
adelante llamados simplemente agregados de BaFe12O19) En esta etapa un disentildeo factorial 2f fue
usado para disentildear y evaluar los efectos de la temperatura (T) presioacuten (P) y concentracioacuten de
agente poroacutegeno ( en peso) en el meacutetodo de siacutentesis sol-gel acoplado a secado por aspersioacuten La
siacutentesis sol-gel se inicioacute con el uso de nitrato de hierro (III) nonahidratado Fe(NO)3 y carbonato
45
de bario BaCO3 como sales precursoras las cuales son disueltas en agua desionizada A su vez
Tween 20 se usoacute como surfactante para permitir la creacioacuten de la estructura mesoporosa
La mezcla de sales precursoras + Tween 20 se agitoacute por 30 min mediante agitacioacuten magneacutetica
modificando el pH a 8 usando NH4OH A continuacioacuten se agregoacute una suspensioacuten acuosa de
esferas de poliestireno (PS) usada como agente poroacutegeno con una concentracioacuten de 30 o 50
de acuerdo al disentildeo factorial 2f La suspensioacuten resultante se sometioacute al proceso de secado por
aspersioacuten donde se evaluaron los paraacutemetros de temperatura (T degC) y presioacuten (P Kgcm2) de
acuerdo a los valores del disentildeo factorial 2f Como resultado se obtuvo un compoacutesito
ceraacutemicopoliacutemero el cual fue sometido a un tratamiento teacutermico a temperaturas de 700 degC hasta
1000 degC para obtener el material macro-mesoporoso con estructura y morfologiacutea deseada
La segunda etapa se enfoca en la caracterizacioacuten Esta etapa del proceso aborda las teacutecnicas de
caracterizacioacuten estructural morfoloacutegica fiacutesica quiacutemica y magneacutetica de los agregados de
BaFe12O19 Difraccioacuten de rayos X (XRD) fue usada para determinar la estructura y cristalinidad
de los agregados de BaFe12O19 Microscopiacutea electroacutenica de barrido (SEM) fue usada para
determinar la morfologiacutea y tamantildeo de los agregados de BaFe12O19 ademaacutes de caracterizarlos
quiacutemicamente mediante anaacutelisis EDS y mapeo quiacutemico Microscopiacutea electroacutenica de transmisioacuten
(TEM) fue usada para determinar la morfologiacutea y estructura de los agregados de BaFe12O19
usando las modalidades de campo claro (BF) campo oscuro (DF) alta resolucioacuten (HRTEM)
barrido-transmisioacuten (STEM) en su modalidad de campo oscuro anular (STEM-ADF) y difraccioacuten
electroacutenica de aacuterea selecta (SAEDP) Determinacioacuten de aacuterea superficial especiacutefica BET mediante
adsorcioacutendesorcioacuten de N2 Espectroscopiacutea infrarroja por transformada de Fourier (FTIR)
Potencial zeta ζ El Magnetoacutemetro de muestra vibrante (VSM) fue usada para determinacioacuten de
las propiedades magneacuteticas (saturacioacuten magneacutetica Ms remanencia magneacutetica Mr y coercitividad
Hc) La tercera etapa evaluacutea las pruebas bioloacutegicas Los agregados de BaFe12O19 se evaluaron
como DDS al probar su capacidad de carga usando el peacuteptido DS como faacutermaco modelo El
peacuteptido DS se sintetizoacute a partir de los plaacutesmidos pF1A T7 Flexireg pFN21K y pFN18K
empleando la cepa T7 de Escherichia coli A su vez isopropil-β-D-1-tiogalactopiranoacutediso
(IPTG) se usoacute para inducir la produccioacuten del peacuteptido
46
Figura 31 Disentildeo experimental fraccionario 2f Las variables de entrada son la presioacuten (P) Temperatura (T) y
porcentaje de agente poroacutegeno (PS) Las variables de respuesta son la morfologiacutea y tamantildeo de agregado aacuterea
superficial BET volumen de mesoporo y tamantildeo de macroporo
Tabla 3I Factores a evaluar en el disentildeo experimental A) Presioacuten (P) B) Temperatura (T) y C) Concentracioacuten de
poliestireno usado como agente poroacutegeno (PS) Cada uno de los paraacutemetros presenta un nivel bajo (-) y un nivel
alto (+)
Factor Paraacutemetro Nivel
Bajo (-) Alto (+)
A P (Kgcm2) 15 2
B T (degC) 180 200
C PS 30 50
Los disentildeos factoriales se usan ampliamente en experimentos que incluyen varios factores
cuando es necesario estudiar el efecto conjunto de los factores sobre una respuesta El disentildeo 2f
es de particular importancia ya que proporciona el menor nuacutemero de corridas con las que pueden
estudiarse f factores en un disentildeo factorial completo
El resultado total del disentildeo factorial 2f es representado en la Tabla 3II El nivel alto para cada
factor estaacute representado por el siacutembolo maacutes (+) mientras el siacutembolo menos (-) representa el nivel
bajo Los resultados del disentildeo factorial de dos factores pueden ampliarse en el caso general en
que hay a niveles del factor A b niveles del factor B y c niveles del factor C dispuestos en un
experimento factorial En general habraacute abchellipn observaciones totales si se hacen n reacuteplicas del
47
experimento completo Es necesario un miacutenimo de dos replicas (n ge 2) para determinar una suma
de cuadrados debida al error si todas las interacciones posibles estaacuten incluidas en el modelo
Cuando todos los factores del experimento son fijos es sencillo formular y probar hipoacutetesis
acerca de los efectos principales y las interacciones
Tabla 3II Matriz del disentildeo experimental
A B AB C AC BC ABC
(1) - - + - + + -
a + - - - - + +
b - + - - - - +
ab + + + - - - -
c - - + + - - +
ac + - - + + - -
bc - + - + + + -
abc + + + + + + +
48
Figura 32 Diagrama de flujo que muestra las etapas principales en el desarrollo experimental en la siacutentesis de
agregados nanoestructurados de BaFe12O19 i) Disentildeo y Siacutentesis ii) Caracterizacioacuten y iii) pruebas bioloacutegicas
49
32 DISENtildeO EXPERIMENTAL FRACCIONARIO 2f
El disentildeo del sistema de los agregados esfeacutericos nanoestructurados macroporosos de BaFe12O19
fue llevado a cabo usando un disentildeo factorial 2f El teacutermino 2
f mide la cantidad de condiciones
experimentales siendo f el nuacutemero de factores a evaluar En este caso particular cada factor
presenta dos niveles lo cual estaacute representado por el nuacutemero 2 en el teacutermino 2f El disentildeo
permitioacute evaluar el efecto de los paraacutemetros del secado por aspersioacuten tales como la presioacuten del
aire (P Kgcm2) y la temperatura de entrada (T degC) Asiacute tambieacuten como la concentracioacuten del
poroacutegeno () en el tamantildeo y volumen de los aglomerados esfeacutericos obtenidos en el proceso de
secado por aspersioacuten
33 SIacuteNTESIS DE AGREGADOS DE BaFe12O19
Las esferas de BaFe12O19 fueron sintetizadas por el meacutetodo sol-gel asistido por surfactantes y
agentes poroacutegenos Durante la siacutentesis dos suspensiones fueron preparadas la primera
compuesta por las sales de Fe(NO3)39H2O y BaCO3 las cuales fueron disueltas en agua
desionizada y agitadas magneacuteticamente con una relacioacuten molar estequiometria la segunda
formada por el surfactante Tween 20 en solucioacuten acuosa Ambas suspensiones fueron mezcladas
con agitacioacuten magneacutetica constante Durante el proceso de reaccioacuten el pH de la suspensioacuten fue
ajustado a 80 usando NH4OH Una tercera suspensioacuten compuesta por esferas de poliestireno
dispersas en agua desionizada fue adicionada a la mezcla con agitacioacuten magneacutetica constante por 1
h variando la concentracioacuten de acuerdo al disentildeo experimental
La mezcla coloidal resultante fue alimentada a una caacutemara de secado tubular de un equipo Mini
Spray Dryer (Yamato ADL31) a traveacutes de un flujo concurrente de aire caliente como gas
acarreador El proceso de secado fue iniciado por la generacioacuten de pequentildeas gotas a partir de la
suspensioacuten coloidal seguida por la atomizacioacuten del liacutequido a una temperatura y presioacuten variando
de acuerdo al disentildeo experimental resultando en la produccioacuten de polvos (xerogeles) compuestos
de partiacuteculas soacutelidas Finalmente el polvo fue recolectado mediante un cicloacuten y sometido a un
50
tratamiento teacutermico para la eliminacioacuten total de los agentes orgaacutenicos surfactante y el agente
poroacutegeno la eliminacioacuten total de agua estructural la formacioacuten de oacutexidos y la cristalizacioacuten de
los mismos Cuatro diferentes temperaturas de tratamiento isoteacutermico fueron evaluadas 700 800
900 y 1000 degC a una velocidad de calentamiento de 3 degCmin por 2 h con el objeto de seguir la
cristalizacioacuten y la formacioacuten de las fases de hexaferrita de bario asiacute como la evaluacioacuten de la
microestructura y de las propiedades magneacuteticas en funcioacuten de la temperatura de tratamiento
teacutermico
34 CARACTERIZACIOacuteN
341 Difraccioacuten de rayos X
Las fases y estructuras cristalinas de la BaFe12O19 fueron analizadas por difraccioacuten de rayos x en
un difractoacutemetro Bruker modelo D8 Advance usando radiacioacuten Cu Kα (45 KV 30 mA) Las
muestras analizadas fueron escaneadas en un rango 2θ a partir de 20 a 80 deg y una amplitud de
paso constante de 002deg
342 Microscopiacutea electroacutenica de barrido
La caracterizacioacuten estructural y morfoloacutegica de la BaFe12O19 fue llevada a cabo en un
microscopio electroacutenico de barrido (SEM) de emisioacuten de campo JEOL JSM-7600F asiacute como su
caracterizacioacuten quiacutemica usando la teacutecnica de espectroscopiacutea de divisioacuten de energiacutea de los rayos
caracteriacutesticos (EDS) El tamantildeo de los agregados de BaFe12O19 fue determinado a partir de
imaacutegenes de SEM mediante la medicioacuten y anaacutelisis estadiacutestico de los datos usando el programa
Lince linear intercept (Verfuumlgbare Software)
51
343 Microscopiacutea electroacutenica de transmisioacuten
El microscopio electroacutenico de transmisioacuten (TEM) de emisioacuten de campo FEG Phillips Tecnai F20
fue usado para la obtencioacuten y estudio de la cristalinidad de las esferas de BaFe12O19 usando las
teacutecnicas de difraccioacuten de aacuterea selecta (SAEDP) alta resolucioacuten (HRTEM) y microscopia
electroacutenica de barrido-transmisioacuten (STEM) en su modalidad de campo oscuro anular (STEM-
ADF) Para su observacioacuten por TEM 10 mg del polvo obtenido despueacutes del secado por
aspersioacuten y calcinado a 700 degC se dispersoacute en 10 mL de etanol (Sigma-Aldrich) en un tubo para
micro-centrifuga de 15 ml (Eppendorf) Despueacutes la solucioacuten se dispersoacute usando un equipo
limpiador de vibracioacuten ultrasoacutenica Branson 1510 (42 KHz a 70 W) por 30 min Con ayuda de un
capilar una gota de la suspensioacuten homogeacutenea se depositoacute sobre una rejilla de cobre de 300 mesh
previamente recubierta con colodioacuten y una peliacutecula delgada de carboacuten La rejilla se secoacute a
temperatura ambiente por toda la noche El anaacutelisis y procesamiento computacional de las
imaacutegenes de TEM asiacute como la obtencioacuten de su transformada raacutepida de Fourier (FFT) se
analizaron con el software Digital Micrograph de la compantildeiacutea Gatan Tomando en cuenta las
posiciones xyz reportadas para la BaFe12O19 con grupo espacial P3mmc [47] se simularon
computacionalmente las imaacutegenes de HRTEM Para esto se crecioacute la celda a una supercelda de
4x4x4 celdas con el programa Diamond Crystal and Molecular Visualization [48] y se simularon
las imaacutegenes de TEM en el programa Simulatem [49] Las condiciones para la simulacioacuten fueron
200 Kv Cs de 12 mm y foco de Scherzer -5485 nm
344 Isotermas de adsorcioacutendesorcioacuten de nitroacutegeno
Las isotermas de adsorcioacutendesorcioacuten de nitroacutegeno a 77 K fueron obtenidas en un instrumento
Quantachrome Antes de su anaacutelisis las muestras (014 ndash 038 g) fueron colocadas en un tubo
bajo atmosfera de N2 y entonces degasificadas por 4 h a 100 degC Ademaacutes la distribucioacuten de
tamantildeo de mesoporo fue medida mediante la teacutecnica Barrett-Joyner-Halenda (BJH)
52
345 Espectroscopiacutea infrarroja
Las mediciones de espectroscopiacutea infrarroja (IR) fueron llevadas a cabo a temperatura ambiente
(46 HR) en un espectrofotoacutemetro con Transformada de Fourier Marca Bruker Modelo Tensor
27 Los espectrogramas fueron obtenidos en un rango de longitud de onda de 4000 a 400 cm-1
(tiempo de escaneo 32 scans) con una resolucioacuten de 4 cm-1
Los espectros fueron obtenidos a
partir de muestras en polvo con una correccioacuten de liacutenea base y suavizado usando el software
Tensor
346 Propiedades magneacuteticas
El anaacutelisis de las propiedades magneacuteticas de los agregados de BaFe12O19 fueron llevas a cabo
usando un magnetoacutemetro de muestra vibrante (VSM LDJ 9600) a temperatura ambiente
aplicando un campo magneacutetico constante de 5000 Oe Los valores de saturacioacuten magneacutetica (Ms)
magnetizacioacuten remanente (Mr) y coercitividad (Hc) fueron obtenidos a partir de la curva de
histeacuteresis
347 Potencial zeta ζ
Las mediciones de potencial zeta de los agregados de BaFe12O19 fueron obtenidos usando un
equipo ZetaMeter (Zetasizer Modelo Malverin 300 HSA) Se prepararon diferentes suspensiones
de polvo de BaFe12O19 (0011g) en 20 mL de agua destilada Para cada suspension el valor de pH
fue modificado a valores aacutecidos y baacutesicos desde 20 hasta 100 usando como modificadores de
pH aacutecido niacutetrico HNO3 e hidroacutexido de amonio NH4OH respectivamente
35 PRUEBAS BIOLOacuteGICAS
351 Extraccioacuten de ADN plasmiacutedico
La Fig 33 muestra el diagrama de extraccioacuten de ADN plasmidico Las etapas principales en la
extraccioacuten de ADNp incluye la preparacioacuten del lisado lavado y elucioacuten (Fig 33(a)) El plaacutesmido
53
recombinante presente en la cepa T7 Express Iq Competent de Escherichia coli [MiniF
laqIq(CamR)fhuA2 lacZT7 gene1 [Ion] ompT gal sulA11 R(mcr-73miniTn10mdashTets)2[dcm]
R(zgb-210Tn10mdashTets) endA1 Δ(mcrC-mrr)114IS10] fue aislado de acuerdo a las
instrucciones del Kit PureYieldTM Plasmid Miniprep System (Fig 33(b)) 30 microL de ADN + 10
microL de buffer de carga fueron cargados en un gel de agarosa al 08 para determinar la presencia
del plaacutesmido mediante electroforesis La electroforesis se llevoacute a cabo a 90 V por 30 min El gel
fue analizado en un Fotocodificador EL LOGIC 200
Figura 33 Extraccioacuten de ADN plasmiacutedico (a) Pasos generales en la extraccioacuten de ADNp y (b) procedimiento del
Kit Pure YieldTM Plasmid Miniprep System
352 Siacutentesis del peacuteptido DS
La Fig 34 muestra el diagrama general de siacutentesis del peacuteptido DS El Diagrama incluye los
pasos desde la expresioacuten del peacuteptido hasta su deteccioacuten y revelado con luminol
54
Figura 34 Diagrama de siacutentesis del peacuteptido DS a partir del plaacutesmido pFN21K El Diagrama incluye los pasos desde
la expresioacuten del peacuteptido hasta su deteccioacuten y revelado con luminol en un anaacutelisis tipo Western
a Siacutentesis a partir del plaacutesmido pF1A T7 Flexireg
Un pre-inoacuteculo de E coli fue preparado tomando una asada de la cepa T7 modificada para
sintetizar el peacuteptido pF1A T7 Flexi la cual se inoculo en 30 mL del medio de cultivo Luria-
Bertani (LB) El cultivo fue incubado a 37 degC por 18 h en agitacioacuten a 150 rpm La induccioacuten se
llevoacute a cabo distribuyendo 200 microL de pre-inoacuteculo + 20 microL de ampicilina (100 microgmL) en 20 mL
de LB El medio de cultivo fue incubado hasta alcanzar una densidad oacuteptica (DO) de 04 ndash 06
Los valores de DO fueron medidos en un Espectro Cary 50 Probe UV-vis spectro usando una
longitud de onda λ = 600 nm Una vez alcanzada la DO diferentes concentraciones de isopropil-
β-D-1-tiogalactopiranoacutesido (IPTG) fueron agregadas para inducir la concentracioacuten del peacuteptido
La concentracioacuten de IPTG fue calculada usando la Ecuacioacuten 1 La induccioacuten se incuboacute a 37 degC
por 3 h 10 mL de la induccioacuten fue tomado y centrifugado a 13000 rpm por 1 min el
sobrenadante fue descartado y fueron agregados al sedimento 100 microL de buffer de lisis La
muestra se hirvioacute por 10 min 50 microL de muestra fueron cargados en un gel de poliacrilamida para
determinar la expresioacuten del peacuteptido de intereacutes La muestra fue tratada con dodecil sulfato de
sodio (SDS CH3(CH2)10CH2OSO3-
Na+) La electroforesis se llevoacute a cabo a 200 V por 40 min
El fundamento de la electroforesis se basa en el movimiento de las partiacuteculas cargadas en un
campo eleacutectrico hacia un electrodo con carga opuesta El anioacuten del SDS se une con fuerza a las
55
proteiacutenas por adsorcioacuten no especiacutefica cuanto mayor es la proteiacutena maacutes cantidad del anioacuten
adsorberaacute El SDS desnaturaliza por completo a las proteiacutenas rompiendo todas las interacciones
no covalentes Como resultado las proteiacutenas adquieren una carga negativa a consecuencia de la
adsorcioacuten del anioacuten SO3-
La movilidad de las macromoleacuteculas depende de su carga forma y
tamantildeo Sin embargo dado que todas las proteiacutenas de la muestra tienen casi la misma forma y
carga el tamantildeo de las proteiacutenas se convierte en el factor determinante para su separacioacuten
Ecuacioacuten 31
donde
C1 = concentracioacuten de IPTG deseada
V1 = volumen del medio LB
C2 = concentracioacuten del stock de IPTG
V2 = volumen necesario de IPTG para alcanzar la concentracioacuten deseada
b Siacutentesis a partir del plaacutesmido pFN21K
Con el objetivo de llevar a cabo la expresioacuten y produccioacuten de proteiacutenas recombinantes ceacutelulas
derivadas de ovario de haacutemster chino Cricetulus griseus (ceacutelulas CHO) fueron transferidas con
el vector pFN21K construido especialmente para expresar el peacuteptido deseado 300 000 ceacutelulas
CHOpozo fueron sembradas en placas de seis pozos para cultivo celular en 1 mL de medio de
crecimiento completo (F-12K) e incubadas a una atmoacutesfera de 5 de CO2 y a 37 ordm C 24 horas
despueacutes las ceacutelulas CHO se transfectaron haciendo uso del kit XfetTM Transfection Reagent
siguiendo las instrucciones del fabricante y empleando 5 microg de plaacutesmido El cultivo celular
transfectado fue incubado durante 24 h en una atmosfera de 5 de CO2 y a 37 ordm C despueacutes de los
56
cuales el medio fue sustituido por medio celular nuevo y se incuboacute a las mismas condiciones de
CO2 y temperatura Se verificoacute la transfeccioacuten positiva de las ceacutelulas CHO y se procedioacute a la
extraccioacuten de proteiacutena total Las ceacutelulas CHO fueron lavadas dos veces con PBS frio esteacuteril a
continuacioacuten fueron antildeadidos a cada pozo 80 microL de buffer de lisis con una concentracioacuten final de
2X El complejo lisado fue recuperado en tubos de 15 mL y la proteiacutena se centrifugoacute a 14000
rpm a 4 ordmC por 20 min El sobrenadante fue recuperado Un anaacutelisis tipo Western blot fue
utilizado para verificar la expresioacuten del peacuteptido con ayuda de anticuerpos monoclonales El
primer paso de este anaacutelisis consistioacute en la separacioacuten de macromoleacuteculas proteicas mediante
geles de poliacrilamida al 10 Posteriormente las proteiacutenas se transfieren a una matriz de
nitrocelulosa la cual fue bloqueada con una solucioacuten de caseiacutena al 1 en amortiguador salino de
Tween20 al 01 Tris 100 mM pH 75 NaCl 09 (TTBS) Posteriormente se llevoacute a cabo una
serie de lavados utilizando solucioacuten amortiguadora de fosfatos (PBS) KHPO4 106 mM NaCl
15517 mM y NaPO4 297 mM pH 74 La deteccioacuten del peacuteptido deseado se realizoacute adicionando
como anticuerpo primario anti-HaloTagreg y como anticuerpo secundario anti-gallina acoplado a
la enzima peroxidasa de raacutebano (HRP) El revelado en una placa fotograacutefica para la deteccioacuten del
peacuteptido se llevoacute a cabo mediante la adicioacuten de luminol
353 Cargaliberacioacuten del peacuteptido
a Carga BaFe12O19-pF1AT7 Flexireg
10 mg de polvo de BaFe12O19 fueron puestos en contacto con 40 mL del peacuteptido DS producido a
partir del plaacutesmido pF1A T7 Flexireg mediante agitacioacuten lenta a temperatura ambiente durante 2 h
Los polvos de BaFe12O19 fueron recuperados del peacuteptido tomando 50 microL de la suspensioacuten a los
cuales se les agrego 50 microL de agua desionizada + 50 microL de buffer de lisis La mezcla se llevoacute a
ebullicioacuten por 10 min para su posterior carga en un gel de poliacrilamida para realizar un anaacutelisis
tipo Western
57
b Carga BaFe12O19-pFN21K
10 mg de polvo de BaFe12O19 fueron puestos en contacto con 40 mL de una solucioacuten acuosa del
peacuteptido DS-HaloTag mediante agitacioacuten lenta a temperatura ambiente Una aliacutecuota de la
solucioacuten fue tomada a tiempos predeterminados para medir la DO600 La disminucioacuten de DO
indica que el peacuteptido DS-HaloTag se ha absorbido en los sistemas nanoestructurados de
BaFe12O19
354 Liberacioacuten del peacuteptido DS de los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19
Los polvos de BaFe12O19 fueron recuperados de la solucioacuten acuosa que conteniacutea el peacuteptido DS-
HaloTag A continuacioacuten fueron colocados en medio F12K e incubados a una atmoacutesfera de 5
de CO2 a 37 ordmC Para verificar la liberacioacuten del peacuteptido Halo-DS a tiempos predeterminados una
aliacutecuota del medio fue tomada y medida la DO600
58
CAPIacuteTULO 4
RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN
59
CAPIacuteTULO 4 RESULTADOS Y DISCUSION
En este capiacutetulo se presentan los resultados obtenidos en el disentildeo y siacutentesis de los sistemas
nanoestructurados de BaFe12O19 fabricados a partir de un disentildeo experimental factorial 2f y
sintetizados a traveacutes del meacutetodo sol-gel y secado por aspersioacuten A partir de los resultados
obtenidos en la caracterizacioacuten estructural morfoloacutegica fisicoquiacutemica y magneacutetica de los
sistemas de BaFe12O19 asiacute como las pruebas bioloacutegicas que incluyen el estudio de carga y
liberacioacuten del peacuteptido DS utilizado como faacutermaco modelo se discute la capacidad de estos
sistemas para ser usados como sistemas de liberacioacuten de faacutermaco
41 DISENtildeO FACTORIAL 2f
La Tabla 4I muestra el total de 8 experimentos llevados a cabo cuando se realizoacute el disentildeo
experimental 2f asiacute como los valores obtenidos para el diaacutemetro promedio de agregado de
BaFe12O19 aacuterea superficial especiacutefica BET volumen de mesoporo y diaacutemetro promedio de
macroporo de los agregados de BaFe12O19el volumen de poro y el tamantildeo de aglomerado
promedio para todos los experimentos Se observa un efecto sobre el volumen de poro y el
tamantildeo de los agregados nanoestructurados macroporosos de BaFe12O19 Los diaacutemetros promedio
de los agregados esfeacutericos obtenidos despueacutes del proceso de secado por aspersioacuten y calcinados a
700 degC variaron de 150 a 173 microm Las partiacuteculas nanoestructuradas superparamagneacuteticas de
oacutexido de hierro desde 29 nm hasta 35 microm han sido sintetizadas por varios autores La mayoriacutea
de las aplicaciones son dependientes del tamantildeo En este trabajo se ha elegido sintetizar
agregados esfeacutericos macroporosos de tamantildeo micromeacutetrico con la finalidad de aumentar la carga
uacutetil en los sistemas de liberacioacuten de faacutermacos asegurando tambieacuten con ello la estabilidad de los
agregados durante el transporte en el torrente sanguiacuteneo Ademaacutes se ha tomado en cuenta que el
tamantildeo maacutes grande de agregado obtenido aquiacute sea capaz de ser inyectado auacuten en los capilares
(los cuales miden alrededor de 5 a 10 microacutemetros de diaacutemetro)
60
Un anaacutelisis estadiacutestico de variancia (ANOVA) fue llevado a cabo para establecer que los factores
A B y C correspondientes a la presioacuten (P) temperatura (T) y PS respectivamente asiacute como
sus interacciones AB AC BC y ABC afectan la morfologiacutea y el tamantildeo del agregado Para este
tipo de modelo la estadiacutestica de prueba (F0) para cada efecto principal e interaccioacuten pueden
construirse dividiendo el cuadrado medio (MS) correspondiente del efecto o interaccioacuten por el
cuadrado medio del error Mientras que el estadiacutestico de referencia (FT) es obtenido a partir de la
literatura El nuacutemero de grados de libertad (GL) de cualquier efecto principal es el nuacutemero de
niveles del factor menos uno y el nuacutemero de GL de una interaccioacuten es el producto del nuacutemero de
GL asociados con los componentes individuales de la interaccioacuten Cuando F0 gt FT los efectos
individuales o sus interacciones muestran un efecto significativo en las variables de respuesta
De acuerdo al anaacutelisis ANOVA en la Tabla 4II el cual analiza el diaacutemetro de agregado
promedio el uacutenico factor que tienen un efecto significativo sobre el tamantildeo del agregado es la
presioacuten de aire del aspersor Mientras que un efecto miacutenimo puede estar dado por la temperatura
o por la combinacioacuten de los factores presioacuten-temperatura y temperatura-poroacutegeno
De la misma manera un anaacutelisis ANOVA en la Tabla 4II donde se muestra el anaacutelisis de aacuterea
superficial especiacutefica BET de los agregados nanoestructurados muestra que los factores que
tienen un efecto significativo sobre BET estaacuten dados por la concentracioacuten del template por siacute
sola ademaacutes de la interaccioacuten entre los factores presioacuten-template y temperatura-template
Ademaacutes un anaacutelisis ANOVA fue llevado a cabo para analizar el volumen de mesoporos de los
agregados nanoestructurados obtenidos La Tabla 4II muestra que los efectos que tienen un
efecto significativo sobre el volumen de mesoporos son la presioacuten por siacute sola y la interaccioacuten de
los factores presioacuten-template y temperatura-template
Finalmente un anaacutelisis ANOVA fue llevado a cabo para analizar el diaacutemetro de macroporo La
Tabla 4II muestra que ninguacuten factor tiene un efecto significativo sobre el tamantildeo de macroporo
Pudiera ser considerado que los factores que tienen un miacutenimo efecto sobre el tamantildeo de
61
macroporo son la temperatura por si sola y las interacciones de los factores presioacuten-temperatura
y temperatura-poroacutegeno Se concluye que el tamantildeo de macroporo es determinado
principalmente por el tamantildeo del PS En este trabajo las esferas del agente poroacutegeno de PS
usadas fueron de 200 nm de diaacutemetro promedio
Tabla 4I Variables de respuesta (oslashagregado SBET Vmesoporo oslashmacroporo) del disentildeo experimental fraccionario 2f como
resultado del efecto de los factores P T y PS
1No Exp
2Factor
3oslashagregado
4SBET
5Vmesoporo
6oslashmacroporo
P T PS
1 - - - 169 2705 00743 1946
2 - + - 173 2456 00639 2340
3 + - - 171 3420 01686 2362
4 + + - 158 2199 00238 2213
5 - - + 150 2031 00463 2206
6 - + + 164 2064 00085 2435
7 + - + 172 1481 01015 2085
8 - - + 173 1116 00143 1971
1 = Nuacutemero de experimento 2 = Los factores de presioacuten (P Kgcm2) temperatura (T degC) y porcentaje en peso del
poliestireno (PS) usado como agente poroacutegeno muestran dos niveles nivel bajo (-) y nivel alto (+)
correspondientes a 15 Kgcm2 y 20 Kgcm
2 180 degC y 200 degC y 30 y 50 respectivamente 3 oslashagregado (microm) =
diaacutemetro promedio de agregado de BaFe12O19 SBET (m2g) = aacuterea superficial especiacutefica BET Vmesoporo (cm
3g)=
volumen de mesoporo oslashmacroporo (nm) = diaacutemetro promedio de macroporo de los agregados de BaFe12O19
62
Tabla 4II Anaacutelisis de variancia ANOVA
ANOVA
EFECTO FACTOR 1SS
2GL
3MS
4F0
5FT
oslashagregado
A 049 1 00150 574
532
B 039 1 00095 363
AB -035 1 00076 293
C -005 1 00001 005
AC 015 1 00014 053
BC 031 1 00060 229
ABC 017 1 00018 069
ERROR 0041 8 00026
TOTAL 0083 15
SBET
A -2235 1 31220 2300
532
B -1653 1 17070 1128
AB -2529 1 39970 294
C -5501 1 18910 1393
AC -3887 1 94420 6958
BC -4235 1 11200 8260
ABC -0590 1 00021 0001
ERROR 21713 8 1357
TOTAL 70108 15
Vmesoporo
A -079 1 0063 866
532
B -050 1 0168 398
AB 035 1 0023 174
C 046 1 0049 298
AC -065 1 0008 581
BC -066 1 0101 602
ABC 059 1 0014 479
ERROR 0073 8 00046
TOTAL 0227 15
oslashmacroporo
A 600 1 2250 001
532
B -656 1 2689 234
AB -766 1 3667 319
C 176 1 1936 016
AC -384 1 9216 080
BC -754 1 35532 309
ABC 480 1 14400 125
ERROR 18372 8 11483
TOTAL 30860 15
1SS = suma de cuadrados
2GL = grados de libertad
3MS = cuadrado promedio
4F0 = valor estadiacutestico de prueba F
5FT = valor estadiacutestico de referencia
63
42 CARACTERIZACIOacuteN
421 Difraccioacuten de rayos X
La Fig 41 presenta los espectros de XRD de las muestras obtenidas a temperaturas de
calcinacioacuten de 700 800 900 y 1000 degC La indexacioacuten de los espectros de XRD indicoacute la
coexistencia de las fases hexaferrita H = BaFe12O19 monoferrita O = BaFe2O4 y hematita F =
Fe2O3 en todas las muestras La fase H hexaferrita tiene una celda unitaria hexagonal (tarjeta
Crystallography Open Database COD 1008841) con paraacutemetros de red a = b =0589 nm y c =
2318 nm la fase monoferrita O tiene una celda unitaria ortorroacutembica (tarjeta COD 4107896) con
paraacutemetros de red a = 1899 nm b = 0538 nm c = 0844 nm y la fase hematita F tiene una celda
unitaria hexagonal (tarjeta COD 9015964) con paraacutemetros de red a = b = 0503 nm y c = 1374
nm Como puede observarse el contenido de la fase H aumenta con la temperatura y
simultaacuteneamente disminuye la fase F
Figura 41 Espectro DRX del polvo de las esferas de BaFe12O19 obtenidas despueacutes del proceso de secado por
aspersioacuten y calcinado a diferentes temperaturas Este presenta las fases H = BaFe12O19 (tarjeta Crystallography Open
Database COD 1008841) F = Fe2O3 (tarjeta COD 9015964)
64
422 Microscopiacutea electroacutenica de barrido
La Fig 42(a) muestra una imagen de SEM representativa de los agregados esfeacutericos de
BaFe12O19 de los polvos obtenidos despueacutes del proceso de secado por aspersioacuten y antes de ser
sometido a un tratamiento teacutermico Una amplificacioacuten a 20000 X (Fig 42(b)) muestra un
agregado de BaFe12O19 en el cual pueden ser observadas las esferas de poliestireno (PS) antes de
ser eliminadas durante el tratamiento teacutermico
Figura 42 Imaacutegen SEM de (a) agregados esfeacutericos de BaFe12O19 antes de ser tratados teacutermicamente y (b) una
amplificacioacuten a 20000 X que muestra un agregado de BaFe12O19 en el cual pueden ser observadas las esferas de
poliestireno (PS) antes de ser eliminadas
La Fig 43(a) y Fig 43(c) muestra imaacutegenes de SEM representativas de los agregados de
BaFe12O19 Las imaacutegenes fueron tomadas con electrones secundarios (SE) a 5 KV Se puede
observar que los agregados porosos nanoestructurados presentan una morfologiacutea esfeacuterica Los
insertos en la Fig 43(a) y Fig 43(c) muestran una amplificacioacuten de los agregados de BaFe12O19
Noacutetese que las esferas son macroporosas y policristalinas constituidas por cristales alargados o
fibras de tamantildeo micromeacutetrico formando una estructura tipo nido La macroporosidad fue
producto de la pirolisis de las esferas de poliestireno durante el tratamiento teacutermico Sin embargo
no existe evidencia clara en los espectros de DRX (Fig 41) de crecimiento preferencial de
ninguna de las fases
65
Las Fig 43(b) y Fig 43(d) muestra los histogramas de distribucioacuten de tamantildeo de agregado
correspondiente a las Fig 43(a) y Fig 43(c) respectivamente Los agregados tienen un diaacutemetro
promedio de aprox 17 microm el cual como se mencionoacute anteriormente cumple con el requisito de
ser menor de 50 microm para poder ser introducido en una suspensioacuten inyectable Los agregados
esfeacutericos observados en las muestras son praacutecticamente del mismo tamantildeo puesto que el tamantildeo
de estos agregados es resultado del tamantildeo de la gota producida en la boquilla del equipo de
secado pero tambieacuten puede estar influenciado por la reologiacutea de la suspensioacuten alimentada La
distribucioacuten de tamantildeo de agregado fue determinada a partir de imaacutegenes SEM mediante anaacutelisis
estadiacutestico usando el software linear Lynx Los histogramas describen el comportamiento en
cuanto a tendencia central forma y dispersioacuten del conjunto de datos analizados (agregados de
BaFe12O19 N = 300)
Ademaacutes se observa una morfologiacutea esfeacuterica homogeacutenea con un tamantildeo de macroporo de aprox
200 nm de diaacutemetro con una desviacioacuten estaacutendar de 50 nm Este resultado es loacutegico si
consideramos que la suspensioacuten alimentada estaacute constituida ademaacutes del gel por las esferas de
poliestireno monomodales cuyo tamantildeo promedio es de 223 nm Por lo tanto estos materiales
caen en la clasificacioacuten de materiales macroporosos de acuerdo a la IUPAC Ademaacutes la
distribucioacuten de los mesoporos de los agregados esfeacutericos obtenidos fue determinada por la teacutecnica
BJH En promedio los mesoporos son del orden de 12 nm con una desviacioacuten estaacutendar de 2 nm
Como se mencionoacute anteriormente debido al disentildeo factorial 2f un conjunto de 8 experimentos
fue realizado Todas las muestras tienen una estructura y morfologiacutea similar por lo tanto las
imaacutegenes representativas para cada una de las concentraciones de PS 30 y 50 en peso
respectivamente son mostradas La muestra en la Fig 43(a) fue sintetizada con una temperatura
interna de 200 degC y una presioacuten de 20 Kgcm2 correspondiente a los paraacutemetros de secado por
aspersioacuten y a una concentracioacuten de esferas de poliestireno de 50 La muestra en la Fig 43(c)
fue sintetizada con una temperatura interna de 180 degC y una presioacuten de 15 Kgcm2
correspondiente a los paraacutemetros de secado por aspersioacuten y una concentracioacuten de esferas de
poliestireno de 30 La diferencia principal entre las imaacutegenes de las Fig 44(3) y Fig 44(3) es
la distribucioacuten de tamantildeo de poro
66
Figura 43 Imaacutegenes de SEM de los agregados de BaFe12O19 y sus correspondientes histogramas de distribucioacuten de
tamantildeo (a) Muestra con 50 de PS bajo condiciones de secado por aspersioacuten de 200 degC y 20 Kgcm2 y su
correspondiente distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula (b) (c) Muestra con 30 de PS bajo condiciones de secado por
aspersioacuten de 180 degC y 15 Kgcm2 y su correspondiente distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula (d) Las muestras fueron
calcinadas a 700 degC
Una variedad de diferentes morfologiacuteas han sido reportadas en la literatura Por ejemplo
Okuyama y cols [75] han reportado la siacutentesis de partiacuteculas esfeacutericas completamente densas
partiacuteculas esfeacutericas rugosas partiacuteculas huecas partiacuteculas tipo dona partiacuteculas porosas partiacuteculas
encapsuladas y una mezcla de partiacuteculas Chiemi y cols [51] han reportado la siacutentesis de
partiacuteculas nuacutecleo-coraza Ademaacutes otras morfologiacuteas tales como nanoalambres nanocilindros
nanotubos y nanopartiacuteculas tipo gusano han sido reportadas en la literatura En este trabajo se han
obtenido agregados nanoestructurados de BaFe12O19 con una morfologiacutea esfeacuterica Una ventaja de
las partiacuteculas esfeacutericas es su importancia praacutectica debido a sus propiedades reoloacutegicas cuando se
67
comparan con otras morfologiacuteas Por ejemplo cuando se encuentran en los vasos sanguiacuteneos el
flujo de los microagregados de forma esfeacuterica en el torrente sanguiacuteneo se ve mejorado
El anaacutelisis EDS (Fig 44(a)) y su respectivo mapeo quiacutemico (Fig 44(b)) realizado en el SEM
indicoacute que los agregados de BaFe12O19 estaacuten compuestos como era de esperarse por los
elementos quiacutemicos Ba Fe y O El pico de C es producido por la cinta doble cara de carbono
usada como adhesivo en soporte Este resultado demuestra que la composicioacuten de las esferas
obtenidas contiene los mismos elementos que fueron introducidos en la siacutentesis y no presentan
contaminacioacuten
Figura 44 (a) Espectro EDS de los agregados de BaFe12O19 el cual indica la presencia de los elementos Ba Fe y O
El C es producido por la cinta doble cara de carbono usada como adhesivo en soporte (b) Mapeos quiacutemicos de EDS
de los agregados de BaFe12O19 Imagen SEM en el modo de electrones secundarios Las imaacutegenes de Ba (verde) Fe
(rojo) y O (azul) indican su distribucioacuten homogeacutenea y que estos elementos son los uacutenicos presentes en las muestras
423 Microscopiacutea electroacutenica de transmisioacuten
La Fig 45 presenta las imaacutegenes de STEM-ADF de los agregados de BaFe12O19 calcinadas a
700 degC Estas imaacutegenes confirman que las esferas estaacuten conformadas principalmente por cristales
alargados tipo platelets Estos cristales son tan alargados que llegan a alcanzar una longitud del
tamantildeo de la esfera Por ejemplo en la Fig 45(d) se observa una esfera de aproximadamente 921
nm de diaacutemetro y la longitud del cristal maacutes largo es de 700 nm aproximadamente El tamantildeo
68
promedio de las esferas fue de 17 +- 04 microm y de los cristales alargados de 2991 +- 801 nm en
longitud y 341 +- 77 nm en espesor
Figura 45 Imaacutegenes de STEM-ADF de los agregados de BaFe12O19 Las esferas estaacuten conformadas principalmente
por cristales alargados
La Fig 46 muestra imaacutegenes de STEM-ADF (Fig 46(a)) y de TEM (Fig 46(b) de una esfera
de BaFe12O19 de aproximadamente 1 microm de diaacutemetro Estas imaacutegenes permiten comparar el
contraste presentado por los cristales que conforman las esferas por estas teacutecnicas Noacutetese que la
esfera presenta un cristal alargado de aproximadamente 850 nm de largo y cuyo contraste es
mejor observado por STEM-ADF
Figura 46 Imaacutegenes de una misma esfera de BaFe12O19 en el modo (a) STEM-ADF y (b) TEM las cuales permiten
comparar el contraste de los cristales que la conforman
69
Es importante indicar que el uso del limpiador ultrasoacutenico permitioacute obtener las muestras
analizadas por TEM en este trabajo El limpiador produce una vibracioacuten de 42 KHz a una
potencia de 70 W y genera alternativamente ondas de alta y baja presioacuten que transmiten sonidos
de alta y baja frecuencia La baja presioacuten genera burbujas microscoacutepicas que explotan
raacutepidamente liberando asiacute la energiacutea Este proceso denominado cavitacioacuten puede llevar a la
desintegracioacuten de los materiales que conforman las esferas de BaFe12O19 El calor permite
acelerar el proceso
En la Fig 47 se presentan las imaacutegenes de TEM en el modo de campo claro (Fig 47(a) y Fig
47(c) y en el modo de campo oscuro (Fig 47(b) y Fig 47(d) del material que conforman los
agregados despueacutes de haber sido desaglomerados por el tratamiento ultrasoacutenico al que fueron
sometidas Este material fue por lo tanto estructuralmente estudiado por difraccioacuten electroacutenica
de aacuterea selecta (SAEDP) El inserto en la Fig 47(b) presenta el patroacuten SAEDP de anillos
provenientes del material presentado en la Fig 47(a) mientras que el inserto en la Fig 47(d)
presenta el patroacuten SAEDP del cristal alargado mostrado en la Figura 47(c) La indexacioacuten de
estos patrones indicoacute que todo el material corresponde a la estructura hexagonal de la BaFe12O19
con paraacutemetros de red a = b = 0589 nm y c = 2318 nm (tarjeta Crystallography Open Database
COD 1008841)
Figura 47 Imaacutegenes de TEM en campo claro (a y c) y en campo oscuro (b y d) del material que conforman las
esferas despueacutes de haber sido desbaratadas por el tratamiento ultrasoacutenico El inserto en (b) presenta el patroacuten SAEDP
proveniente del material presentado en (a) El inserto en (d) presenta el patroacuten SAEDP del cristal alargado
presentado en (c)
70
La Fig 48(a) y Fig 48(b) muestran imaacutegenes HRTEM de uno de los cristales alargados
individuales que conforman los agregados poros de BaFe12O19 obtenidos Ademaacutes la
coexistencia de las fases entre los cristales de BaFe12O19 y los cristales de BaFe2O4 son
mostrados en la Fig 48(c) Por otra parte la Fig 48(d) muestra la coexistencia de las fases entre
los cristales de BaFe12O19 y los cristales de Fe2O3
Figura 48 Imaacutegenes HRTEM de los cristales que conforman los agregados porosos de BaFe12O19 (a) y (b)
corresponden a cristales individuales de la fase BaFe12O19 (c) Coexistencia entre las fases BaFe12O19 y BaFe2O4 (d)
Coexistencia entre las fases BaFe12O19 y Fe2O3
Las fibras fueron tambieacuten observadas por HRTEM para analizar la estructura y el ordenamiento
que presentan los aacutetomos que conforman sus cristales La Fig 49(a) presenta la imagen de
HRTEM de uno de los cristales alargados El inserto en esta figura presenta la correspondiente
Transformada Raacutepida de Fourier (FFT) del cristal la cual indica que el eje de zona corresponde
al eje de la zona en la direccioacuten [2-110] En la Fig 49(b) se presenta la imagen digitalmente
procesada correspondiente al aacuterea del recuadro indicado en la Fig 49(a) y la cual fue obtenida
usando el filtro indicado por el inserto A parte del arreglo presentado esta imagen indica que el
eje de crecimiento de los cristales alargados es en la direccioacuten [10-10] En el estudio por HRTEM
no solo se observan cristales alargados perfectamente formados sino que una gran mayoriacutea
presenta defectos principalmente fallas de apilamiento La Fig 49(c) presenta una imagen de
HRTEM de otro de los cristales alargados en la cual se observa una gran cantidad de defectos
71
La imagen presentada en la Fig 49(d) corresponde a la imagen digitalmente procesada del aacuterea
indicada en el recuadro presentado en la Fig 49(c)
Figura 49 (a) Imagen de HRTEM de uno de los cristales alargados que conforman las esferas de BaFe12O19 El
inserto presenta la correspondiente FFT la cual indica que el eje de zona corresponde al eje en la direccioacuten [2-110]
(b) Imagen digitalmente procesada correspondiente al aacuterea del recuadro indicado en (a) El filtro usado para el
procesamiento es indicado en el inserto (c) Imagen de HRTEM de otro de los cristales alargados con defectos (d)
Imagen digitalmente procesada del aacuterea indicada en el recuadro en (c)
Usando los valores de las posiciones xyz reportadas para BaFe12O19 con grupo espacial P3mmc
[27] se obtuvo la celda unitaria y se simularon digitalmente las imaacutegenes de HRTEM La Fig
410 presenta la celda unitaria obtenida en las direcciones [10-10] (Fig 410(a) y [21-10] (Fig
410(b)
La estructura de BaFe12O19 se puede construir usando tres unidades baacutesicas [30-32] S R y T La
unidad S a su vez presenta dos sub-unidades S0 con una carga eleacutectrica neutra y con foacutermula
quiacutemica Me22+
Fe43+
O8 (donde Me representa metales divalentes tales como Mn2+
Fe2+
Co2+
Ni2+
Zn2+
Mg2+
) y S2+
con carga eleacutectrica 2+ y con foacutermula quiacutemica (Fe63+
O8)2+
La unidad R
presenta carga eleacutectrica 2- y con foacutermula quiacutemica (Ba2+
Fe 63+
O11)2-
La unidad T presenta carga
eleacutectrica neutra y con foacutermula quiacutemica Ba22+
Fe83+
O 14 Estas unidades se unen para dar lugar a la
estructura de diferentes oacutexidos ferromagneacuteticos Por ejemplo al unir la unidad S2+
con la unidad
R se obtiene la secuencia de apilamiento RS la cual presenta carga eleacutectrica neutra y con
foacutermula quiacutemica BaFe12O19 Asiacute la celda unitaria de la BaFe12O19 se obtiene con la secuencia
SRSR donde dignifica una rotacioacuten de 180ordm alrededor del eje c La Fig 410 presenta las
72
unidades S S R y R de la celda unitaria de la BaFe12O19 observadas en las direcciones [21-10]
y [10-10] respectivamente
Vale la pena comentar que si se designa como la unidad M a BaFe12O19 y definimos a ST con
foacutermula quiacutemica Ba22+
Me22+
Fe123+
O22 como la unidad Y las hexaferritas pueden representarse
como apilamientos de las unidades S M y Y [64] Por lo tanto la combinacioacuten de las unidades S
R y T da origen al apilamiento que generan las diferentes estructuras observadas en las ferritas
[6566] y es natural deducir la existencia de las estructuras tipo politipo con la misma
composicioacuten quiacutemica en estos compuestos En nuestro caso los patrones de difraccioacuten SAEDP
obtenidos en este trabajo no indican la presencia de estructuras tipo politipo ya que no se
presentaron reflexiones provenientes de suacuteper-redes
Figura 410 Celda unitaria de BaFe12O19 obtenidas usando los valores indicados en [27] y observada en la direccioacuten
[10-10] (a) y en la direccioacuten [21-10] (b) Tambieacuten se presentan las unidades S y R El plano que contiene a Ba es un
plano espejo Ba en verde Fe en amarillo y O en rojo
La Fig 411 muestra la simulacioacuten digital de las imaacutegenes de HRTEM y sus correspondientes
patrones de difraccioacuten de aacuterea selecta en la direccioacuten [0001] (Fig 411(a) en la direccioacuten [10-10]
(Fig 411(b) y en la direccioacuten [2-1-10] (Fig 411(c) En estas Figuras se presentan las posiciones
de los aacutetomos de Ba (en verde) Fe (en amarillo) y O (en rojo) dentro de la celda unitaria
hexagonal de BaFe12O19 en proyeccioacuten a lo largo de las direcciones [0001] [10-10] y [2-1-10]
respectivamente Las condiciones de simulacioacuten fueron V = 200 KV con desenfoque de Scherzer
en -5485 nm y 4x4x4 celdas Noacutetese que las liacuteneas oscuras corresponden a posiciones de los
73
aacutetomos de Ba con los aacutetomos de Fe Los resultados indicaron que los agregados de BaFe12O19
producidos consisten de varios pequentildeos cristales alargados platelets cuyos arreglos atoacutemicos
presentan en algunos casos un perfecto arreglo (regiones libres de defectos) pero tambieacuten se
observaron desajustes en el apilamiento (mismatches) en otros casos
Figura 411 Simulacioacuten computacional de imaacutegenes de HRTEM en las direcciones [0001] (a) [10-10] (b) y [2-1-
10] (c) Se presenta la proyeccioacuten de la celda BaFe12O19 en las direcciones indicadas la simulacioacuten de su imagen en
el desenfoque de Scherzer y su correspondiente patroacuten de difraccioacuten del aacuterea selecta simulado Las condiciones de
simulacioacuten fueron V = 200 KV desenfoque de Scherzer en -5485 nm y 4x4x4 celdas Ba en verde Fe en amarillo
y O en rojo
La Fig 412 muestra la imagen de HRTEM experimental en la direccioacuten [2-110] de uno de los
cristales alargados que conforman los agregados de BaFe12O19 junto con la imagen
computacional simulada en la misma direccioacuten En este caso la imagen de HRTEM no presenta
defectos (al menos no observables) y las franjas presentan una periodicidad de 1159 nm que
corresponden a la mitad de la periodicidad a lo largo del eje c Tambieacuten se incluye las posiciones
de la superposicioacuten de los aacutetomos de Ba con los aacutetomos de Fe
74
Figura 412 Imagen de HRTEM en la direccioacuten [1-100] de uno de los cristales alargados que conforman los
agregados de BaFe12O19 y la imagen computacionalmente simulada en la misma direccioacuten En este caso la imagen de
HRTEM no presenta defectos Tambieacuten se incluyen las posiciones de los aacutetomos en la celda unitaria Ba en verde Fe
en amarillo y O en rojo
424 Isotermas de adsorcioacutendesorcioacuten de nitroacutegeno
La Fig 413 muestra las isotermas tiacutepicas de adsorcioacutendesorcioacuten para las muestras de BaFe12O19
calcinadas a 700 degC con concentraciones de PS de 30 y 50 respectivamente La muestra en la
Fig 413(a) fue sintetizada con una temperatura interna de 200 degC y una presioacuten de 20 Kgcm2
correspondiente a los paraacutemetros de secado por aspersioacuten y una concentracioacuten de esferas de
poliestireno de 50 La muestra en la Fig 413(b) fue sintetizada con una temperatura interna de
180 degC y una presioacuten de 15 Kgcm2 correspondiente a los paraacutemetros de secado por aspersioacuten y
una concentracioacuten de esferas de poliestireno de 30 De acuerdo a la clasificacioacuten BET las
isotermas corresponden a una isoterma tiacutepica tipo II Este tipo de isoterma se caracteriza por
raacutepido aumento inicial del volumen de gas adsorbido con el incremento en la presioacuten relativa
cambiando a un incremento lento El punto de inflexioacuten corresponde tanto a la finalizacioacuten del
recubrimiento de la mono capa y el llenado de los poros por condensacioacuten capilar El resto de la
curva corresponde a la formacioacuten de la multicapa Este tipo de isoterma es usualmente
encontrado en partiacuteculas mesoporosas El aacuterea superficial es calculada a partir de las isotermas
usando el meacutetodo BET a una presioacuten relativa por debajo de 03 A partir de la ecuacioacuten BET el
aacuterea superficial especiacutefica SBET de las partiacuteculas porosas de BaFe12O19 fue determinada SBET de
75
los agregados de BaFe12O19 varioacute de 1116 hasta 2705 m2g (Tabla IV) Dos tipos de poro son
observados en los agregados de BaFe12O19 mesoporos y macroporos Los mesoporos se
presentan en los espacios entre las partiacuteculas primarias y son el resultado de la pirolisis de las
micelas formadas por el surfactante Los macroporos son obtenidos como resultado de la pirolisis
del poliestireno Los insertos en la Fig 413(a) y Fig 413(b) muestran la distribucioacuten de tamantildeo
de los mesoporos obtenidos por el meacutetodo BET de adsorcioacuten de N2 El diaacutemetro promedio de
mesoporo varioacute entre 34 nm y 12 nm aproximadamente
Figura 413 Isotermas de adsorcioacutendesorcioacuten BET para (a) muestra con 50 de esferas de PS bajo condiciones de
secado por aspersioacuten de 200 degC y 20 Kgcm2 y (b) muestra con 30 de esferas de PS bajo condiciones de secado
por aspersioacuten de 180 degC y 15 Kgcm2 Las muestras fueron calcinas a 700 degC
425 Espectroscopiacutea infrarroja
El espectro FTIR de los agregados de BaFe12O19 calcinados a 700 degC mostrado en la Fig 414
evidencia de las bandas de vibracioacuten tiacutepicas para la BaFe12O19 estequiomeacutetrica a 132740 cm-1
y
140412 cm-1
las cuales son asignadas a los modos de vibracioacuten Fe-O de los sitios tetraeacutedricos y
octaeacutedricos en BaFe12O19 Las posiciones de estas bandas dependen de la estequiometriacutea de la
BaFe12O19 Las posiciones de las bandas a 35508 cm-1
54503 cm-1
61631 cm-1
69926 cm-1
y
87333 cm-1
corresponden a los enlacesgrupos funcionales del peacuteptido DS La interaccioacuten entre
BaFe12O19 y el poliacutemero induce un cambio en los picos caracteriacutesticos de BaFe12O19 a nuacutemero de
76
onda mayores como una funcioacuten de la relacioacuten surfactantepoliacutemero La presencia de nuevas
bandas en el espectro correspondiente a la BaFe12O19 en 30984 cm-1
y 87333 cm-1
indica la
adsorcioacuten del peacuteptido La regioacuten de 600 a 1000 cm-1
contiene los grupos funcionales
correspondientes a los enlaces C-C C-O y C-N Asiacute mismo la regioacuten entre 750 y 900 cm-1
incluyen grupos aromaacuteticos por lo tanto los grupos funcionales correspondientes a la
fenilalanina o al triptoacutefano pueden corresponder a los observados en el espectro IR [84]
Figura 414 Espectro Infrarrojo (IR) que muestra los enlacesgrupos funcionales a nuacutemeros de onda (cm-1
)
especiacuteficos correspondientes al peacuteptido DS-HaloTag libre y los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 libres y
cargados con el peacuteptido
426 Propiedades magneacuteticas
Una manera de medir las propiedades magneacuteticas es a traveacutes de las curvas de histeacuteresis las cuales
permiten la evaluacioacuten de las propiedades macroscoacutepicas tales como la saturacioacuten magneacutetica Ms
remanencia magneacutetica Mr y coercitividad Hc Estas propiedades definen el caraacutecter magneacutetico
de los materiales sintetizados La Fig 415 muestra las curvas de histeacuteresis a diferentes
77
temperaturas de calcinacioacuten La Tabla 4III muestra las propiedades magneacuteticas de todas las
muestras En general Ms Mr y Hc muestran un incremento como una funcioacuten de la temperatura
de calcinacioacuten y Hc incrementa con la temperatura en todos los casos El valor maacutes bajo de Mr
se obtuvo para la muestra calcinada a 700 degC Ademaacutes hay un cambio claro en el
comportamiento magneacutetico asociado con las temperaturas del tratamiento teacutermico El cambio
tiene que estar relacionado con el porcentaje del contenido de las diferentes fases presentadas en
las muestras y tambieacuten tiene que estar relacionado al tamantildeo de los cristales que constituyen los
agregados de BaFe12O19 A partir de las curvas de histeacuteresis mostradas en la Fig 420 y basado en
los valores de coercitividad mostrados en la Tabla 4III se observa que uacutenicamente el material
obtenido a 700 degC se comporta como un material magneacutetico semi-duro mientras que para todas
las demaacutes temperaturas desde 800 a 1000 degC el material muestra un comportamiento magneacutetico
duro
Figura 415 Curvas de histeacuteresis de los agregados de BaFe12O19 calcinados a diferentes temperaturas Los valores de
las muestras fueron tomadas a temperatura ambiente y 5000 Oe
78
Tabla 4III Propiedades magneacuteticas de los agregados porosos de hexaferrita de bario
Propiedades magneacuteticas
Muestra Temperatura de
calcinacioacuten (ordmC) Ms (emug) Mr (emug) Hc (Oe)
1 700 1424 379 194650
2 800 1249 592 463160
3 900 2826 152 479146
4 1000 4511 241 427750
El anaacutelisis de la composicioacuten estructural de los agregados indican que las fases monoferrita (O) y
hematita (F) estaacuten presentes Sin embargo la fase hexagonal H es la fase mayoritaria a la
temperatura de calcinacioacuten de 1000 degC Como se muestra en la Tabla 4III un cambio
significativo ocurre como una funcioacuten de la temperatura de calcinacioacuten en las propiedades
magneacuteticas de las muestras Es evidente que el cambio estaacute relacionado con la presencia de las
diferentes fases La mejor combinacioacuten de las propiedades magneacuteticas fue Ms = 4511 emug
(1000 degC) y Hc = 479148 Oe (900 degC)
Estos valores de magnetizacioacuten son cercanos a los obtenidos por Xu y cols [23] quienes
sintetizaron esferas mesoporosas huecas de BaFe12O19 usando el meacutetodo de pirolisis por
aspersioacuten obteniendo un valor de Ms = 504 emug para muestras calcinadas a 1000 degC
Gonzaacutelez-Carrentildeo y cols [25] obtuvieron un valor Ms = 500 emug para esferas huecas de
BaFe12O19 calcinadas a la misma temperatura obtenidas a partir de pirolisis por aerosol La
diferencia en los valores de magnetizacioacuten obtenidos por eacutestos autores y los valores obtenidos en
eacuteste trabajo puede ser debida principalmente a la estructura de la BaFe12O19 dado que en todos
los casos la morfologiacutea de la BaFe12O19 fue esfeacuterica sin embargo la BaFe12019 obtenida en este
trabajo presento una estructura porosa mientras que la estructura de obtenida por Xu y
Gonzaacutelez-Carrentildeo obtuvieron una estructura hueca
Por otra parte no uacutenicamente la estructura y morfologiacutea de las BaFe12O19 afecta las propiedades
magneacuteticas sino tambieacuten el meacutetodo de preparacioacuten Por ejemplo An y cols [42] sintetizaron
79
BaFe12O19 con una morfologiacutea esfeacuterica a traveacutes de un meacutetodo ultrasoacutenico asistido por sales En
este caso los valores de magnetizacioacuten obtenidos por los autores fue Ms = 619 emug (T = 950
degC) lo cual dista del valor obtenido en el presente trabajo de investigacioacuten
43 PROPIEDADES BIOLOacuteGICAS
431 Extraccioacuten de ADN plasmiacutedico
La extraccioacuten de ADN plasmiacutedico se llevoacute a cabo para verificar la presencia del gen de intereacutes en
los plaacutesmidos replicados en la cepa T7 de la bacteria E coli a partir de la cual se sintetizoacute el
peacuteptido DS La Fig 416 obtenida con el Fotocodificador EL LOGIC 200 muestra la extraccioacuten
de ADN de naturaleza plasmiacutedica de la cepa T7 de E coli Se obtuvo una extraccioacuten exitosa del
plaacutesmido pF1A T7 con un rendimiento de 350 ngmL
Figura 416 Extraccioacuten de ADN plasmiacutedico La columna 1 es referida al marcador Kb Plus DNA Ladder de peso
molecular conocido (pares de bases pb) El marcador se compone de 20 bandas de ADN de alta pureza de doble
cadena que abarca 100 pb hasta 12000 pb La columna 2 representa el ADNp de la cepa NEB (New England Biolab)
T7 DS Ademaacutes puede ser observado en la columna 2 la presencia de tres bandas a) es referida al ADNp relajado
b) describe el ADNp enrollado y c) explica el ADNp suacuteper-enrrollado
80
432 Siacutentesis induccioacuten y expresioacuten del peacuteptido DS
a Siacutentesis a partir del plaacutesmido pF1A T7 Flexireg
La Fig 417 muestra un anaacutelisis electroforeacutetico en un gel de SDS-poliacrilamida (SDS-PAGE)
que revela la expresioacuten del peacuteptido DS En la Fig 417 la columna 1 es referida al marcador
Spectra Multicolor Broad Range Protein Ladder Las columnas 2-5 muestras los efectos de las
concentraciones del inductor IPTG 05 1 2 y 3 mM Cada una de las bandas observadas en el
gel SDS-PAGE representa una proteiacutena distinta En las columnas 2-5 se observa una banda a la
altura de aproximadamente 26 KDa lo cual indica la expresioacuten del peacuteptido DS y que estaacute de
acuerdo con los valores de la literatura Sin embargo la intensidad de la banda en la columna 4 es
maacutes intensa lo cual indica que una concentracioacuten 2 mM de IPTG tiene una mayor eficiencia en la
induccioacuten del peacuteptido DS Por otra parte un aumento en la concentracioacuten de IPTG a 3 mM inhibe
la expresioacuten del peacuteptido DS como se puede observar en la columna 5
Figura 417 Separacioacuten de proteiacutenas por electroforesis en gel SDS-PAGE
81
b Siacutentesis a partir del plaacutesmido pFN21K
La Fig 418(a) y Fig 418(b) muestra imaacutegenes de microscopiacutea oacuteptica a diferentes
magnificaciones Las ceacutelulas CHO normalmente ancladas a la superficie tienen forma
fibroblastoide y pueden adaptarse a crecer en suspensioacuten adquiriendo entonces una forma
esfeacuterica Las ceacutelulas transfectadas son faacuteciles de detectar ya que eacutestas adquieren una coloracioacuten
azul debida a la integracioacuten de un plaacutesmido que contiene un gen reportero el cual estaacute vinculado a
una secuencia regulatoria en el cultivo celular Estos genes otorgan caracteriacutesticas que facilitan su
expresioacuten identificacioacuten y medicioacuten La expresioacuten del gen reportero puede ser observada en la
Fig 418 Las ceacutelulas CHO son tentildeidas al momento de antildeadir una moleacutecula orgaacutenica X-gal que
degrada la beta-galactosidasa presente en las ceacutelulas CHO
Figura 418 Imaacutegenes del microscopio oacuteptico en las cuales se puede observar la expresioacuten de un gen reportero
indicando las ceacutelulas CHO han sido transfectadas
La Fig 419 muestra un anaacutelisis tipo Western blot En la placa fotograacutefica se observa la proteiacutena
de intereacutes DS-HaloTag a una altura de ~61 KDa sintetizada a partir del plaacutesmido pfN21K El
volumen final en los carriles 1-3 fue de 198 microl con una concentracioacuten de proteiacutena (microgmicroL) de 29
28 y 27 respectivamente De acuerdo a la literatura el peso molecular del peacuteptido DS es ~26
KDa y el peso molecular de HaloTag es ~34 KDa Por lo que el peso de 61 KDa observado en la
placa fotograacutefica corresponde al peso molecular de la proteiacutena de fusioacuten DS-HaloTag
82
Figura 419 Anaacutelisis tipo Western blot La proteiacutena de intereacutes DS-HaloTag aparece a una altura de 61 ~KDa
433 Caracterizacioacuten del peacuteptido DS
La correspondiente caracterizacioacuten del peacuteptido DS es mostrada en la Tabla 4IV la cual incluye
caracteriacutesticas tales como la longitud y peso del peacuteptido punto isoeleacutectrico residuos hidrofoacutebicos
e hidrofiacutelicos residuos cargados y distribucioacuten de los aminoaacutecidos presentes (Tabla 4V y Fig
420)
Tabla 4IV Informacioacuten de secuencia
Informacioacuten de secuencia
Secuencia Proteiacutena
Longitud 252
Organismo Dominio de unioacuten a Su(H) sin intron
Nombre DS sin introacuten marco de traduccioacuten +1
Peso 26371 KDa
Punto isoeleacutectrico 1075
Iacutendice alifaacutetico 60556
Residuos de aminoaacutecidos
Hidrofobicidad Cantidad Tipo de carga Cantidad
Hidrofoacutebico (A F G I L M P V W)1 121 Negativa (D E)
1 17
Hidrofiacutelico (C N Q S T Y)1 78 Positiva (R K)
1 32
1 = Abreviacioacuten de los aminoaacutecidos con una sola letra
83
Tabla 4V Tabla de distribucioacuten de aminoaacutecidos
Aminoaacutecido Cantidad Aminoaacutecido Cantidad
Alanina (A) 31 Metionina (M) 2
Cisteiacutena (C) 0 Asparagina (N) 9
Aacutecido aspaacutertico (D) 11 Prolina (P) 16
Aacutecido glutaacutemico (E) 6 Glutamina (Q) 7
Fenilalanina (F) 10 Arginina (R) 17
Glicina (G) 24 Serina (S) 35
Histidina (H) 4 Treonina (T) 24
Isoleucina (I) 9 Valina (V) 11
Lisina (K) 15 Triptofano (W) 4
Leucina (L) 14 Tirosina (Y) 3
Figura 420 Histograma de distribucioacuten de aminoaacutecidos
A nuestro mejor conocimiento el peacuteptido DS (Dominio de unioacuten a supresor de Hairless [Su(H)]
no ha sido probado como faacutermaco modelo en sistemas DDS Sin embargo cientos de peacuteptidos
derivados a partir de proteiacutenas presentes principalmente en el citosol mitocondria yo nuacutecleo han
sido identificados y probados [11] Li [13] produjo el peacuteptido LL-37 antimicrobiano en E coli el
84
cual exhibe diversas propiedades inmunomoduladoras tales como la habilidad de mediar la
quimiotaxis acelerar la angiogeacutenesis y promover la cicatrizacioacuten
En las uacuteltimas deacutecadas el desarrollo de terapias a partir de peacuteptidos ha llevado a un nuacutemero sin
precedentes de aprobaciones en el mercado Kaspar y cols [37] describen las direcciones futuras
en el desarrollo de terapias basadas en peacuteptidos Algunos peacuteptidos aprobados en 2012 por la FDA
son linaclotide utilizado para el tratamiento de desoacuterdenes gastrointestinales lucinactant usado
para prevenir el siacutendrome respiratorio peginesatide usado para el tratamiento de anemia entre
otros
44 PRUEBAS DE CARGALIBERACIOacuteN
En la Fig 421 se observa como disminuyen los valores de densidad oacuteptica (DO600) en la
interaccioacuten BaFe12O19-DS-HaloTag a medida que el tiempo transcurre La disminucioacuten de DO600
indica que el peacuteptido DS-HaloTag es absorbido sobre la superficie de los sistemas
nanoestructurados de BaFe12O19 Como puede ser observado en la Figura 45 los valores de
DO600 se mantienen constante en ~ 0243 en un tiempo de 140 min lo cual indica que en este
punto los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 han alcanzado su saturacioacuten y por lo tanto no
pueden absorber maacutes cantidad de peacuteptido DS-HaloTag A partir de la graacutefica se determinoacute la
concentracioacuten de peacuteptido DS-HaloTag absorbido por los sistemas nanoestructurados de
BaFe12O19 Sabiendo que la concentracioacuten inicial (C1) del peacuteptido DS-HaloTag fue de 24 microgmicroL
y calculando la concentracioacuten remanente (C2) del peacuteptido DS-HaloTag en la salucioacuten acuosa lo
cual corresponde al momento de saturacioacuten de los sistemas nanoparticulados de BaFe12O19 (140
min) a una longitud de onda λ = 595 nm a partir de la ecuacioacuten de regresioacuten polinomial de orden
2 y = 2Endash05x2 ndash 00069x + 07866 y con un coeficiente de correlacioacuten R2 = 096021 se obtiene
una concentracioacuten C2 = 0268 microgmicroL por lo tanto la concentracioacuten absorbida de peacuteptido DS-
HaloTag por los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 corresponde a C1 - C2 = 213 microgmicroL
Asiacute el porcentaje de peacuteptido DS-HaloTag puede ser calculado a partir de la siguiente expresioacuten
85
Ecuacioacuten 41
donde
Cab = absorcioacuten de DS-HaloTag sobre los sistemas de BaFe12O19
C1 = concentracioacuten inicial de DS-HaloTag
C2 = concentracioacuten remanente de DS-HaloTag en solucioacuten acuosa
Por lo tanto
Cab = 875
Figura 421 Interaccioacuten BaFe12O19-DS-HaloTag La disminucioacuten en los valores de DO a medida que el tiempo
transcurre indica la absorcioacuten del peacuteptido por los agregados de BaFe12O19
86
Una vez saturados los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 se tomaron 10 microL de la solucioacuten
acuosa que contiene el peacuteptido DS a los cuales se les agrego 50 microL de buffer de lisis La mezcla
se llevoacute a ebullicioacuten por 10 min para ser cargada en un gel de poliacrilamida La Fig 422
muestra una electroforesis de un gel SDS-PAGE llevada a cabo a 200 V por 40 min La Fig
428(a) muestra la interaccioacuten entre los agregados de BaFe12O19 y el plaacutesmido pFN1A T7 Flexireg
y advierte como la concentracioacuten de la proteiacutena (columna izquierda) decrece (la intensidad de las
bandas se ve disminuida) lo cual indica que el peacuteptido DS es absorbido por los agregados de
BaFe12O19
Figura 422 Anaacutelisis visual SDS-PAGE de la interaccioacuten BaFe12O19-DS-HaloTag que muestra coacutemo disminuye la
cantidad de proteiacutena libre en el medio
Adicionalmente el anaacutelisis FTIR mostrado en la Fig 414 confirma que el peacuteptido DS-HaloTag
fue absorbido por los sistemas nanoparticulados de BaFe12O19 El espectro IR mostrado en la Fig
419 exhibe los enlacesgrupos funcionales del peacuteptido DS a 35508 cm-1
54503 cm-1
61603
cm-1
69926 cm-1
y 87333 cm-1
Puede ser observado que el enlacegrupo funcional a 87333 cm-
1 aparece en los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 cargados con el peacuteptido lo que
confirma su absorcioacuten por el sistema asiacute mismo el enlacegrupo funcional que aparece a 30984
87
cm-1
en los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 pudiera corresponder al observado en el
peacuteptido DS-HaloTag por la proximidad que eacuteste presenta Por otra parte los enlacesgrupos
funcionales a 54503 cm-1
61631 cm-1
y 69926 cm-1
que no aparecen en los sistemas
nanoestructurados de BaFe12O19 cargados con el peacuteptido pudieran corresponder a la parte de la
proteiacutena de bajo peso molecular lo cual puede estar de acuerdo con los resultados mostrados en
la Figura puesto que el gel de poliacrilamida (10) revela que en la interaccioacuten BaFe12O19-DS-
HaloTag los peacuteptidos que en su mayoriacutea son absorbidos son aquellos que corresponden a un peso
molecular grande
La absorcioacuten del peacuteptido DS-HaloTag sobre los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 puede
ser explicada a partir del hecho de que el potencial zeta (Fig 423) del sistema nanoestructura de
BaFe12O19 ζ BaFe12O19 tiene un valor negativo a un pH de 74 (pH al cual se llevoacute a cabo la
interaccioacuten) mientras que la carga superficial del peacuteptido DS ζ DS al mismo pH tiene un valor
positivo
Figura 423 Carga superficial (mV) en funcioacuten del pH para el peacuteptido DS-HaloTag y los sistemas nanoestructurados
de BaFe12O19
Ademaacutes el peacuteptido DS presenta residuos de aminoaacutecidos (aa) hidrofoacutebicos (Alanina (A)
Fenilalanina (F) Glicina (G) Isoleucina (I) Leucina (L) Metionina (M) Prolina (P) Valina (V)
Triptoacutefano (W)) e hidrofiacutelicos (Cisteiacutena (C) Asparagina (N) Glutamina (Q) Serina (S) Treonina
88
(T) Tirosina (Y)) y tomando en cuenta que BaFe12O19 en solucioacuten acuosa puede formar
hidroxilos (grupos OH) que pueden reaccionar con los radicales (R) de los aminoaacutecidos se
propone un modelo (Fig 424) de las posibles interacciones entre los sistemas nanoestructurados
de BaFe12O19 y el peacuteptido DS-HaloTag
Figura 424 Modelo propuesto para las posibles interacciones BaFe12O19-DS-HaloTag
La Fig 425 muestra el perfil de liberacioacuten del peacuteptido DS-HaloTag de los sistemas
nanoestructurados de BaFe12O19 cuando eacutestos fueron colocados en medio de cultivo F12K bajo
una atmoacutesfera de 5 de CO2 a 37 ordmC Es bien sabido que entre mayor sea la diferencia de
potencial zeta ζ coexistiraacute una mayor atraccioacuten entre partiacuteculas de carga superficial opuesta Por
lo tanto como puede ser observado en la graacutefica de carga superficial los valores de pH a los
cuales se promoveriacutea una mayor absorcioacuten de peacuteptido DS-HaloTag sobre los sistemas
nanoestructurados de BaFe12O19 estariacutean en pH 58-6 Sin embargo se decidioacute trabajar a un valor
de pH 74 debido a que la solucioacuten acuosa en la cual se encuentra el peacuteptido DS-HaloTag
originalmente tiene este valor Otras razones por las cuales se optoacute trabajar con este valor es que
al pH 74 sigue existiendo una carga superficial opuesta entre el peacuteptido DS-HaloTag y los
sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 mientras que una disminucioacuten en el valor de pH
pudiera provocar una desnaturalizacioacuten de la proteiacutena Una vez incubado en medio F12K bajo
89
condiciones de 5 CO2 y temperatura de 37 ordmC el CO2 tiene la funcioacuten de contrarrestar la
alcalinizacioacuten del medio debido a la actividad metaboacutelica propia de las ceacutelulas en cultivo y una
variacioacuten de pH hacia lo aacutecido o lo baacutesico hace que el peacuteptido sea liberado por parte de los
sistemas nanoparticulados de BaFe12O19 El medio F12K es un medio celular que fue
desarrollado principalmente para ceacutelulas de hepatocito humano asiacute tambieacuten para ceacutelulas de
hiacutegado de rata y pollo en un ambiente de suero reducido Para el presente estudio se trabajoacute con
medio F12K incompleto libre de ceacutelulas con la finalidad de verificar que el peacuteptido DS-HaloTag
fuera liberado precisamente al hecho de que el CO2 acidifica el medio causando variaciones en el
potencial zeta ζ de cada uno de los integrantes de la mezcla es decir los sistemas
nanoestructurados de BaFe12O19 y el peacuteptido DS-HaloTag
Figura 425 Perfiles de liberacioacuten del peacuteptido DS-HaloTag que muestra un aumento de la DO600 a medida que
transcurre el tiempo (t) El aumento en los valores de la DO600 indica que el peacuteptido DS-HaloTag es liberado de los
sistemas nanoestructurados de BaFe12O19
El uso de un disentildeo experimental fraccionario 2f nos permite evaluar el efecto que tienen
determinados paraacutemetros sobre una variable de respuesta Especiacuteficamente para este trabajo de
90
investigacioacuten las variables oslashagregado SBET Vmesoporo y oslashmacroporo fueron evaluadas a partir del efecto
de la temperatura y presioacuten en el proceso de secado por aspersioacuten y la concentracioacuten de agente
poroacutegeno utilizado durante la siacutentesis sol-gel A partir de los datos estadiacutesticos arrojados por el
anaacutelisis de varianza ANOVA se establece queacute paraacutemetros tienen un efecto significativo sobre la
variable de respuesta De esta manera el disentildeo experimental fraccionario 2f nos permitiraacute
optimizar el proceso de siacutentesis de los agregados nanoestructurados de BaFe12O19 para obtener la
morfologiacutea y estructura deseada lo cual a su vez tendraacute un efecto sobre las propiedades fiacutesicas
quiacutemicas y magneacuteticas del producto final
El uso de las teacutecnicas XRD SEM TEM BET FTIR y VSM proporcionoacute detalles necesarios en
cuanto a la caracterizacioacuten estructural morfoloacutegica y magneacutetica de los agregados de BaFe12O19
Asiacute a partir de los espectros de XRD fue observada la presencia de tres fases la fase hexagonal
BaFe12O19 la monoferrita de bario BaFe2O4 y la fase hematita Fe2O3 cuya coexistencia fue
confirmada por TEM Las propiedades magneacuteticas (Ms Mr y Hc) determinadas a partir de las
curvas de histeacuteresis obtenidas a partir de un VSM son afectadas por la morfologiacutea y estructura
macro-mesoporosa (observada por SEM y BET) asiacute como la mezcla de fases presentes en los
agregados de BaFe12O19 Las propiedades magneacuteticas sobre todo un comportamiento
superparamagneacutetico es perseguido para aplicaciones biomeacutedicas tal como los sistemas DDS
debido a que esta caracteriacutestica permite dirigir y focalizar un faacutermaco a un sitio especifico de
accioacuten mediante la aplicacioacuten de un campo magneacutetico externo Por lo tanto la concentracioacuten y
nuacutemero de dosificaciones puede ser reducida disminuyendo los efectos secundarios no deseados
Las caracteriacutesticas obtenidas en el presente trabajo de investigacioacuten hacen de los sistemas
nanoestructurados de BaFe12O19 un candidato como sistema de liberacioacuten de faacutermacos Esto fue
corroborado al evaluar la capacidad de carga de los sistemas de BaFe12O19 al ser cargados con el
peacuteptido DS usado como faacutermaco modelo La capacidad de carga asiacute como el perfil de liberacioacuten
del peacuteptido fueron evaluados por teacutecnicas de espectroscopia UV-vis FTIR SDS-PAGE
potencial zeta y anaacutelisis tipo Western blot El porcentaje de absorcioacuten del peacuteptido fue del peacuteptido
fue de 875
91
CAPIacuteTULO 5
CONCLUSIONES
92
CAPIacuteTULO 5 CONCLUSIONES
1- Agregados esfeacutericos nanoestructurados de BaFe12O19 de 17 microm con tamantildeo de
macroporo de 223 nm y tamantildeo de mesoporo entre 34 y 12 nm fueron disentildeados y
sintetizados exitosamente usando un disentildeo experimental 2f a traveacutes del meacutetodo sol-gel y
secado por aspersioacuten
2- Mediante un anaacutelisis estadiacutestico de varianza ANOVA se determinoacute que la presioacuten (P) es
el uacutenico factor significativo que afecta el tamantildeo de agregado de BaFe12O19 Por otra
parte ninguacuten paraacutemetro evaluado en el disentildeo 2f tuvo un efecto significativo sobre el
tamantildeo de macroporo Sin embargo el aacuterea superficial especiacutefica BET se vio afectada por
la concentracioacuten de agente poroacutegeno ( esferas de PS) asiacute como las combinaciones presioacuten-
poroacutegeno y temperatura poroacutegeno Por uacuteltimo los factores que mostraron un efecto
significativo sobre el volumen de mesoporo fueron la presioacuten y las combinaciones entre
presioacuten-poroacutegeno y temperatura poroacutegeno
3- La saturacioacuten magneacutetica Ms delos agregados BaFe12O19 varioacute entre 1424-4511 emug y
los valores de coercitividad Hc estuvieron entre 19465-427750 Oe Mostrando un
comportamiento magneacutetico semiduro con valores de Ms = 1424 y Hc = 19463 Oe para la
muestra calcinada a 700 degC
4- A partir del plaacutesmido pF1A T7 de la cepa T7 de E coli fue posible sintetizar el peacuteptido
DS mediante la induccioacuten con IPTG 2mM Por otra parte tambieacuten fue posible la siacutentesis
del peacuteptido DS a traveacutes de la transfeccioacuten de ceacutelulas CHO en cultivo celular con el vector
pFN21K Asiacute mismo fue posible la imnunodeteccioacuten del peacuteptido DS mediante la
utilizacioacuten de anticuerpos monoclonales anti-HaloTag El peacuteptido DS tiene gran
probabilidad de bloquear el dominio intracelular de Notch (NICD) que es un activo en
ceacutelulas canceriacutegenas
5- La capacidad de absorcioacuten del peacuteptido DS sobre los sistemas nanoestructurados de
BaFe12O19 fue del 875
93
TRABAJO A FUTURO Y RECOMENDACIONES
La capacidad de carga y perfil de liberacioacuten del peacuteptido DS fue probado en el presente trabajo de
investigacioacuten Por lo tanto la formulacioacuten empleada para el disentildeo y siacutentesis de los sistemas
nanoestructurados de BaFe12O19 hacen de estos sistemas un candidato para ser aplicados como
sistemas de liberacioacuten de faacutermaco Sin embargo debido a que la biocompatibilidad es un
requisito fundamental para ser aplicados en los sistemas bioloacutegicos es imprescindible realizar
estudios de citotoxicidad ya sea in vitro o in vivo por ejemplo los ensayos MTT los cuales se
basan en la capacidad de las ceacutelulas viables para reducir y convertir la sal de tetrazolio Bromuro
de 3-(45-dimetiltiazol-2-il)-25-difeniltetrazolio compuesto relativamente incoloro en formazan
una sustancia fuertemente lipofiacutelica de color morado El ensayo MTT es considerado como una
prueba de viabilidad que trabaja eficientemente en la mayoriacutea de los casos por lo tanto es
frecuentemente usada por si sola para evaluar la citotoxicidad in vitro particularmente para
evaluacioacuten de citotoxicidad en las nanopartiacuteculas
Asiacute mismo se recomienda realizar estudios sobre la modificacioacuten superficial de los agregados
nanoestructurados de BaFe12O19 por ejemplo a traveacutes de la PEGilacion el cual es un proceso de
unioacuten tanto covalente como no covalente de polietilenglicol (PEG) hacia la moleacutecula o estructura
a modificar O bien la modificacioacuten superficial pudiera llevarse a cabo empleando alguacuten otro
tipo de moleacutecula ya sean poliacutemeros proteiacutenas ADN etc Asiacute la modificacioacuten superficial
reduciraacute la inmunogenecidad y antigenecidad de la BaFe12O19 empleado como sistema portador
de faacutermaco Ademaacutes la modificacioacuten superficial permitiraacute enmascarar a la BaFe12O19 lo que le
permitiraacute evadir el sistema retiacuteculo endotelial y aumentar el tiempo de circulacioacuten en el torrente
sanguiacuteneo por lo tanto llegando a su sitio de accioacuten con mayor facilidad
94
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ANEXOS
CONSEJO NACIONAL DE CIENICA Y TECNOLOGIacuteA
CURRICULUM VITAE UacuteNICO
TORRES CADENAS SAMUEL
PRODUCCIOacuteN CIENTIFICA
ARTIacuteCULOS
2017 S Torres-Cadenas J Reyes-Gasga A Bravo-Patintildeo I Betancourt ME Contreras-Garciacutea Morphological
and magnetic properties of sol-gel synthetized meso and macroporous spheres of barium hexaferrite
(BaFe12O19) Journal of Magnetism and Magnetic Materials (2017) doi
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Hexaferrite Microspheres With Hierarchical Porous Structure for Drug Delivery Journal of Silicate Based
and Composite Materials
PARTICIPACIONES EN CONGRESOS
2016 Esferas Bioceramicas de Baomiddot6Fe2O3 con Estructura Tipo Nido Nacional VIII Congreso Nacional de
Cristalografiacutea II reunioacuten de la Sociedad Latinoamericana de Cristalografiacutea A Bravo-Patintildeo VS
Loacutepez-Aacutelvarez ME Contreras-Garciacutea Meacuterida Yucataacuten
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Extranjero 4th
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Microscopy Congress Colombia
Accepted Manuscript
Morphological and magnetic properties of sol-gel synthetized meso and mac-roporous spheres of barium hexaferrite (BaFe12O19)
S Torres-Cadenas Joseacute Reyes-Gasga A Bravo-Patintildeo I Betancourt MEContreras-Garciacutea
PII S0304-8853(16)32862-1DOI httpdxdoiorg101016jjmmm201702018Reference MAGMA 62474
To appear in Journal of Magnetism and Magnetic Materials
Received Date 31 October 2016Accepted Date 11 February 2017
Please cite this article as S Torres-Cadenas J Reyes-Gasga A Bravo-Patintildeo I Betancourt ME Contreras-Garciacutea Morphological and magnetic properties of sol-gel synthetized meso and macroporous spheres of bariumhexaferrite (BaFe12O19) Journal of Magnetism and Magnetic Materials (2017) doi httpdxdoiorg101016jjmmm201702018
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MORPHOLOGICAL AND MAGNETIC PROPERTIES OF SOL-GEL
SYNTHETIZED MESO AND MACROPOROUS SPHERES OF BARIUM
HEXAFERRITE (BaFe12O19)
S Torres-Cadenasa Joseacute Reyes-Gasgab A Bravo-Patintildeoc I Betancourtd M
E Contreras-Garciacuteaa
aInstituto de Investigaciones Metaluacutergicas y Materiales UMSNH Edificio U Ciudad Universitaria Santiago Tapia 403 Colonia Centro 58030 Morelia Meacutexico Email storres_chotmailcom eucontregmailcom
bInstituto de Fiacutesica UNAM Circuito de la Investigacioacuten sn Ciudad Universitaria
04510 Coyoacaacuten Meacutexico DF Meacutexico Email jreyesfisicaunammx
cCentro Multidisciplinario de Estudios en Biotecnologiacutea (CMEB) de la FMVZ UMSNH Posta Zooteacutecnica Km 85 carretera Morelia-Zinapecuaro CP 58890 col La Palma Tarimbaro Michoacaacuten Meacutexico Email brapalhotmailcom
dInstituto de Investigaciones en Materiales UNAM Ciudad de Meacutexico CP 04510 Meacutexico Email israelbiimunammx
Corresponding Author
Dr Joseacute Reyes-Gasga Instituto de Fiacutesica UNAM Circuito de la Investigacioacuten sn Ciudad Universitaria 04510 Coyoacaacuten Meacutexico DF Meacutexico Tel (5255) 56225083 Email jreyesfisicaunammx
Highlights
bull 15 microm porous spheres of BaFe12O19 were synthetized by the sol-gel
method
bull Surfactant Tween20 (C58H114O26) enabled the creation of the mesoporous
structure
bull Polystyrene spheres (PS) were used as the template for the formation of
macropores
bull Spheres resembled a nest or ball-of-yarn type of elongated BaFe12O19
crystals
bull Magnetic properties are evaluated as function of the calcination
temperature
Abstract
Porous spherical aggregates of barium hexaferrite (BaFe12O19) with 15 microm in
diameter were synthetized by the surfactant-assisted sol-gel method The
surfactant Tween20 (C58H114O26) which enables mesoporous structures as well
as polystyrene spheres (PS) as the template agent for the formation of
macropores were used Two synthetic routes (hereafter named A and B) whose
difference was the absence or presence of PS were followed for synthesis X-ray
diffraction (XRD) scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron
microscopy (TEM) in high resolution mode (HRTEM) were used for
characterization Size and morphology of the spheres were similar in both cases
and they resemble a nest or ball-of-yarn type structure Pore size and BaFe12O19
crystal size produced by the two routes are different The magnetic properties of
the spheres were evaluated using a vibrating sample magnetometer (VSM) as
function of the calcination temperature The spheres present ferromagnetic
behavior in both routes
Key words Barium hexaferrite Porous spherical aggregates Surfactant-assisted
sol-gel synthesis Morphological properties Magnetic properties
1 Introduction
In recent decades ceramic materials represent a prominent alternative in scientific
and technological development in a wide range of research fields Specifically
biomedical ceramic materials have been used in orthopedic applications dental
implants tissue regeneration and as drug delivery systems [1] Iron-oxide-based
materials including barium hexaferrite (BaFe12O19) are good Drug Delivery
System (DDS) candidates [2-4] because of their physical chemical and magnetic
properties These magnetic properties are highly necessary for response to an
external magnetic field to target for example the drug into a specific site in the
human body Moreover the BaFe12O19 magnetic microparticles with spherical
morphology have different applications such as permanent magnets [5] electronic
devices [6] gas sensors [7] catalytic supports [8] and more recently in biomedical
applications such as advanced functional magnetic materials for the treatment of
cancer through magnetic hyperthermia [9] contrast agents for MRI [10] and drug
delivery systems [11]
A variety of methods have been used for the synthesis of iron-oxide-based
bioceramics including co-precipitation hydrolysis hydrothermal synthesis inverse
microemulsion and the sol-gel method [12-14] Of these methods sol-gel has
attracted special interest because it allows the development of new materials with
good homogeneity and purity [15-17] In addition it is a relatively fast simple and
inexpensive method Moreover the kinetics of the chemical reactions carried out in
the synthesis is easily controlled by low temperatures processing [17] Unlike
classical methods for powder ceramic processing of BaFe12O19 that require high
calcination temperatures (1200-1300 degC) sol-gel produces the BaFe12O19
microparticles at rather low calcination temperature [18] In addition the use of
surfactant-assisted sol gel synthesis allows more disperse systems enabling the
formation of a larger number of ordered structures and the surfactant allows the
formation of micelles that also act as templates resulting in the formation of
mesopores after elimination of the surfactant by calcination during the thermal
treatment
Surfactant-assisted sol-gel synthesis as structure-directing agents or dispersants
and templates as macropore-forming agents is investigated in this work for the
production of ceramic microstructures designed with hierarchical porosity for
biomedical applications that require highly specific surface areas and the unique
design of materials capable of conducting fluids and interacting with cell tissues
Among the materials designed for these applications pore size distribution and
their interconnectivity determine the viability of the material for a such specific
application
Therefore in the present study BaFe12O19 spherical magnetic macro- and meso-
porous microparticles were synthetized by the surfactant-assisted sol-gel method
as well as polystyrene spheres (PS) as templates for formation microspheres and
dried by spray drying The morphological characterization and magnetic properties
of the spheres are compared as a function of thermal treatment temperature
2 Materials method and experimental procedure
21 Materials
Commercial reagent grade products were used without purification The reagents
were from Aldrich iron nitrate (III) nonahydrate Fe(NO3)3 9H2O barium carbonate
BaCO3 and surfactant Tween20 and from Merck ammonium hydroxide NH4OH
The hydrophilic nonionic surfactant Tween20 (C58H114O26) is an ester of
polyoxyethylene sorbitan with a molecular weight of 1225 Daltons calculated
assuming 20 units of ethylene oxide 1 sorbitol and lauric acid as the primary fatty
acid Monodisperse Polystyrene microspheres (PS) synthesized in the laboratory
were used as the pore-forming agent
22 Synthesis of BaFe12O19
Spheres of barium hexaferrite were synthesized by the sol-gel method either
assisted by surfactants (route A) or assisted by surfactants and templates (route
B) Figure 1 shows the flow diagram of routes A and B Two suspensions were
prepared in each route The first was composed of Fe(NO3)39H2O and BaCO3
salts with a stoichiometric molar ratio dissolved in deionized water The second
was formed by the surfactant Tween20 in aqueous solution Both suspensions
were mixed with constant magnetic stirring and during the reaction the pH of the
slurry was adjusted to 8 with NH4OH Route B included a third suspension
consisting of 30 wt polystyrene spheres in deionized water The PS were
monodispersed with a mean diameter of 200nm The PS suspension was added
to the mixture with constant magnetic stirring for 1h
The resulting suspension was subjected to spray drying using a Mini Spray Dryer
(Yamato ADL31) The conditions in the spray drying equipment for both routes
were determined by experimental design as drying temperature (T = 175 degC) and
drying pressure (P = 15 Kgcm2)
Powders obtained after spray drying (xerogels) were subjected to thermal
treatment for the elimination of organic agents surfactant and template (in each
case) structural water the formation of oxides and crystallization Four different
temperatures were evaluated in both routes for thermal treatment 700 800 900
and 1000 degC
23 Structural morphological chemical and magnetic characterization
Structural chemical and morphological analysis of the spheres was performed by
X-ray diffraction (XRD) scanning electron microscopy (SEM) and transmission
electron microscopy (TEM) in high resolution mode (HRTEM)
Samples were analyzed by X-ray diffraction on a Bruker diffractometer model D8
Advance using Cu Kα radiation (45 kV 30 mA) to determine the crystal structures
and phases presented Samples were scanned from 20deg to 80deg in 2θ and a
constant step of 002ordmseg
For microstructural characterization of the samples the scanning electron
microscope JEOL JSM-7600F and the transmission electron microscope FEG
Phillips Technai F20 were used The SEM was coupled with energy dispersive X-
ray spectroscopy equipment (EDS)
The Digital Micrograph software (Gatan Inc) was used for image analysis and the
linear Lynx software (Verfuumlgbare Software) was used for the statistical analysis of
the data Size distribution of the pores in the spherical aggregates was measured
by the Barrett-Joyner-Halenda (BJH) technique using a Quantachrome (St 1 on
NOVA touch 1LX) instrument
The analysis of the magnetic properties of the samples was performed using a
vibrating sample magnetometer (VSM LDJ 9600) at room temperature applying a
constant magnetic field of 5000 Oe Magnetic saturation (Ms) remnant
magnetization (Mr) and coercivity (Hc) values were obtained from the hysteresis
curves
3 Results
31 X-ray diffraction
Figure 2 shows the x-ray diffraction spectra of the samples obtained from routes A
and B at the calcination temperatures of 700 800 900 and 1000 degC as indicated
in Figure 1
Indexing the x-ray spectra indicates the coexistence of hexaferrite H = BaFe12O19
monoferrite O = BaFe2O4 and hematite F = Fe2O3 in all samples The phase H
(hexaferrite) is hexagonal (Open Database Crystallography card COD No
1008841) with lattice parameters a = b = 0589 nm and c = 2318 nm The O
(monoferrite) phase is orthorhombic (COD card No 4107896) with lattice
parameters a = 1899 nm b = 0538 nm c = 0844 nm The F (hematite) phase is
hexagonal (COD card No 9015964) with lattice parameters a = b = 0503 nm and
c = 1374 nm It is noteworthy that at the calcination temperature of 1000 degC the
major phase is H phase in both routes
As shown in Figure 2 the content of the H phase increases as the content of the F
phase decreases with temperature in both routes In route A the O phase is
present in all samples in route B the O occurs phase only in the sample treated at
700 degC However there is no clear evidence of preferential growth direction of any
phase in the XRD spectra
32 SEM images EDS spectra and spheres and pores size
SEM images indicate that all the samples obtained in routes A and B calcined at
different temperatures are spherical and substantially the same size Figure 3
shows the SEM image of the spheres obtained in route A and the insert which
shows a magnification of these spheres indicates that the spheres are
polycrystalline composed of mesopores and elongated nanometric crystals Figure
4 shows the SEM image of the spheres obtained through route B and the insert
shows that these spheres are also polycrystalline composed of meso- and macro-
pores and micrometric elongated crystals
Figure 5 shows the size distribution of the spheres observed in the samples of
routes A (Figure 5A) and B (Figure 5B) thermally treated at 700degC respectively
Although the average size is slightly different for the samples calcined at different
temperatures all these values are within the range indicated by the standard
deviation at about 15 microns Therefore all the spherical aggregates are
practically the same size The aggregate size is the result of the droplet size
produced in the nozzle of the spray dryer although the size can also be influenced
by the rheology of the gel slurry fed to the spray dryer
Figure 6 shows the size distribution of the pores in the spherical aggregates of
routes A and B For the mesoporous range as mentioned above this size
distribution was measured by the BJH technique In Figure 6A for the samples of
route A the average diameter of the pores in these samples are on the order of 57
plusmn 2 nm Figure 6B shows the case of the mesopores observed in the spheres
obtained by route B they are on the order of 12 plusmn 55 nm The macropores in the
spheres of route B have an average size of about 220 plusmn 53 nm (Figure 6C) This
last result is logical because the suspension fed in route B consists of spheres of
monomodal polystyrene whose average size is of about 250 nm in addition to the
gel
The micrometric-size spheres obtained by route A and route B are both composed
of elongated crystals or fibers but these crystals are of nanometric size for route
A while they are of 35 plusmn 7 nm wide and 300 plusmn 80 nm long for route B The
existence of an interconnected hierarchical pore structure in these spheres is
evident
EDS spectra from the spheres showed the characteristic peaks of barium (Ba) iron
(Fe) and oxygen (O) (Figure 7) [19] In these spectra the Cu peak comes from the
sample holder Therefore the composition of spheres obtained by both routes
contains the same elements as already shown by XRD This results also confirm
that no contamination was present in either route
33 TEM images
Figure 8 shows some of the HRTEM images of the elongated crystals which
conform the spheres obtained in routes A and B Note the nanometric size of the
elongated crystals of BaFe12O19 In some cases the coexistence of crystals of
BaFe12O19 with crystals of BaFe2O4 and Fe2O3 were observed These images
agree quite well with the results obtained by XRD and show the coexistence of a
mixture of phases in the synthesized spheres in both routes
34 Hysteresis loops and magnetic properties
One way to measure the magnetic properties is through the hysteresis loops
which affords the evaluation of macroscopic properties such as saturation
magnetization Ms remanence magnetization Mr and coercive field These
properties define the soft or hard magnetic character of the synthesized materials
Figure 9 shows the hysteresis loops at different calcination temperatures for the
samples obtained by the route A (Figure 9A) and the route B (Figure 9B) The
highest magnetization values are observed in the case of route B Table 1 shows
the magnetic properties of all the samples In general Ms Mr and Hc show an
increment as a function of the calcination temperature and coercivity (Hc)
increases with temperature in all the samples The lowest value of Mr is obtained in
the sample treated at 800 degC for route A In route B the lowest Mr value is obtained
for the sample treated at 700 degC There is also a clear change in the magnetic
behavior associated with the temperatures of the calcination treatment This
change must be related to the percentage of content of the different phases
presented in the samples and it must also be related to the size of the crystals
constituting the spherical aggregates
From Figure 9A and based on the values of coercivity shown in Table 1 the
samples obtained in the route A at temperatures of 700 800 and 900 degC behave as
semi-hard magnetic materials whereas the one obtained at 1000 degC behaves as a
hard magnetic material The shape of the hysteresis loop in the sample at 900 degC
is characteristic of a sample in which two phases coexist On the other hand
Figure 9B indicates that only the material obtained at 700 degC through route B
behaves as a semi-hard magnetic material the others show hard magnetic
material behavior The semi-hard ferromagnetic behavior in these materials makes
them good candidates for biomedical applications [20]
4 Discussion
The results clearly indicate that we succeed in developing a route for the synthesis
of porous spheres of barium hexaferrite with different pore sizes The porous
structures are of great interest in research because of their prominent applications
in different fields of science [21] For example they can be used to charge an
adequate amount of different types of molecules (ie drugs proteins andor
peptides) within the interior of the pore (and also on the surface of the structure)
thus acting as a drug carrier system [22] Mesopores are useful in applications
where interaction with fluids is part of the integration process in which molecules
will be exchanged in the system as in the case of drug delivery Macropores allow
the adsorption of large molecules such as proteins or peptides or even cells that
are currently of great interest in the development of new medical treatments based
on the lsquoin sitursquo drug delivery such as magnetofection [23] gene therapy [24] and
cell labeling [25]
In obtaining macropores the surface charge of the PS spheres and steric factors
play an important role in the self-assembly of BaFe12O19 precursor ions into the PS
particles [26] Pores in the spherical aggregates are consequently produced when
the system is subjected to thermal treatment (700 800 900 and 1000 degC) resulting
in the pyrolysis of the surfactant and the PS Thus the BaFe12O19 precursor ions
are adsorbed into the PS surface being embedded within the micrometer size
spherical aggregate during the spray drying This reaction can be considered a
typical polymerization reaction which means that polymerization takes place
between BaFe12O19 and PS particles contained in an aqueous phase [27] As a
result the PSBaFe12O19 hybrid particles are obtained
In regard to magnetic behavior the hysteresis loops indicate that materials
produced at temperatures of 700 800 and 900 degC in route A fall within the range of
semi-hard magnetic materials whereas at 1000 degC the material becomes a hard
magnetic material In the case of route B the material behaves like a semi-hard
magnetic material only at 700 degC The obtained materials behave like hard
magnetic materials from 800 degC to 1000 degC Analysis of the structural composition
of the spheres indicated that monoferrite (O) and hematite (F) phases are present
However the H phase is the major phase at the calcination temperature of 1000
degC
As shown in Table 1 a significant change occurred as function of calcination
temperature in the magnetic properties of the samples This change has also to be
related to the presence of the different phases Best combinations of magnetic
properties were Ms = 4467 emug and Hc = 479012 Oe for route A and Ms =
4511 emug and Hc = 479146 Oe for route B respectively
The coexistence of the H O and F phases has been reported as a general fact in
obtaining barium hexaferrite [28] The O phase presents an anomalous resonance
near 400 degC that could indicate a phase with magnetic behavior [29] The F phase
has anti-ferromagnetic ordering [30] and thus a characteristic low Ms (1105
emug) [31-33] Therefore for route B it is possible to attribute the observed Ms
variations to the variable content of this phase so that the sample with greater
amount of Fe2O3 (at 700 degC) presents a very low value of Ms Decreasing presence
of Fe2O3 (by progressively increasing the temperature) increases the proportion of
the hexaferrite phase and consequently the Ms values are significantly recovered
In route A the larger value of Ms is coupled with a larger value of Hc which must
be attributed to the presence of a large amount of hexaferrite phase By contrast in
the route B the largest value of Ms of the sample sintered at 1000 degC does not
imply a larger value of Hc (which is recorded for the sample sintered at 900 degC)
which is most like due to significance differences in particle size between the two
phases Samples with Hc gt 4000 Oe can be considered as materials with hard
magnetic behavior
Therefore it seems in this study a larger amount of the Fe2O3 phase obtained at
lower temperatures contributes to a decrement in the magnetic properties resulting
in semi-hard magnetic behavior while an increment in hard magnetic behavior can
mainly be attributed to a decrement in the amount of the Fe2O3 phase as the
BaFe12O19 phase increases
5 Conclusions
Porous spherical aggregates of barium hexaferrite (BaFe12O19) of approximately
15 microm in diameter and 200 nm pores were obtained by the sol-gel chemical
synthesis method using polystyrene (PS) as the pore-forming agent The
morphology of the spheres resembles a nest or ball-of-yarn type structure in which
the crystals belong to the barium hexaferrite phase as the major phase in
coexistence with the monoferrite (BaFe2O4) and hematite (Fe2O3) phases
However the barium hexaferrite phase is the major phase at the calcination
temperature of 1000 degC The magnetic properties of the spheres indicate that the
samples calcined at 700 degC present semi-hard magnetic behavior suggesting they
would be good candidates for use in biomedical applications
Acknowledgements
We thank to V S Loacutepez Alvarez and A Rodriguez Torres for the technical support STC acknowledges the Consejo Nacional de Ciencia y Tecnologiacutea (CONACYT) by scholarship and CIC-UMSNH for the financial support to this research
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Captions for figures
Figure 1 Flowchart of routes A and B followed for the synthesis of the barium hexaferrite spheres The main difference between the routes is that in route B the polystyrene spheres (PS) were added for generating macropores
Figure 2 XRD spectra of the samples obtained by the route A (A) and the route B (B) at the indicated calcination temperature H = BaFe12O19 O = BaFe2O4 F = Fe2O3 Note that at 1000 degC the phase H is the major both cases
Figure 3 SEM image of the spheres obtained in the synthesis route A The spheres are polycrystalline consisting of elongated crystals and nano-sized mesopores The insert shows a magnified view
Figure 4 SEM image of the spheres obtained in the synthesis route B The spheres are polycrystalline with elongated crystals of micrometer size and with meso- and macro-mesoporous structure The insert shows a magnified view
Figure 5 A) Size distribution of the spheres in samples of route A B) Size distribution of the spheres in samples of route B
Figure 6 Size distribution of the mesopores of the spheres measured by the BJH technique A) Route A 57 plusmn 2 nm B) Route B 12 plusmn 55 nm C) Size distribution of the macropores in the spheres of route B on average they are on the order of 220 plusmn 53 nm
Figure 7 EDS spectra of the spheres obtained in the route A (A) and in the route B (B) The spectra are similar for both routes and correspond to the elements Ba Fe and O
Figure 8 HRTEM images of the crystals of BaFe12O19 that make up the spheres obtained in the routes A (A-B) and B (C-D)
Figure 9 Hysteresis loops registered in the samples obtained by route A (A) and route B (B) at different calcination temperatures Note the difference in the magnetic behavior between the two routes in relation to the calcination temperature reaching higher magnetization values in the case of route B
Captions for table
Table 1
Magnetic properties of the samples calcined at different temperatures according to route A (A) and route B (B) The values were obtained from the hysteresis loops shown in Figure 9
Table 1
Magnetic Properties
Route Calcination temperature (degC)
Ms
(emug)
Mr
(emug)
Hc
(Oe)
A
700 2461 593 24220
800 1728 273 23451
900 2371 910 66740
1000 4467 2412 479012
B
700 1424 379 19465
800 1249 592 463160
900 2826 1527 479146
1000 4511 2410 427750
MORPHOLOGICAL AND MAGNETIC PROPERTIES OF SOL-GEL
SYNTHETIZED MESO AND MACROPOROUS SPHERES OF BARIUM
HEXAFERRITE (BaFe12O19)
S Torres-Cadenasa Joseacute Reyes-Gasgab A Bravo-Patintildeoc I Betancourtd M
E Contreras-Garciacuteaa
HIGHLIGHTS
bull 15 microm porous spheres of BaFe12O19 were synthetized by the sol-gel
method
bull Surfactant Tween20 (C58H114O26) enabled the creation of the mesoporous
structure
bull Polystyrene spheres (PS) were used as the template for the formation of
macropores
bull Spheres resembled a nest or ball-of-yarn type of elongated BaFe12O19
crystals
bull Magnetic properties are evaluated as function of the calcination
temperature
265-RXUQDORI(QJLQHHULQJ265-(1 ZZZLRVUMHQRUJ661H661S9ROVVXH 1RY__9__33
QWHUQDWLRQDORUJDQL]DWLRQRI6FLHQWLILF5HVHDUFK _3 D J H
D2ā)H2 DV6XVLQJWHWUDFFOLQHDVPRGHOGUXJ67RUUHV$UDYR0(ampRQWUHUDV
QVWLWXWRGHQYHVWLJDFLRQHV0HWDO~UJLFDV0DWHULDOHV8061+0RUHOLD0LFKRDFiQ0p[LFRampHQWUR0XOWLGLVFLSOLQDULRGH(VWXGLRVHQLRWHFQRORJtD8061+7DULPEDUR0LFKRDFiQ0p[LFR
$EVWUDFW 7KLVSDSHUIRFXVHVRQWKHORDGLQJDQGUHOHDVHVWXGLHVRIWHWUDFFOLQHDVPRGHOGUXJIURPVSKHULFDODJJUHJDWHVRIPLFURQVL]HDSSUR[ P LQGLDPHWHURIEDULXPKH[DIHUULWH D2ā)H2VQWKHWL]HGIURPZHWFKHPLFDOVROJHOPHWKRGYLDVSUDGULQJ D2ā)H2 DJJUHJDWHVZHUHFKDUDFWHUL]HGXVLQJ[UDGLIIUDFWLRQDQGVFDQQLQJHOHFWURQPLFURVFRS7KH ORDGFDSDFLWRID2ā)H2 VVWHPVZDVUHDFKHGDWPLQXWHVDIWHUFRQWDFW ZLWK WHWUDFFOLQH GUXJ 5HOHDVH RI WHWUDFFOLQH ZDV FRQILUP IURP ( FROL EDFWHULDO GHDWK ZKHQD2ā)H2 SDUWLFOHVZHUHLQFRQWDFWZLWKWKHEDFWHULDHZRUGV DULXP+H[DIHUULWHUXJHOLYHU6VWHP6ROHO0HWKRG7HWUDFFOLQH
17528amp721QUHFHQWGHFDGHVWKHELRPHGLFDOILHOGKDVDJUHDWVFLHQWLILFOHDSDYDULHWRIPDWHULDOVIRUH[DPSOH
GHQGULPHUPLFHOOHVHPXOVLRQVOLSRVRPHVQDQRSDUWLFOHVVWHPVgtKDYHEHHQLQYHVWLJDWHGDVFRQWUDVWDJHQWVLQ PDJQHWLF UHVRQDQFH LPDJLQJ 05 KSHUWKHUPLD DQG GUXJ GHOLYHU VVWHPV 6 1DQRVWUXFWXUHGPDJQHWLFPDWHULDOV DUH FRQVLGHUHG DGYDQFHGPDWHULDOV IRU ELRPHGLFDO DSSOLFDWLRQVHFDXVH RI WKH SURPLQHQWSURSHUWLHVRIWKHVHPDWHULDOVWUHDWPHQWVUHODWHGWRFDQFHUWUHDWPHQWEFRQYHQWLRQDOPHWKRGVKDYHEHHQUHGXFHGIRU H[DPSOH WKH 6 DUH DEOH WR UHOHDVH WKH GUXJ DW D WDUJHW VLWH LQ D VSDWLRWHPSRUDO PDQQHU ZKLOH WKHFRQFHQWUDWLRQDQGQXPEHURIGRVHVRIWKHGUXJLVUHGXFHG$JURZLQJLQWHUHVWIRUWKHXVHRIPDJQHWLFPDWHULDOVEDVHGRQLURQR[LGHDV6KDVEHHQREVHUYHGQWKLVSDSHU ORDGLQJFDSDFLWDQGUHOHDVHRIWHWUDFFOLQHIURPQDQRVWUXFWXUHGEDULXPKH[DIHUULWH VVWHPV D2ā)H2 VQWKHVL]HGE WKH VROJHODQGVSUDGULQJPHWKRGZDVLQYHVWLJDWHG
(3(50(17$D2ā)H2 VQWKHVLV1DQRVWUXFWXUHGPDJQHWLFVSKHULFDODJJUHJDWHVRIEDULXPKH[DIHUULWHD2ā)H2ZHUHVQWKHVL]HGEPROHFXODU VHOIDVVHPEO E FKHPLFDO VROJHO PHWKRG DQG VSUD GULQJ Q EULHI VDOWV RI LURQ QLWUDWHQRQDKGUDWH)H12+26LJPD$OGULFKDQGEDULXPFDUERQDWHDamp2 6LJPD$OGULFKZHUHGLVVROYHG LQGHLRQL]HG ZDWHU E PDJQHWLF VWLUULQJ USP IRU PLQ LQ D PRODU UDWLR RI $ VHFRQG VXVSHQVLRQIRUPHG E VXUIDFWDQW 7ZHHQ 0HUFN ZDV GLVSHUVHG LQ GHLRQL]HG ZDWHU IRU PLQ DW USP RWKVXVSHQVLRQVZHUHPL[HGDJDLQEFRQVWDQWPDJQHWLFVWLUULQJIRUKRXUV7KHS+RIWKHUHVXOWLQJPL[WXUHZDVDGMXVWHG WR S+ XVLQJ DPPRQLXP KGUR[LGH1+2+7KHQ WKH UHVXOWLQJPL[WXUH ZDV IHG D WXEXODU GULQJFKDPEHURID0LQL6SUDUHUltDPDWR$WKURXJKDIORZRIKRWDLUDVFDUULHUJDV7KH SURFHVVRIVSUDGULQJZDVLQLWLDWHGEWKHJHQHUDWLRQRIGURSOHWVIURPWKHFROORLGDOVXVSHQVLRQIROORZHGEWKHDWRPL]DWLRQRIWKH OLTXLGDWD WHPSHUDWXUH7 ampDQGDSUHVVXUH3 NJFP UHVXOWLQJ LQ WKHSURGXFWLRQRISRZGHUVFRPSRXQGVRI VROLGSDUWLFOHV7KHQ WKHSRZGHUZDVFROOHFWHGEDFFORQHDQGVXEMHFWHG WRKHDW WUHDWPHQWRIampDWDKHDWLQJ UDWHRI ampPLQ IRUKRXUV IRU IXUWKHUFKDUDFWHUL]DWLRQ)LQDOO WKH ORDGLQJDQG UHOHDVHFDSDELOLWIURPWKHD2ā)H2 VVWHPVZDVWHVWHGXVLQJDQWLELRWLFWHWUDFFOLQHDVPRGHOGUXJD2ā)H2 ampKDUDFWHUL]DWLRQ7KHSRZGHUVKHDW WUHDWHGDWampDIWHU WKHSURFHVVRI VSUDGULQJZHUHFKDUDFWHUL]HGXVLQJ[UDGLIIUDFWLRQ RQ D UXNHU PRGHO $GYDQFH XVLQJ UDGLDWLRQ ampX Į N9 P$ DQG VFDQQLQJ HOHFWURQPLFURVFRSILHOGHPLVVLRQ)(6(0XVLQJDPLFURVFRSH-(2-60)
RDGLQJDQGUHOHDVHVWXGRIWHWUDFFOLQH7KHORDGFDSDFLWRID2ā)H2 VVWHPVZHUHGHWHUPLQHGESODFLQJPJRID2ā)H2 SRZGHULQFRQWDFW ZLWK D VWDQGDUG VROXWLRQ RI WHWUDFFOLQH PJP LQ FRQVWDQW PDJQHWLF VWLUULQJ 7HWUDFFOLQH LV D
EURDGVSHFWUXP DQWLELRWLF XVHG WR WUHDW D QXPEHU RI EDFWHULDO LQIHFWLRQV ZKLFK DFWV E LQKLELWLQJ SURWHLQVQWKHVLV $Q DOLTXRW RI WKH WHWUDFFOLQH VROXWLRQ FRQWDLQLQJ SDUWLFOHV D2ā)H2 ZDV WDNHQ DW PLQXWHLQWHUYDOV ILUVW DOORZLQJ WKH SUHFLSLWDWLRQ RI SRZGHUV D2ā)H2 7KHQ ZH DQDO]HG WKH FKDQJHV LQ RSWLFDOGHQVLW2RIWKHWHWUDFFOLQHVROXWLRQXVLQJD89YLVVSHFWURSKRWRPHWHUampDU3UREHVSHFWUXP89YLVVSHFWUD7KHGHFUHDVHLQ2YDOXHVLQGLFDWHGWKDWWKHWHWUDFFOLQHZDVDGVRUEHGRQD2ā)H2 SDUWLFOHV7KH
D2Acirc)H2 DV6XVLQJWHWUDFFOLQHDVPRGHOGUXJ
QWHUQDWLRQDORUJDQL]DWLRQRI6FLHQWLILF5HVHDUFK _3 D J H
RSWLFDOGHQVLWPHDVXUHPHQWVZHUH WDNHQXQWLOREVHUYLQJVWDELOL]DWLRQ LQ WKH2UHDGLQJ7KXV LQGLFDWLQJ WKHPD[LPXP ORDG RI WHWUDFFOLQH RQ D2ā)H2 SDUWLFOHV 7R SHUIRUP WKH UHOHDVH VWXGLHV RI WHWUDFFOLQH IURPD2ā)H2 VVWHPV ZH FRQWLQXHG DV LQGLFDWH EHORZ $ KRH RI WKH OXH VWUDLQ RI (VFKHULFKLD FROL6WUDWDJHQH gtUHF$ HQG$ JU$ WKL KVG5 VXS( ODF=0 7Q FDP 7amp5V ZKLFK ZDVGLVWULEXWHGRQDJDUVROLGZDVWDNHQDQGLWLQFXEDWHGRYHUQLJKWDWamp7KHQDRXQJFRORQZDVVHOHFWHGDQGLQRFXODWHGLQWRPRIOLTXLGPHGLXPLQFXEDWLQJDWampRYHUQLJKWDWUSP7KHQPRIOLTXLGZHUH SODFHG LQ D P(UOHQPHHU IODVN LWZDV DGGHG PRI SUHLQRFXOXP DQG WKHD2ā)H2SDUWLFOHVFKDUJHGZLWK WHWUDFFOLQH$ ILUVW UHDGLQJRIRSWLFDOGHQVLWZDV WDNHQDW2ZKLFK LV WKH2DWWLPH ]HUR 7KH PHGLXP ZDV LQFXEDWHG DW amp DW USP $1( LQFXEDWRU VKDNHU DQG DWSUHGHWHUPLQHGWLPHVPDOLTXRWVZHUHWDNHQWRPHDVXUHWKH2 XQWLOVWDELOL]DWLRQLQWKH2 YDOXHV)RUUHIHUHQFH LQ WKH LQWHUSUHWDWLRQRI UHVXOWV WZRFRQWUROVZHUHSUHSDUHG7KH ILUVW FRPSRVHG VROHORI OLTXLGPHGLXPSOXVSUHLQRFXODWHG7KHVHFRQGFRPSRVHGIURPOLTXLGSUHLQRFXOXPSOXVXQFKDUJHGD2ā)H2SDUWLFOHV)RUERWKFRQWUROVZDVFDUULHGRXWWKHVDPHSURFHGXUHDVWKHWHVW
5(6876 $16amp866217KHSDWWHUQRI[UDGLIIUDFWLRQIRUWKHVDPSOHFDOFLQHGDWampVKRZQLQ)LJXUHLQGLFDWHVWKDWWKH
VDPSOHWKXVREWDLQHGLVFRPSRVHGRIDPL[WXUHDUHFUVWDOOLQHSKDVHV PRVWOEDULXPKH[DIHUULWHD)H2 ZLWKD KH[DJRQDO VWUXFWXUH WRJHWKHU ZLWK KHPDWLWH )H2 KDYLQJ DQ KH[DJRQDO VWUXFWXUH DQG WR D OHVVHU DPRXQWEDULXPPRQRIHUULWH D)H2ZLWKDQRUWKRUKRPELFVWUXFWXUH6HYHUDODXWKRUVgtKDYHUHSRUWHGWKHVQWKHVLVRID)H2 DWGLIIHUHQWWHPSHUDWXUHVLQZKLFKFRH[LVWDPL[WXUHVLPLODUWRWKHSKDVHVREWDLQHGLQWKLVUHVHDUFKRU WKH SUHVHQFH RI RQH RUPRUH GLIIHUHQW SKDVHV WR WKRVH VKRZQ KHUH 7KH GLIIHUHQFH LQ WKH SUHVHQFH RI WKHGLIIHUHQW SKDVHV DV ZHOO DV WKH ZHLJKW UDWLR RI WKH SKDVHV SUHVHQW FDQ EH LQIOXHQFHG E IDFWRUV VXFK DV WKHVQWKHVLVPHWKRGWSHRISUHFXUVRUVDOWVDQGWKHLUPRODUUDWLR WHPSHUDWXUHDQGUHVLGHQFHWLPHKHDWWUHDWPHQWDPRQJRWKHUVQJHQHUDODQLQFUHDVHLQWKH FDOFLQDWLRQWHPSHUDWXUHOHDGVWRLQFUHDVHGVDPSOHFUVWDOOL]DWLRQDQGJUHDWHUSXULWRIWKHD)H2 SKDVHDVKDVEHHQVKRZQHOVHZKHUH+RZHYHUDOWKRXJKKLJKHUWHPSHUDWXUHVFDQEHREWDLQHGD)H2 KLJKHUSXULWKLJKHU WHPSHUDWXUHVSURGXFH ODUJHUSDUWLFOH VL]H UHVXOWLQJ LQREWDLQLQJDKDUG PDJQHWLF PDWHULDO ZLWK PDJQHWLF SURSHUWLHV XQVXLWDEOH IRU ELRPHGLFDO DSSOLFDWLRQV LQ ZKLFK DVXSHUSDUDPDJQHWLFEHKDYLRU LV UHTXLUHGEHFDXVH WKLVGRHVQRW UHWDLQPDJQHWLVPDIWHU UHPRYDORI WKH PDJQHWLFILHOGgt
)LJ UDGLIIUDFWLRQSDWWHUQIRUDVDPSOHFDOFLQHGDWamp7KH5SDWWHUQVKRZVWKHSUHVHQFHRIWKUHHFUVWDOOLQHSKDVHV+ D2ā)H2) )H2 DQG2 D)H2
)LJXUHVKRZVDUHSUHVHQWDWLYH6(0LPDJHLQZKLFKQDQRVWUXFWXUHGVSKHULFDODJJUHJDWHVDUHREVHUYHGDSSUR[P LQGLDPHWHU 7KHLQVHUWLQWKHLPDJHVKRZVWKDWWKHDJJUHJDWHVDUHIRUPHG EQDQRPHWHUVL]HG
SDUWLFOHVQP
D2Acirc)H2 DV6XVLQJWHWUDFFOLQHDVPRGHOGUXJ
QWHUQDWLRQDORUJDQL]DWLRQRI6FLHQWLILF5HVHDUFK _3 D J H
)LJ VKRZV DUHSUHVHQWDWLYH6(0LPDJHLQZKLFKQDQRVWUXFWXUHGVSKHULFDODJJUHJDWHVDUHREVHUYHGDSSUR[P LQGLDPHWHU
7KHORDGFDSDFLWRID2ā)H2 SRZGHUVZDVREVHUYHGZKHQDQDO]LQJWKHGHFUHDVHLQWKH2YDOXHVIURPWKHWHWUDFFOLQHVROXWLRQLQFRQWDFWZLWKD2ā)H2 SDUWLFOHV7KHWHWUDFFOLQHFRQFHQWUDWLRQRIPJPHQVXUHV NLOOLQJ EDFWHULD ZKHQ LQ FRQWDFW )LJXUH VKRZV WKH GHFUHDVH LQ 2 YDOXHV ZKHQ WKH WHWUDFFOLQHVROXWLRQNHSWLQFRQWDFWZLWKWKHD2ā)H2 SDUWLFOHV7KLVLQGLFDWHVWKDWWHWUDFFOLQHZDVDGVRUEHGESDUWLFOHVRI D2ā)H2 )XUWKHUPRUH LW FDQ EH VHHQ IURP WKH JUDSK WKDW DW PLQ WKH D2ā)H2 SDUWLFOHV KDYHDGVRUEHGDOOSRVVLEOHWHWUDFFOLQHUHDFKLQJWKHLUVDWXUDWLRQ
)LJ YDULDWLRQLQRSWLFDOGHQVLWYDOXHVLQGLFDWLQJWKHDEVRUSWLRQRIWHWUDFFOLQHRQ D2ā)H2 VVWHPV
$IWHUWKHD2ā)H2 SDUWLFOHVZHUHORDGHGZLWKWHWUDFFOLQHWKHVHZHUHSODFHGLQDFXOWXUHPHGLXPIRU(FROL LQRUGHUWRWHVWWKHUHOHDVHRIWHWUDFFOLQH)LJXUHVDQGVKRZWKHHIIHFWRIWKHD2ā)H2 SDUWLFOHVORDGHG ZLWK WHWUDFFOLQH RQ JURZWK RI EDFWHULD 7KH GHFUHDVH LQ WKH 2 RI WKH FXOWXUH PHGLXP RI ( FROLLQGLFDWHVLQKLELWLRQDQGGHDWKRIWKHEDFWHULDQ)LJXUHDGHFUHDVHLQ2YDOXHVZHUHVHHQZKHQWKHEDFWHULDZDV LQ FRQWDFWZLWK WKHD2ā)H2 SDUWLFOHV ORDGHG ZLWK WHWUDFFOLQH DVZHOO DV WKH XQFKDUJHGD2ā)H2SDUWLFOHV +RZHYHU WKH GHFUHDVH LQ 2 ZDV PRUH UHPDUNDEOH ZKHQ WKH EDFWHULD FRPH LQ FRQWDFW ZLWKD2ā)H2 SDUWLFOHV ORDGHGZLWK WHWUDFFOLQH)LJXUHVKRZV WKHJURZWKFXUYHH[SUHVVHG LQFRORQIRUPLQJXQLWVamp)8HYDOXDWHGDVDQXPEHURIamp)8NLQHWLFVYHUVXV WLPH7KHNLQHWLFEHKDYLRUFRUUHVSRQGVWRDQRUPDOJURZWK UHDFKLQJ D PD[LPXP DW PLQXWHV DQG GHFUHDVLQJ WKHUHDIWHU 7KLV FXUYH LV PRGLILHG LQ PHGLDFRQWDLQLQJWKHD2ā)H2 SDUWLFOHVZLWKDQGZLWKRXWWHWUDFFOLQHQWKHSUHVHQFHRISDUWLFOHVRID2ā)H2
D2Acirc)H2 DV6XVLQJWHWUDFFOLQHDVPRGHOGUXJ
QWHUQDWLRQDORUJDQL]DWLRQRI6FLHQWLILF5HVHDUFK _3 D J H
WKHEDFWHULDKDYHDFRPSOHWHOGLIIHUHQWEHKDYLRUGHFUHDVLQJWKHamp)8 LQLWLDOOWRKDYHDPLQLPXPPLQXWHVDQG WKHQ JUDGXDOO LQFUHDVH KHQ LQ WKH PHGLD FRQWDLQLQJ WKH D2ā)H2 QDQRSDUWLFOHV ORDGHG ZLWKWHWUDFFOLQH WKH EHKDYLRU RI WKH JURZWK FXUYH FKDQJHV FRPSOHWHO VLQFH IURP WKH ILUVW PLQXWHV DQ HIIHFWVXJJHVWLQJLQKLELWLRQDQGGHDWKRIWKHEDFWHULDLVSUHVHQWHGVXJJHVWLQJWKDWWKHUHOHDVHWHWUDFFOLQHLVJLYHQLQDJUDGXDOZD
)LJ YDULDWLRQLQRSWLFDOGHQVLWYDOXHVGXHWRWKHHIIHFWRIWKHD2ā)H2 SDUWLFOHVORDGHGZLWKWHWUDFFOLQHRQJURZWKRIEDFWHULD
)LJ YDULDWLRQLQamp)8RI(FROL GXHWRWKHHIIHFWRID2ā)H2 SDUWLFOHVORDGHGZLWKWHWUDFFOLQHRQJURZWKRIEDFWHULD9 amp21amp8621
D2ā)H2 VSKHULFDO DJJUHJDWHV LQPLFURPHWHU VL]HZHUH VXFFHVVIXOO VQWKHVL]HG IURPDFKHPLFDOZHWVROJHOPHWKRGYLDVSUDGULQJRDGLQJDQGUHOHDVHVWXGLHVRIWHWUDFFOLQHDVDPRGHOGUXJVKRZVWKDWWKHD2ā)H2 VVWHPVFDQEHDJRRGFDQGLGDWHVDVGUXJGHOLYHUVVWHPV
9 $amp12((0(176HDFNQRZOHGJH WKHampRQVHMR1DFLRQDOGHampLHQFLD7HFQRORJtDamp21$amplt7EVFKRODUVKLSDQGampamp
8061+IRUWKHILQDQFLDOVXSSRUWWRWKLVUHVHDUFK5()(5(1amp(6
gt 0$UUXHER5)HUQiQGH]3DFKHFR05EDUUDDQG-6DQWDPDUtD0DJQHWLFQDQRSDUWLFOHVIRUGUXJGHOLYHU1DQRWRGD
gt )HOLFH 0 3 3UDEKDNDUDQ $ 3 5RGUtJXH] 6 5DPDNULVKQD UXJ GHOLYHU YHKLFOHV RQ D QDQRHQJLQHHULQJ SHUVSHFWLYH0DWHULDOV6FLHQFHDQG(QJLQHHULQJamp
gt 7 RQ]iOH]ampDUUHxR 03 0RUDOHV amp- 6HUQD DULXP IHUULWH QDQRSDUWLFOHV SUHSDUHG GLUHFWO E DHURVRO SUROVLV 0DWHULDOVHWWHUV plusmn
D2Acirc)H2 DV6XVLQJWHWUDFFOLQHDVPRGHOGUXJ
QWHUQDWLRQDORUJDQL]DWLRQRI6FLHQWLILF5HVHDUFK _3 D J H
gt 3 5HQ - XDQ ampKHQJ QIOXHQFH RI KHDW WUHDWPHQW FRQGLWLRQV RQ WKH VWUXFWXUH DQG PDJQHWLF SURSHUWLHV RI EDULXP IHUULWHD)H2 KROORZPLFURVSKHUHVRIORZGHQVLW0DWHULDOVampKHPLVWUDQG3KVLFV plusmn
gt $$WDLHDQG$0DOLampKDUDFWHULVWLFVRIEDULXPKH[DIHUULWH QDQRFUVWDOOLQHSRZGHUVSUHSDUHGEDVROJHOFRPEXVWLRQPHWKRGXVLQJLQRUJDQLFDJHQW-(OHFWURFHUDPLF
gt $ KDVHPL 5 6 $ODP $ 0RULVDNR 3UHSHUDWLRQ DQG PDJQHWLF SURSHUWLHV RI KH[DJRQDO EDULXP IHUULWH ILOPV XVLQJ D0QDQRSDUWLFOHV3KVLFD
gt 0ampKRL6ampKRlt6RQJ6DHN+LP--XQJ+HHamp3DUN63DUNltLP6QWKHVLVDQGFKDUDFWHUL]DWLRQRIKROORZD)H2 VXEPLFURQVSKHUHVIRUDGYDQFHIXQFWLRQDOPDJQHWLFPDWHULDOVampXUUHQW$SSOLHG3KVLFV gt ampDL-DQJLDQJ-XRlt+RX+DRltX(IIHFWRI1D12IRDPLQJDJHQWRQEDULXPIHUULWHKROORZPLFURVSKHUHVSUHSDUHGEVHOIUHDFWLYHTXHQFKLQJWHFKQRORJ-RXUQDORI$OORVDQGampRPSRXQGV plusmn
gt X -3DUNlt+RQJ$0DQH(WKOHQHJOFRODVVLVWHGVSUDSUROVLV IRU WKHVQWKHVLVRIKROORZD)H2VSKHUHV0DWHULDOVHWWHUV plusmn
gt 0 ampKRL 6 ampKR lt 6RQJ ampKRL 6 3DUN lt LP 1RYHO VQWKHVL]LQJ PHWKRG RI D)H2 PLFUR URG DQG LWV VXSHULRUFRHUFLYLWZLWKVKDSHDQLVRWURS0DWHULDOVHWWHUV plusmn
gt $XSWD0XSWD6QWKHVLVDQGVXUIDFHHQJLQHHULQJRI LURQR[LGHQDQRSDUWLFOHVIRUELRPHGLFDODSSOLFDWLRQVLRPDWHULDOV plusmn
gt 96KXEDHY753LVDQLF6-LQ0DJQHWLFQDQRSDUWLFOHVIRUWKHUDJQRVWLFV$GYDQFHGUXJHOLYHU5HYLHZV plusmn
gt 1$)UH63HQJampKHQJDQG66XQ0DJQHWLFQDQRSDUWLFOHVVQWKHVLVIXQFWLRQDOL]DWLRQDQGDSSOLFDWLRQVLQELRLPDJLQJDQGPDJQHWLFHQHUJVWRUDJHampKHP6RF5HY plusmn
gt 17UDQDDQG7-HEVWHU0DJQHWLFQDQRSDUWLFOHVELRPHGLFDODSSOLFDWLRQVDQGFKDOOHQJHV-0DWHUampKHP plusmn
gt $ )LJXHUROD 5 L ampRUDWR 0DQQD 7 3HOOHJULQRD )URP LURQ R[LGH QDQRSDUWLFOHV WRZDUGV DGYDQFHG LURQEDVHG LQRUJDQLFPDWHULDOVGHVLJQHGIRUELRPHGLFDODSSOLFDWLRQV3KDUPDFRORJLFDO5HVHDUFK plusmn
Publisher Szilikaacutetipari Tudomaacutenyos Egyesuumllet 1034 Budapest Beacutecsi uacutet 122-124 Telephonefax 06-1201-9360 E-mail infoszteorghu WEB wwwszteorghu Editor-in-Chief Dr Borosnyoacutei Adorjaacuten E-mail epitoanyagszteorghu WEB wwwepitoanyagorghu
A c c e p t a n c e o f M a n u s c r i p t
Dear authors
We are happy to inform you that the Editorial Board of eacutepiacutetőanyag ndash Journal of Silicate Based and
Composite Materials has made a decision on the following manuscript
S Torres-Cadenas A Bravo-Patintildeo J Zarate-Medina ME Contreras-Garciacutea
Nest-like BaObull6Fe2O3 microspheres with hierarchical porous structure for drug delivery
Suggestion accepted for publication
Your manuscript is now with the Editorial Office We call your attention that publication of the
paper will be possible after the approval of the final proof of the manuscript
Thank you for submitting your scientific results to eacutepiacutetőanyag ndash Journal of Silicate Based and
Composite Materials We wish further success for your research activities
Budapest 5 January 2017
Dr Borosnyoacutei Adorjaacuten
Editor-in-Chief
- TD STC (2)
- ANEXO 1
- ANEXO 2
- ANEXO 3
-
- Dear authors
-
- Budapest 5 January 2017
-
9
Figura 418 Imaacutegenes del microscopio oacuteptico en las cuales se puede observar la expresioacuten de un
gen reportero indicando las ceacutelulas CHO han sido transfectadas 81
Figura 419 Anaacutelisis tipo Western blot La proteiacutena de intereacutes DS-HaloTag aparece a una altura
de 61 ~KDa 82
Figura 420 Histograma de distribucioacuten de aminoaacutecidos 83
Figura 421 Interaccioacuten BaFe12O19-DS-HaloTag La disminucioacuten en los valores de DO a medida
que el tiempo transcurre indica la absorcioacuten del peacuteptido por los agregados de BaFe12O19 85
Figura 422 Anaacutelisis visual SDS-PAGE de la interaccioacuten BaFe12O19-DS-HaloTag que muestra
coacutemo disminuye la cantidad de proteiacutena libre en el medio 86
Figura 423 Carga superficial (mV) en funcioacuten del pH para el peacuteptido DS-HaloTag y los
sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 87
Figura 424 Modelo propuesto para las posibles interacciones BaFe12O19-DS-HaloTag 88
Figura 425 Perfiles de liberacioacuten del peacuteptido DS 89
IacuteNDICE DE TABLAS
Tabla 3I Factores a evaluar en el disentildeo experimental A) Presioacuten (P) B) Temperatura (T) y C)
Concentracioacuten de poliestireno usado como agente poroacutegeno (PS) Cada uno de los paraacutemetros
presenta un nivel bajo (-) y un nivel alto (+) 46
Tabla 3II Matriz del disentildeo experimental 47
Tabla 4I Variables de respuesta (oslashagregado SBET Vmesoporo oslashmacroporo) del disentildeo experimental
fraccionario 2f como resultado del efecto de los factores P T y PS 61
Tabla 4II Anaacutelisis de variancia ANOVA 62
Tabla 4III Propiedades magneacuteticas de los agregados porosos de hexaferrita de bario 78
Tabla 4IV Informacioacuten de secuencia 82
Tabla 4V Tabla de distribucioacuten de aminoaacutecidos 83
10
RESUMEN
Hoy en diacutea existe una gran variedad de formulaciones para la siacutentesis de materiales
nanoestructurados a base de oacutexido de hierro para aplicaciones biomeacutedicas El objetivo del
presente trabajo fue disentildear y sintetizar agregados nanoestructurados de hexaferrita de bario
(BaFe12O19) de tamantildeo micromeacutetrico con jerarquiacutea meso-macroporosa usando el meacutetodo sol-gel
y secado por aspersioacuten Usando un disentildeo experimental factorial 2f se evaluaron la concentracioacuten
( peso) de agente poroacutegeno y los paraacutemetros de temperatura (T) y presioacuten (P) en el proceso de
secado por aspersioacuten para determinar el efecto de estas variables sobre el tamantildeo de agregado de
BaFe12O19 y el tamantildeo de macroporo A parir de teacutecnicas de caracterizacioacuten tales como XRD
SEM y TEM se determinoacute la estructura morfologiacutea y composicioacuten de los polvos de BaFe12O19
Se obtuvieron agregados esfeacutericos de 17 μm de diaacutemetro con una estructura meso-macroporosa
determinada a partir de SEM y BET El tamantildeo de macroporo fue de aproximadamente 223 nm y
el tamantildeo de mesoporo varioacute entre 34 nm y 12 nm Asiacute mismo mediante VSM se obtuvieron
curvas de histeacuteresis a partir de las cuales se determinoacute las propiedades magneacuteticas de los
agregados de BaFe12O19 A una temperatura de calcinacioacuten de 700 degC se obtuvo un material con
comportamiento semiduro cuyos valores de magnetizacioacuten de saturacioacuten y campo coercitivo
fueron Ms = 1424 emug y Hc = 19465 Oe respectivamente Finalmente los agregados de
BaFe12O19 fueron probados como portadores de moleacuteculas con actividad bioloacutegica para ello se
usoacute el peacuteptido DS como faacutermaco modelo sintetizado a partir de los plaacutesmidos pF1A T7 Flexireg y
pFN21K a partir de la cepa T7 de Escherichia coli Se determinoacute la capacidad de carga y perfil de
liberacioacuten del peacuteptido DS mediante las teacutecnicas de SDS-PAGE FTIR anaacutelisis tipo Wester blot y
UV-vis El porcentaje de absorcioacuten del peacuteptido DS por los agregados nanoestructurados de
BaFe12O19 fue de 875 Por lo tanto los agregados esfeacutericos nanoestructurados con jerarquiacutea
meso-macroporosa obtenidos en el presente trabajo de investigacioacuten pueden ser considerados
como candidatos para ser aplicados en el aacuterea biomeacutedica como sistemas de liberacioacuten de faacutermaco
Palabras clave BaFe12O19 sistemas nanoestructurados macro-mesoporosidad meacutetodo sol-gel
secado por aspersioacuten disentildeo experimental
11
ABSTRACT
Nowadays there is a great variety of formulations for the synthesis of nanostructured materials
based on iron oxide with biomedical applications The aim of the present work was to design and
synthesize nanostructured macro-mesoporous hierarchical spherical aggregates of barium
hexagonal ferrite BaFe12O19 using the sol-gel method through molecular self-assembly and spray-
drying Therefore using a 2f
factorial experimental design the concentration (wt) of template
and the parameters of temperature (T) and pressure (P) in the spray drying process were
evaluated to determine the effect of these variables on the aggregate size of BaFe12O19 and the
size of macropore Characterization techniques such as XRD SEM and TEM determined the
structure morphology and composition of the BaFe12O19 powders obtained after the spray-drying
process Spherical aggregates of 17 μm were obtained with a meso-macroporous structure
determined from SEM and BET The macropore size was about 223 nm and the mesopore size
varied between 34 nm and 12 nm Hysteresis loops were obtained from VSM technique and the
magnetic properties of BaFe12O19 aggregates were determined At a calcination temperature of
700 deg C a material with semi-hard behavior was obtained whose saturation magnetization and
coercive field values were Ms = 1424 emug and Hc = 19465 Oe respectively Finally the
BaFe12O19 aggregates were tested as carriers of biologically active molecules For this purpose
the peptide DS (Hairless suppressor binding domain [Su (H)] was used as the template drug
synthesized from the plasmids pF1A T7 Flexireg and pFN21K from the T7 strain of Escherichia
coli The loading capacity and release profile of the DS peptide was determined by the SDS-
PAGE FTIR Wester blot and UV-vis techniques Absorption performance of DS peptide by the
nanostructured aggregates of BaFe12O19 was 875Therefore the nanostructured macro-
mesoporous hierarchical spherical aggregates of barium hexagonal ferrite BaFe12O19 obtained in
the present research can be considered as candidates to be applied in the biomedical area as drug
delivery systems
12
CAPIacuteTULO 1
INTRODUCCIOacuteN
13
CAPIacuteTULO 1 INTRODUCCIOacuteN
La nanotecnologiacutea es un campo cientiacutefico multidisciplinario que aplica los principios de
ingenieriacutea y fabricacioacuten para el disentildeo siacutentesis caracterizacioacuten y aplicacioacuten de materiales a
escala nanomeacutetrica En las uacuteltimas deacutecadas la nanotecnologiacutea se ha desarrollado en diversas
aacutereas de investigacioacuten abarcando las matemaacuteticas quiacutemica fiacutesica biologiacutea electroacutenica
ingenieriacutea biomeacutedica y ciencia de materiales entre otras
Dentro del sector biomeacutedico una gran variedad de materiales orgaacutenicos e inorgaacutenicos tales como
micelas poliacutemeros liposomas lipoproteiacutenas dendriacutemeros y nanopartiacuteculas magneacuteticas han sido
investigados ampliamente para diferentes aplicaciones incluyendo terapia celular reparacioacuten de
tejidos imagen de resonancia magneacutetica hipertermia marcadores bioloacutegicos y como sistemas de
liberacioacuten de faacutermacos (DDS) Sin duda las partiacuteculas magneacuteticas son los materiales maacutes
prominentes usados como DDS debido a sus propiedades fiacutesicas quiacutemicas teacutermicas mecaacutenicas y
magneacuteticas que las hacen herramientas ideales para ser usadas en las aplicaciones antes
mencionadas Como plataformas para la liberacioacuten de faacutermacos estos sistemas pueden ofrecer
muchas ventajas por ejemplo (i) se estabilizan sin alterar la actividad farmacoloacutegica del
medicamento (ii) previenen la degradacioacuten metaboacutelica prematura en la circulacioacuten sisteacutemica o
interaccioacuten con el ambiente bioloacutegico de manera que alcance el objetivo pretendido en su estado
priacutestino (iii) liberan el medicamento en el sitio o tumor deseado y (iv) presentan una toxicidad
menor o similar que la del faacutermaco libre
Recientemente un gran nuacutemero de faacutermacos macromoleculares tales como peacuteptidos proteiacutenas y
aacutecidos nucleicos han sido descubiertos Sin embargo estos faacutermacos muestran pobre estabilidad
en la mayoriacutea de los ambientes bioloacutegicos y pobre penetracioacuten a traveacutes de la barrera
hematoencefaacutelica lo cual limita su administracioacuten a traveacutes de rutas parentales Ademaacutes cuando
estos faacutermacos son administrados parentalmente estaacuten expuestos a la degradacioacuten quiacutemico-
enzimaacutetica antes de alcanzar su sitio de destino debido a su estabilidad limitada y corta vida
media Por lo tanto una gran cantidad de trabajos se ha enfocado al desarrollo de sistemas DDS
para proporcionan una manera maacutes efectiva de liberar y proteger los peacuteptidos y proteiacutenas
14
Existen numerosos meacutetodos (i) fiacutesicos (ii) quiacutemicos (iii) bioloacutegicos e (hiacutebridos) para la siacutentesis
de nanopartiacuteculas El meacutetodo de preparacioacuten de los nanomateriales determinaraacute el tamantildeo y
distribucioacuten de las partiacuteculas su morfologiacutea quiacutemica superficial y consecuentemente sus
propiedades magneacuteticas
En esta investigacioacuten agregados esfeacutericos nanoestructurados de hexaferrita de bario (BaFe12O19)
de tamantildeo micromeacutetrico con jerarquiacutea macro-mesoporosa fueron sintetizados usando el meacutetodo
quiacutemico huacutemedo sol-gel mediante autoensamble molecular y secado por aspersioacuten aplicando un
disentildeo experimental factorial 2f En el procesamiento de los materiales dirigidos a una aplicacioacuten
especiacutefica una informacioacuten detallada sobre las caracteriacutesticas del material es requerida para
alcanzar el objetivo deseado Asiacute los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 se caracterizaron
mediante difraccioacuten de rayos x (XRD por sus siglas en ingleacutes) microscopiacutea electroacutenica de
barrido (SEM por sus siglas en ingleacutes) microscopiacutea electroacutenica de transmisioacuten (TEM por sus
siglas en ingleacutes) aacuterea superficial especiacutefica BET espectroscopiacutea infrarroja por transformada de
Fourier (FTIR por sus siglas en ingleacutes) y por magnetoacutemetro de muestra vibrante (VSM por sus
siglas en ingleacutes) para la determinacioacuten de las propiedades magneacuteticas
Finalmente los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 se evaluaron como portadores de
moleacuteculas bioloacutegicas El peacuteptido DS (Dominio de unioacuten a supresor de Hairless [Su(H)] se usoacute
como faacutermaco modelo para evaluar la capacidad de carga de los sistemas nanoestructurados de
BaFe12O19 como DDS Despueacutes de ser cargados los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 con
el peacuteptido se llevaron a cabo los estudios de liberacioacuten El peacuteptido DS se sintetizoacute a partir de los
plaacutesmidos pF1A T7 Flexireg pFN21K y pFN18K empleando la cepa T7 Express Iq Competent
XL-1 blue (T7) de Escherichia coli A su vez isopropil-β-D-1-tiogalactopiranoacutediso (IPTG) se
usoacute para inducir la produccioacuten del peacuteptido El IPTG es una moleacutecula de uso comuacuten en biologiacutea
molecular Se usa como un anaacutelogo no hidrolizable de la alolactosa un metabolito de la lactosa
que desencadena la transcripcioacuten del operoacuten lac y por lo tanto se usa para inducir la expresioacuten de
proteiacutenas cuando el gen estaacute bajo el control del operoacuten lac
15
11 OBJETIVOS
111 Objetivo General
Disentildear sintetizar y caracterizar sistemas nanoparticulados de hexaferrita de bario (BaFe12O19)
conformados en agregados micromeacutetricos con jerarquiacutea macro-mesoporosa a partir de un disentildeo
experimental factorial fraccionario 2f usando el meacutetodo quiacutemico sol-gel con autoensamble
molecular asistido por surfactante Tween 20 y esferas de poliestireno usadas como agente
poroacutegeno y mediante secado por aspersioacuten para ser usados como portadores de moleacuteculas con
actividad bioloacutegica
112 Objetivos Especiacuteficos
- Evaluar la concentracioacuten ( peso) de agente poroacutegeno y los paraacutemetros de temperatura
(T) y presioacuten (P) en el proceso de secado por aspersioacuten para determinar el efecto de estas
variables sobre el tamantildeo de agregado de BaFe12O19 y el tamantildeo de macroporo
- Sintetizar sistemas de BaFe12O19 mediante el meacutetodo quiacutemico sol-gel asistido por Tween
20 y esferas de poliestireno para producir agregados esfeacutericos nanoestructurados de
tamantildeo micromeacutetrico con jerarquiacutea macro-mesoporosa
-
- Caracterizar estructural morfoloacutegica y fisicoquiacutemicamente los sistemas nanoparticulados
de BaFe12O19 mediante teacutecnicas de XRD SEM TEM BET FTIR y VSM para
proporcionar los detalles necesarios respecto a las propiedades fiacutesicas quiacutemicas y
magneacuteticas de los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19
16
- Sintetizar y caracterizar el peacuteptido DS a partir de los plaacutesmidos pF1A T7 Flexireg
pFN21K y pFN18K empleando la cepa T7 de Escherichia coli el cual seraacute utilizado
como faacutermaco modelo
- Determinar las propiedades magneacuteticas de los sistemas nanoparticulados de BaFe12O19
incluyendo su magnetizacioacuten magneacutetica (Ms) remanencia magneacutetica (Mr) y coercitividad
(Hc) para ser explotadas en la entrega y direccionamiento del peacuteptido DS
- Determinar la carga superficial de los sistemas nanoparticulados de BaFe12O19 para
permitir una mejora en el rendimiento de adsorcioacuten del peacuteptido DS
-
- Determinar la capacidad de carga de los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 y
evaluar el perfil de liberacioacuten del peacuteptido DS para evaluar los sistemas de BaFe12O19
como candidatos para sistemas de liberacioacuten de faacutermaco
17
12 HIPOacuteTESIS
La obtencioacuten de agregados esfeacutericos de nanopartiacuteculas superparamagneacuteticas con nanoestructura y
macroporosidad disentildeada obtenidas utilizando teacutecnicas de autoensamblaje molecular con agentes
poroacutegenos y mediante secado por aspersioacuten permitiraacute la obtencioacuten de un portador de moleacuteculas
con actividad bioloacutegica maacutes viable que tenga un mejor desempentildeo en cuanto a la adsorcioacuten de
ciertas moleacuteculas bioloacutegicas sin perder las propiedades superparamagneacuteticas caracteriacutesticas de las
nanopartiacuteculas
18
13 JUSTIFICACIOacuteN
A pesar de los avances significativos en el diagnoacutestico y tratamiento del caacutencer eacutesta es una de las
enfermedades maacutes devastadoras que amenazan con la salud humana y es la segunda causa maacutes
comuacuten de mortalidad Actualmente la cirugiacutea radioterapia quimioterapia e inmunoterapia son
los meacutetodos de tratamiento maacutes utilizados sin embargo ninguno de estos meacutetodos ofrece una
verdadera recuperacioacuten total En muchos casos la erradicacioacuten quiruacutergica o tratamiento por
radiacioacuten no son factibles
Por otra parte el mayor problema de la quimioterapia es la limitada eficacia de los agentes
quimioterapeacuteuticos y su falta de especificidad a las ceacutelulas tumorales asiacute como a las altas
concentraciones de faacutermaco utilizadas Para superar este problema altas concentraciones o
frecuencias de dosificacioacuten de los agentes quimioterapeacuteuticos son requeridas resultando asiacute en
efectos secundarios severos no deseados debido a la alta citotoxicidad del faacutermaco Por lo tanto
surge la necesidad de desarrollar meacutetodos eficaces de administracioacuten de faacutermacos capaces de
mantener los niveles del faacutermaco en una concentracioacuten estrecha necesaria para evitar toxicidad
Ademaacutes de dirigir el medicamento a las ceacutelulas cancerosas mientras se reducen los efectos
secundarios en la mayor medida posible Esta necesidad se ve reflejada en coacutemo ha ido
incrementando gradualmente el nuacutemero de publicaciones a lo largo de los antildeos ya que la
tecnologiacutea basada en sistemas de liberacioacuten de faacutermaco (DDS) ha progresado en las uacuteltimas
deacutecadas Por ejemplo la revista Journal of Controlled Released (JCR) ha recibido
sustancialmente maacutes artiacuteculos de lo que publica (Fig 11)
Figura 11 Nuacutemero de artiacuteculos publicados anualmente en la revista Journal of Controlled Released desde 1984
19
Una amplia variedad de biomateriales compuestos de diversas formulaciones han sido usados
como DDS No obstante en las uacuteltimas dos deacutecadas las nanopartiacuteculas magneacuteticas han atraiacutedo
mucha atencioacuten como DDS [12] ademaacutes de otras aplicaciones tales como imagen de resonancia
magneacutetica (MRI) [34] reparacioacuten de tejidos [56] hipertermia magneacutetica [78] e inmunoensayos
[9] debido a su biocompatibilidad faacutecil modificacioacuten superficial y sus propiedades fiacutesicas
quiacutemicas y magneacuteticas uacutenicas Una de las caracteriacutesticas maacutes importantes de las nanopartiacuteculas
magneacuteticas es su comportamiento superparamagneacutetico donde la energiacutea teacutermica es
suficientemente fuerte para cambiar la direccioacuten de la magnetizacioacuten [10] por ejemplo las
fluctuaciones teacutermicas desmagnetizan espontaacuteneamente un ensamble previamente saturado
Como resultado de esta propiedad las partiacuteculas magneacuteticas muestran un potencial para mejorar
las caracteriacutesticas de contraste en MRI DDS e hipertermia Ademaacutes el comportamiento
superparamagneacutetico permite la manipulacioacuten de las partiacuteculas en presencia de un campo
magneacutetico externo Asiacute un sistema DDS puede ser guiado magneacuteticamente hasta el sitio de
accioacuten en el cual el faacutermaco seraacute liberado reduciendo de esta manera la concentracioacuten del
faacutermaco y su frecuencia de dosificacioacuten para evitar efectos secundarios no deseados Ademaacutes
Una vez eliminando el campo magneacutetico las nanopartiacuteculas magneacuteticas no muestran una
interaccioacuten magneacutetica ya que no retienen magnetismo [11] Por lo tanto la ausencia de
coercitividad prevendraacute la agregacioacuten potencial de las partiacuteculas que pudieran faacutecilmente causar
la formacioacuten de embolismo en los vasos sanguiacuteneos [12]
Maacutes auacuten los sistemas micromeacutetricos nanoestructurados permiten la preservacioacuten de las
propiedades a escala nanomeacutetrica pero con partiacuteculas a escala micromeacutetriacuteca Esto es importante
debido a que las partiacuteculas de tamantildeo micromeacutetrico son maacutes faacuteciles de manejar que las partiacuteculas
nanomeacutetricas Ademaacutes una jerarquiacutea macro-mesoporosa presentan una arquitectura que exhiben
alta aacuterea superficial baja densidad y buena estabilidad fisicoquiacutemica [13] Asiacute mismo la
estructura jeraacuterquica juega un papel importante en muchas de las propiedades y aplicaciones
funcionales del material [14] por ejemplo los materiales macro-mesoporosos muestran un
incremento considerable en la capacidad de carga de un faacutermaco En los materiales macro-
mesoporosos los macroporos proporcionan una interconectividad que mejora la difusioacuten o flujo
20
de fluidos Mientras que los mesoporos aumentan considerablemente el aacuterea superficial
especiacutefica y por lo tanto tienen una mayor capacidad para que las moleacuteculas puedan ser
adsorbidas [15] Por otra parte la morfologiacutea de las partiacuteculas juega un papel importante en el
tiempo de circulacioacuten en el torrente sanguiacuteneo Ademaacutes una morfologiacutea esfeacuterica es de
importancia praacutectica ya que en general eacutesta presenta mejores propiedades reoloacutegicas comparado
con otras morfologiacuteas Una gran variedad de meacutetodos han sido estudiados para la siacutentesis de
sistemas nanoestructurados dirigidos a aplicaciones biomeacutedicas La Fig 12 muestra las tres rutas
de siacutentesis maacutes importantes Sin duda los meacutetodos de siacutentesis quiacutemica huacutemeda principalmente el
meacutetodo sol-gel es el meacutetodo fundamental maacutes empleado en la siacutentesis de materiales para
aplicaciones biomeacutedicas debido a sus muchas ventajas i) los precursores pueden mezclarse a
nivel molecular lo cual permite la formacioacuten de soluciones soacutelidas del material a temperaturas de
procesamiento relativamente bajas cuando se compara con los meacutetodos tradicionales ii) es un
meacutetodo faacutecil sencillo y versaacutetil iii) permite un control quiacutemico y estructural es decir la
nucleacioacuten y crecimiento de las partiacuteculas coloidales primarias puede ser controlada para dar
partiacuteculas con tamantildeo y forma deseada ademaacutes de la composicioacuten quiacutemica deseada iv) los
materiales sintetizados a partir de este meacutetodo son obtenidos con una alta pureza
Figura 12 Meacutetodos de siacutentesis de los sistemas nanoestructurados dirigidos a aplicaciones biomeacutedicas Las tres rutas
principales incluyen meacutetodos quiacutemicos fiacutesicos y bioloacutegicos Fuente Instituto de Informacioacuten Cientiacutefica Modificado
de M Mahmoudi [16]
21
CAPIacuteTULO 2
REVISIOacuteN DEL ESTADO DEL ARTE
22
CAPIacuteTULO 2 REVISIOacuteN DEL ESTADO DEL ARTE
En el presente capiacutetulo se aborda coacutemo la nanotecnologiacutea ha revolucionado los diferentes
aspectos de la investigacioacuten cientiacutefica y tecnologiacutea en diversos campos tales como la electroacutenica
semiconductores quiacutemica fiacutesica ciencia de los materiales bioingenieriacutea medicina etc [17-27]
En las uacuteltimas deacutecadas la nanotecnologiacutea ha contribuido a avances significativos en el desarrollo
de los biomateriales y el aacuterea de la medicina a traveacutes de la terapia y diagnoacutestico cliacutenico para el
tratamiento de diversos tipos de caacutencer mediante el disentildeo e ingenieriacutea de materiales
nanoestructurados capaces de interactuar con los sistemas bioloacutegicos a escala molecular Las
aplicaciones maacutes prominentes de estos nanodispositivos incluyen terapia geacutenica MRI [28-30]
hipertermia [31-33] sistemas de liberacioacuten de faacutermacos (DDS) [3535] Una gran variedad de
materiales orgaacutenicos e inorgaacutenicos han sido investigados como sistemas DDS Sin embargo los
materiales magneacuteticos nanoestructurados de oacutexido de hierro son considerados los materiales maacutes
prominentes debido a sus caracteriacutesticas uacutenicas tales como biocompatibilidad alta aacuterea
superficial y comportamiento superparamagneacutetico lo que los hace una herramienta ideal para las
aplicaciones antes mencionas [36]
21 BIOMATERIALES
Un biomaterial puede ser definido como cualquier material natural o sinteacutetico usado para la
fabricacioacuten de dispositivos que reemplacen una parte de un sistema vivo o bien que realice una
funcioacuten en contacto iacutentimo con el tejido vivo de una manera segura confiable y fisioloacutegicamente
aceptable [37] Por lo tanto un biomaterial tiene que presentar propiedades compatibles con el
tejido a interactuar para obtener el efecto deseado El Consejo Asesor para Biomateriales de la
Universidad de Clemson ha definido formalmente un biomaterial como una sustancia de
actividad sisteacutemica y farmacoloacutegicamente inerte para su implantacioacuten o incorporacioacuten dentro o
con el sistema vivo
23
Debido a que los biomateriales tienen como objetivo interactuar con los tejidos o fluidos
bioloacutegicos del cuerpo humano es fundamental que estos cumplan con ciertos requisitos para
evitar inducir cambios o provocar reacciones no deseadas en el cuerpo humano Un requisito
fundamental es la biocompatibilidad la cual se refiere a la capacidad del material para realizar
con eficiencia una respuesta apropiada en el hueacutesped en una aplicacioacuten deseada es decir el
material y el entorno de los tejidos deben coexistir sin tener ninguacuten efecto no deseado o
inapropiado entre ellos [36] Otras caracteriacutesticas importantes son su baja toxicidad estabilidad
quiacutemica densidad y peso adecuado ademaacutes es deseable que sean econoacutemicos
211 Aplicaciones
En las uacuteltimas deacutecadas la siacutentesis y aplicacioacuten de biomateriales ha llegado a ser una de las aacutereas
de investigacioacuten maacutes activa y prometedora posicionada en la interseccioacuten de la quiacutemica ciencia
de los materiales bioingenieriacutea y la medicina
Una de las aplicaciones de los biomateriales que ha atraiacutedo cada vez maacutes la atencioacuten de los
cientiacuteficos es su uso como sistemas de liberacioacuten de faacutermaco Una gran variedad de materiales
han sido estudiados para esta aplicacioacuten por ejemplo dendriacutemeros micelas emulsiones
liposomas y sistemas nanoestructurados Especialmente las nanopartiacuteculas magneacuteticas a base de
hierro han sido de gran intereacutes debido a las oportunidades en la terapia de caacutencer y el tratamiento
de otras enfermedades Su potencial deriva de las propiedades intriacutensecas de sus nuacutecleos
magneacuteticos combinados con la capacidad de carga del faacutermaco y las propiedades bioquiacutemicas que
pueden ser adquiridas mediante su recubrimiento adecuado Ademaacutes las nanopartiacuteculas pueden
actuar a nivel tisular o celular lo cual implica que pueden ser endocitadas o fagocitadas
resultando en su internalizacioacuten En eacuteste proceso las nanopartiacuteculas pueden llegar maacutes allaacute de la
membrana citoplasmaacutetica
24
Entre las aplicaciones maacutes usadas de las nanopartiacuteculas como biomateriales se encuentran la
imagen de resonancia magneacutetica hipertermia y sistemas de liberacioacuten de faacutermacos las cuales se
explican a continuacioacuten
a Imagen de resonancia magneacutetica
Los avances en el desarrollo de nuevas estrategias y tecnologiacuteas para tratamiento y evaluacioacuten
precliacutenica de caacutencer mediante el uso de faacutermacos antitumorales destacan la creciente necesidad
de una evaluacioacuten a tratamientos tumorales in vivo mediante el uso de biomarcadores de imagen
La imagen de resonancia magneacutetica (MRI) se ha establecido como la herramienta principal en el
monitoreo in vivo de cambios morfoloacutegicos funcionales y metaboacutelicos en tumores soacutelidos debido
a su excelente contraste en tejidos blandos excelente resolucioacuten espacial y naturaleza no-
invasiva MRI es una teacutecnica que usa el magnetismo y pulso por radiofrecuencia (RF) para
producir imaacutegenes de tejidos u oacuterganos compuestos de elementos sensibles a la resonancia
magneacutetica tales como hidroacutegeno (H) La MRI se basa en los principios de la resonancia
magneacutetica nuclear El cuerpo bioloacutegico se compone de numerosos protones contenidos en el
nuacutecleo del H los cuales giran en sus ejes con la llamada frecuencia de Larmor produciendo un
campo magneacutetico representado por el momento o vector magneacutetico Una gran cantidad de
protones en el cuerpo resultaraacute en un vector magneacutetico neto que se alinea con el campo
magneacutetico externo o paralelo al eje longitudinal del magneto Esta alineacioacuten de protones es
llamada magnetizacioacuten longitudinal Cuando la magnetizacioacuten longitudinal se inclina
transversalmente debido a un impulso de RF se induce una corriente eleacutectrica o sentildeal de
resonancia magneacutetica que puede ser recibida por una bobina de RF En esencia la MRI se lleva a
cabo aplicando de manera alterna pulsos de RF al tejido bioloacutegico La Aplicacioacuten de pulsos de
RF en cierto tiempo de repeticioacuten (TR) y las sentildeales recibidas en un tiempo predefinido o tiempo
de repeticioacuten (TE) produce el contraste en las imaacutegenes de MRI Tales sentildeales de resonancia
magneacutetica son entonces codificadas en fase y frecuencia a imaacutegenes de resonancia magneacutetica por
la teacutecnica de transformada de Fourier
25
b Hipertermia
La hipertermia implica el tratamiento de ceacutelulas canceriacutegenas a traveacutes de la generacioacuten de calor
[38] Este enfoque involucra el aumento de la temperatura del ambiente local del tumor
resultando en un cambio en la fisiologiacutea de las ceacutelulas enfermas llevaacutendolas finalmente a la
apoptosis Dependiendo del grado en el aumento de la temperatura el tratamiento por hipertermia
puede ser clasificado como i) ablacioacuten teacutermica [39] en el cual el tumor es sometido a altas
temperaturas de calor mayores a 46 degC pudiendo llegar a los 56 degC causando que las ceacutelulas
experimenten necrosis coagulacioacuten o carbonizacioacuten ii) Hipertermia moderada [39] con
temperaturas entre 41 degC y 46 degC tiene efectos tanto a nivel celular como tisular las ceacutelulas
experimentan estreacutes teacutermico resultando en la activacioacuten yo iniciacioacuten de muchos mecanismos de
degradacioacuten intra- y extracelular tal como la degradacioacuten o pliegue iii) Diatermia [39] implica
temperaturas menores a 41 degC para el tratamiento de enfermedades reumaacuteticas en la fisioterapia
c Sistemas de liberacioacuten de faacutermaco
Los sistemas de liberacioacuten de faacutermaco tienen como objetivo la entrega y liberacioacuten de faacutermacos
a sitios de accioacuten especiacuteficos manteniendo la concentracioacuten del faacutermaco a un nivel terapeacuteutico
adecuado durante un periacuteodo de tiempo determinado Es decir un sistema ideal para la liberacioacuten
de faacutermacos debe ser capaz de controlar la liberacioacuten y focalizacioacuten del faacutermaco para garantizar
una alta eficiencia del faacutermaco a la vez que se disminuyen los efectos secundarios causados por
los faacutermacos anticanceriacutegenos que no uacutenicamente actuacutean sobre las ceacutelulas cancerosas sino
ademaacutes sobre las ceacutelulas sanas Un sistema nanoestructurado para la liberacioacuten de faacutermacos
puede penetrar en el cuerpo ya que su tamantildeo le permite ser administrado viacutea intravenosa o a
traveacutes de otras rutas de administracioacuten Ademaacutes los sistemas de liberacioacuten de faacutermaco deben
permanecer estables tanto fiacutesica como quiacutemicamente antes de llegar a su destino
26
22 SISTEMAS DE LIBERACIOacuteN DE FAacuteRMACO
En la Fig 21 se presentan los diferentes tipos de sistemas nanoparticulados empleados en la
liberacioacuten de faacutermacos los cuales se describen brevemente
Figura 21 Categoriacuteas esenciales de los materiales usados como DDS i) Materiales orgaacutenicos dendriacutemeros
micelas liposomas i) Materiales inorgaacutenicos nanopartiacuteculas de oro sistemas nanoestructurados a base de oacutexido de
hierro quantum dots (Modificado de Grumezescu [40] y Riggio [45])
221 Liposomas
Los liposomas tienen una larga historia como sistemas de liberacioacuten de faacutermaco debido a su faacutecil
preparacioacuten baja toxicidad y biodegradabilidad [4142] Los liposomas son estructuras
coloidales autoensambladas compuestas de bicapas lipiacutedicas que rodean un compartimiento
27
acuoso y puede encapsular una amplia variedad de faacutermacos quimioterapeacuteuticos ya sean
hidroacutefilos o hidroacutefobos [4344] Los liposomas se pueden clasificar como liposomas de primera
generacioacuten o liposomas desnudos con una superficie de fosfoliacutepido no modificado de segunda
generacioacuten o liposomas furtivos con una capa de carbohidratos o poliacutemeros hidroacutefilos
generalmente de PEG en la superficie de las vesiacuteculas y liposomas de tercera generacioacuten que
incorporan ligandos superficiales para mejorar el iacutendice terapeacuteutico del faacutermaco mediante el
aumento de la selectividad y la especificidad del complejo En la Fig 21 se representa
esquemaacuteticamente la estructura de los liposomas
222 Nanopartiacuteculas polimeacutericas
Las nanopartiacuteculas polimeacutericas (Fig 21) son portadores que van de 10 a 100 nm conformados
de poliacutemeros naturales o artificiales generalmente biodegradables donde los faacutermacos
terapeacuteuticos puede ser adsorbidos disueltos atrapados encapsulados o enlazados
covalentemente a la cadena principal del poliacutemero por medio de un enlace sencillo eacutester o amida
que se pueden hidrolizar in vivo a traveacutes de un cambio de pH
Los poliacutemeros sinteacuteticos que incluyen al aacutecido polilaacutectico (PLA) [46] aacutecido poliglicoacutelico (PGA)
[47] poli etilenglicol (PEG) [48] y sus copoliacutemeros han sido los maacutes ampliamente investigados
debido a su biocompatibilidad y biodegradabilidad Otros poliacutemeros naturales como el quitosano
y alginato han sido ampliamente probados [49]
223 Micelas
Las micelas son portadores esfeacutericos biodegradables con un intervalo de tamantildeo de 10-200 nm
Eacutestas son formadas por autoensamblaje de bloques de copoliacutemeros compuestos de dos o maacutes
cadenas de poliacutemeros con diferente hidrofobicidad Estos copoliacutemeros espontaacuteneamente se
28
ensamblan para formar una estructura de nuacutecleo-coraza en un medio acuoso para minimizar la
energiacutea libre del sistema (Fig 21) Los segmentos hidroacutefobos forman el nuacutecleo interior
hidroacutefobo para minimizar su exposicioacuten al medio ambiente mientras que las cadenas hidroacutefilas
forman la coraza hidroacutefila externa para estabilizar el nuacutecleo a traveacutes del contacto directo con el
agua [50]
224 Dendriacutemeros
Los dendriacutemeros son macromoleacuteculas altamente ramificadas esfeacutericas y sinteacuteticas con tamantildeo y
forma ajustable Contienen muacuteltiples capas con grupos terminales activos tambieacuten conocidos
como generaciones que se extienden hacia fuera desde un nuacutecleo iniciador llamado generacioacuten
cero (Fig 21) El tamantildeo de los dendriacutemeros estaacute generalmente en el rango de 1-15 nmLas
ramificaciones de estos poliacutemeros proporcionan un aacuterea superficial grande para que moleacuteculas
yo medicamentos quimioterapeacuteuticos puedan ser unidos a traveacutes de la conjugacioacuten covalente o
adsorcioacuten electrostaacutetica Alternativamente los agentes terapeacuteuticos se pueden cargar en las
cavidades de las regiones centrales a traveacutes de interaccioacuten hidrofoacutebica enlaces de hidroacutegeno o
enlace quiacutemico Los dendriacutemeros maacutes comuacutenmente estudiados pertenecen a la familia de los
dendriacutemeros PAMAM (poliamidoamina) Estos poliacutemeros han mostrado un gran potencial para la
liberacioacuten de medicamentos ya que son biodegradables y biocompatibles y tienen alta
solubilidad en agua [51]
225 Nanopartiacuteculas Magneacuteticas
La liberacioacuten controlada de faacutermacos con materiales funcionales nanoestructurados
especialmente las nanopartiacuteculas magneacuteticas estaacute atrayendo cada vez maacutes la atencioacuten debido a
las oportunidades en la terapia de caacutencer y el tratamiento de otras enfermedades El potencial de
las nanopartiacuteculas magneacuteticas deriva de las propiedades intriacutensecas de sus nuacutecleos magneacuteticos
combinados con su capacidad de carga del medicamento y las propiedades bioquiacutemicas que
pueden ser otorgados a estas por medio de un recubrimiento adecuado
29
23 CLASIFICACIOacuteN DE LOS MATERIALES MAGNEacuteTICOS
Desde el punto de vista del comportamiento magneacutetico podemos clasificar los materiales en
diamagneacuteticos paramagneacuteticos ferromagneacuteticos antiferromagneacuteticos ferrimagneacuteticos (Fig 22)
Figura 22 (a) Clasificacioacuten de los materiales seguacuten su comportamiento magneacutetico paramagneacuteticos
ferromagneacuteticos antiferromagneacuteticos y ferrimagneacuteticos (b) Los materiales superparamagneacuteticos son observados en
los nanomateriales ferro- y ferrimagneacuteticos que se componen de un soacutelo dominio magneacutetico
231 Diamagnetismo
El diamagnetismo se basa en la interaccioacuten entre el campo aplicado y los electrones moacuteviles del
material [52] El diamagnetismo se caracteriza por i) una magnetizacioacuten deacutebil del material en el
sentido opuesto al campo magneacutetico aplicado [53] ii) una susceptibilidad magneacutetica negativa y
pequentildea con permeabilidad relativa ligeramente menor que 1 iii) intensidad de respuesta muy
pequentildea
232 Paramagnetismo
En los materiales paramagneacuteticos los momentos magneacuteticos se encuentran desordenados por lo
que no mantiene un momento magneacutetico neto Estos materiales se caracterizan por i) requerir un
gran campo magneacutetico para poder adquirir una alta magnetizacioacuten ii) magnetizacioacuten deacutebil en el
30
mismo sentido que el campo magneacutetico aplicado iii) susceptibilidad magneacutetica positiva y
pequentildea con permeabilidad relativa ligeramente mayor que 1 iv) intensidad de respuesta muy
pequentildea Ejemplos de estos materiales son el Cr Mn y los gases diatoacutemicos La Fig 22(a)
muestra el ordenamiento magneacutetico de estos materiales
233 Ferromagnetismo
En los materiales ferromagneacuteticos los momentos magneacuteticos individuales de grupos de aacutetomos o
moleacuteculas se mantienen alineados entre siacute debido a un fuerte acoplamiento auacuten en ausencia de
campo exterior [54] Estos grupos se denominan dominios y actuacutean como un pequentildeo imaacuten
permanente En ausencia de campo aplicado los dominios tienen sus momentos magneacuteticos netos
distribuidos al azar Cuando se aplica un campo exterior los dominios tienden a alinearse con el
campo Este alineamiento puede permanecer en algunos casos con un muy fuerte acoplamiento
cuando se retira el campo creando un imaacuten permanente [55] Los materiales ferromagneacuteticos se
caracterizan por i) una fuertemente magnetizacioacuten en el mismo sentido que el campo magneacutetico
aplicado ii) susceptibilidad magneacutetica positiva y grande con permeabilidad relativa mucho
mayor que 1 iv) la agitacioacuten teacutermica tiende a desalinear los dominios A temperatura normal la
energiacutea teacutermica no es en general suficiente para desmagnetizar un material magnetizado sin
embargo por encima de la temperatura de Curie [56] el material se vuelve paramagneacutetico
debido a que los efectos teacutermicos de desorden son mayores que los efectos de alineamiento de la
interaccioacuten magneacutetica entre dominios La Fig 22(a) muestra el alineamiento de los materiales
ferromagneacuteticos
234 Antiferromagnetismo
Los materiales antiferromagneacuteticos tienen un estado natural en el cual los espines atoacutemicos de
aacutetomos adyacentes son opuestos de manera que el momento magneacutetico neto es nulo [57] Este
estado hace difiacutecil que el material se magnetice aunque de todas formas adopta una
31
permeabilidad relativa ligeramente mayor que 1 Por encima de una temperatura criacutetica llamada
temperatura de Neel un material antiferromagneacutetico se vuelve paramagneacutetico La Fig 22(a)
esquematiza el ordenamiento magneacutetico de los materiales antiferromagneacuteticos
235 Ferrimagnetismo
Los materiales ferrimagneacuteticos son similares a los antiferromagneacuteticos salvo que las especies de
aacutetomos alternados son diferentes (por ejemplo por la existencia de dos subredes cristalinas
entrelazadas) y tienen momentos magneacuteticos diferentes [58] Existe entonces una magnetizacioacuten
neta que puede ser en algunos casos muy intensa
236 Superparamagnetismo
El superparamagnetismo es una forma de magnetismo observado en los nanomateriales ferro- y
ferrimagneacuteticos que se componen de un soacutelo dominio magneacutetico [59] (Fig 22(b)) Debido a su
tamantildeo tan pequentildeo no hay orden de largo alcance en estos materiales Estos materiales se
caracterizan por i) alcanzar una magnetizacioacuten relativamente alta con bajos campos magneacuteticos
aplicados [59] ii) por debajo de la temperatura Curie los momentos magneacuteticos dentro de un
dominio magneacutetico se alinean paralelamente a un campo aplicado para producir la alta
magnetizacioacuten [59] iii) despueacutes de que un campo magneacutetico aplicado se ha eliminado no queda
magnetizacioacuten remanente (Mr) neta [59] La falta de Mr se debe al hecho de que la
magnetizacioacuten de cada dominio faacutecilmente salta entre dos orientaciones estables que estaacuten
separados por una pequentildea diferencia de energiacutea De hecho la diferencia de energiacutea es tan
pequentildea que la energiacutea teacutermica cancela la magnetizacioacuten total de la partiacutecula Compuestos de
hierro cobalto y niacutequel y sus aleaciones elementos de tierras raras intermetaacutelicos de gadolinio
oro y vanadio son ferromagneacuteticos que pueden ser utilizados para producir partiacuteculas
superparamagneacuteticas cuando el tamantildeo del dominio magneacutetico se encuentra a escala
nanomeacutetrica Otros materiales pueden ser utilizados incluyendo ferritas compuesto por oacutexidos
32
de hierro o con otros elementos como el aluminio cobre cobalto niacutequel manganeso magnesio
hierro y zinc Ademaacutes tambieacuten se pueden utilizar las ferritas hexagonales
24 FERRITAS HEXAGONALES
Desde el descubrimiento de las ferritas en la deacutecada de 1950 ha habido un gran intereacutes en las
ferritas hexagonales tambieacuten conocidas como hexaferritas Este intereacutes tanto cientiacutefico como
tecnoloacutegico ha ido creciendo exponencialmente hasta el diacutea de hoy Ademaacutes de su uso como
imanes permanentes las hexaferritas tienen aplicaciones como material de grabacioacuten magneacutetica
en almacenamiento de datos y como componentes en dispositivos eleacutectricos
Existen diferentes tipos de ferritas hexagonales indicadas como M W X Y Z y U todas ellas
con estrechas estructuras cristalinas altamente complejas De los diferentes tipos de ferritas
hexagonales las hexaferritas de mayor importancia comercial son las tipo M dentro de las cuales
se encuentran las hexaferritas de bario BaFe12O19 y las ferritas de estroncio con Sr reemplazando
al Ba en la misma foacutermula La importancia de estas ferritas es debido a su bajo costo y sus
propiedades como estabilidad quiacutemica alta resistividad magnetizacioacuten de saturacioacuten
conveniente y alta coercitividad magneacutetica etc
La unidad molecular de la ferrita tipo M estaacute formada por un bloque S y un bloque R con una
superposicioacuten de capas cuacutebicas y hexagonales (Fig 23(a) El plano basal que contiene el aacutetomo
de bario es un plano espejo y los dos bloques S por encima y por debajo del bloque R son por lo
tanto rotaciones de 180ordm alrededor del eje c de cada una Un bloque R espejo R es entonces
requerido para continuar la estructura y es por esta razoacuten que la ceacutelula unitaria requiere dos
unidades moleculares M dando la foacutermula de celda unitaria SRSR donde es una rotacioacuten del
bloque a 180ordm alrededor del eje c (Fig 23(a)) Los paraacutemetros reticulares de la BaFe12O19 son
2317 Aring para la longitud del eje c y 589 Aring para a la anchura del plano basal y este paraacutemetro a
es constante para todas las hexaferritas de bario La relacioacuten de altura a ancho es de 394 por lo
que BaFe12O19 tiene una gran anisotropiacutea cristalina Las vistas en perspectiva de la estructura son
33
tambieacuten mostradas en la Fig 23(b) y Fig 23(c) mientras que los poliedros de la estructura M
incluyendo el sitio bipiramidal del bloque R se muestran en la Fig 23(d) La Fig 23(e)
representa el apilamiento de los bloques R y S en la estructura M
Figura 23 (a) seccioacuten transversal de la estructura de la ferrita tipo M (BaFe12O19) Tomado de Robert C Pullar [60]
25 METODOS DE SIacuteNTESIS
251 Siacutentesis sol-gel
El meacutetodo sol-gel es un meacutetodo de siacutentesis quiacutemica huacutemeda el cual permite la fabricacioacuten de una
amplia gama de materiales con diversas configuraciones por ejemplo fibras peliacuteculas delgadas
monolitos y revestimientos Ademaacutes el meacutetodo sol-gel permite sintetizar materiales hiacutebridos
orgaacutenicos-inorgaacutenicos con una gran variedad de aplicaciones potenciales en diversos campos de
34
la investigacioacuten incluyendo la oacuteptica electroacutenica semiconductores superconductores y
biomateriales El meacutetodo sol gel ofrece una serie de ventajas i) los precursores pueden mezclarse
a nivel molecular lo cual permite la formacioacuten de soluciones soacutelidas del material a temperaturas
de procesamiento relativamente bajas cuando se compara con los meacutetodos tradicionales ii) es un
meacutetodo faacutecil sencillo y versaacutetil iii) permite un control quiacutemico y estructural es decir la
nucleacioacuten y crecimiento de las partiacuteculas coloidales primarias puede ser controlada para dar
partiacuteculas con tamantildeo y forma deseada ademaacutes de la composicioacuten quiacutemica deseada
Actualmente existe una amplia gama de rutas de siacutentesis derivadas del meacutetodo sol-gel (Fig 24)
En teacuterminos simples el meacutetodo sol-gel implica dos fases distintas La primera fase una
suspensioacuten coloidal la cual es una suspensioacuten estable de partiacuteculas soacutelidas coloidales dentro de
un liacutequido donde las partiacuteculas soacutelidas deben ser maacutes densas que el liacutequido de los alrededores y
suficientemente pequentildeas (2 nm a 1 microm lo cual corresponde a 103-10
9 aacutetomos por partiacutecula) para
que las fuerzas responsables de la dispersioacuten sean maacutes grandes que las fuerzas de gravedad La
segunda fase constituida por un gel el cual es una red soacutelida porosa tridimensionalmente
interconectada que forma una entidad continuacutea a lo largo de una fase secundaria usualmente
liacutequida
Se han dedicado esfuerzos considerables en el desarrollo de micro y nanopartiacuteculas de oacutexido de
hierro con propiedades magneacuteticas adecuadas para la investigacioacuten biomeacutedica Las
nanopartiacuteculas de oacutexido de hierro son las maacutes ampliamente investigadas en el campo meacutedico y
farmaceacuteutico debido a sus excelentes propiedades de biocompatibilidad estabilidad quiacutemica y
baja toxicidad El meacutetodo sol gel es un meacutetodo faacutecil y conveniente para sintetizar oacutexidos de
hierro a partir de soluciones acuosas de sales metaacutelicas Ademaacutes el tamantildeo la forma y la
composicioacuten de las partiacuteculas magneacuteticas dependen en gran medida del tipo de precursores
utilizados relacioacuten Fe2+
a Fe3+
temperatura de reaccioacuten valor de pH y la fuerza ioacutenica del medio
Por lo tanto el control del proceso mediante estos paraacutemetros es esencial en la produccioacuten
35
partiacuteculas monodispersas de oacutexido de hierro El meacutetodo sol-gel parte de una suspensioacuten coloidal
(sol) y la subsiguiente formacioacuten del (gel) En la preparacioacuten del sol los precursores tanto
orgaacutenicos como inorgaacutenicos experimentan reacciones de hidrolisis y condensacioacuten (o
polimerizacioacuten) para formar pequentildeas partiacuteculas soacutelidas en un liacutequido (ya sea un solvente
orgaacutenico o acuoso) Las partiacuteculas soacutelidas son tan pequentildeas (1-1000 nm) que las fuerzas
gravitacionales son despreciables y las interacciones estaacuten dominadas por fuerzas esteacutericas de
van der Waals y Coulombicas
Figura 24 Rutas de siacutentesis derivadas del meacutetodo sol-gel Tomado de httpsstrllnlgovstrMay05Satcherhtml
Varios grupos de investigacioacuten [61-63] han descrito la siacutentesis de partiacuteculas magneacuteticas
nanoestructurados de base de oacutexido de hierro a partir del meacutetodo sol-gel para aplicaciones en el
control de liberacioacuten de faacutermacos
36
Los avances en nanotecnologiacutea y ciencia de los materiales sugieren que algunos de los problemas
actuales de los materiales podriacutean ser resueltos o al menos mejorados mediante la modificacioacuten
superficial
252 Secado por aspersioacuten
El secado por aspersioacuten es un meacutetodo que permite la conversioacuten continua de fluidos (soluciones
emulsiones suspensiones mezclas pastas) en polvos soacutelidos mediante un proceso de secado
dirigido a disentildear y producir materiales con un gran potencial para diversos sectores industriales
tales como la industria quiacutemica cosmeacutetica alimentaria y farmaceacuteutica Este proceso es un
meacutetodo raacutepido simple sencillo de escalabilidad industrial y bajo costo El principio del meacutetodo
se basa en la eliminacioacuten de la humedad mediante la aplicacioacuten de calor al fluido alimentado El
secado por aspersioacuten consiste de tres etapas principales (a) atomizacioacuten del fluido (b)
vaporizacioacuten o secado del liacutequido mediante una corriente de gas y (c) separacioacuten y recoleccioacuten de
las partiacuteculas
Figura 25 Configuracioacuten del equipo de secado por aspersioacuten (a) secador por aspersioacuten concurrente misma
direccioacuten de flujo y (b) secador por aspersioacuten a contracorriente (c) Evolucioacuten de la temperatura en el proceso de
secado en una gotita liacutequida [Handscomb y cols] En la separacioacuten y recoleccioacuten del polvo se pueden emplear (d)
separadores tipo cicloacuten yo (e) filtros de bolsa
37
a Atomizacioacuten
La atomizacioacuten es el primer paso que experimenta el fluido alimentado durante el secado por
aspersioacuten la cual involucra el rompimiento del liacutequido a granel en un nuacutemero grande de gotitas
impulsado por el proceso de secado por aspersioacuten mediante la reduccioacuten de la resistencia interna
a la transferencia de humedad desde la gotita hasta el medio de los alrededores La atomizacioacuten
es una etapa criacutetica en el proceso de secado debido a su influencia en la forma estructura
velocidad y distribucioacuten de la gotita generada y por lo tanto la naturaleza y tamantildeo de partiacutecula
del producto final Consecuentemente hay una peacuterdida miacutenima de calor sensible y
eventualmente se producen las partiacuteculas con las caracteriacutesticas fiacutesicas y morfoloacutegicas deseadas
La Fig 25 presenta el diagrama de dos tipos de secadores por aspersioacuten (Fig 25(a) secador por
aspersioacuten concurrente y (Fig 25(b) secador por aspersioacuten a contracorriente
b Vaporizacioacuten
En esta etapa se constituye la formacioacuten de fase de la partiacutecula Con el liacutequido a granel
atomizado en pequentildeas gotas el siguiente paso involucra el contacto iacutentimo de la gotita con el
gas acarreador Esto permite la raacutepida evaporacioacuten de la humedad de la superficie de todas las
gotitas de una manera uniforme Aquiacute el requerimiento es un flujo de gas uniforme en la caacutemara
de secado Las gotas usualmente se encuentran en contacto con aire caliente en la caacutemara de
secado ya sea en la misma direccioacuten de flujo o a contracorriente
El paso maacutes criacutetico en la formacioacuten de la partiacutecula involucra la evaporacioacuten de la humedad ya
que este paso estaacute asociado con la formacioacuten del producto final La evaporacioacuten de la humedad
durante el proceso de secado puede ser visualizada en dos fases un periodo de velocidad
constante y un periodo de caiacuteda de velocidad Inicialmente cuando la gotita estaacute expuesta a una
corriente de gas caliente la raacutepida evaporacioacuten toma lugar Durante esta exposicioacuten la gotita se
calienta desde una temperatura inicial (T0) a la temperatura de evaporacioacuten de equilibrio (Teq)
38
(Fig 25(c)-AB) Durante este periodo la eliminacioacuten de la humedad sigue la curva del periodo
de velocidad constante a medida que la humedad es removida constantemente a partir de la
superficie de la gotita manteniendo el enfriamiento suficiente La superficie de la gotita
permanece saturada con la humedad en esta fase y su temperatura es constante e igual a la
temperatura de bulbo huacutemedo (Fig 25(c)-BC) A medida que se elimina la humedad de la gotita
el soluto disuelto en el liacutequido alcanza una concentracioacuten maacutes allaacute de su concentracioacuten de
saturacioacuten y tiende a formar una coraza delgada en la superficie de la gotita descrita como
formacioacuten de coraza El comienzo de formacioacuten de coraza es una caracteriacutestica cineacutetica
importante del proceso de secado por aspersioacuten Despueacutes de esta fase la eliminacioacuten de la
humedad regresa al proceso de difusioacuten controlada y la velocidad de evaporacioacuten es dependiente
de la velocidad de difusioacuten de vapor de agua a traveacutes de la coraza superficial Esto constituye el
periodo de caiacuteda de velocidad Durante el periodo de caiacuteda de velocidad aunque la partiacutecula
comenzaraacute a calentarse (Fig 25(c)-CD) es casi la parte maacutes friacutea del equipo de secado donde el
gas de secado estaacute en o cerca de la temperatura de salida del equipo de secado
c Separacioacuten y recoleccioacuten
Los sistemas empleados para la separacioacuten y recoleccioacuten del producto final incluyen separadores
tipo cicloacuten (Fig 25(d)) yo filtros de bolsa (Fig 25(e))
El disentildeo e ingenieriacutea de micro y nanopartiacuteculas a traveacutes del secado por aspersioacuten ha sido
investigado como una alternativa de proceso de manufacturacioacuten en la industria farmaceacuteutica
debido a su amplia aplicabilidad El secado por aspersioacuten ha sido exitosamente usado en la
industria farmaceacuteutica para producir productos con propiedades fiacutesicas y quiacutemicas definidas por
ejemplo tamantildeo y forma de partiacutecula controlada para incrementar la solubilidad del faacutermaco y la
biodisponibilidad de las sustancias activas Ademaacutes el ajuste de los paraacutemetros del proceso de
secado por aspersioacuten permite la manipulacioacuten de varias propiedades de la partiacutecula con respecto
a los requerimientos de la aplicacioacuten deseada
39
26 ESTUDIOS REALIZADOS SOBRE LA SIacuteNTESIS Y APLICACIOacuteN DE
MATERIALES NANOESTRUCTURADOS A BASE DE OXIDO DE HIERRO COMO
SISTEMAS DDS
Como se mencionoacute anteriormente los biomateriales han llegado a ser una de las aacutereas maacutes
atractivas en la investigacioacuten cientiacutefica y tecnoloacutegica para el desarrollo de dispositivos con
aplicaciones biomeacutedicas sorprendentes tal como ocurre con los sistemas de liberacioacuten de
faacutermaco Diversos biomateriales han sido investigados como DDS incluyendo dendriacutemeros
micelas liposomas poliacutemeros y partiacuteculas magneacuteticas A este respecto Szulc y colaboradores
[64] han estudiado dendrimeros de poli(propileno imina) modificados con azuacutecar como DDS para
liberacioacuten de citarabina Mientras Song y colaboradores [65] han estudiado un sistema DDS
micelar termosensible exitosamente cargado con Doxorubicina (DOX) cuya eficiencia de carga
fue de 17 Por otra parte Vahed y colaboradores [66] han estudiado un sistema DDS basado en
liposomas enfocaacutendose en estrategias de quimioterapia combinada para la co-liberacioacuten de dos
faacutermacos quimioterapeacuteuticos un agente quimioterapeacuteutico con metales anticanceriacutegenos y un
agente quimioterapeacuteutico con agentes geacutenicos Duggan y colaboradores [67] han estudiados
poliacutemeros tiolados como DDS mucoadhesivos
Actualmente los sistemas nanoestructurados de partiacuteculas magneacuteticas han ganado atencioacuten
considerable como DDS debido a su biocompatibilidad faacutecil modificacioacuten superficial y sus
propiedades fiacutesicas quiacutemicas y magneacuteticas uacutenicas Oka y colaboradores [68] estudiaron un
compoacutesito nuacutecleo-coraza para liberacioacuten localizada de faacutermaco El compoacutesito estaacute estructurado
por un nuacutecleo de poliacutemero biodegradable y una coraza de nanopartiacuteculas de oacutexido de hierro
preparado a partir de una emulsioacuten Pickering Ademaacutes estudiaron la capacidad de carga del
sistema nuacutecleo-coraza cargando partiacuteculas de pireno cuya presencia fue confirmada mediante un
anaacutelisis de fluorescencia despueacutes de ser expuestas a rayos UV Ademaacutes la caracterizacioacuten
morfoloacutegica del sistema nuacutecleo-coraza fue estudiada por SEM y TEM Las propiedades
cristalograacuteficas se estudiaron mediante XRD Finalmente se estudiaron sus propiedades
magneacuteticas usando un sistema de medicioacuten de propiedades fiacutesicas (Quantum Desing)
40
Por otra parte Chandra y colaboradores [69] estudiaron un compoacutesito dendrimero-
nanopartiacuteculas magneacuteticas como un vehiacuteculo de liberacioacuten enzimaacutetica de faacutermaco sensible a
estiacutemulos simples El sistema fue caracterizado por diferentes teacutecnicas microestructurales y
espectroscoacutepicas Ellos obtuvieron partiacuteculas mesoporosas con propiedades superparamagneacuteticas
Ademaacutes exploraron su uso en la liberacioacuten de DOX alcanzando una alta eficiencia (superior a
95) con velocidades de liberacioacuten controlada bajo pH y temperatura sostenida La interaccioacuten
quiacutemica entre la DOX y las nanopartiacuteculas fue confirmada por un cambio en el potencial zeta y
una disminucioacuten en la intensidad de fluorescencia Otros estudios sobre DDS basados en
nanopartiacuteculas magneacuteticas pueden ser encontrados en la literatura [70-74]
Los sistemas DDS pueden ser disentildeados con gran variedad de diferentes morfologiacuteas las cuales
han sido reportadas en la literatura [75] Estas morfologiacuteas incluyen partiacuteculas esfeacutericas
completamente densas partiacuteculas rugosas partiacuteculas huecas partiacuteculas tipo dona y partiacuteculas
porosas Estas uacuteltimas muestran caracteriacutesticas notables sobre todo aquellas partiacuteculas con una
jerarquiacutea macro-mesoporosa ya que exhiben alta aacuterea superficial baja densidad y buena
estabilidad fisicoquiacutemica Ademaacutes dichos materiales pueden incrementar considerablemente la
capacidad de carga de un faacutermaco debido a que proporcionan una interconectividad que mejora
la difusioacuten o flujo de fluidos a la vez que aumentan considerablemente el aacuterea superficial
especiacutefica Por lo tanto estos sistemas aumentan la capacidad para que las moleacuteculas puedan ser
adsorbidas
Muchos estudios sobre sistemas nanoestructurados (macromeso)porosos han sido reportados en
la literatura Por ejemplo Liu y colaboradores [76] estudiaron materiales magneacuteticos
macroporosos siliacuteceos ordenados tridimensionalmente los cuales fueron fabricados por la
combinacioacuten de una co-sedimentacioacuten simple de un sistema coloidal binario de esferas de
PMMA y partiacuteculas de magnetita y la infiltracioacuten de precursores de silicio A partir de la
caracterizacioacuten por SEM y TEM establecen que los materiales macroporosos presentan una
estructura de empaquetamiento cubico centrado en las caras (fcc) con macroporos del orden de
200 nm Ademaacutes la caracterizacioacuten magneacutetica mostroacute que los materiales poseen una alta
magnetizacioacuten (192 emug) y comportamiento superparamagneacutetico
41
Por otra parte Santamariacutea y colaboradores [77] sintetizaron un sistema estructurado meso-
macroporoso de siacutelice para liberacioacuten controlada de ibuprofeno (IBU) El sistema fue sintetizado
usando una emulsioacuten WO usando decano como fase dispersa Los materiales obtenidos fueron
caracterizados por TEM SEM dispersioacuten de difraccioacuten de rayos x a bajo aacutengulo (SAXS) e
isotermas de adsorcioacuten-desorcioacuten de N2 Los resultados obtenidos mostraron que la carga del IBU
incrementa a medida que la presencia de macroporos en el material incrementa Esto uacuteltimo lo
atribuyen suponiendo que los macroporos permiten que el faacutermaco acceda a los poros internos
Pero establecen que cuando uacutenicamente mesoporos estuvieron en el material el IBU fue
probablemente adsorbido uacutenicamente sobre los mesoporos uacutenicamente cercanos a la superficie
Maacutes aun sentildealan que mientras maacutes cantidad de macroporos estaacuten presentes en el material maacutes
bajo fue el comportamiento de liberacioacuten del IBU debido a que el ibuprofeno adsorbido en los
poros internos tiene que difundirse a lo largo de los canales macroporos hasta la superficie del
material
Una amplia gama de meacutetodos han sido estudiados para la siacutentesis de sistemas magneacuteticos
nanoestructurados siendo los meacutetodos quiacutemicos los mayormente usados entre estos meacutetodos la
teacutecnica sol-gel sobresale debido a ventajas tales como el uso temperaturas de procesamiento
relativamente bajas comparadas con los meacutetodos tradicionales la facilidad sencillez y
versatilidad del meacutetodo el control sobre el tamantildeo y morfologiacutea del material y la obtencioacuten de
materiales relativamente puros Por ejemplo Anjaneyulu y Vijayalakshmi [82] fabricaron un
compoacutesito [HAP (Ca)10(PO4)6(OH)2] magnetita (Fe3O4) derivado del meacutetodo sol-gel sobre una
aleacioacuten Ti-6Al-4V El compoacutesito fue caracterizado por XRD SEM-EDAX y mediciones de
aacutengulo de contacto Ademaacutes realizaron un estudio de bioactividad in vitro el cual conformo que
el Ti-6Al-4V revestido por el compoacutesito fue altamente bioactivo e indujo la formacioacuten de apatita
en la presencia de las nanopartiacuteculas de Fe3O4 Por lo tanto su estudio sugiere que los implantes
recubiertos con HAPFe3O4 pueden ser usados para aplicaciones biomeacutedicas Ademaacutes una
revisioacuten detallada sobre materiales para aplicaciones biomeacutedicas sintetizados por el meacutetodo sol-
gel es proporcionada por G J Owens y colaboradores [83] en la revista Progress in Materials
Science publicada en 2016 Los materiales sintetizados por este meacutetodo incluyen los materiales a
42
base de siacutelice materiales a base de fosfatos materiales a base de metales (FendashO TindashO ZnndashO
etc) y materiales hiacutebridos orgaacutenicos-inorgaacutenicos
El aumento en el nuacutemero de artiacuteculos publicados en una gran variedad de revistas cientiacuteficas
dirigidas al disentildeo siacutentesis e ingenieriacutea de una amplia gama de materiales con diversas
formulaciones por ejemplo los liposomas dendriacutemeros micelas partiacuteculas polimeacutericas y
materiales magneacuteticos nanoestructurados revela que el aacuterea biomeacutedica ha llegado a ser un aacuterea
de gran intereacutes debido al potencial de estos materiales para ser usados en una gran variedad de
aplicaciones tal como agentes de contraste para MRI tratamiento de caacutencer mediante
hipertermia y como DDS
Dentro de los materiales maacutes prominentes para este tipo de aplicaciones se encuentran los
materiales magneacuteticos a base de oacutexido de hierro dentro de los cuales podemos incluir a los
sistemas nanoestructurados de hexaferrita de bario (BaFe12O19) disentildeados y sintetizados en el
presente trabajo de investigacioacuten La relevancia de estos materiales se basa en su
biocompatibilidad aprobados por la Federal Drug Administration (FDA) para su uso biomeacutedico
Una ventaja de los materiales porosos en especial aquellos materiales con una jerarquiacutea macro-
mesoporosa tal es el caso de los sistemas de BaFe12O19 sintetizados aquiacute es la presencia de una
arquitectura que exhiba alta aacuterea superficial baja densidad y buena estabilidad fisicoquiacutemica lo
cual reflejariacutea un incremento considerable en la capacidad de carga de moleacuteculas con actividad
bioloacutegica usadas como faacutermaco modelo ya sea de naturaleza hidrofoacutebica o hidrofiacutelica Ademaacutes
mediante la aplicacioacuten de un campo magneacutetico externo las propiedades magneacuteticas pueden ser
aprovechadas para dirigir y focalizar el faacutermaco a un sitio especiacutefico de accioacuten logrando un perfil
de liberacioacuten controlado Por lo tanto la concentracioacuten y nuacutemero de dosificaciones del faacutermaco
se reduciriacutea lo cual se veriacutea reflejado en la disminucioacuten de efectos secundarios no deseados en el
tratamiento de enfermedades tales como el caacutencer
43
CAPIacuteTULO 3
DESARROLLO EXPERIMENTAL
44
CAPIacuteTULO 3 DESARROLLO EXPERIMENTAL
En el presente capiacutetulo se describe el procedimiento experimental llevado a cabo durante el
trabajo de investigacioacuten La Fig 32 muestra las tres etapas principales que constituyen el
procedimiento experimental para el estudio de los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 I)
Disentildeo (Fig 31) y Siacutentesis II) Caracterizacioacuten y III) Pruebas bioloacutegicas La Tabla 3I muestra
los factores a evaluar en el disentildeo experimental fraccionario 2f
31 MATERIALES INICIALES
Se usaron productos comerciales grado reactivo sin purificacioacuten alguna Los reactivos usados
para la siacutentesis de la hexaferrita de bario fueron marca Sigma-Aldrich Nitrato de hierro (III)
nonahidratado Fe(NO3)39H2O carbonato de bario BaCO3 e hidroacutexido de amonio El surfactante
utilizado fue el Tween 20 (Merck) El surfactante hidrofiacutelico no-ioacutenico Tween 20 (C58H114O26) es
un eacutester de polioxietileno sorbitan (con un peso molecular calculado de 1225 Daltones asumiendo
20 unidades de oacutexido de etileno 1 sornitol y un aacutecido laacuteurico como aacutecido graso primario
Microesferas de poliestireno (PS) monodispersas sintetizadas en el laboratorio fueron usadas
como agente poroacutegeno o agente formador de poro
La primera etapa establece el disentildeo y siacutentesis de agregados esfeacutericos nanoestructurados de
hexaferrita de bario de tamantildeo micromeacutetrico con jerarquiacutea macro-mesoporosa (de aquiacute en
adelante llamados simplemente agregados de BaFe12O19) En esta etapa un disentildeo factorial 2f fue
usado para disentildear y evaluar los efectos de la temperatura (T) presioacuten (P) y concentracioacuten de
agente poroacutegeno ( en peso) en el meacutetodo de siacutentesis sol-gel acoplado a secado por aspersioacuten La
siacutentesis sol-gel se inicioacute con el uso de nitrato de hierro (III) nonahidratado Fe(NO)3 y carbonato
45
de bario BaCO3 como sales precursoras las cuales son disueltas en agua desionizada A su vez
Tween 20 se usoacute como surfactante para permitir la creacioacuten de la estructura mesoporosa
La mezcla de sales precursoras + Tween 20 se agitoacute por 30 min mediante agitacioacuten magneacutetica
modificando el pH a 8 usando NH4OH A continuacioacuten se agregoacute una suspensioacuten acuosa de
esferas de poliestireno (PS) usada como agente poroacutegeno con una concentracioacuten de 30 o 50
de acuerdo al disentildeo factorial 2f La suspensioacuten resultante se sometioacute al proceso de secado por
aspersioacuten donde se evaluaron los paraacutemetros de temperatura (T degC) y presioacuten (P Kgcm2) de
acuerdo a los valores del disentildeo factorial 2f Como resultado se obtuvo un compoacutesito
ceraacutemicopoliacutemero el cual fue sometido a un tratamiento teacutermico a temperaturas de 700 degC hasta
1000 degC para obtener el material macro-mesoporoso con estructura y morfologiacutea deseada
La segunda etapa se enfoca en la caracterizacioacuten Esta etapa del proceso aborda las teacutecnicas de
caracterizacioacuten estructural morfoloacutegica fiacutesica quiacutemica y magneacutetica de los agregados de
BaFe12O19 Difraccioacuten de rayos X (XRD) fue usada para determinar la estructura y cristalinidad
de los agregados de BaFe12O19 Microscopiacutea electroacutenica de barrido (SEM) fue usada para
determinar la morfologiacutea y tamantildeo de los agregados de BaFe12O19 ademaacutes de caracterizarlos
quiacutemicamente mediante anaacutelisis EDS y mapeo quiacutemico Microscopiacutea electroacutenica de transmisioacuten
(TEM) fue usada para determinar la morfologiacutea y estructura de los agregados de BaFe12O19
usando las modalidades de campo claro (BF) campo oscuro (DF) alta resolucioacuten (HRTEM)
barrido-transmisioacuten (STEM) en su modalidad de campo oscuro anular (STEM-ADF) y difraccioacuten
electroacutenica de aacuterea selecta (SAEDP) Determinacioacuten de aacuterea superficial especiacutefica BET mediante
adsorcioacutendesorcioacuten de N2 Espectroscopiacutea infrarroja por transformada de Fourier (FTIR)
Potencial zeta ζ El Magnetoacutemetro de muestra vibrante (VSM) fue usada para determinacioacuten de
las propiedades magneacuteticas (saturacioacuten magneacutetica Ms remanencia magneacutetica Mr y coercitividad
Hc) La tercera etapa evaluacutea las pruebas bioloacutegicas Los agregados de BaFe12O19 se evaluaron
como DDS al probar su capacidad de carga usando el peacuteptido DS como faacutermaco modelo El
peacuteptido DS se sintetizoacute a partir de los plaacutesmidos pF1A T7 Flexireg pFN21K y pFN18K
empleando la cepa T7 de Escherichia coli A su vez isopropil-β-D-1-tiogalactopiranoacutediso
(IPTG) se usoacute para inducir la produccioacuten del peacuteptido
46
Figura 31 Disentildeo experimental fraccionario 2f Las variables de entrada son la presioacuten (P) Temperatura (T) y
porcentaje de agente poroacutegeno (PS) Las variables de respuesta son la morfologiacutea y tamantildeo de agregado aacuterea
superficial BET volumen de mesoporo y tamantildeo de macroporo
Tabla 3I Factores a evaluar en el disentildeo experimental A) Presioacuten (P) B) Temperatura (T) y C) Concentracioacuten de
poliestireno usado como agente poroacutegeno (PS) Cada uno de los paraacutemetros presenta un nivel bajo (-) y un nivel
alto (+)
Factor Paraacutemetro Nivel
Bajo (-) Alto (+)
A P (Kgcm2) 15 2
B T (degC) 180 200
C PS 30 50
Los disentildeos factoriales se usan ampliamente en experimentos que incluyen varios factores
cuando es necesario estudiar el efecto conjunto de los factores sobre una respuesta El disentildeo 2f
es de particular importancia ya que proporciona el menor nuacutemero de corridas con las que pueden
estudiarse f factores en un disentildeo factorial completo
El resultado total del disentildeo factorial 2f es representado en la Tabla 3II El nivel alto para cada
factor estaacute representado por el siacutembolo maacutes (+) mientras el siacutembolo menos (-) representa el nivel
bajo Los resultados del disentildeo factorial de dos factores pueden ampliarse en el caso general en
que hay a niveles del factor A b niveles del factor B y c niveles del factor C dispuestos en un
experimento factorial En general habraacute abchellipn observaciones totales si se hacen n reacuteplicas del
47
experimento completo Es necesario un miacutenimo de dos replicas (n ge 2) para determinar una suma
de cuadrados debida al error si todas las interacciones posibles estaacuten incluidas en el modelo
Cuando todos los factores del experimento son fijos es sencillo formular y probar hipoacutetesis
acerca de los efectos principales y las interacciones
Tabla 3II Matriz del disentildeo experimental
A B AB C AC BC ABC
(1) - - + - + + -
a + - - - - + +
b - + - - - - +
ab + + + - - - -
c - - + + - - +
ac + - - + + - -
bc - + - + + + -
abc + + + + + + +
48
Figura 32 Diagrama de flujo que muestra las etapas principales en el desarrollo experimental en la siacutentesis de
agregados nanoestructurados de BaFe12O19 i) Disentildeo y Siacutentesis ii) Caracterizacioacuten y iii) pruebas bioloacutegicas
49
32 DISENtildeO EXPERIMENTAL FRACCIONARIO 2f
El disentildeo del sistema de los agregados esfeacutericos nanoestructurados macroporosos de BaFe12O19
fue llevado a cabo usando un disentildeo factorial 2f El teacutermino 2
f mide la cantidad de condiciones
experimentales siendo f el nuacutemero de factores a evaluar En este caso particular cada factor
presenta dos niveles lo cual estaacute representado por el nuacutemero 2 en el teacutermino 2f El disentildeo
permitioacute evaluar el efecto de los paraacutemetros del secado por aspersioacuten tales como la presioacuten del
aire (P Kgcm2) y la temperatura de entrada (T degC) Asiacute tambieacuten como la concentracioacuten del
poroacutegeno () en el tamantildeo y volumen de los aglomerados esfeacutericos obtenidos en el proceso de
secado por aspersioacuten
33 SIacuteNTESIS DE AGREGADOS DE BaFe12O19
Las esferas de BaFe12O19 fueron sintetizadas por el meacutetodo sol-gel asistido por surfactantes y
agentes poroacutegenos Durante la siacutentesis dos suspensiones fueron preparadas la primera
compuesta por las sales de Fe(NO3)39H2O y BaCO3 las cuales fueron disueltas en agua
desionizada y agitadas magneacuteticamente con una relacioacuten molar estequiometria la segunda
formada por el surfactante Tween 20 en solucioacuten acuosa Ambas suspensiones fueron mezcladas
con agitacioacuten magneacutetica constante Durante el proceso de reaccioacuten el pH de la suspensioacuten fue
ajustado a 80 usando NH4OH Una tercera suspensioacuten compuesta por esferas de poliestireno
dispersas en agua desionizada fue adicionada a la mezcla con agitacioacuten magneacutetica constante por 1
h variando la concentracioacuten de acuerdo al disentildeo experimental
La mezcla coloidal resultante fue alimentada a una caacutemara de secado tubular de un equipo Mini
Spray Dryer (Yamato ADL31) a traveacutes de un flujo concurrente de aire caliente como gas
acarreador El proceso de secado fue iniciado por la generacioacuten de pequentildeas gotas a partir de la
suspensioacuten coloidal seguida por la atomizacioacuten del liacutequido a una temperatura y presioacuten variando
de acuerdo al disentildeo experimental resultando en la produccioacuten de polvos (xerogeles) compuestos
de partiacuteculas soacutelidas Finalmente el polvo fue recolectado mediante un cicloacuten y sometido a un
50
tratamiento teacutermico para la eliminacioacuten total de los agentes orgaacutenicos surfactante y el agente
poroacutegeno la eliminacioacuten total de agua estructural la formacioacuten de oacutexidos y la cristalizacioacuten de
los mismos Cuatro diferentes temperaturas de tratamiento isoteacutermico fueron evaluadas 700 800
900 y 1000 degC a una velocidad de calentamiento de 3 degCmin por 2 h con el objeto de seguir la
cristalizacioacuten y la formacioacuten de las fases de hexaferrita de bario asiacute como la evaluacioacuten de la
microestructura y de las propiedades magneacuteticas en funcioacuten de la temperatura de tratamiento
teacutermico
34 CARACTERIZACIOacuteN
341 Difraccioacuten de rayos X
Las fases y estructuras cristalinas de la BaFe12O19 fueron analizadas por difraccioacuten de rayos x en
un difractoacutemetro Bruker modelo D8 Advance usando radiacioacuten Cu Kα (45 KV 30 mA) Las
muestras analizadas fueron escaneadas en un rango 2θ a partir de 20 a 80 deg y una amplitud de
paso constante de 002deg
342 Microscopiacutea electroacutenica de barrido
La caracterizacioacuten estructural y morfoloacutegica de la BaFe12O19 fue llevada a cabo en un
microscopio electroacutenico de barrido (SEM) de emisioacuten de campo JEOL JSM-7600F asiacute como su
caracterizacioacuten quiacutemica usando la teacutecnica de espectroscopiacutea de divisioacuten de energiacutea de los rayos
caracteriacutesticos (EDS) El tamantildeo de los agregados de BaFe12O19 fue determinado a partir de
imaacutegenes de SEM mediante la medicioacuten y anaacutelisis estadiacutestico de los datos usando el programa
Lince linear intercept (Verfuumlgbare Software)
51
343 Microscopiacutea electroacutenica de transmisioacuten
El microscopio electroacutenico de transmisioacuten (TEM) de emisioacuten de campo FEG Phillips Tecnai F20
fue usado para la obtencioacuten y estudio de la cristalinidad de las esferas de BaFe12O19 usando las
teacutecnicas de difraccioacuten de aacuterea selecta (SAEDP) alta resolucioacuten (HRTEM) y microscopia
electroacutenica de barrido-transmisioacuten (STEM) en su modalidad de campo oscuro anular (STEM-
ADF) Para su observacioacuten por TEM 10 mg del polvo obtenido despueacutes del secado por
aspersioacuten y calcinado a 700 degC se dispersoacute en 10 mL de etanol (Sigma-Aldrich) en un tubo para
micro-centrifuga de 15 ml (Eppendorf) Despueacutes la solucioacuten se dispersoacute usando un equipo
limpiador de vibracioacuten ultrasoacutenica Branson 1510 (42 KHz a 70 W) por 30 min Con ayuda de un
capilar una gota de la suspensioacuten homogeacutenea se depositoacute sobre una rejilla de cobre de 300 mesh
previamente recubierta con colodioacuten y una peliacutecula delgada de carboacuten La rejilla se secoacute a
temperatura ambiente por toda la noche El anaacutelisis y procesamiento computacional de las
imaacutegenes de TEM asiacute como la obtencioacuten de su transformada raacutepida de Fourier (FFT) se
analizaron con el software Digital Micrograph de la compantildeiacutea Gatan Tomando en cuenta las
posiciones xyz reportadas para la BaFe12O19 con grupo espacial P3mmc [47] se simularon
computacionalmente las imaacutegenes de HRTEM Para esto se crecioacute la celda a una supercelda de
4x4x4 celdas con el programa Diamond Crystal and Molecular Visualization [48] y se simularon
las imaacutegenes de TEM en el programa Simulatem [49] Las condiciones para la simulacioacuten fueron
200 Kv Cs de 12 mm y foco de Scherzer -5485 nm
344 Isotermas de adsorcioacutendesorcioacuten de nitroacutegeno
Las isotermas de adsorcioacutendesorcioacuten de nitroacutegeno a 77 K fueron obtenidas en un instrumento
Quantachrome Antes de su anaacutelisis las muestras (014 ndash 038 g) fueron colocadas en un tubo
bajo atmosfera de N2 y entonces degasificadas por 4 h a 100 degC Ademaacutes la distribucioacuten de
tamantildeo de mesoporo fue medida mediante la teacutecnica Barrett-Joyner-Halenda (BJH)
52
345 Espectroscopiacutea infrarroja
Las mediciones de espectroscopiacutea infrarroja (IR) fueron llevadas a cabo a temperatura ambiente
(46 HR) en un espectrofotoacutemetro con Transformada de Fourier Marca Bruker Modelo Tensor
27 Los espectrogramas fueron obtenidos en un rango de longitud de onda de 4000 a 400 cm-1
(tiempo de escaneo 32 scans) con una resolucioacuten de 4 cm-1
Los espectros fueron obtenidos a
partir de muestras en polvo con una correccioacuten de liacutenea base y suavizado usando el software
Tensor
346 Propiedades magneacuteticas
El anaacutelisis de las propiedades magneacuteticas de los agregados de BaFe12O19 fueron llevas a cabo
usando un magnetoacutemetro de muestra vibrante (VSM LDJ 9600) a temperatura ambiente
aplicando un campo magneacutetico constante de 5000 Oe Los valores de saturacioacuten magneacutetica (Ms)
magnetizacioacuten remanente (Mr) y coercitividad (Hc) fueron obtenidos a partir de la curva de
histeacuteresis
347 Potencial zeta ζ
Las mediciones de potencial zeta de los agregados de BaFe12O19 fueron obtenidos usando un
equipo ZetaMeter (Zetasizer Modelo Malverin 300 HSA) Se prepararon diferentes suspensiones
de polvo de BaFe12O19 (0011g) en 20 mL de agua destilada Para cada suspension el valor de pH
fue modificado a valores aacutecidos y baacutesicos desde 20 hasta 100 usando como modificadores de
pH aacutecido niacutetrico HNO3 e hidroacutexido de amonio NH4OH respectivamente
35 PRUEBAS BIOLOacuteGICAS
351 Extraccioacuten de ADN plasmiacutedico
La Fig 33 muestra el diagrama de extraccioacuten de ADN plasmidico Las etapas principales en la
extraccioacuten de ADNp incluye la preparacioacuten del lisado lavado y elucioacuten (Fig 33(a)) El plaacutesmido
53
recombinante presente en la cepa T7 Express Iq Competent de Escherichia coli [MiniF
laqIq(CamR)fhuA2 lacZT7 gene1 [Ion] ompT gal sulA11 R(mcr-73miniTn10mdashTets)2[dcm]
R(zgb-210Tn10mdashTets) endA1 Δ(mcrC-mrr)114IS10] fue aislado de acuerdo a las
instrucciones del Kit PureYieldTM Plasmid Miniprep System (Fig 33(b)) 30 microL de ADN + 10
microL de buffer de carga fueron cargados en un gel de agarosa al 08 para determinar la presencia
del plaacutesmido mediante electroforesis La electroforesis se llevoacute a cabo a 90 V por 30 min El gel
fue analizado en un Fotocodificador EL LOGIC 200
Figura 33 Extraccioacuten de ADN plasmiacutedico (a) Pasos generales en la extraccioacuten de ADNp y (b) procedimiento del
Kit Pure YieldTM Plasmid Miniprep System
352 Siacutentesis del peacuteptido DS
La Fig 34 muestra el diagrama general de siacutentesis del peacuteptido DS El Diagrama incluye los
pasos desde la expresioacuten del peacuteptido hasta su deteccioacuten y revelado con luminol
54
Figura 34 Diagrama de siacutentesis del peacuteptido DS a partir del plaacutesmido pFN21K El Diagrama incluye los pasos desde
la expresioacuten del peacuteptido hasta su deteccioacuten y revelado con luminol en un anaacutelisis tipo Western
a Siacutentesis a partir del plaacutesmido pF1A T7 Flexireg
Un pre-inoacuteculo de E coli fue preparado tomando una asada de la cepa T7 modificada para
sintetizar el peacuteptido pF1A T7 Flexi la cual se inoculo en 30 mL del medio de cultivo Luria-
Bertani (LB) El cultivo fue incubado a 37 degC por 18 h en agitacioacuten a 150 rpm La induccioacuten se
llevoacute a cabo distribuyendo 200 microL de pre-inoacuteculo + 20 microL de ampicilina (100 microgmL) en 20 mL
de LB El medio de cultivo fue incubado hasta alcanzar una densidad oacuteptica (DO) de 04 ndash 06
Los valores de DO fueron medidos en un Espectro Cary 50 Probe UV-vis spectro usando una
longitud de onda λ = 600 nm Una vez alcanzada la DO diferentes concentraciones de isopropil-
β-D-1-tiogalactopiranoacutesido (IPTG) fueron agregadas para inducir la concentracioacuten del peacuteptido
La concentracioacuten de IPTG fue calculada usando la Ecuacioacuten 1 La induccioacuten se incuboacute a 37 degC
por 3 h 10 mL de la induccioacuten fue tomado y centrifugado a 13000 rpm por 1 min el
sobrenadante fue descartado y fueron agregados al sedimento 100 microL de buffer de lisis La
muestra se hirvioacute por 10 min 50 microL de muestra fueron cargados en un gel de poliacrilamida para
determinar la expresioacuten del peacuteptido de intereacutes La muestra fue tratada con dodecil sulfato de
sodio (SDS CH3(CH2)10CH2OSO3-
Na+) La electroforesis se llevoacute a cabo a 200 V por 40 min
El fundamento de la electroforesis se basa en el movimiento de las partiacuteculas cargadas en un
campo eleacutectrico hacia un electrodo con carga opuesta El anioacuten del SDS se une con fuerza a las
55
proteiacutenas por adsorcioacuten no especiacutefica cuanto mayor es la proteiacutena maacutes cantidad del anioacuten
adsorberaacute El SDS desnaturaliza por completo a las proteiacutenas rompiendo todas las interacciones
no covalentes Como resultado las proteiacutenas adquieren una carga negativa a consecuencia de la
adsorcioacuten del anioacuten SO3-
La movilidad de las macromoleacuteculas depende de su carga forma y
tamantildeo Sin embargo dado que todas las proteiacutenas de la muestra tienen casi la misma forma y
carga el tamantildeo de las proteiacutenas se convierte en el factor determinante para su separacioacuten
Ecuacioacuten 31
donde
C1 = concentracioacuten de IPTG deseada
V1 = volumen del medio LB
C2 = concentracioacuten del stock de IPTG
V2 = volumen necesario de IPTG para alcanzar la concentracioacuten deseada
b Siacutentesis a partir del plaacutesmido pFN21K
Con el objetivo de llevar a cabo la expresioacuten y produccioacuten de proteiacutenas recombinantes ceacutelulas
derivadas de ovario de haacutemster chino Cricetulus griseus (ceacutelulas CHO) fueron transferidas con
el vector pFN21K construido especialmente para expresar el peacuteptido deseado 300 000 ceacutelulas
CHOpozo fueron sembradas en placas de seis pozos para cultivo celular en 1 mL de medio de
crecimiento completo (F-12K) e incubadas a una atmoacutesfera de 5 de CO2 y a 37 ordm C 24 horas
despueacutes las ceacutelulas CHO se transfectaron haciendo uso del kit XfetTM Transfection Reagent
siguiendo las instrucciones del fabricante y empleando 5 microg de plaacutesmido El cultivo celular
transfectado fue incubado durante 24 h en una atmosfera de 5 de CO2 y a 37 ordm C despueacutes de los
56
cuales el medio fue sustituido por medio celular nuevo y se incuboacute a las mismas condiciones de
CO2 y temperatura Se verificoacute la transfeccioacuten positiva de las ceacutelulas CHO y se procedioacute a la
extraccioacuten de proteiacutena total Las ceacutelulas CHO fueron lavadas dos veces con PBS frio esteacuteril a
continuacioacuten fueron antildeadidos a cada pozo 80 microL de buffer de lisis con una concentracioacuten final de
2X El complejo lisado fue recuperado en tubos de 15 mL y la proteiacutena se centrifugoacute a 14000
rpm a 4 ordmC por 20 min El sobrenadante fue recuperado Un anaacutelisis tipo Western blot fue
utilizado para verificar la expresioacuten del peacuteptido con ayuda de anticuerpos monoclonales El
primer paso de este anaacutelisis consistioacute en la separacioacuten de macromoleacuteculas proteicas mediante
geles de poliacrilamida al 10 Posteriormente las proteiacutenas se transfieren a una matriz de
nitrocelulosa la cual fue bloqueada con una solucioacuten de caseiacutena al 1 en amortiguador salino de
Tween20 al 01 Tris 100 mM pH 75 NaCl 09 (TTBS) Posteriormente se llevoacute a cabo una
serie de lavados utilizando solucioacuten amortiguadora de fosfatos (PBS) KHPO4 106 mM NaCl
15517 mM y NaPO4 297 mM pH 74 La deteccioacuten del peacuteptido deseado se realizoacute adicionando
como anticuerpo primario anti-HaloTagreg y como anticuerpo secundario anti-gallina acoplado a
la enzima peroxidasa de raacutebano (HRP) El revelado en una placa fotograacutefica para la deteccioacuten del
peacuteptido se llevoacute a cabo mediante la adicioacuten de luminol
353 Cargaliberacioacuten del peacuteptido
a Carga BaFe12O19-pF1AT7 Flexireg
10 mg de polvo de BaFe12O19 fueron puestos en contacto con 40 mL del peacuteptido DS producido a
partir del plaacutesmido pF1A T7 Flexireg mediante agitacioacuten lenta a temperatura ambiente durante 2 h
Los polvos de BaFe12O19 fueron recuperados del peacuteptido tomando 50 microL de la suspensioacuten a los
cuales se les agrego 50 microL de agua desionizada + 50 microL de buffer de lisis La mezcla se llevoacute a
ebullicioacuten por 10 min para su posterior carga en un gel de poliacrilamida para realizar un anaacutelisis
tipo Western
57
b Carga BaFe12O19-pFN21K
10 mg de polvo de BaFe12O19 fueron puestos en contacto con 40 mL de una solucioacuten acuosa del
peacuteptido DS-HaloTag mediante agitacioacuten lenta a temperatura ambiente Una aliacutecuota de la
solucioacuten fue tomada a tiempos predeterminados para medir la DO600 La disminucioacuten de DO
indica que el peacuteptido DS-HaloTag se ha absorbido en los sistemas nanoestructurados de
BaFe12O19
354 Liberacioacuten del peacuteptido DS de los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19
Los polvos de BaFe12O19 fueron recuperados de la solucioacuten acuosa que conteniacutea el peacuteptido DS-
HaloTag A continuacioacuten fueron colocados en medio F12K e incubados a una atmoacutesfera de 5
de CO2 a 37 ordmC Para verificar la liberacioacuten del peacuteptido Halo-DS a tiempos predeterminados una
aliacutecuota del medio fue tomada y medida la DO600
58
CAPIacuteTULO 4
RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN
59
CAPIacuteTULO 4 RESULTADOS Y DISCUSION
En este capiacutetulo se presentan los resultados obtenidos en el disentildeo y siacutentesis de los sistemas
nanoestructurados de BaFe12O19 fabricados a partir de un disentildeo experimental factorial 2f y
sintetizados a traveacutes del meacutetodo sol-gel y secado por aspersioacuten A partir de los resultados
obtenidos en la caracterizacioacuten estructural morfoloacutegica fisicoquiacutemica y magneacutetica de los
sistemas de BaFe12O19 asiacute como las pruebas bioloacutegicas que incluyen el estudio de carga y
liberacioacuten del peacuteptido DS utilizado como faacutermaco modelo se discute la capacidad de estos
sistemas para ser usados como sistemas de liberacioacuten de faacutermaco
41 DISENtildeO FACTORIAL 2f
La Tabla 4I muestra el total de 8 experimentos llevados a cabo cuando se realizoacute el disentildeo
experimental 2f asiacute como los valores obtenidos para el diaacutemetro promedio de agregado de
BaFe12O19 aacuterea superficial especiacutefica BET volumen de mesoporo y diaacutemetro promedio de
macroporo de los agregados de BaFe12O19el volumen de poro y el tamantildeo de aglomerado
promedio para todos los experimentos Se observa un efecto sobre el volumen de poro y el
tamantildeo de los agregados nanoestructurados macroporosos de BaFe12O19 Los diaacutemetros promedio
de los agregados esfeacutericos obtenidos despueacutes del proceso de secado por aspersioacuten y calcinados a
700 degC variaron de 150 a 173 microm Las partiacuteculas nanoestructuradas superparamagneacuteticas de
oacutexido de hierro desde 29 nm hasta 35 microm han sido sintetizadas por varios autores La mayoriacutea
de las aplicaciones son dependientes del tamantildeo En este trabajo se ha elegido sintetizar
agregados esfeacutericos macroporosos de tamantildeo micromeacutetrico con la finalidad de aumentar la carga
uacutetil en los sistemas de liberacioacuten de faacutermacos asegurando tambieacuten con ello la estabilidad de los
agregados durante el transporte en el torrente sanguiacuteneo Ademaacutes se ha tomado en cuenta que el
tamantildeo maacutes grande de agregado obtenido aquiacute sea capaz de ser inyectado auacuten en los capilares
(los cuales miden alrededor de 5 a 10 microacutemetros de diaacutemetro)
60
Un anaacutelisis estadiacutestico de variancia (ANOVA) fue llevado a cabo para establecer que los factores
A B y C correspondientes a la presioacuten (P) temperatura (T) y PS respectivamente asiacute como
sus interacciones AB AC BC y ABC afectan la morfologiacutea y el tamantildeo del agregado Para este
tipo de modelo la estadiacutestica de prueba (F0) para cada efecto principal e interaccioacuten pueden
construirse dividiendo el cuadrado medio (MS) correspondiente del efecto o interaccioacuten por el
cuadrado medio del error Mientras que el estadiacutestico de referencia (FT) es obtenido a partir de la
literatura El nuacutemero de grados de libertad (GL) de cualquier efecto principal es el nuacutemero de
niveles del factor menos uno y el nuacutemero de GL de una interaccioacuten es el producto del nuacutemero de
GL asociados con los componentes individuales de la interaccioacuten Cuando F0 gt FT los efectos
individuales o sus interacciones muestran un efecto significativo en las variables de respuesta
De acuerdo al anaacutelisis ANOVA en la Tabla 4II el cual analiza el diaacutemetro de agregado
promedio el uacutenico factor que tienen un efecto significativo sobre el tamantildeo del agregado es la
presioacuten de aire del aspersor Mientras que un efecto miacutenimo puede estar dado por la temperatura
o por la combinacioacuten de los factores presioacuten-temperatura y temperatura-poroacutegeno
De la misma manera un anaacutelisis ANOVA en la Tabla 4II donde se muestra el anaacutelisis de aacuterea
superficial especiacutefica BET de los agregados nanoestructurados muestra que los factores que
tienen un efecto significativo sobre BET estaacuten dados por la concentracioacuten del template por siacute
sola ademaacutes de la interaccioacuten entre los factores presioacuten-template y temperatura-template
Ademaacutes un anaacutelisis ANOVA fue llevado a cabo para analizar el volumen de mesoporos de los
agregados nanoestructurados obtenidos La Tabla 4II muestra que los efectos que tienen un
efecto significativo sobre el volumen de mesoporos son la presioacuten por siacute sola y la interaccioacuten de
los factores presioacuten-template y temperatura-template
Finalmente un anaacutelisis ANOVA fue llevado a cabo para analizar el diaacutemetro de macroporo La
Tabla 4II muestra que ninguacuten factor tiene un efecto significativo sobre el tamantildeo de macroporo
Pudiera ser considerado que los factores que tienen un miacutenimo efecto sobre el tamantildeo de
61
macroporo son la temperatura por si sola y las interacciones de los factores presioacuten-temperatura
y temperatura-poroacutegeno Se concluye que el tamantildeo de macroporo es determinado
principalmente por el tamantildeo del PS En este trabajo las esferas del agente poroacutegeno de PS
usadas fueron de 200 nm de diaacutemetro promedio
Tabla 4I Variables de respuesta (oslashagregado SBET Vmesoporo oslashmacroporo) del disentildeo experimental fraccionario 2f como
resultado del efecto de los factores P T y PS
1No Exp
2Factor
3oslashagregado
4SBET
5Vmesoporo
6oslashmacroporo
P T PS
1 - - - 169 2705 00743 1946
2 - + - 173 2456 00639 2340
3 + - - 171 3420 01686 2362
4 + + - 158 2199 00238 2213
5 - - + 150 2031 00463 2206
6 - + + 164 2064 00085 2435
7 + - + 172 1481 01015 2085
8 - - + 173 1116 00143 1971
1 = Nuacutemero de experimento 2 = Los factores de presioacuten (P Kgcm2) temperatura (T degC) y porcentaje en peso del
poliestireno (PS) usado como agente poroacutegeno muestran dos niveles nivel bajo (-) y nivel alto (+)
correspondientes a 15 Kgcm2 y 20 Kgcm
2 180 degC y 200 degC y 30 y 50 respectivamente 3 oslashagregado (microm) =
diaacutemetro promedio de agregado de BaFe12O19 SBET (m2g) = aacuterea superficial especiacutefica BET Vmesoporo (cm
3g)=
volumen de mesoporo oslashmacroporo (nm) = diaacutemetro promedio de macroporo de los agregados de BaFe12O19
62
Tabla 4II Anaacutelisis de variancia ANOVA
ANOVA
EFECTO FACTOR 1SS
2GL
3MS
4F0
5FT
oslashagregado
A 049 1 00150 574
532
B 039 1 00095 363
AB -035 1 00076 293
C -005 1 00001 005
AC 015 1 00014 053
BC 031 1 00060 229
ABC 017 1 00018 069
ERROR 0041 8 00026
TOTAL 0083 15
SBET
A -2235 1 31220 2300
532
B -1653 1 17070 1128
AB -2529 1 39970 294
C -5501 1 18910 1393
AC -3887 1 94420 6958
BC -4235 1 11200 8260
ABC -0590 1 00021 0001
ERROR 21713 8 1357
TOTAL 70108 15
Vmesoporo
A -079 1 0063 866
532
B -050 1 0168 398
AB 035 1 0023 174
C 046 1 0049 298
AC -065 1 0008 581
BC -066 1 0101 602
ABC 059 1 0014 479
ERROR 0073 8 00046
TOTAL 0227 15
oslashmacroporo
A 600 1 2250 001
532
B -656 1 2689 234
AB -766 1 3667 319
C 176 1 1936 016
AC -384 1 9216 080
BC -754 1 35532 309
ABC 480 1 14400 125
ERROR 18372 8 11483
TOTAL 30860 15
1SS = suma de cuadrados
2GL = grados de libertad
3MS = cuadrado promedio
4F0 = valor estadiacutestico de prueba F
5FT = valor estadiacutestico de referencia
63
42 CARACTERIZACIOacuteN
421 Difraccioacuten de rayos X
La Fig 41 presenta los espectros de XRD de las muestras obtenidas a temperaturas de
calcinacioacuten de 700 800 900 y 1000 degC La indexacioacuten de los espectros de XRD indicoacute la
coexistencia de las fases hexaferrita H = BaFe12O19 monoferrita O = BaFe2O4 y hematita F =
Fe2O3 en todas las muestras La fase H hexaferrita tiene una celda unitaria hexagonal (tarjeta
Crystallography Open Database COD 1008841) con paraacutemetros de red a = b =0589 nm y c =
2318 nm la fase monoferrita O tiene una celda unitaria ortorroacutembica (tarjeta COD 4107896) con
paraacutemetros de red a = 1899 nm b = 0538 nm c = 0844 nm y la fase hematita F tiene una celda
unitaria hexagonal (tarjeta COD 9015964) con paraacutemetros de red a = b = 0503 nm y c = 1374
nm Como puede observarse el contenido de la fase H aumenta con la temperatura y
simultaacuteneamente disminuye la fase F
Figura 41 Espectro DRX del polvo de las esferas de BaFe12O19 obtenidas despueacutes del proceso de secado por
aspersioacuten y calcinado a diferentes temperaturas Este presenta las fases H = BaFe12O19 (tarjeta Crystallography Open
Database COD 1008841) F = Fe2O3 (tarjeta COD 9015964)
64
422 Microscopiacutea electroacutenica de barrido
La Fig 42(a) muestra una imagen de SEM representativa de los agregados esfeacutericos de
BaFe12O19 de los polvos obtenidos despueacutes del proceso de secado por aspersioacuten y antes de ser
sometido a un tratamiento teacutermico Una amplificacioacuten a 20000 X (Fig 42(b)) muestra un
agregado de BaFe12O19 en el cual pueden ser observadas las esferas de poliestireno (PS) antes de
ser eliminadas durante el tratamiento teacutermico
Figura 42 Imaacutegen SEM de (a) agregados esfeacutericos de BaFe12O19 antes de ser tratados teacutermicamente y (b) una
amplificacioacuten a 20000 X que muestra un agregado de BaFe12O19 en el cual pueden ser observadas las esferas de
poliestireno (PS) antes de ser eliminadas
La Fig 43(a) y Fig 43(c) muestra imaacutegenes de SEM representativas de los agregados de
BaFe12O19 Las imaacutegenes fueron tomadas con electrones secundarios (SE) a 5 KV Se puede
observar que los agregados porosos nanoestructurados presentan una morfologiacutea esfeacuterica Los
insertos en la Fig 43(a) y Fig 43(c) muestran una amplificacioacuten de los agregados de BaFe12O19
Noacutetese que las esferas son macroporosas y policristalinas constituidas por cristales alargados o
fibras de tamantildeo micromeacutetrico formando una estructura tipo nido La macroporosidad fue
producto de la pirolisis de las esferas de poliestireno durante el tratamiento teacutermico Sin embargo
no existe evidencia clara en los espectros de DRX (Fig 41) de crecimiento preferencial de
ninguna de las fases
65
Las Fig 43(b) y Fig 43(d) muestra los histogramas de distribucioacuten de tamantildeo de agregado
correspondiente a las Fig 43(a) y Fig 43(c) respectivamente Los agregados tienen un diaacutemetro
promedio de aprox 17 microm el cual como se mencionoacute anteriormente cumple con el requisito de
ser menor de 50 microm para poder ser introducido en una suspensioacuten inyectable Los agregados
esfeacutericos observados en las muestras son praacutecticamente del mismo tamantildeo puesto que el tamantildeo
de estos agregados es resultado del tamantildeo de la gota producida en la boquilla del equipo de
secado pero tambieacuten puede estar influenciado por la reologiacutea de la suspensioacuten alimentada La
distribucioacuten de tamantildeo de agregado fue determinada a partir de imaacutegenes SEM mediante anaacutelisis
estadiacutestico usando el software linear Lynx Los histogramas describen el comportamiento en
cuanto a tendencia central forma y dispersioacuten del conjunto de datos analizados (agregados de
BaFe12O19 N = 300)
Ademaacutes se observa una morfologiacutea esfeacuterica homogeacutenea con un tamantildeo de macroporo de aprox
200 nm de diaacutemetro con una desviacioacuten estaacutendar de 50 nm Este resultado es loacutegico si
consideramos que la suspensioacuten alimentada estaacute constituida ademaacutes del gel por las esferas de
poliestireno monomodales cuyo tamantildeo promedio es de 223 nm Por lo tanto estos materiales
caen en la clasificacioacuten de materiales macroporosos de acuerdo a la IUPAC Ademaacutes la
distribucioacuten de los mesoporos de los agregados esfeacutericos obtenidos fue determinada por la teacutecnica
BJH En promedio los mesoporos son del orden de 12 nm con una desviacioacuten estaacutendar de 2 nm
Como se mencionoacute anteriormente debido al disentildeo factorial 2f un conjunto de 8 experimentos
fue realizado Todas las muestras tienen una estructura y morfologiacutea similar por lo tanto las
imaacutegenes representativas para cada una de las concentraciones de PS 30 y 50 en peso
respectivamente son mostradas La muestra en la Fig 43(a) fue sintetizada con una temperatura
interna de 200 degC y una presioacuten de 20 Kgcm2 correspondiente a los paraacutemetros de secado por
aspersioacuten y a una concentracioacuten de esferas de poliestireno de 50 La muestra en la Fig 43(c)
fue sintetizada con una temperatura interna de 180 degC y una presioacuten de 15 Kgcm2
correspondiente a los paraacutemetros de secado por aspersioacuten y una concentracioacuten de esferas de
poliestireno de 30 La diferencia principal entre las imaacutegenes de las Fig 44(3) y Fig 44(3) es
la distribucioacuten de tamantildeo de poro
66
Figura 43 Imaacutegenes de SEM de los agregados de BaFe12O19 y sus correspondientes histogramas de distribucioacuten de
tamantildeo (a) Muestra con 50 de PS bajo condiciones de secado por aspersioacuten de 200 degC y 20 Kgcm2 y su
correspondiente distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula (b) (c) Muestra con 30 de PS bajo condiciones de secado por
aspersioacuten de 180 degC y 15 Kgcm2 y su correspondiente distribucioacuten de tamantildeo de partiacutecula (d) Las muestras fueron
calcinadas a 700 degC
Una variedad de diferentes morfologiacuteas han sido reportadas en la literatura Por ejemplo
Okuyama y cols [75] han reportado la siacutentesis de partiacuteculas esfeacutericas completamente densas
partiacuteculas esfeacutericas rugosas partiacuteculas huecas partiacuteculas tipo dona partiacuteculas porosas partiacuteculas
encapsuladas y una mezcla de partiacuteculas Chiemi y cols [51] han reportado la siacutentesis de
partiacuteculas nuacutecleo-coraza Ademaacutes otras morfologiacuteas tales como nanoalambres nanocilindros
nanotubos y nanopartiacuteculas tipo gusano han sido reportadas en la literatura En este trabajo se han
obtenido agregados nanoestructurados de BaFe12O19 con una morfologiacutea esfeacuterica Una ventaja de
las partiacuteculas esfeacutericas es su importancia praacutectica debido a sus propiedades reoloacutegicas cuando se
67
comparan con otras morfologiacuteas Por ejemplo cuando se encuentran en los vasos sanguiacuteneos el
flujo de los microagregados de forma esfeacuterica en el torrente sanguiacuteneo se ve mejorado
El anaacutelisis EDS (Fig 44(a)) y su respectivo mapeo quiacutemico (Fig 44(b)) realizado en el SEM
indicoacute que los agregados de BaFe12O19 estaacuten compuestos como era de esperarse por los
elementos quiacutemicos Ba Fe y O El pico de C es producido por la cinta doble cara de carbono
usada como adhesivo en soporte Este resultado demuestra que la composicioacuten de las esferas
obtenidas contiene los mismos elementos que fueron introducidos en la siacutentesis y no presentan
contaminacioacuten
Figura 44 (a) Espectro EDS de los agregados de BaFe12O19 el cual indica la presencia de los elementos Ba Fe y O
El C es producido por la cinta doble cara de carbono usada como adhesivo en soporte (b) Mapeos quiacutemicos de EDS
de los agregados de BaFe12O19 Imagen SEM en el modo de electrones secundarios Las imaacutegenes de Ba (verde) Fe
(rojo) y O (azul) indican su distribucioacuten homogeacutenea y que estos elementos son los uacutenicos presentes en las muestras
423 Microscopiacutea electroacutenica de transmisioacuten
La Fig 45 presenta las imaacutegenes de STEM-ADF de los agregados de BaFe12O19 calcinadas a
700 degC Estas imaacutegenes confirman que las esferas estaacuten conformadas principalmente por cristales
alargados tipo platelets Estos cristales son tan alargados que llegan a alcanzar una longitud del
tamantildeo de la esfera Por ejemplo en la Fig 45(d) se observa una esfera de aproximadamente 921
nm de diaacutemetro y la longitud del cristal maacutes largo es de 700 nm aproximadamente El tamantildeo
68
promedio de las esferas fue de 17 +- 04 microm y de los cristales alargados de 2991 +- 801 nm en
longitud y 341 +- 77 nm en espesor
Figura 45 Imaacutegenes de STEM-ADF de los agregados de BaFe12O19 Las esferas estaacuten conformadas principalmente
por cristales alargados
La Fig 46 muestra imaacutegenes de STEM-ADF (Fig 46(a)) y de TEM (Fig 46(b) de una esfera
de BaFe12O19 de aproximadamente 1 microm de diaacutemetro Estas imaacutegenes permiten comparar el
contraste presentado por los cristales que conforman las esferas por estas teacutecnicas Noacutetese que la
esfera presenta un cristal alargado de aproximadamente 850 nm de largo y cuyo contraste es
mejor observado por STEM-ADF
Figura 46 Imaacutegenes de una misma esfera de BaFe12O19 en el modo (a) STEM-ADF y (b) TEM las cuales permiten
comparar el contraste de los cristales que la conforman
69
Es importante indicar que el uso del limpiador ultrasoacutenico permitioacute obtener las muestras
analizadas por TEM en este trabajo El limpiador produce una vibracioacuten de 42 KHz a una
potencia de 70 W y genera alternativamente ondas de alta y baja presioacuten que transmiten sonidos
de alta y baja frecuencia La baja presioacuten genera burbujas microscoacutepicas que explotan
raacutepidamente liberando asiacute la energiacutea Este proceso denominado cavitacioacuten puede llevar a la
desintegracioacuten de los materiales que conforman las esferas de BaFe12O19 El calor permite
acelerar el proceso
En la Fig 47 se presentan las imaacutegenes de TEM en el modo de campo claro (Fig 47(a) y Fig
47(c) y en el modo de campo oscuro (Fig 47(b) y Fig 47(d) del material que conforman los
agregados despueacutes de haber sido desaglomerados por el tratamiento ultrasoacutenico al que fueron
sometidas Este material fue por lo tanto estructuralmente estudiado por difraccioacuten electroacutenica
de aacuterea selecta (SAEDP) El inserto en la Fig 47(b) presenta el patroacuten SAEDP de anillos
provenientes del material presentado en la Fig 47(a) mientras que el inserto en la Fig 47(d)
presenta el patroacuten SAEDP del cristal alargado mostrado en la Figura 47(c) La indexacioacuten de
estos patrones indicoacute que todo el material corresponde a la estructura hexagonal de la BaFe12O19
con paraacutemetros de red a = b = 0589 nm y c = 2318 nm (tarjeta Crystallography Open Database
COD 1008841)
Figura 47 Imaacutegenes de TEM en campo claro (a y c) y en campo oscuro (b y d) del material que conforman las
esferas despueacutes de haber sido desbaratadas por el tratamiento ultrasoacutenico El inserto en (b) presenta el patroacuten SAEDP
proveniente del material presentado en (a) El inserto en (d) presenta el patroacuten SAEDP del cristal alargado
presentado en (c)
70
La Fig 48(a) y Fig 48(b) muestran imaacutegenes HRTEM de uno de los cristales alargados
individuales que conforman los agregados poros de BaFe12O19 obtenidos Ademaacutes la
coexistencia de las fases entre los cristales de BaFe12O19 y los cristales de BaFe2O4 son
mostrados en la Fig 48(c) Por otra parte la Fig 48(d) muestra la coexistencia de las fases entre
los cristales de BaFe12O19 y los cristales de Fe2O3
Figura 48 Imaacutegenes HRTEM de los cristales que conforman los agregados porosos de BaFe12O19 (a) y (b)
corresponden a cristales individuales de la fase BaFe12O19 (c) Coexistencia entre las fases BaFe12O19 y BaFe2O4 (d)
Coexistencia entre las fases BaFe12O19 y Fe2O3
Las fibras fueron tambieacuten observadas por HRTEM para analizar la estructura y el ordenamiento
que presentan los aacutetomos que conforman sus cristales La Fig 49(a) presenta la imagen de
HRTEM de uno de los cristales alargados El inserto en esta figura presenta la correspondiente
Transformada Raacutepida de Fourier (FFT) del cristal la cual indica que el eje de zona corresponde
al eje de la zona en la direccioacuten [2-110] En la Fig 49(b) se presenta la imagen digitalmente
procesada correspondiente al aacuterea del recuadro indicado en la Fig 49(a) y la cual fue obtenida
usando el filtro indicado por el inserto A parte del arreglo presentado esta imagen indica que el
eje de crecimiento de los cristales alargados es en la direccioacuten [10-10] En el estudio por HRTEM
no solo se observan cristales alargados perfectamente formados sino que una gran mayoriacutea
presenta defectos principalmente fallas de apilamiento La Fig 49(c) presenta una imagen de
HRTEM de otro de los cristales alargados en la cual se observa una gran cantidad de defectos
71
La imagen presentada en la Fig 49(d) corresponde a la imagen digitalmente procesada del aacuterea
indicada en el recuadro presentado en la Fig 49(c)
Figura 49 (a) Imagen de HRTEM de uno de los cristales alargados que conforman las esferas de BaFe12O19 El
inserto presenta la correspondiente FFT la cual indica que el eje de zona corresponde al eje en la direccioacuten [2-110]
(b) Imagen digitalmente procesada correspondiente al aacuterea del recuadro indicado en (a) El filtro usado para el
procesamiento es indicado en el inserto (c) Imagen de HRTEM de otro de los cristales alargados con defectos (d)
Imagen digitalmente procesada del aacuterea indicada en el recuadro en (c)
Usando los valores de las posiciones xyz reportadas para BaFe12O19 con grupo espacial P3mmc
[27] se obtuvo la celda unitaria y se simularon digitalmente las imaacutegenes de HRTEM La Fig
410 presenta la celda unitaria obtenida en las direcciones [10-10] (Fig 410(a) y [21-10] (Fig
410(b)
La estructura de BaFe12O19 se puede construir usando tres unidades baacutesicas [30-32] S R y T La
unidad S a su vez presenta dos sub-unidades S0 con una carga eleacutectrica neutra y con foacutermula
quiacutemica Me22+
Fe43+
O8 (donde Me representa metales divalentes tales como Mn2+
Fe2+
Co2+
Ni2+
Zn2+
Mg2+
) y S2+
con carga eleacutectrica 2+ y con foacutermula quiacutemica (Fe63+
O8)2+
La unidad R
presenta carga eleacutectrica 2- y con foacutermula quiacutemica (Ba2+
Fe 63+
O11)2-
La unidad T presenta carga
eleacutectrica neutra y con foacutermula quiacutemica Ba22+
Fe83+
O 14 Estas unidades se unen para dar lugar a la
estructura de diferentes oacutexidos ferromagneacuteticos Por ejemplo al unir la unidad S2+
con la unidad
R se obtiene la secuencia de apilamiento RS la cual presenta carga eleacutectrica neutra y con
foacutermula quiacutemica BaFe12O19 Asiacute la celda unitaria de la BaFe12O19 se obtiene con la secuencia
SRSR donde dignifica una rotacioacuten de 180ordm alrededor del eje c La Fig 410 presenta las
72
unidades S S R y R de la celda unitaria de la BaFe12O19 observadas en las direcciones [21-10]
y [10-10] respectivamente
Vale la pena comentar que si se designa como la unidad M a BaFe12O19 y definimos a ST con
foacutermula quiacutemica Ba22+
Me22+
Fe123+
O22 como la unidad Y las hexaferritas pueden representarse
como apilamientos de las unidades S M y Y [64] Por lo tanto la combinacioacuten de las unidades S
R y T da origen al apilamiento que generan las diferentes estructuras observadas en las ferritas
[6566] y es natural deducir la existencia de las estructuras tipo politipo con la misma
composicioacuten quiacutemica en estos compuestos En nuestro caso los patrones de difraccioacuten SAEDP
obtenidos en este trabajo no indican la presencia de estructuras tipo politipo ya que no se
presentaron reflexiones provenientes de suacuteper-redes
Figura 410 Celda unitaria de BaFe12O19 obtenidas usando los valores indicados en [27] y observada en la direccioacuten
[10-10] (a) y en la direccioacuten [21-10] (b) Tambieacuten se presentan las unidades S y R El plano que contiene a Ba es un
plano espejo Ba en verde Fe en amarillo y O en rojo
La Fig 411 muestra la simulacioacuten digital de las imaacutegenes de HRTEM y sus correspondientes
patrones de difraccioacuten de aacuterea selecta en la direccioacuten [0001] (Fig 411(a) en la direccioacuten [10-10]
(Fig 411(b) y en la direccioacuten [2-1-10] (Fig 411(c) En estas Figuras se presentan las posiciones
de los aacutetomos de Ba (en verde) Fe (en amarillo) y O (en rojo) dentro de la celda unitaria
hexagonal de BaFe12O19 en proyeccioacuten a lo largo de las direcciones [0001] [10-10] y [2-1-10]
respectivamente Las condiciones de simulacioacuten fueron V = 200 KV con desenfoque de Scherzer
en -5485 nm y 4x4x4 celdas Noacutetese que las liacuteneas oscuras corresponden a posiciones de los
73
aacutetomos de Ba con los aacutetomos de Fe Los resultados indicaron que los agregados de BaFe12O19
producidos consisten de varios pequentildeos cristales alargados platelets cuyos arreglos atoacutemicos
presentan en algunos casos un perfecto arreglo (regiones libres de defectos) pero tambieacuten se
observaron desajustes en el apilamiento (mismatches) en otros casos
Figura 411 Simulacioacuten computacional de imaacutegenes de HRTEM en las direcciones [0001] (a) [10-10] (b) y [2-1-
10] (c) Se presenta la proyeccioacuten de la celda BaFe12O19 en las direcciones indicadas la simulacioacuten de su imagen en
el desenfoque de Scherzer y su correspondiente patroacuten de difraccioacuten del aacuterea selecta simulado Las condiciones de
simulacioacuten fueron V = 200 KV desenfoque de Scherzer en -5485 nm y 4x4x4 celdas Ba en verde Fe en amarillo
y O en rojo
La Fig 412 muestra la imagen de HRTEM experimental en la direccioacuten [2-110] de uno de los
cristales alargados que conforman los agregados de BaFe12O19 junto con la imagen
computacional simulada en la misma direccioacuten En este caso la imagen de HRTEM no presenta
defectos (al menos no observables) y las franjas presentan una periodicidad de 1159 nm que
corresponden a la mitad de la periodicidad a lo largo del eje c Tambieacuten se incluye las posiciones
de la superposicioacuten de los aacutetomos de Ba con los aacutetomos de Fe
74
Figura 412 Imagen de HRTEM en la direccioacuten [1-100] de uno de los cristales alargados que conforman los
agregados de BaFe12O19 y la imagen computacionalmente simulada en la misma direccioacuten En este caso la imagen de
HRTEM no presenta defectos Tambieacuten se incluyen las posiciones de los aacutetomos en la celda unitaria Ba en verde Fe
en amarillo y O en rojo
424 Isotermas de adsorcioacutendesorcioacuten de nitroacutegeno
La Fig 413 muestra las isotermas tiacutepicas de adsorcioacutendesorcioacuten para las muestras de BaFe12O19
calcinadas a 700 degC con concentraciones de PS de 30 y 50 respectivamente La muestra en la
Fig 413(a) fue sintetizada con una temperatura interna de 200 degC y una presioacuten de 20 Kgcm2
correspondiente a los paraacutemetros de secado por aspersioacuten y una concentracioacuten de esferas de
poliestireno de 50 La muestra en la Fig 413(b) fue sintetizada con una temperatura interna de
180 degC y una presioacuten de 15 Kgcm2 correspondiente a los paraacutemetros de secado por aspersioacuten y
una concentracioacuten de esferas de poliestireno de 30 De acuerdo a la clasificacioacuten BET las
isotermas corresponden a una isoterma tiacutepica tipo II Este tipo de isoterma se caracteriza por
raacutepido aumento inicial del volumen de gas adsorbido con el incremento en la presioacuten relativa
cambiando a un incremento lento El punto de inflexioacuten corresponde tanto a la finalizacioacuten del
recubrimiento de la mono capa y el llenado de los poros por condensacioacuten capilar El resto de la
curva corresponde a la formacioacuten de la multicapa Este tipo de isoterma es usualmente
encontrado en partiacuteculas mesoporosas El aacuterea superficial es calculada a partir de las isotermas
usando el meacutetodo BET a una presioacuten relativa por debajo de 03 A partir de la ecuacioacuten BET el
aacuterea superficial especiacutefica SBET de las partiacuteculas porosas de BaFe12O19 fue determinada SBET de
75
los agregados de BaFe12O19 varioacute de 1116 hasta 2705 m2g (Tabla IV) Dos tipos de poro son
observados en los agregados de BaFe12O19 mesoporos y macroporos Los mesoporos se
presentan en los espacios entre las partiacuteculas primarias y son el resultado de la pirolisis de las
micelas formadas por el surfactante Los macroporos son obtenidos como resultado de la pirolisis
del poliestireno Los insertos en la Fig 413(a) y Fig 413(b) muestran la distribucioacuten de tamantildeo
de los mesoporos obtenidos por el meacutetodo BET de adsorcioacuten de N2 El diaacutemetro promedio de
mesoporo varioacute entre 34 nm y 12 nm aproximadamente
Figura 413 Isotermas de adsorcioacutendesorcioacuten BET para (a) muestra con 50 de esferas de PS bajo condiciones de
secado por aspersioacuten de 200 degC y 20 Kgcm2 y (b) muestra con 30 de esferas de PS bajo condiciones de secado
por aspersioacuten de 180 degC y 15 Kgcm2 Las muestras fueron calcinas a 700 degC
425 Espectroscopiacutea infrarroja
El espectro FTIR de los agregados de BaFe12O19 calcinados a 700 degC mostrado en la Fig 414
evidencia de las bandas de vibracioacuten tiacutepicas para la BaFe12O19 estequiomeacutetrica a 132740 cm-1
y
140412 cm-1
las cuales son asignadas a los modos de vibracioacuten Fe-O de los sitios tetraeacutedricos y
octaeacutedricos en BaFe12O19 Las posiciones de estas bandas dependen de la estequiometriacutea de la
BaFe12O19 Las posiciones de las bandas a 35508 cm-1
54503 cm-1
61631 cm-1
69926 cm-1
y
87333 cm-1
corresponden a los enlacesgrupos funcionales del peacuteptido DS La interaccioacuten entre
BaFe12O19 y el poliacutemero induce un cambio en los picos caracteriacutesticos de BaFe12O19 a nuacutemero de
76
onda mayores como una funcioacuten de la relacioacuten surfactantepoliacutemero La presencia de nuevas
bandas en el espectro correspondiente a la BaFe12O19 en 30984 cm-1
y 87333 cm-1
indica la
adsorcioacuten del peacuteptido La regioacuten de 600 a 1000 cm-1
contiene los grupos funcionales
correspondientes a los enlaces C-C C-O y C-N Asiacute mismo la regioacuten entre 750 y 900 cm-1
incluyen grupos aromaacuteticos por lo tanto los grupos funcionales correspondientes a la
fenilalanina o al triptoacutefano pueden corresponder a los observados en el espectro IR [84]
Figura 414 Espectro Infrarrojo (IR) que muestra los enlacesgrupos funcionales a nuacutemeros de onda (cm-1
)
especiacuteficos correspondientes al peacuteptido DS-HaloTag libre y los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 libres y
cargados con el peacuteptido
426 Propiedades magneacuteticas
Una manera de medir las propiedades magneacuteticas es a traveacutes de las curvas de histeacuteresis las cuales
permiten la evaluacioacuten de las propiedades macroscoacutepicas tales como la saturacioacuten magneacutetica Ms
remanencia magneacutetica Mr y coercitividad Hc Estas propiedades definen el caraacutecter magneacutetico
de los materiales sintetizados La Fig 415 muestra las curvas de histeacuteresis a diferentes
77
temperaturas de calcinacioacuten La Tabla 4III muestra las propiedades magneacuteticas de todas las
muestras En general Ms Mr y Hc muestran un incremento como una funcioacuten de la temperatura
de calcinacioacuten y Hc incrementa con la temperatura en todos los casos El valor maacutes bajo de Mr
se obtuvo para la muestra calcinada a 700 degC Ademaacutes hay un cambio claro en el
comportamiento magneacutetico asociado con las temperaturas del tratamiento teacutermico El cambio
tiene que estar relacionado con el porcentaje del contenido de las diferentes fases presentadas en
las muestras y tambieacuten tiene que estar relacionado al tamantildeo de los cristales que constituyen los
agregados de BaFe12O19 A partir de las curvas de histeacuteresis mostradas en la Fig 420 y basado en
los valores de coercitividad mostrados en la Tabla 4III se observa que uacutenicamente el material
obtenido a 700 degC se comporta como un material magneacutetico semi-duro mientras que para todas
las demaacutes temperaturas desde 800 a 1000 degC el material muestra un comportamiento magneacutetico
duro
Figura 415 Curvas de histeacuteresis de los agregados de BaFe12O19 calcinados a diferentes temperaturas Los valores de
las muestras fueron tomadas a temperatura ambiente y 5000 Oe
78
Tabla 4III Propiedades magneacuteticas de los agregados porosos de hexaferrita de bario
Propiedades magneacuteticas
Muestra Temperatura de
calcinacioacuten (ordmC) Ms (emug) Mr (emug) Hc (Oe)
1 700 1424 379 194650
2 800 1249 592 463160
3 900 2826 152 479146
4 1000 4511 241 427750
El anaacutelisis de la composicioacuten estructural de los agregados indican que las fases monoferrita (O) y
hematita (F) estaacuten presentes Sin embargo la fase hexagonal H es la fase mayoritaria a la
temperatura de calcinacioacuten de 1000 degC Como se muestra en la Tabla 4III un cambio
significativo ocurre como una funcioacuten de la temperatura de calcinacioacuten en las propiedades
magneacuteticas de las muestras Es evidente que el cambio estaacute relacionado con la presencia de las
diferentes fases La mejor combinacioacuten de las propiedades magneacuteticas fue Ms = 4511 emug
(1000 degC) y Hc = 479148 Oe (900 degC)
Estos valores de magnetizacioacuten son cercanos a los obtenidos por Xu y cols [23] quienes
sintetizaron esferas mesoporosas huecas de BaFe12O19 usando el meacutetodo de pirolisis por
aspersioacuten obteniendo un valor de Ms = 504 emug para muestras calcinadas a 1000 degC
Gonzaacutelez-Carrentildeo y cols [25] obtuvieron un valor Ms = 500 emug para esferas huecas de
BaFe12O19 calcinadas a la misma temperatura obtenidas a partir de pirolisis por aerosol La
diferencia en los valores de magnetizacioacuten obtenidos por eacutestos autores y los valores obtenidos en
eacuteste trabajo puede ser debida principalmente a la estructura de la BaFe12O19 dado que en todos
los casos la morfologiacutea de la BaFe12O19 fue esfeacuterica sin embargo la BaFe12019 obtenida en este
trabajo presento una estructura porosa mientras que la estructura de obtenida por Xu y
Gonzaacutelez-Carrentildeo obtuvieron una estructura hueca
Por otra parte no uacutenicamente la estructura y morfologiacutea de las BaFe12O19 afecta las propiedades
magneacuteticas sino tambieacuten el meacutetodo de preparacioacuten Por ejemplo An y cols [42] sintetizaron
79
BaFe12O19 con una morfologiacutea esfeacuterica a traveacutes de un meacutetodo ultrasoacutenico asistido por sales En
este caso los valores de magnetizacioacuten obtenidos por los autores fue Ms = 619 emug (T = 950
degC) lo cual dista del valor obtenido en el presente trabajo de investigacioacuten
43 PROPIEDADES BIOLOacuteGICAS
431 Extraccioacuten de ADN plasmiacutedico
La extraccioacuten de ADN plasmiacutedico se llevoacute a cabo para verificar la presencia del gen de intereacutes en
los plaacutesmidos replicados en la cepa T7 de la bacteria E coli a partir de la cual se sintetizoacute el
peacuteptido DS La Fig 416 obtenida con el Fotocodificador EL LOGIC 200 muestra la extraccioacuten
de ADN de naturaleza plasmiacutedica de la cepa T7 de E coli Se obtuvo una extraccioacuten exitosa del
plaacutesmido pF1A T7 con un rendimiento de 350 ngmL
Figura 416 Extraccioacuten de ADN plasmiacutedico La columna 1 es referida al marcador Kb Plus DNA Ladder de peso
molecular conocido (pares de bases pb) El marcador se compone de 20 bandas de ADN de alta pureza de doble
cadena que abarca 100 pb hasta 12000 pb La columna 2 representa el ADNp de la cepa NEB (New England Biolab)
T7 DS Ademaacutes puede ser observado en la columna 2 la presencia de tres bandas a) es referida al ADNp relajado
b) describe el ADNp enrollado y c) explica el ADNp suacuteper-enrrollado
80
432 Siacutentesis induccioacuten y expresioacuten del peacuteptido DS
a Siacutentesis a partir del plaacutesmido pF1A T7 Flexireg
La Fig 417 muestra un anaacutelisis electroforeacutetico en un gel de SDS-poliacrilamida (SDS-PAGE)
que revela la expresioacuten del peacuteptido DS En la Fig 417 la columna 1 es referida al marcador
Spectra Multicolor Broad Range Protein Ladder Las columnas 2-5 muestras los efectos de las
concentraciones del inductor IPTG 05 1 2 y 3 mM Cada una de las bandas observadas en el
gel SDS-PAGE representa una proteiacutena distinta En las columnas 2-5 se observa una banda a la
altura de aproximadamente 26 KDa lo cual indica la expresioacuten del peacuteptido DS y que estaacute de
acuerdo con los valores de la literatura Sin embargo la intensidad de la banda en la columna 4 es
maacutes intensa lo cual indica que una concentracioacuten 2 mM de IPTG tiene una mayor eficiencia en la
induccioacuten del peacuteptido DS Por otra parte un aumento en la concentracioacuten de IPTG a 3 mM inhibe
la expresioacuten del peacuteptido DS como se puede observar en la columna 5
Figura 417 Separacioacuten de proteiacutenas por electroforesis en gel SDS-PAGE
81
b Siacutentesis a partir del plaacutesmido pFN21K
La Fig 418(a) y Fig 418(b) muestra imaacutegenes de microscopiacutea oacuteptica a diferentes
magnificaciones Las ceacutelulas CHO normalmente ancladas a la superficie tienen forma
fibroblastoide y pueden adaptarse a crecer en suspensioacuten adquiriendo entonces una forma
esfeacuterica Las ceacutelulas transfectadas son faacuteciles de detectar ya que eacutestas adquieren una coloracioacuten
azul debida a la integracioacuten de un plaacutesmido que contiene un gen reportero el cual estaacute vinculado a
una secuencia regulatoria en el cultivo celular Estos genes otorgan caracteriacutesticas que facilitan su
expresioacuten identificacioacuten y medicioacuten La expresioacuten del gen reportero puede ser observada en la
Fig 418 Las ceacutelulas CHO son tentildeidas al momento de antildeadir una moleacutecula orgaacutenica X-gal que
degrada la beta-galactosidasa presente en las ceacutelulas CHO
Figura 418 Imaacutegenes del microscopio oacuteptico en las cuales se puede observar la expresioacuten de un gen reportero
indicando las ceacutelulas CHO han sido transfectadas
La Fig 419 muestra un anaacutelisis tipo Western blot En la placa fotograacutefica se observa la proteiacutena
de intereacutes DS-HaloTag a una altura de ~61 KDa sintetizada a partir del plaacutesmido pfN21K El
volumen final en los carriles 1-3 fue de 198 microl con una concentracioacuten de proteiacutena (microgmicroL) de 29
28 y 27 respectivamente De acuerdo a la literatura el peso molecular del peacuteptido DS es ~26
KDa y el peso molecular de HaloTag es ~34 KDa Por lo que el peso de 61 KDa observado en la
placa fotograacutefica corresponde al peso molecular de la proteiacutena de fusioacuten DS-HaloTag
82
Figura 419 Anaacutelisis tipo Western blot La proteiacutena de intereacutes DS-HaloTag aparece a una altura de 61 ~KDa
433 Caracterizacioacuten del peacuteptido DS
La correspondiente caracterizacioacuten del peacuteptido DS es mostrada en la Tabla 4IV la cual incluye
caracteriacutesticas tales como la longitud y peso del peacuteptido punto isoeleacutectrico residuos hidrofoacutebicos
e hidrofiacutelicos residuos cargados y distribucioacuten de los aminoaacutecidos presentes (Tabla 4V y Fig
420)
Tabla 4IV Informacioacuten de secuencia
Informacioacuten de secuencia
Secuencia Proteiacutena
Longitud 252
Organismo Dominio de unioacuten a Su(H) sin intron
Nombre DS sin introacuten marco de traduccioacuten +1
Peso 26371 KDa
Punto isoeleacutectrico 1075
Iacutendice alifaacutetico 60556
Residuos de aminoaacutecidos
Hidrofobicidad Cantidad Tipo de carga Cantidad
Hidrofoacutebico (A F G I L M P V W)1 121 Negativa (D E)
1 17
Hidrofiacutelico (C N Q S T Y)1 78 Positiva (R K)
1 32
1 = Abreviacioacuten de los aminoaacutecidos con una sola letra
83
Tabla 4V Tabla de distribucioacuten de aminoaacutecidos
Aminoaacutecido Cantidad Aminoaacutecido Cantidad
Alanina (A) 31 Metionina (M) 2
Cisteiacutena (C) 0 Asparagina (N) 9
Aacutecido aspaacutertico (D) 11 Prolina (P) 16
Aacutecido glutaacutemico (E) 6 Glutamina (Q) 7
Fenilalanina (F) 10 Arginina (R) 17
Glicina (G) 24 Serina (S) 35
Histidina (H) 4 Treonina (T) 24
Isoleucina (I) 9 Valina (V) 11
Lisina (K) 15 Triptofano (W) 4
Leucina (L) 14 Tirosina (Y) 3
Figura 420 Histograma de distribucioacuten de aminoaacutecidos
A nuestro mejor conocimiento el peacuteptido DS (Dominio de unioacuten a supresor de Hairless [Su(H)]
no ha sido probado como faacutermaco modelo en sistemas DDS Sin embargo cientos de peacuteptidos
derivados a partir de proteiacutenas presentes principalmente en el citosol mitocondria yo nuacutecleo han
sido identificados y probados [11] Li [13] produjo el peacuteptido LL-37 antimicrobiano en E coli el
84
cual exhibe diversas propiedades inmunomoduladoras tales como la habilidad de mediar la
quimiotaxis acelerar la angiogeacutenesis y promover la cicatrizacioacuten
En las uacuteltimas deacutecadas el desarrollo de terapias a partir de peacuteptidos ha llevado a un nuacutemero sin
precedentes de aprobaciones en el mercado Kaspar y cols [37] describen las direcciones futuras
en el desarrollo de terapias basadas en peacuteptidos Algunos peacuteptidos aprobados en 2012 por la FDA
son linaclotide utilizado para el tratamiento de desoacuterdenes gastrointestinales lucinactant usado
para prevenir el siacutendrome respiratorio peginesatide usado para el tratamiento de anemia entre
otros
44 PRUEBAS DE CARGALIBERACIOacuteN
En la Fig 421 se observa como disminuyen los valores de densidad oacuteptica (DO600) en la
interaccioacuten BaFe12O19-DS-HaloTag a medida que el tiempo transcurre La disminucioacuten de DO600
indica que el peacuteptido DS-HaloTag es absorbido sobre la superficie de los sistemas
nanoestructurados de BaFe12O19 Como puede ser observado en la Figura 45 los valores de
DO600 se mantienen constante en ~ 0243 en un tiempo de 140 min lo cual indica que en este
punto los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 han alcanzado su saturacioacuten y por lo tanto no
pueden absorber maacutes cantidad de peacuteptido DS-HaloTag A partir de la graacutefica se determinoacute la
concentracioacuten de peacuteptido DS-HaloTag absorbido por los sistemas nanoestructurados de
BaFe12O19 Sabiendo que la concentracioacuten inicial (C1) del peacuteptido DS-HaloTag fue de 24 microgmicroL
y calculando la concentracioacuten remanente (C2) del peacuteptido DS-HaloTag en la salucioacuten acuosa lo
cual corresponde al momento de saturacioacuten de los sistemas nanoparticulados de BaFe12O19 (140
min) a una longitud de onda λ = 595 nm a partir de la ecuacioacuten de regresioacuten polinomial de orden
2 y = 2Endash05x2 ndash 00069x + 07866 y con un coeficiente de correlacioacuten R2 = 096021 se obtiene
una concentracioacuten C2 = 0268 microgmicroL por lo tanto la concentracioacuten absorbida de peacuteptido DS-
HaloTag por los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 corresponde a C1 - C2 = 213 microgmicroL
Asiacute el porcentaje de peacuteptido DS-HaloTag puede ser calculado a partir de la siguiente expresioacuten
85
Ecuacioacuten 41
donde
Cab = absorcioacuten de DS-HaloTag sobre los sistemas de BaFe12O19
C1 = concentracioacuten inicial de DS-HaloTag
C2 = concentracioacuten remanente de DS-HaloTag en solucioacuten acuosa
Por lo tanto
Cab = 875
Figura 421 Interaccioacuten BaFe12O19-DS-HaloTag La disminucioacuten en los valores de DO a medida que el tiempo
transcurre indica la absorcioacuten del peacuteptido por los agregados de BaFe12O19
86
Una vez saturados los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 se tomaron 10 microL de la solucioacuten
acuosa que contiene el peacuteptido DS a los cuales se les agrego 50 microL de buffer de lisis La mezcla
se llevoacute a ebullicioacuten por 10 min para ser cargada en un gel de poliacrilamida La Fig 422
muestra una electroforesis de un gel SDS-PAGE llevada a cabo a 200 V por 40 min La Fig
428(a) muestra la interaccioacuten entre los agregados de BaFe12O19 y el plaacutesmido pFN1A T7 Flexireg
y advierte como la concentracioacuten de la proteiacutena (columna izquierda) decrece (la intensidad de las
bandas se ve disminuida) lo cual indica que el peacuteptido DS es absorbido por los agregados de
BaFe12O19
Figura 422 Anaacutelisis visual SDS-PAGE de la interaccioacuten BaFe12O19-DS-HaloTag que muestra coacutemo disminuye la
cantidad de proteiacutena libre en el medio
Adicionalmente el anaacutelisis FTIR mostrado en la Fig 414 confirma que el peacuteptido DS-HaloTag
fue absorbido por los sistemas nanoparticulados de BaFe12O19 El espectro IR mostrado en la Fig
419 exhibe los enlacesgrupos funcionales del peacuteptido DS a 35508 cm-1
54503 cm-1
61603
cm-1
69926 cm-1
y 87333 cm-1
Puede ser observado que el enlacegrupo funcional a 87333 cm-
1 aparece en los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 cargados con el peacuteptido lo que
confirma su absorcioacuten por el sistema asiacute mismo el enlacegrupo funcional que aparece a 30984
87
cm-1
en los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 pudiera corresponder al observado en el
peacuteptido DS-HaloTag por la proximidad que eacuteste presenta Por otra parte los enlacesgrupos
funcionales a 54503 cm-1
61631 cm-1
y 69926 cm-1
que no aparecen en los sistemas
nanoestructurados de BaFe12O19 cargados con el peacuteptido pudieran corresponder a la parte de la
proteiacutena de bajo peso molecular lo cual puede estar de acuerdo con los resultados mostrados en
la Figura puesto que el gel de poliacrilamida (10) revela que en la interaccioacuten BaFe12O19-DS-
HaloTag los peacuteptidos que en su mayoriacutea son absorbidos son aquellos que corresponden a un peso
molecular grande
La absorcioacuten del peacuteptido DS-HaloTag sobre los sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 puede
ser explicada a partir del hecho de que el potencial zeta (Fig 423) del sistema nanoestructura de
BaFe12O19 ζ BaFe12O19 tiene un valor negativo a un pH de 74 (pH al cual se llevoacute a cabo la
interaccioacuten) mientras que la carga superficial del peacuteptido DS ζ DS al mismo pH tiene un valor
positivo
Figura 423 Carga superficial (mV) en funcioacuten del pH para el peacuteptido DS-HaloTag y los sistemas nanoestructurados
de BaFe12O19
Ademaacutes el peacuteptido DS presenta residuos de aminoaacutecidos (aa) hidrofoacutebicos (Alanina (A)
Fenilalanina (F) Glicina (G) Isoleucina (I) Leucina (L) Metionina (M) Prolina (P) Valina (V)
Triptoacutefano (W)) e hidrofiacutelicos (Cisteiacutena (C) Asparagina (N) Glutamina (Q) Serina (S) Treonina
88
(T) Tirosina (Y)) y tomando en cuenta que BaFe12O19 en solucioacuten acuosa puede formar
hidroxilos (grupos OH) que pueden reaccionar con los radicales (R) de los aminoaacutecidos se
propone un modelo (Fig 424) de las posibles interacciones entre los sistemas nanoestructurados
de BaFe12O19 y el peacuteptido DS-HaloTag
Figura 424 Modelo propuesto para las posibles interacciones BaFe12O19-DS-HaloTag
La Fig 425 muestra el perfil de liberacioacuten del peacuteptido DS-HaloTag de los sistemas
nanoestructurados de BaFe12O19 cuando eacutestos fueron colocados en medio de cultivo F12K bajo
una atmoacutesfera de 5 de CO2 a 37 ordmC Es bien sabido que entre mayor sea la diferencia de
potencial zeta ζ coexistiraacute una mayor atraccioacuten entre partiacuteculas de carga superficial opuesta Por
lo tanto como puede ser observado en la graacutefica de carga superficial los valores de pH a los
cuales se promoveriacutea una mayor absorcioacuten de peacuteptido DS-HaloTag sobre los sistemas
nanoestructurados de BaFe12O19 estariacutean en pH 58-6 Sin embargo se decidioacute trabajar a un valor
de pH 74 debido a que la solucioacuten acuosa en la cual se encuentra el peacuteptido DS-HaloTag
originalmente tiene este valor Otras razones por las cuales se optoacute trabajar con este valor es que
al pH 74 sigue existiendo una carga superficial opuesta entre el peacuteptido DS-HaloTag y los
sistemas nanoestructurados de BaFe12O19 mientras que una disminucioacuten en el valor de pH
pudiera provocar una desnaturalizacioacuten de la proteiacutena Una vez incubado en medio F12K bajo
89
condiciones de 5 CO2 y temperatura de 37 ordmC el CO2 tiene la funcioacuten de contrarrestar la
alcalinizacioacuten del medio debido a la actividad metaboacutelica propia de las ceacutelulas en cultivo y una
variacioacuten de pH hacia lo aacutecido o lo baacutesico hace que el peacuteptido sea liberado por parte de los
sistemas nanoparticulados de BaFe12O19 El medio F12K es un medio celular que fue
desarrollado principalmente para ceacutelulas de hepatocito humano asiacute tambieacuten para ceacutelulas de
hiacutegado de rata y pollo en un ambiente de suero reducido Para el presente estudio se trabajoacute con
medio F12K incompleto libre de ceacutelulas con la finalidad de verificar que el peacuteptido DS-HaloTag
fuera liberado precisamente al hecho de que el CO2 acidifica el medio causando variaciones en el
potencial zeta ζ de cada uno de los integrantes de la mezcla es decir los sistemas
nanoestructurados de BaFe12O19 y el peacuteptido DS-HaloTag
Figura 425 Perfiles de liberacioacuten del peacuteptido DS-HaloTag que muestra un aumento de la DO600 a medida que
transcurre el tiempo (t) El aumento en los valores de la DO600 indica que el peacuteptido DS-HaloTag es liberado de los
sistemas nanoestructurados de BaFe12O19
El uso de un disentildeo experimental fraccionario 2f nos permite evaluar el efecto que tienen
determinados paraacutemetros sobre una variable de respuesta Especiacuteficamente para este trabajo de
90
investigacioacuten las variables oslashagregado SBET Vmesoporo y oslashmacroporo fueron evaluadas a partir del efecto
de la temperatura y presioacuten en el proceso de secado por aspersioacuten y la concentracioacuten de agente
poroacutegeno utilizado durante la siacutentesis sol-gel A partir de los datos estadiacutesticos arrojados por el
anaacutelisis de varianza ANOVA se establece queacute paraacutemetros tienen un efecto significativo sobre la
variable de respuesta De esta manera el disentildeo experimental fraccionario 2f nos permitiraacute
optimizar el proceso de siacutentesis de los agregados nanoestructurados de BaFe12O19 para obtener la
morfologiacutea y estructura deseada lo cual a su vez tendraacute un efecto sobre las propiedades fiacutesicas
quiacutemicas y magneacuteticas del producto final
El uso de las teacutecnicas XRD SEM TEM BET FTIR y VSM proporcionoacute detalles necesarios en
cuanto a la caracterizacioacuten estructural morfoloacutegica y magneacutetica de los agregados de BaFe12O19
Asiacute a partir de los espectros de XRD fue observada la presencia de tres fases la fase hexagonal
BaFe12O19 la monoferrita de bario BaFe2O4 y la fase hematita Fe2O3 cuya coexistencia fue
confirmada por TEM Las propiedades magneacuteticas (Ms Mr y Hc) determinadas a partir de las
curvas de histeacuteresis obtenidas a partir de un VSM son afectadas por la morfologiacutea y estructura
macro-mesoporosa (observada por SEM y BET) asiacute como la mezcla de fases presentes en los
agregados de BaFe12O19 Las propiedades magneacuteticas sobre todo un comportamiento
superparamagneacutetico es perseguido para aplicaciones biomeacutedicas tal como los sistemas DDS
debido a que esta caracteriacutestica permite dirigir y focalizar un faacutermaco a un sitio especifico de
accioacuten mediante la aplicacioacuten de un campo magneacutetico externo Por lo tanto la concentracioacuten y
nuacutemero de dosificaciones puede ser reducida disminuyendo los efectos secundarios no deseados
Las caracteriacutesticas obtenidas en el presente trabajo de investigacioacuten hacen de los sistemas
nanoestructurados de BaFe12O19 un candidato como sistema de liberacioacuten de faacutermacos Esto fue
corroborado al evaluar la capacidad de carga de los sistemas de BaFe12O19 al ser cargados con el
peacuteptido DS usado como faacutermaco modelo La capacidad de carga asiacute como el perfil de liberacioacuten
del peacuteptido fueron evaluados por teacutecnicas de espectroscopia UV-vis FTIR SDS-PAGE
potencial zeta y anaacutelisis tipo Western blot El porcentaje de absorcioacuten del peacuteptido fue del peacuteptido
fue de 875
91
CAPIacuteTULO 5
CONCLUSIONES
92
CAPIacuteTULO 5 CONCLUSIONES
1- Agregados esfeacutericos nanoestructurados de BaFe12O19 de 17 microm con tamantildeo de
macroporo de 223 nm y tamantildeo de mesoporo entre 34 y 12 nm fueron disentildeados y
sintetizados exitosamente usando un disentildeo experimental 2f a traveacutes del meacutetodo sol-gel y
secado por aspersioacuten
2- Mediante un anaacutelisis estadiacutestico de varianza ANOVA se determinoacute que la presioacuten (P) es
el uacutenico factor significativo que afecta el tamantildeo de agregado de BaFe12O19 Por otra
parte ninguacuten paraacutemetro evaluado en el disentildeo 2f tuvo un efecto significativo sobre el
tamantildeo de macroporo Sin embargo el aacuterea superficial especiacutefica BET se vio afectada por
la concentracioacuten de agente poroacutegeno ( esferas de PS) asiacute como las combinaciones presioacuten-
poroacutegeno y temperatura poroacutegeno Por uacuteltimo los factores que mostraron un efecto
significativo sobre el volumen de mesoporo fueron la presioacuten y las combinaciones entre
presioacuten-poroacutegeno y temperatura poroacutegeno
3- La saturacioacuten magneacutetica Ms delos agregados BaFe12O19 varioacute entre 1424-4511 emug y
los valores de coercitividad Hc estuvieron entre 19465-427750 Oe Mostrando un
comportamiento magneacutetico semiduro con valores de Ms = 1424 y Hc = 19463 Oe para la
muestra calcinada a 700 degC
4- A partir del plaacutesmido pF1A T7 de la cepa T7 de E coli fue posible sintetizar el peacuteptido
DS mediante la induccioacuten con IPTG 2mM Por otra parte tambieacuten fue posible la siacutentesis
del peacuteptido DS a traveacutes de la transfeccioacuten de ceacutelulas CHO en cultivo celular con el vector
pFN21K Asiacute mismo fue posible la imnunodeteccioacuten del peacuteptido DS mediante la
utilizacioacuten de anticuerpos monoclonales anti-HaloTag El peacuteptido DS tiene gran
probabilidad de bloquear el dominio intracelular de Notch (NICD) que es un activo en
ceacutelulas canceriacutegenas
5- La capacidad de absorcioacuten del peacuteptido DS sobre los sistemas nanoestructurados de
BaFe12O19 fue del 875
93
TRABAJO A FUTURO Y RECOMENDACIONES
La capacidad de carga y perfil de liberacioacuten del peacuteptido DS fue probado en el presente trabajo de
investigacioacuten Por lo tanto la formulacioacuten empleada para el disentildeo y siacutentesis de los sistemas
nanoestructurados de BaFe12O19 hacen de estos sistemas un candidato para ser aplicados como
sistemas de liberacioacuten de faacutermaco Sin embargo debido a que la biocompatibilidad es un
requisito fundamental para ser aplicados en los sistemas bioloacutegicos es imprescindible realizar
estudios de citotoxicidad ya sea in vitro o in vivo por ejemplo los ensayos MTT los cuales se
basan en la capacidad de las ceacutelulas viables para reducir y convertir la sal de tetrazolio Bromuro
de 3-(45-dimetiltiazol-2-il)-25-difeniltetrazolio compuesto relativamente incoloro en formazan
una sustancia fuertemente lipofiacutelica de color morado El ensayo MTT es considerado como una
prueba de viabilidad que trabaja eficientemente en la mayoriacutea de los casos por lo tanto es
frecuentemente usada por si sola para evaluar la citotoxicidad in vitro particularmente para
evaluacioacuten de citotoxicidad en las nanopartiacuteculas
Asiacute mismo se recomienda realizar estudios sobre la modificacioacuten superficial de los agregados
nanoestructurados de BaFe12O19 por ejemplo a traveacutes de la PEGilacion el cual es un proceso de
unioacuten tanto covalente como no covalente de polietilenglicol (PEG) hacia la moleacutecula o estructura
a modificar O bien la modificacioacuten superficial pudiera llevarse a cabo empleando alguacuten otro
tipo de moleacutecula ya sean poliacutemeros proteiacutenas ADN etc Asiacute la modificacioacuten superficial
reduciraacute la inmunogenecidad y antigenecidad de la BaFe12O19 empleado como sistema portador
de faacutermaco Ademaacutes la modificacioacuten superficial permitiraacute enmascarar a la BaFe12O19 lo que le
permitiraacute evadir el sistema retiacuteculo endotelial y aumentar el tiempo de circulacioacuten en el torrente
sanguiacuteneo por lo tanto llegando a su sitio de accioacuten con mayor facilidad
94
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101
ANEXOS
CONSEJO NACIONAL DE CIENICA Y TECNOLOGIacuteA
CURRICULUM VITAE UacuteNICO
TORRES CADENAS SAMUEL
PRODUCCIOacuteN CIENTIFICA
ARTIacuteCULOS
2017 S Torres-Cadenas J Reyes-Gasga A Bravo-Patintildeo I Betancourt ME Contreras-Garciacutea Morphological
and magnetic properties of sol-gel synthetized meso and macroporous spheres of barium hexaferrite
(BaFe12O19) Journal of Magnetism and Magnetic Materials (2017) doi
httpdxdoiorg101016jjmmm201702018
2016 S Torres A Bravo ME Contreras BaO6Fe2O3 as DDS using tetracycline as model drug IOSR Journal of
Engineering (IOSRJEN) 11 (2016) 20-24 httpwwwiosrjenorgpagesvolume6-issue11(part-1)html
2016 S Torres-Cadenas A Bravo-Patiacutentildeo J Zarate-Medina ME Contreras-Garciacutea Nest-Like Barium
Hexaferrite Microspheres With Hierarchical Porous Structure for Drug Delivery Journal of Silicate Based
and Composite Materials
PARTICIPACIONES EN CONGRESOS
2016 Esferas Bioceramicas de Baomiddot6Fe2O3 con Estructura Tipo Nido Nacional VIII Congreso Nacional de
Cristalografiacutea II reunioacuten de la Sociedad Latinoamericana de Cristalografiacutea A Bravo-Patintildeo VS
Loacutepez-Aacutelvarez ME Contreras-Garciacutea Meacuterida Yucataacuten
2016 Nest-Like Barium Hexaferrite Microspheres With Hierarchical Porous Structure for Drug Delivery
Extranjero 4th
International Conference on Competitive Materials and Technology Processes A
Bravo-Patintildeo M E Contreras-Garciacutea Miskolc-Lillafured Hungay
2015 Baobull6Fe2O3A Vehicle for Drug Delivery Extranjero 14th
International Union of Materials Research
Societies-International Conference on Advanced Materials Alejandro Bravo Patintildeo Humberto
Contreras Cornejo Joseacute Antonio Rodriguez Torres Maria Eugenia Contreras Garciacutea Rep Popular
Democraacutetica Corea
2014 BaFe12O19 as Drug Delivery Vehicle A Morphological and Structural Studio Nacional 18th
International Microscopy Congress Alejandro Bravo Patintildeo Victor Sayil Loacutepez Aacutelvarez Mariacutea Eugenia
Contreras Garciacutea Meacutexico
102
2014 BaFe12O19 Como Sistema Nanoestructurado para Liberacioacuten de Faacutermacos Nacional AMIDIQ ldquoLa
Interdisciplinariedad en la Ingenieriacutea Quiacutemicardquo Alejandro Bravo Patintildeo Joseacute Antonio Rodriacuteguez Torres
Mariacutea Eugenia Contreras Garciacutea Meacutexico
2013 BaFe12O19 Nanoparticles ndash A scheme for Drug Delivery Internacional 12th
Inter-American
Microscopy Congress Alejandro Bravo Patintildeo Joseacute Antonio Rodriguez Torres Mariacutea Eugenia Contreras
Garciacutea Meacutexico
2013 Escuela de Materia Condensada y Nanociencia Nacional International Multidisciplinar Joint
Meeting Nanocience and Condensed Matter Physis Meacutexico
2013 IV Foro de Vinculacioacuten Universidad-Industria Nacional VIII Escuela de Materiales y
Nanotecnologiacutea Meacutexico
2013 Magnetic Nanoparticles Engineered To Drug Delivery Internacional XXII International Materials
Research Congress Alejandro Bravo Patioacute Maria Eugenia Contreras Garciacutea Meacutexico
2013 Microscopiacutea Electroacutenica de Barrido con FE SEM y Teacutecnicas EDS Extranjero 12th Inter-American
Microscopy Congress Colombia
Accepted Manuscript
Morphological and magnetic properties of sol-gel synthetized meso and mac-roporous spheres of barium hexaferrite (BaFe12O19)
S Torres-Cadenas Joseacute Reyes-Gasga A Bravo-Patintildeo I Betancourt MEContreras-Garciacutea
PII S0304-8853(16)32862-1DOI httpdxdoiorg101016jjmmm201702018Reference MAGMA 62474
To appear in Journal of Magnetism and Magnetic Materials
Received Date 31 October 2016Accepted Date 11 February 2017
Please cite this article as S Torres-Cadenas J Reyes-Gasga A Bravo-Patintildeo I Betancourt ME Contreras-Garciacutea Morphological and magnetic properties of sol-gel synthetized meso and macroporous spheres of bariumhexaferrite (BaFe12O19) Journal of Magnetism and Magnetic Materials (2017) doi httpdxdoiorg101016jjmmm201702018
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MORPHOLOGICAL AND MAGNETIC PROPERTIES OF SOL-GEL
SYNTHETIZED MESO AND MACROPOROUS SPHERES OF BARIUM
HEXAFERRITE (BaFe12O19)
S Torres-Cadenasa Joseacute Reyes-Gasgab A Bravo-Patintildeoc I Betancourtd M
E Contreras-Garciacuteaa
aInstituto de Investigaciones Metaluacutergicas y Materiales UMSNH Edificio U Ciudad Universitaria Santiago Tapia 403 Colonia Centro 58030 Morelia Meacutexico Email storres_chotmailcom eucontregmailcom
bInstituto de Fiacutesica UNAM Circuito de la Investigacioacuten sn Ciudad Universitaria
04510 Coyoacaacuten Meacutexico DF Meacutexico Email jreyesfisicaunammx
cCentro Multidisciplinario de Estudios en Biotecnologiacutea (CMEB) de la FMVZ UMSNH Posta Zooteacutecnica Km 85 carretera Morelia-Zinapecuaro CP 58890 col La Palma Tarimbaro Michoacaacuten Meacutexico Email brapalhotmailcom
dInstituto de Investigaciones en Materiales UNAM Ciudad de Meacutexico CP 04510 Meacutexico Email israelbiimunammx
Corresponding Author
Dr Joseacute Reyes-Gasga Instituto de Fiacutesica UNAM Circuito de la Investigacioacuten sn Ciudad Universitaria 04510 Coyoacaacuten Meacutexico DF Meacutexico Tel (5255) 56225083 Email jreyesfisicaunammx
Highlights
bull 15 microm porous spheres of BaFe12O19 were synthetized by the sol-gel
method
bull Surfactant Tween20 (C58H114O26) enabled the creation of the mesoporous
structure
bull Polystyrene spheres (PS) were used as the template for the formation of
macropores
bull Spheres resembled a nest or ball-of-yarn type of elongated BaFe12O19
crystals
bull Magnetic properties are evaluated as function of the calcination
temperature
Abstract
Porous spherical aggregates of barium hexaferrite (BaFe12O19) with 15 microm in
diameter were synthetized by the surfactant-assisted sol-gel method The
surfactant Tween20 (C58H114O26) which enables mesoporous structures as well
as polystyrene spheres (PS) as the template agent for the formation of
macropores were used Two synthetic routes (hereafter named A and B) whose
difference was the absence or presence of PS were followed for synthesis X-ray
diffraction (XRD) scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron
microscopy (TEM) in high resolution mode (HRTEM) were used for
characterization Size and morphology of the spheres were similar in both cases
and they resemble a nest or ball-of-yarn type structure Pore size and BaFe12O19
crystal size produced by the two routes are different The magnetic properties of
the spheres were evaluated using a vibrating sample magnetometer (VSM) as
function of the calcination temperature The spheres present ferromagnetic
behavior in both routes
Key words Barium hexaferrite Porous spherical aggregates Surfactant-assisted
sol-gel synthesis Morphological properties Magnetic properties
1 Introduction
In recent decades ceramic materials represent a prominent alternative in scientific
and technological development in a wide range of research fields Specifically
biomedical ceramic materials have been used in orthopedic applications dental
implants tissue regeneration and as drug delivery systems [1] Iron-oxide-based
materials including barium hexaferrite (BaFe12O19) are good Drug Delivery
System (DDS) candidates [2-4] because of their physical chemical and magnetic
properties These magnetic properties are highly necessary for response to an
external magnetic field to target for example the drug into a specific site in the
human body Moreover the BaFe12O19 magnetic microparticles with spherical
morphology have different applications such as permanent magnets [5] electronic
devices [6] gas sensors [7] catalytic supports [8] and more recently in biomedical
applications such as advanced functional magnetic materials for the treatment of
cancer through magnetic hyperthermia [9] contrast agents for MRI [10] and drug
delivery systems [11]
A variety of methods have been used for the synthesis of iron-oxide-based
bioceramics including co-precipitation hydrolysis hydrothermal synthesis inverse
microemulsion and the sol-gel method [12-14] Of these methods sol-gel has
attracted special interest because it allows the development of new materials with
good homogeneity and purity [15-17] In addition it is a relatively fast simple and
inexpensive method Moreover the kinetics of the chemical reactions carried out in
the synthesis is easily controlled by low temperatures processing [17] Unlike
classical methods for powder ceramic processing of BaFe12O19 that require high
calcination temperatures (1200-1300 degC) sol-gel produces the BaFe12O19
microparticles at rather low calcination temperature [18] In addition the use of
surfactant-assisted sol gel synthesis allows more disperse systems enabling the
formation of a larger number of ordered structures and the surfactant allows the
formation of micelles that also act as templates resulting in the formation of
mesopores after elimination of the surfactant by calcination during the thermal
treatment
Surfactant-assisted sol-gel synthesis as structure-directing agents or dispersants
and templates as macropore-forming agents is investigated in this work for the
production of ceramic microstructures designed with hierarchical porosity for
biomedical applications that require highly specific surface areas and the unique
design of materials capable of conducting fluids and interacting with cell tissues
Among the materials designed for these applications pore size distribution and
their interconnectivity determine the viability of the material for a such specific
application
Therefore in the present study BaFe12O19 spherical magnetic macro- and meso-
porous microparticles were synthetized by the surfactant-assisted sol-gel method
as well as polystyrene spheres (PS) as templates for formation microspheres and
dried by spray drying The morphological characterization and magnetic properties
of the spheres are compared as a function of thermal treatment temperature
2 Materials method and experimental procedure
21 Materials
Commercial reagent grade products were used without purification The reagents
were from Aldrich iron nitrate (III) nonahydrate Fe(NO3)3 9H2O barium carbonate
BaCO3 and surfactant Tween20 and from Merck ammonium hydroxide NH4OH
The hydrophilic nonionic surfactant Tween20 (C58H114O26) is an ester of
polyoxyethylene sorbitan with a molecular weight of 1225 Daltons calculated
assuming 20 units of ethylene oxide 1 sorbitol and lauric acid as the primary fatty
acid Monodisperse Polystyrene microspheres (PS) synthesized in the laboratory
were used as the pore-forming agent
22 Synthesis of BaFe12O19
Spheres of barium hexaferrite were synthesized by the sol-gel method either
assisted by surfactants (route A) or assisted by surfactants and templates (route
B) Figure 1 shows the flow diagram of routes A and B Two suspensions were
prepared in each route The first was composed of Fe(NO3)39H2O and BaCO3
salts with a stoichiometric molar ratio dissolved in deionized water The second
was formed by the surfactant Tween20 in aqueous solution Both suspensions
were mixed with constant magnetic stirring and during the reaction the pH of the
slurry was adjusted to 8 with NH4OH Route B included a third suspension
consisting of 30 wt polystyrene spheres in deionized water The PS were
monodispersed with a mean diameter of 200nm The PS suspension was added
to the mixture with constant magnetic stirring for 1h
The resulting suspension was subjected to spray drying using a Mini Spray Dryer
(Yamato ADL31) The conditions in the spray drying equipment for both routes
were determined by experimental design as drying temperature (T = 175 degC) and
drying pressure (P = 15 Kgcm2)
Powders obtained after spray drying (xerogels) were subjected to thermal
treatment for the elimination of organic agents surfactant and template (in each
case) structural water the formation of oxides and crystallization Four different
temperatures were evaluated in both routes for thermal treatment 700 800 900
and 1000 degC
23 Structural morphological chemical and magnetic characterization
Structural chemical and morphological analysis of the spheres was performed by
X-ray diffraction (XRD) scanning electron microscopy (SEM) and transmission
electron microscopy (TEM) in high resolution mode (HRTEM)
Samples were analyzed by X-ray diffraction on a Bruker diffractometer model D8
Advance using Cu Kα radiation (45 kV 30 mA) to determine the crystal structures
and phases presented Samples were scanned from 20deg to 80deg in 2θ and a
constant step of 002ordmseg
For microstructural characterization of the samples the scanning electron
microscope JEOL JSM-7600F and the transmission electron microscope FEG
Phillips Technai F20 were used The SEM was coupled with energy dispersive X-
ray spectroscopy equipment (EDS)
The Digital Micrograph software (Gatan Inc) was used for image analysis and the
linear Lynx software (Verfuumlgbare Software) was used for the statistical analysis of
the data Size distribution of the pores in the spherical aggregates was measured
by the Barrett-Joyner-Halenda (BJH) technique using a Quantachrome (St 1 on
NOVA touch 1LX) instrument
The analysis of the magnetic properties of the samples was performed using a
vibrating sample magnetometer (VSM LDJ 9600) at room temperature applying a
constant magnetic field of 5000 Oe Magnetic saturation (Ms) remnant
magnetization (Mr) and coercivity (Hc) values were obtained from the hysteresis
curves
3 Results
31 X-ray diffraction
Figure 2 shows the x-ray diffraction spectra of the samples obtained from routes A
and B at the calcination temperatures of 700 800 900 and 1000 degC as indicated
in Figure 1
Indexing the x-ray spectra indicates the coexistence of hexaferrite H = BaFe12O19
monoferrite O = BaFe2O4 and hematite F = Fe2O3 in all samples The phase H
(hexaferrite) is hexagonal (Open Database Crystallography card COD No
1008841) with lattice parameters a = b = 0589 nm and c = 2318 nm The O
(monoferrite) phase is orthorhombic (COD card No 4107896) with lattice
parameters a = 1899 nm b = 0538 nm c = 0844 nm The F (hematite) phase is
hexagonal (COD card No 9015964) with lattice parameters a = b = 0503 nm and
c = 1374 nm It is noteworthy that at the calcination temperature of 1000 degC the
major phase is H phase in both routes
As shown in Figure 2 the content of the H phase increases as the content of the F
phase decreases with temperature in both routes In route A the O phase is
present in all samples in route B the O occurs phase only in the sample treated at
700 degC However there is no clear evidence of preferential growth direction of any
phase in the XRD spectra
32 SEM images EDS spectra and spheres and pores size
SEM images indicate that all the samples obtained in routes A and B calcined at
different temperatures are spherical and substantially the same size Figure 3
shows the SEM image of the spheres obtained in route A and the insert which
shows a magnification of these spheres indicates that the spheres are
polycrystalline composed of mesopores and elongated nanometric crystals Figure
4 shows the SEM image of the spheres obtained through route B and the insert
shows that these spheres are also polycrystalline composed of meso- and macro-
pores and micrometric elongated crystals
Figure 5 shows the size distribution of the spheres observed in the samples of
routes A (Figure 5A) and B (Figure 5B) thermally treated at 700degC respectively
Although the average size is slightly different for the samples calcined at different
temperatures all these values are within the range indicated by the standard
deviation at about 15 microns Therefore all the spherical aggregates are
practically the same size The aggregate size is the result of the droplet size
produced in the nozzle of the spray dryer although the size can also be influenced
by the rheology of the gel slurry fed to the spray dryer
Figure 6 shows the size distribution of the pores in the spherical aggregates of
routes A and B For the mesoporous range as mentioned above this size
distribution was measured by the BJH technique In Figure 6A for the samples of
route A the average diameter of the pores in these samples are on the order of 57
plusmn 2 nm Figure 6B shows the case of the mesopores observed in the spheres
obtained by route B they are on the order of 12 plusmn 55 nm The macropores in the
spheres of route B have an average size of about 220 plusmn 53 nm (Figure 6C) This
last result is logical because the suspension fed in route B consists of spheres of
monomodal polystyrene whose average size is of about 250 nm in addition to the
gel
The micrometric-size spheres obtained by route A and route B are both composed
of elongated crystals or fibers but these crystals are of nanometric size for route
A while they are of 35 plusmn 7 nm wide and 300 plusmn 80 nm long for route B The
existence of an interconnected hierarchical pore structure in these spheres is
evident
EDS spectra from the spheres showed the characteristic peaks of barium (Ba) iron
(Fe) and oxygen (O) (Figure 7) [19] In these spectra the Cu peak comes from the
sample holder Therefore the composition of spheres obtained by both routes
contains the same elements as already shown by XRD This results also confirm
that no contamination was present in either route
33 TEM images
Figure 8 shows some of the HRTEM images of the elongated crystals which
conform the spheres obtained in routes A and B Note the nanometric size of the
elongated crystals of BaFe12O19 In some cases the coexistence of crystals of
BaFe12O19 with crystals of BaFe2O4 and Fe2O3 were observed These images
agree quite well with the results obtained by XRD and show the coexistence of a
mixture of phases in the synthesized spheres in both routes
34 Hysteresis loops and magnetic properties
One way to measure the magnetic properties is through the hysteresis loops
which affords the evaluation of macroscopic properties such as saturation
magnetization Ms remanence magnetization Mr and coercive field These
properties define the soft or hard magnetic character of the synthesized materials
Figure 9 shows the hysteresis loops at different calcination temperatures for the
samples obtained by the route A (Figure 9A) and the route B (Figure 9B) The
highest magnetization values are observed in the case of route B Table 1 shows
the magnetic properties of all the samples In general Ms Mr and Hc show an
increment as a function of the calcination temperature and coercivity (Hc)
increases with temperature in all the samples The lowest value of Mr is obtained in
the sample treated at 800 degC for route A In route B the lowest Mr value is obtained
for the sample treated at 700 degC There is also a clear change in the magnetic
behavior associated with the temperatures of the calcination treatment This
change must be related to the percentage of content of the different phases
presented in the samples and it must also be related to the size of the crystals
constituting the spherical aggregates
From Figure 9A and based on the values of coercivity shown in Table 1 the
samples obtained in the route A at temperatures of 700 800 and 900 degC behave as
semi-hard magnetic materials whereas the one obtained at 1000 degC behaves as a
hard magnetic material The shape of the hysteresis loop in the sample at 900 degC
is characteristic of a sample in which two phases coexist On the other hand
Figure 9B indicates that only the material obtained at 700 degC through route B
behaves as a semi-hard magnetic material the others show hard magnetic
material behavior The semi-hard ferromagnetic behavior in these materials makes
them good candidates for biomedical applications [20]
4 Discussion
The results clearly indicate that we succeed in developing a route for the synthesis
of porous spheres of barium hexaferrite with different pore sizes The porous
structures are of great interest in research because of their prominent applications
in different fields of science [21] For example they can be used to charge an
adequate amount of different types of molecules (ie drugs proteins andor
peptides) within the interior of the pore (and also on the surface of the structure)
thus acting as a drug carrier system [22] Mesopores are useful in applications
where interaction with fluids is part of the integration process in which molecules
will be exchanged in the system as in the case of drug delivery Macropores allow
the adsorption of large molecules such as proteins or peptides or even cells that
are currently of great interest in the development of new medical treatments based
on the lsquoin sitursquo drug delivery such as magnetofection [23] gene therapy [24] and
cell labeling [25]
In obtaining macropores the surface charge of the PS spheres and steric factors
play an important role in the self-assembly of BaFe12O19 precursor ions into the PS
particles [26] Pores in the spherical aggregates are consequently produced when
the system is subjected to thermal treatment (700 800 900 and 1000 degC) resulting
in the pyrolysis of the surfactant and the PS Thus the BaFe12O19 precursor ions
are adsorbed into the PS surface being embedded within the micrometer size
spherical aggregate during the spray drying This reaction can be considered a
typical polymerization reaction which means that polymerization takes place
between BaFe12O19 and PS particles contained in an aqueous phase [27] As a
result the PSBaFe12O19 hybrid particles are obtained
In regard to magnetic behavior the hysteresis loops indicate that materials
produced at temperatures of 700 800 and 900 degC in route A fall within the range of
semi-hard magnetic materials whereas at 1000 degC the material becomes a hard
magnetic material In the case of route B the material behaves like a semi-hard
magnetic material only at 700 degC The obtained materials behave like hard
magnetic materials from 800 degC to 1000 degC Analysis of the structural composition
of the spheres indicated that monoferrite (O) and hematite (F) phases are present
However the H phase is the major phase at the calcination temperature of 1000
degC
As shown in Table 1 a significant change occurred as function of calcination
temperature in the magnetic properties of the samples This change has also to be
related to the presence of the different phases Best combinations of magnetic
properties were Ms = 4467 emug and Hc = 479012 Oe for route A and Ms =
4511 emug and Hc = 479146 Oe for route B respectively
The coexistence of the H O and F phases has been reported as a general fact in
obtaining barium hexaferrite [28] The O phase presents an anomalous resonance
near 400 degC that could indicate a phase with magnetic behavior [29] The F phase
has anti-ferromagnetic ordering [30] and thus a characteristic low Ms (1105
emug) [31-33] Therefore for route B it is possible to attribute the observed Ms
variations to the variable content of this phase so that the sample with greater
amount of Fe2O3 (at 700 degC) presents a very low value of Ms Decreasing presence
of Fe2O3 (by progressively increasing the temperature) increases the proportion of
the hexaferrite phase and consequently the Ms values are significantly recovered
In route A the larger value of Ms is coupled with a larger value of Hc which must
be attributed to the presence of a large amount of hexaferrite phase By contrast in
the route B the largest value of Ms of the sample sintered at 1000 degC does not
imply a larger value of Hc (which is recorded for the sample sintered at 900 degC)
which is most like due to significance differences in particle size between the two
phases Samples with Hc gt 4000 Oe can be considered as materials with hard
magnetic behavior
Therefore it seems in this study a larger amount of the Fe2O3 phase obtained at
lower temperatures contributes to a decrement in the magnetic properties resulting
in semi-hard magnetic behavior while an increment in hard magnetic behavior can
mainly be attributed to a decrement in the amount of the Fe2O3 phase as the
BaFe12O19 phase increases
5 Conclusions
Porous spherical aggregates of barium hexaferrite (BaFe12O19) of approximately
15 microm in diameter and 200 nm pores were obtained by the sol-gel chemical
synthesis method using polystyrene (PS) as the pore-forming agent The
morphology of the spheres resembles a nest or ball-of-yarn type structure in which
the crystals belong to the barium hexaferrite phase as the major phase in
coexistence with the monoferrite (BaFe2O4) and hematite (Fe2O3) phases
However the barium hexaferrite phase is the major phase at the calcination
temperature of 1000 degC The magnetic properties of the spheres indicate that the
samples calcined at 700 degC present semi-hard magnetic behavior suggesting they
would be good candidates for use in biomedical applications
Acknowledgements
We thank to V S Loacutepez Alvarez and A Rodriguez Torres for the technical support STC acknowledges the Consejo Nacional de Ciencia y Tecnologiacutea (CONACYT) by scholarship and CIC-UMSNH for the financial support to this research
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Captions for figures
Figure 1 Flowchart of routes A and B followed for the synthesis of the barium hexaferrite spheres The main difference between the routes is that in route B the polystyrene spheres (PS) were added for generating macropores
Figure 2 XRD spectra of the samples obtained by the route A (A) and the route B (B) at the indicated calcination temperature H = BaFe12O19 O = BaFe2O4 F = Fe2O3 Note that at 1000 degC the phase H is the major both cases
Figure 3 SEM image of the spheres obtained in the synthesis route A The spheres are polycrystalline consisting of elongated crystals and nano-sized mesopores The insert shows a magnified view
Figure 4 SEM image of the spheres obtained in the synthesis route B The spheres are polycrystalline with elongated crystals of micrometer size and with meso- and macro-mesoporous structure The insert shows a magnified view
Figure 5 A) Size distribution of the spheres in samples of route A B) Size distribution of the spheres in samples of route B
Figure 6 Size distribution of the mesopores of the spheres measured by the BJH technique A) Route A 57 plusmn 2 nm B) Route B 12 plusmn 55 nm C) Size distribution of the macropores in the spheres of route B on average they are on the order of 220 plusmn 53 nm
Figure 7 EDS spectra of the spheres obtained in the route A (A) and in the route B (B) The spectra are similar for both routes and correspond to the elements Ba Fe and O
Figure 8 HRTEM images of the crystals of BaFe12O19 that make up the spheres obtained in the routes A (A-B) and B (C-D)
Figure 9 Hysteresis loops registered in the samples obtained by route A (A) and route B (B) at different calcination temperatures Note the difference in the magnetic behavior between the two routes in relation to the calcination temperature reaching higher magnetization values in the case of route B
Captions for table
Table 1
Magnetic properties of the samples calcined at different temperatures according to route A (A) and route B (B) The values were obtained from the hysteresis loops shown in Figure 9
Table 1
Magnetic Properties
Route Calcination temperature (degC)
Ms
(emug)
Mr
(emug)
Hc
(Oe)
A
700 2461 593 24220
800 1728 273 23451
900 2371 910 66740
1000 4467 2412 479012
B
700 1424 379 19465
800 1249 592 463160
900 2826 1527 479146
1000 4511 2410 427750
MORPHOLOGICAL AND MAGNETIC PROPERTIES OF SOL-GEL
SYNTHETIZED MESO AND MACROPOROUS SPHERES OF BARIUM
HEXAFERRITE (BaFe12O19)
S Torres-Cadenasa Joseacute Reyes-Gasgab A Bravo-Patintildeoc I Betancourtd M
E Contreras-Garciacuteaa
HIGHLIGHTS
bull 15 microm porous spheres of BaFe12O19 were synthetized by the sol-gel
method
bull Surfactant Tween20 (C58H114O26) enabled the creation of the mesoporous
structure
bull Polystyrene spheres (PS) were used as the template for the formation of
macropores
bull Spheres resembled a nest or ball-of-yarn type of elongated BaFe12O19
crystals
bull Magnetic properties are evaluated as function of the calcination
temperature
265-RXUQDORI(QJLQHHULQJ265-(1 ZZZLRVUMHQRUJ661H661S9ROVVXH 1RY__9__33
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17528amp721QUHFHQWGHFDGHVWKHELRPHGLFDOILHOGKDVDJUHDWVFLHQWLILFOHDSDYDULHWRIPDWHULDOVIRUH[DPSOH
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gt 17UDQDDQG7-HEVWHU0DJQHWLFQDQRSDUWLFOHVELRPHGLFDODSSOLFDWLRQVDQGFKDOOHQJHV-0DWHUampKHP plusmn
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Publisher Szilikaacutetipari Tudomaacutenyos Egyesuumllet 1034 Budapest Beacutecsi uacutet 122-124 Telephonefax 06-1201-9360 E-mail infoszteorghu WEB wwwszteorghu Editor-in-Chief Dr Borosnyoacutei Adorjaacuten E-mail epitoanyagszteorghu WEB wwwepitoanyagorghu
A c c e p t a n c e o f M a n u s c r i p t
Dear authors
We are happy to inform you that the Editorial Board of eacutepiacutetőanyag ndash Journal of Silicate Based and
Composite Materials has made a decision on the following manuscript
S Torres-Cadenas A Bravo-Patintildeo J Zarate-Medina ME Contreras-Garciacutea
Nest-like BaObull6Fe2O3 microspheres with hierarchical porous structure for drug delivery
Suggestion accepted for publication
Your manuscript is now with the Editorial Office We call your attention that publication of the
paper will be possible after the approval of the final proof of the manuscript
Thank you for submitting your scientific results to eacutepiacutetőanyag ndash Journal of Silicate Based and
Composite Materials We wish further success for your research activities
Budapest 5 January 2017
Dr Borosnyoacutei Adorjaacuten
Editor-in-Chief
- TD STC (2)
- ANEXO 1
- ANEXO 2
- ANEXO 3
-
- Dear authors
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- Budapest 5 January 2017
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