‘Autor: R. Daza’

Cargando el teléfono móvil mientras paseo

Por Rafael Daza

La piezoelectricidad es un fenómeno físico que aparece en ciertos materiales sólidos tales como cristales, algunos cerámicos y ciertos materiales biológicos como el hueso. Cuando un material piezoeléctrico es sometido a estrés mecánico, este se polariza y adquiere una diferencia de potencial y carga eléctrica en su superficie. Este fenómeno, descubierto por los hermanos Curie en 1880, tiene innumerables aplicaciones como pueden ser la producción y detección de sonido o la generación de alto voltaje. Además, la piezoelectricidad está en la base de técnicas instrumentales científicas con resolución atómica, como son los microscopios de efecto túnel o de fuerza atómica. En todas estas aplicaciones, el material piezoeléctrico empleado tiene dimensiones en la escala macroscópica. Sin embargo, algunas predicciones teóricas hablaban de la posibilidad de que este fenómeno ocurriera también en materiales con alguna de sus dimensiones disminuida a la escala atómica.

El pasado día quince de este mes, investigadores de la Universidad de Columbia y del Instituto Tecnológico de Georgia presentaron al mundo la primera lámina de disulfuro de molibdeno (MoS2) que en formato 2D (una de las dimensiones espaciales es reducida a unos pocos átomos mientras que las otras dos permanecen con tamaños macroscópicos) presenta comportamiento piezoeléctrico. Quizá una de las cuestiones más sorprendentes es que un bloque de disulfuro de molibdeno no presenta comportamiento piezoeléctrico; es sólo cuando se dispone de un espesor atómico, cuando la piezoelectricidad se manifiesta. Estos investigadores han mostrado que, al someter a láminas de MoS2 2D con un número impar de capas atómicas a ciclos de deformación-relajación, se produce un voltaje piezoeléctrico oscilante y se obtiene corriente eléctrica mientras que no se observa nada si las láminas presentan un número par de capas (el material es altamente polar por lo que un número par de capas cancela el efecto neto). En las condiciones de máxima potencia, una lámina monoatómica deformada en un 0.53% genera una diferencia de potencial de 15 mV para una intensidad de corriente 20 pA (1 pA equivale a 10-12 A), correspondiente a una potencia generada por unidad de superficie de 2 mW m-2 y a una eficiencia del 5.08 % en la conversión de energía mecánica en eléctrica. Además, en consonancia con las predicciones teóricas efectuadas, eficiencia se incrementa conforme se disminuye el espesor y la diferencia de potencial cambia de signo cuando la dirección de deformación se rota 90º.

Este descubrimiento otorga a los materiales 2D nuevas propiedades físicas con lo que se amplía el abanico de posibles aplicaciones. Se da la casualidad de que uno de los investigadores de este proyecto, James Hone, fue la persona que hace seis años demostró que el grafeno, otro increíble material 2D formado de carbono, es el material más resistente que existe en el mundo. En el caso del disulfuro de molibdeno 2D, su comportamiento piezoeléctrico, unido a su transparencia óptica, a su enorme ligereza y a su deformabilidad y flexibilidad mecánicas le convierten en un generador eléctrico único. Este material, dicen sus descubridores, podría servir para aplicaciones portátiles, quizá integradas en la ropa, para convertir energía del movimiento de tu cuerpo en electricidad y cargar sensores portátiles o dispositivos médicos o, quizá, proporcionar suficiente energía para cargar el teléfono móvil en tu bolsillo.

Referencia:

Wu W, Wang L, Li Y, Zhang F, Lin L, Niu S, et al. Piezoelectricity of single-atomic-layer MoS2 for energy conversion and piezotronics. Nature. 2014 10/23;514(7523):470-4.

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Microscopía de fuerza atómica en la ciencia de materiales: el congreso “Fuerza y Túnel 2014”, un congreso con acento español

Por R. Daza

La pasada semana tuvo lugar en San Sebastián una nueva edición del congreso internacional Fuerza y Túnel, donde investigadores de diferentes procedencias tuvieron la oportunidad de presentar los resultados más destacables de sus trabajos en el campo de la microscopía de efecto túnel y la microscopía de fuerza atómica, dos tipos de microscopios poco conocidos a pesar de ser el nuestro un país de gran tradición en este tipo de técnicas.

El funcionamiento del microscopio de efecto túnel se basa en la enorme dependencia mostrada por la corriente que circula de un material conductor (punta) a otro (muestra) con la distancia que los separa cuando ésta se mide en diezmilmillonésimas de metro. Durante la observación de un material, si se mantiene constante el valor de esta corriente (conocida como corriente túnel), cualquier característica topográfica de la muestra da lugar a que el microscopio desplace verticalmente la misma con respecto a la punta. Estos desplazamientos verticales permiten reconstruir la topografía de la muestra a analizar. Si bien esta técnica ha permitido obtener imágenes con resolución atómica de multitud de superficies, presenta una enorme limitación: sólo es válida para caracterizar materiales conductores. Cuando en 1982 Gerard Binnig y Heinrich Rohrer dieron a conocer a la sociedad científica la creación del primer microscopio de efecto túnel (1, 2), sabían que este presentaba el mencionado handicup. Sin embargo, Binnig no se resignó y de su empeño por ampliar las fronteras del campo de aplicación de la técnica que acababan de desarrollar, nació, pocos años después, el microscopio de fuerza atómica (3). En este caso, la caracterización topográfica de la muestra se basa en la existencia de una magnitud física dependiente de la interacción punta-muestra cuyo valor depende de la distancia entre ellas; para mantener constante el valor de dicha magnitud es preciso, de nuevo, realizar desplazamientos de aproximación y alejamiento vertical que se emplean en la reconstrucción topográfica.

Ambas técnicas son constantemente empleadas en la caracterización microestructural de los materiales así como en el estudio de los procesos físico-químicos que acontecen en sus superficies. Prueba de ello fueron los variados trabajos que se presentaron en el congreso de este año y que quedaron agrupados en cuatro disciplinas: análisis del comportamiento magnético de materiales en la nanoescala, estudio de los procesos de síntesis superficiales, grafeno y las aplicaciones del AFM en el ámbito biológico. Asimismo, hubo sesiones dedicadas a la presentación de nuevos desarrollos y técnicas relacionadas y al resultado de la combinación de los dos tipos de microscopía. Finalmente, tuvo lugar una sesión de homenaje al Profesor Arturo Baró quien trajo a España el primer microscopio de efecto túnel directamente desde los laboratorios de IBM en Zurich donde trabajó con Binnig y Rohrer. Desde su laboratorio en la Universidad Autónoma de Madrid, el profesor Baró ha trabajado en el desarrollo de ambas técnicas de microscopía adquiriendo rápidamente fama internacional. En la actualidad, en nuestro país son numerosos los grupos de investigación que emplean estas técnicas no solo para la caracterización mecánica o topográfica de materiales sino también para la nano-manipulación de los mismos.

 

Más información de este congreso en: http://dipc.ehu.es/ws_presentacion.php?id=95

1. BINNING, G., H. ROHRER, C. GERBER and E. WEIBEL 1982. Surface studies by scanning tunneling microscopy. Phys. Rev. Lett. 49, 57-61.

2. Binnig, G. and H. Rohrer 1983. Scanning tunneling microscopy. Surf. Sci. 126, 236-244.

3. Binnig, G., C.F. Quate and C. Gerber 1986. Atomic force microscope. Phys. Rev. Lett. 56, 930-933.

 

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Los nanotubos de carbono y la ingeniería de tejidos (I)

Por Rafael Daza (Universidad Politécnica de Madrid)

La Ingeniería de tejidos es una disciplina que persigue remplazar tejido dañado o enfermo por un sustituto biológico capaz de restaurar y mantener la funcionalidad del tejido original. Los avances realizados en áreas tan dispares como las relativas al trasplante de células y órganos y la ciencia de materiales o la ingeniería, han contribuido al continuo desarrollo de la ingeniería de tejidos y la medicina regenerativa.
Al igual que la regeneración tisular, la cual supone el empleo de células para formar estructuras de mayores dimensiones, la nanotecnología es una disciplina “bottom-up” (de abajo a arriba) cuyo fundamento es el ensamble de elementos simples para constituir estructuras complejas. Recordemos que en un post anterior definíamos la nanotecnología como el estudio, diseño, creación, síntesis, manipulación y aplicación de materiales, aparatos y sistemas funcionales mediante el control de la materia a escala nanométrica (aquella en la que la unidad de longitud de referencia es el nanómetro, 1 nm equivale a 10-9 m, esto es, la millonésima parte del milímetro), y la explotación de fenómenos y propiedades de la propia materia a dicha escala. Entonces vimos que los principales “ladrillos de la vida” existen en esta escala nanométrica de la que hablamos.

La presencia de nano-dimensionalidad en la naturaleza ha llevado a los investigadores a plantearse la viabilidad de emplear nanomateriales también en la ingeniería de tejidos. De hecho, en los últimos años son numerosos los estudios que muestran la poderosa influencia de una topografía nanoestructurada en el comportamiento celular, observándose su repercusión sobre procesos celulares tan vitales como la adhesión, proliferación y/o reorganización del citoesqueleto e incluso en la regulación de la expresión de sus genes.
De entre todos los nanomateriales que actualmente están en proceso de investigación, aquí nos centraremos en los nanotubos de carbono debido al enorme abanico de aplicaciones que se les atribuye en el ámbito de la medicina regenerativa. Los nanotubos son una de las formas alotrópicas del carbono cuya geometría cilíndrica es el resultado del enrollamiento sobre sí mismas de una o varias láminas de grafeno. Cuando se trata de una sola lámina (Figura 1A), los nanotubos reciben el nombre de singlewalled carbon nanotubes (SWNT) mientras que el enrollamiento concéntrico de varias láminas (Figura 1B), da lugar a la formación de los multiwalled carbon nanotubes (MWNT).

 

Figura 1. Diagrama de un SWNT (A) y de un MWNT (B) con sus dimensiones características.

Desde su origen [1], los nanotubos de carbono han despertado el interés de la comunidad científica como consecuencia de las extraordinarias propiedades que exhiben. Poseen un amplio rango de características electrónicas, térmicas y estructurales en función de su diámetro, longitud y quiralidad (ángulo de enrollamiento respecto de la dirección axial del cilindro resultante). Mención especial merecen sus propiedades mecánicas (Figura 2): los nanotubos de carbono presentan el módulo de rigidez y la tensión de rotura mayor de cuantos materiales conoce el hombre (1.5 TPa y 150 GPa, respectivamente).

Figura 2. Debido a sus solicitaciones mecánicas, la idea utópica de construir un ascensor espacial que comunicara la Tierra con su satélite sólo sería estructuralmente viable si se construyera mediante nanotubos de carbono.

A pesar de su reciente inclusión en el mundo de la ingeniería de tejidos (2004), son cuatro las áreas en las que se espera que los nanotubos tengan gran presencia: marcado y seguimiento de células, sensores del comportamiento celular, promotores del comportamiento celular y constituyentes de soportes estructurales o scaffolds. Mientras que las dos primeras áreas están encaminadas a analizar cómo responden las células al tejido diseñado, las dos últimas tienen por objetivo actuar sobre las propias células y el medio que las sustenta con el fin de mejorar los tejidos diseñados y favorecer la proliferación y diferenciación de las células en ellos. Dedicaremos las últimas líneas de este post a las dos primeras áreas remitiendo al lector a un siguiente post en el que abordaremos las dos últimas.

1. Marcado y seguimiento de células implantadas.
La capacidad para rastrear las células implantadas y observar su progresión en la formación de tejido in vivo de manera no invasiva es de importancia capital, especialmente, cuando las construcciones artificiales son de tamaños biológicamente significativos. Marcando las células implantadas se podría, no solamente evaluar la viabilidad del tejido diseñado sino, además, mejorar el conocimiento acerca de la biodistribución y rutas de migración de las células trasplantadas. Sin embargo, para tales fines, es preciso que el agente de contraste in vivo tenga buena biocompatibilidad, alta capacidad de producir contraste y estabilidad.

Los nanotubos de carbono han demostrado poseer varias de estas propiedades. Pondremos un ejemplo. El grupo del profesor Strano de la Universidad de Illinois encapsuló ácidos nucléicos en varios SWNTs y los introdujo en el interior de un tipo de célula madre, los mioblastos. Mediante espectroscopía Raman observaron la supervivencia de la estructura en el interior de las células durante repetidas divisiones celulares lo que sugiere que tales sondas podrían ser empleadas para estudiar la proliferación y diferenciación de células madre [2], paso clave en la regeneración de tejidos. Además, dado que la espectroscopía Raman es muy sensible a la presencia de grupos funcionales en las moléculas, esta técnica puede proporcionar información valiosa acerca del microambiente de la célula. Este es uno de los más prometedores métodos para usar los nanotubos de carbono como biosensores ópticos in vivo y puede servir como una técnica básica para el desarrollo de otros sensores más complejos. Esta sofisticación añadida puede ser implementada modificando los nanotubos con sondas adicionales o agentes marcadores.

2. Sensores del comportamiento celular.
En este caso se persigue obtener información acerca de las características físico-químicas y biológicas que rodean a las células en su entorno tisular. La capacidad para monitorizar procesos fisiológicos celulares como el transporte iónico, las interacciones enzima-cofactor o la secreción de proteínas y metabolitos o mecanismos de respuesta celular como la adhesión a la matriz extracelular podrían ofrecer información valiosísima que permitiría diseñar mejores tejidos artificiales.

Un posible método para llevar a cabo estas monitorizaciones consiste en implantar sensores capaces de transmitir información desde el interior del organismo al exterior; tales sensores proporcionarían datos en tiempo real de parámetros fisiológicos tan importantes como el pH, la presión de oxígeno o los niveles de glucosa. Emplear nanosensores para este fin tiene principalmente dos ventajas: el tamaño reducido del sensor disminuye su impacto sobre el tejido diseñado en el que va a ser introducido y su elevada proporción área/volumen le dota de una gran área efectiva en la que inmovilizar numerosos compuestos químicos y biológicos incluyendo ADN y proteínas que mejoran su sensibilidad.

Mientras que la transmisión de información extracorpóreamente desde los nanosensores está aún en fase de desarrollo, los sensores basados en nanotubos de carbono ya han demostrado su capacidad para medir varios factores biológicos muy relevantes. Pongamos algún ejemplo. MWNTs han sido empleados como electrodos para medir los procesos de electrooxidación de la insulina y para estimar su concentración vía determinación amperométrica. Este hecho sugiere un método para evaluar la calidad de los islotes pancreáticos (región del páncreas encargada de la producción de hormonas como la insulina y el glucagón, Figura 3) previa a su implante en el organismo receptor. Además, se ha demostrado que podríamos medir la cantidad de colesterol libre en sangre usando un MWNT montado sobre un sustrato biocompatible [3] o monitorizar el pH mediante sensores compuestos de nanotubos de carbono y un polímero como la polianilina [4].

Figura 3. Imagen de microscopía confocal de una sección de páncreas de ratón. En rojo se muestran las células productoras de insulina, en verde los vasos sanguíneos que rodean a los islotes pancreáticos y en azul se marcan todos los núcleos celulares.

Acabamos de presentar dos de las prometedoras aplicaciones que los nanotubos de carbono pueden tener en la ingeniería de tejidos. Sin embargo, como veremos en un próximo post dedicado fundamentalmente a la utilización de nanotubos para la creación de scaffolds, la implantación de estos nanotubos o materiales basados en ellos en el interior de un organismo vivo no está exenta de problemas que aún no están resueltos y cuya solución transcurre inevitablemente por la senda de un trabajo multidisciplinar de físicos, químicos, biólogos e ingenieros de materiales.

Referencias
[1] S. Iijima, “Helical microtubules of graphitic carbon”. Nature 354, 56 (1991)
[2] D.A. Heller, S. Baik, T.E. Eurell and M.S. Strano. “Single-walled carbon nanotube spectroscopy in live cells: towards long-term labels and optical sensors”. Advanced Materials 2793, 17 (2005)
[3] X. Tan, M. Lin, P. Cai, L. Luo and X. Zou. “An amperometric colesterol biosensor base don multiwalled carbon nanotubes and organically modified sol-gel/chitosan hybrid composite films”. Analytical Biochemistry, 117, 337 (2005)
[4] M. Kraempgen and S. Roth. “Transparent and flexible carbon nanotube/polyaniline pH sensors”. Journal of Electroanalytical Chemistry, 72, 586 (2006)

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Nanobiomateriales: la Nanotecnología al servicio de la Salud

Por Rafael Daza García , Licenciado en Ciencias Físicas (Departamento de Ciencia de Materiales, Universidad Politécnica de Madrid)

La nanotecnología es el estudio, diseño, creación, síntesis, manipulación y aplicación de materiales, aparatos y sistemas funcionales mediante el control de la materia a escala nanométrica (aquella en la que la unidad de longitud de referencia es el nanómetro, 1 nm equivale a 10-9 m, esto es, la millonésima parte del milímetro), y la explotación de fenómenos y propiedades de la propia materia a dicha escala.

A pesar de que la idea conceptual de nanotecnología surgió hace más de medio siglo (Richard P. Feynman en su ponencia There’s plenty of room at the bottom ante la Sociedad Americana de Física), es en los últimos años cuando ha experimentado un crecimiento vertiginoso que ha transformado el concepto en una realidad para la que constantemente se hallan nuevas aplicaciones y mercados. Como no podía ser de otra manera, ciencias tan relevantes para el ser humano como la biología y la medicina no han quedado al margen del proceso expansivo de la nanotecnología, de manera que, en la actualidad, son numerosas las aplicaciones nano que se estudian en varios de los mejores laboratorios bio del mundo.

Cuando las dimensiones de la materia se reducen a la escala nanométrica, esto es, abandonamos el mundo macroscópico cotidiano, las leyes de la física tal y como las conocemos en este dejan de ser válidas. Abandonamos la física de Newton o Einstein y nos adentramos en el universo de la mecánica cuántica y las propiedades “mágicas” que esta impone. Veamos un ejemplo: el oro es un material diamagnético inerte ante la presencia de un campo magnético; sin embargo, cuando tomamos una fracción nanométrica de ese mismo elemento, el nanomaterial resultante presenta actividad magnética (y esto “únicamente” por el hecho de haber reducido sus dimensiones). Junto con la aparición de estas nuevas propiedades, los nanomateriales presentan otra característica que les hace idóneos para su uso en el ámbito biosanitario. Los nanomateriales son materiales con tamaños en el rango de 1 a 100 nm. Dado que la mayoría de macromoléculas y agentes biológicamente activos, tales como virus, complejos proteínicos o membranas, son nanoestructuras naturales, se asume que los materiales nanoestructurados serán capaces de establecer una mejor interacción con los principales ladrillos de la vida.

En la actualidad son muchas y diferentes las aplicaciones que los nanomateriales tienen en el ámbito de la salud, tanto a nivel de diagnosis como de terapéutica. Entre las que son ya una realidad, podemos destacar:

  • Nanosensores que circulan dentro del cuerpo para monitorizar los niveles de glucosa, colesterol u hormonas.
  • Nanopartículas inteligentes que buscan una localización específica dentro del cuerpo humano para suministrar con precisión una dosis programada de medicamento en dicha localización.
  • Nanopartículas que destruyen microbios resistentes a los antibióticos.
  • Armazones tridimensionales (scaffolds) nanoestructurados para crecimiento de nuevo tejido y órganos humanos.
  • Nanopartículas para destrucción de células tumorales vía calentamiento (Hipertermia).
  • Nanomateriales para la separación y purificación de moléculas biológicas y células.
  • Nanomateriales para la mejora del contraste en pruebas de Resonancia Magnética Nuclear.

Si bien todas las líneas anteriores están en pleno auge, las mayores esperanzas están depositadas en las vinculadas al suministro local de medicamentos y a la hipertermia. Los materiales nanoestructurados se han convertido en un mecanismo para el suministro local de macromoléculas en tejidos u órganos de interés. Los nuevos desarrollos en ciencia de materiales y en nanoingeniería están permitiendo la producción de nanocomposites (materiales compuestos de dimensiones nano) biocompatibles que albergan, bien en su interior, bien sobre su superficie, agentes terapéuticos. Para esta aplicación suelen emplearse nanopartículas de origen polimérico cuya superficie es funcionalizada con diversas sustancias: se emplea una capa de origen biológico que asegura la biocompatibilidad de la nanopartícula (por ejemplo, las capas biológicas pueden incluir anticuerpos, biopolímeros como el colágeno, …), si la nanopartícula tiene que unirse a una estructura para realizar su función, se pueden disponer lugares de anclaje de alta especificidad; además, se pueden emplear agentes de contraste que permitan localizar la ubicación de la nanopartícula una vez esta ha sido introducida en el organismo. La figura muestra el esquema de una nanopartícula con algunas de las funcionalizaciones posibles. Actualmente, existen numerosas técnicas para sintetizar diferentes sets de nanopartículas según el tipo de agente terapéutico a usar, y el órgano objeto y el mecanismo de liberación de aquel que se desee emplear.

La quimioterapia es una de las terapias más extendidas en la lucha contra determinados tipos de cánceres. Básicamente, consiste en el empleo de una combinación de medicamentos que destruye las células tumorales o inhibe su proliferación. Sin embargo, este tipo de terapia presenta unos importantes efectos secundarios debidos a que los medicamentos no reconocen el punto exacto en el que deben actuar, esto es, la quimioterapia afecta a todas las células del cuerpo, no sólo a las tumorales. Estas células presentan una serie de receptores específicos en su membrana. El empleo de nanopartículas en cuya superficie se han depositado los ligandos complementarios a aquellos receptores (equivalente a un sistema llave-cerradura) permite la unión de estas a las células tumorales de manera que el suministro del medicamento o agente terapéutico se puede realizar sobre el lugar exacto en el que es requerido, esto es, la célula tumoral.

Esquema de una nanopartícula. Adaptada de (2)

Las células son entidades muy sensibles a las condiciones físico-químicas del ambiente en el que se encuentran de manera que agentes como la temperatura, el pH, etc. pueden modificar drásticamente el desarrollo de sus funciones e incluso producirles la muerte. Esta es la idea que subyace en el empleo de la hipertermia como terapia en la lucha contra el cáncer. En este caso se suelen emplear nanopartículas magnéticas para producir calor bajo un campo magnético alterno vía las pérdidas irreversibles durante el proceso de imanación.

No debe escapar al lector el hecho de que aún hay muchos problemas por resolver e interrogantes que desvelar antes de lograr una implantación completa de estas nuevas terapias en el ámbito sanitario. Cuestiones como la eliminación de las nanopartículas o el deterioro de las propiedades mecánicas de los scaffolds (por ejemplo, en la regeneración del tejido óseo) están por resolver. En este sentido, es fundamental que muchas disciplinas como la física, la química, la microbiología, la biología celular, la ciencia de materiales o la ingeniería, entre otras, trabajen de la mano y contribuyan al diseño, síntesis y fabricación de dispositivos funcionales y biocompatibles a escala nano cada vez mejores.

Referencias

(1) Nanotecnología y biomedicina. A. Ortiz. 2009.
(2) Biodegradable nanoparticles are excellent vehicle for site directed in-vivo delivery of drugs and vaccines. A. Mahapatro. 2011.

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