Síntesis y aplicaciones de nanopartículas poliméricas, con énfasis en nanofibras | Apuntes de Biofísica

Síntesis y aplicaciones de nanopartículas

poliméricas, con énfasis en nanofibras.

Rodríguez Matildes Ameyalli,1 Rodríguez Ruíz Andrea.1

1Universidad Autónoma Metropolitana, Unidad Cuajimalpa. Licenciatura en Biología

Molecular, Nanociencias Dr. Arturo Abreu Corona.

Objetivo del proyecto: Conocer las propiedades, aplicaciones y funciones de nanofibras

sintetizadas mediante polímeros, utilizando los métodos de emulsión de Pickering y Electrospinning.

Introducción

En las nuevas prácticas como la nanotecnología que se podría definir como la disciplina centrada

en el estudio, diseño, síntesis, manipulación y aplicación de materiales, aparatos y sistemas

funcionales, mediante el control de la materia a nanoescala y hacer uso de sus propiedades; ésta

ha sido de gran interés en los últimos años ya que esta ha logrado la optimización de materiales

existentes tanto en la formación de nuevos compuestos, el tratamiento de diversas enfermedades

o incluso su prevención; los elementos que hacen posible esta práctica son los nanomateriales que

se definen como aquellos que se encuentran en la escala nanométrica entre 1 y 100 nm (1).

Las nanopartículas se comenzaron a utilizar desde el siglo IX con el fin de generar efectos

resplandecientes sobre la cerámica por los artesanos de Mesopotamia. Las primeras ideas sobre

la nanotecnología comenzaron por el físico Richard Feynman donde sintetizo uno de los primeros

materiales, una suspensión de nanopartículas de oro; en 1856 preparo oro coloidal lo cual lo llamo

“metal dividido” y posteriormente a las nanopartículas las denomino como “estado de oro dividido”.

Llevo a cabo una charla en el año 1959 titulada "Hay mucho espacio en el fondo” (“There’s plenty

of room at the bottom”) donde realizo una importante contribución al desarrollo de la nanotecnología

donde demostró que, con las leyes de la física conocidas en ese momento, la nanotecnología era

posible. Posteriormente, propuso una serie de ideas para lograr miniaturizaciones de dispositivos.

Entre ellas, la posibilidad de disponer los átomos individualmente de la forma que deseemos (3).

Existen diversas clasificaciones de los nanomateriales, entre ellas se encuentran por su naturaleza

química: orgánicos (fullerenos, grafeno, nanotubos de carbono, nanopartículas poliméricas,

nanofibras poliméricas, nanocristales) e inorgánicos (Quantum dots, nano wires, Nanotubos

inorgánicos, Nano partículas de oro, plata, platino, cobre, aluminio y nano rods); o por sus

dimensiones: 0D, 1D, 2D, 3D (Tabla 1) (4).

Vista previa parcial del texto

¡Descarga Síntesis y aplicaciones de nanopartículas poliméricas, con énfasis en nanofibras y más Apuntes en PDF de Biofísica solo en Docsity!

Síntesis y aplicaciones de nanopartículas

poliméricas, con énfasis en nanofibras.

Rodríguez Matildes Ameyalli,^1 Rodríguez Ruíz Andrea.^1

1 Universidad Autónoma Metropolitana, Unidad Cuajimalpa. Licenciatura en Biología

Molecular, Nanociencias Dr. Arturo Abreu Corona.

Objetivo del proyecto: Conocer las propiedades, aplicaciones y funciones de nanofibras sintetizadas mediante polímeros, utilizando los métodos de emulsión de Pickering y Electrospinning. Introducción En las nuevas prácticas como la nanotecnología que se podría definir como la disciplina centrada en el estudio, diseño, síntesis, manipulación y aplicación de materiales, aparatos y sistemas funcionales, mediante el control de la materia a nanoescala y hacer uso de sus propiedades; ésta ha sido de gran interés en los últimos años ya que esta ha logrado la optimización de materiales existentes tanto en la formación de nuevos compuestos, el tratamiento de diversas enfermedades o incluso su prevención; los elementos que hacen posible esta práctica son los nanomateriales que se definen como aquellos que se encuentran en la escala nanométrica entre 1 y 100 nm (1). Las nanopartículas se comenzaron a utilizar desde el siglo IX con el fin de generar efectos resplandecientes sobre la cerámica por los artesanos de Mesopotamia. Las primeras ideas sobre la nanotecnología comenzaron por el físico Richard Feynman donde sintetizo uno de los primeros materiales, una suspensión de nanopartículas de oro; en 1856 preparo oro coloidal lo cual lo llamo “metal dividido” y posteriormente a las nanopartículas las denomino como “estado de oro dividido”. Llevo a cabo una charla en el año 1959 titulada "Hay mucho espacio en el fondo” (“ There’s plenty of room at the bottom”) donde realizo una importante contribución al desarrollo de la nanotecnología donde demostró que, con las leyes de la física conocidas en ese momento, la nanotecnología era posible. Posteriormente, propuso una serie de ideas para lograr miniaturizaciones de dispositivos. Entre ellas, la posibilidad de disponer los átomos individualmente de la forma que deseemos (3). Existen diversas clasificaciones de los nanomateriales, entre ellas se encuentran por su naturaleza química: orgánicos (fullerenos, grafeno, nanotubos de carbono, nanopartículas poliméricas, nanofibras poliméricas, nanocristales) e inorgánicos ( Quantum dots, nano wires, Nanotubos inorgánicos, Nano partículas de oro, plata, platino, cobre, aluminio y nano rods ); o por sus dimensiones: 0D, 1D, 2D, 3D (Tabla 1) (4).

Tabla 1. Clasificación de nanomateriales por sus dimensiones Estructura Definición Nanomaterial cuántico Cero dimensional (0D) Las tres dimensiones (x, y, z) <100 nm. Los electrones están confinados en las tres dimensiones. Fullereno, partículas coloidales, puntos cuánticos (Qdots), nanoclusters , nanopartículas de plata y oro. Unidimensional (1D) Dos dimensiones <100nm.Los electrones están confinados en dos dimensiones. Nanocables, nanotubos, nanofibras, nanovarillas, fibras poliméricas Bidimensional (2D) Una dimensión <100nm.Los electrones están confinados en una dirección Monocapas, películas poliméricas, y películas multicapa. Tridimensional (3D) Ninguna dimensión <100nm.Los electrones no están confinados y pueden moverse libremente Policristales, nanobolas, nanoflores. Las nanofibras son fibras con un tamaño <500 nm son caracterizadas por ser ultrafinas, con diversos usos y con propiedades particulares como la flexibilidad, tenacidad y resistencia a la tracción. pertenecen al grupo de nanopartículas poliméricas donde también se encuentran las nanocápsulas y las nanoesferas; que han sido ampliamente estudiados debido a su importancia clínica, e importancia en el campo de la administración de fármacos ya que tienen la capacidad de suministrar diversos compuestos para las diferentes vías de administración por periodos de tiempo sostenidos. Un polímero es una macromolécula compuesta de N unidades de repetición y los más utilizados son poli (ácido láctico) (PLA), poli (ácido glicólico) (PGA), que tienen la característica de ser biocompatibles y la posibilidad que tienen para manipular la tasa de degradación y por lo tanto la velocidad de liberación de fármacos y de manera controlada, así como su eficiencia de encapsulación. Existen diversos métodos para la preparación de nanopartículas poliméricas que permiten el encapsulamiento de moléculas hidrófobas e hidrófilas. Entre los métodos de síntesis más utilizados

Método de doble o múltiple emulsión consiste en que un fármaco y un surfactante se disuelven en agua; la emulsión se produce por la dispersión de la fase acuosa en un disolvente orgánico donde contienen un polímero disuelto, es decir se produce una re-emulsificación donde se formó una nueva fase acuosa conteniendo también surfactante; se elimina el disolvente y posteriormente la recolección de las nanopartículas como la técnica anterior. Método de difusión de emulsificación se utiliza un solvente parcialmente soluble en agua, como por ejemplo acetona o carbonato de propileno, los polímeros y los compuestos bioactivos se disuelven en el disolvente y posteriormente se emulsionan en la fase acuosa donde contiene el estabilizador que evita la agregación de las gotas en la emulsión. Por último, se agrega agua a la emulsión para que se disuelva el solvente y se precipitan las nanopartículas. Método de Nanoprecipitación con esta técnica los fármacos y el polímero de disuelven en acetona y se añaden a una solución acuosa que contiene tensioactivos, posteriormente la acetona es evaporada y las nanopartículas permanecen en la suspensión acuosa. Figura 1. Métodos de síntesis de nanopartículas poliméricas. Representación esquemática los principales métodos de síntesis. A) Emulsión/ evaporación. B) Difusión de emulsificación. C) Nanoprecipitación. Electrospinning Una solución polimérica previamente preparada se carga en una jeringa conectada a una aguja, una bomba de infusión se conecta a la jeringa para que la solución sea extraída con una velocidad de flujo constante. Se aplica un campo eléctrico para que la solución se estire hacia el plato colector (9).

El montaje para Electrospinning (Figura 2 ) consta de:

Un capilar, por el cual se expulsa la solución polimérica, que puede ser una aguja.
Una fuente de alto voltaje, con dos electrodos que se conectaran a la fuente de salida y al plato de recolección (campo eléctrico de 15-30 kV).
Plato colector (lamina de metal conductor), donde se depositarán las fibras después de la evaporación del disolvente. Olvera et al. (2013) sintetizaron nanofibras con una solución polimérica preparada con PEO, Nylon- 6 y polipirrol soluble en agua. Como solvente utilizaron cloroformo y ácido fórmico. Las condiciones de reacción utilizadas fueron: temperatura ambiente, concentración del polímero 10%, voltaje 15 kV, velocidad de flujo 2 mL/h, distancia de la aguja al colector 12 cm y diámetro interno de la aguja 0.6mm. Las técnicas de caracterización que utilizaron para las nanofibras fueron: microscopia electrónica de barrido, Espectroscopía FTIR y difracción de rayos X (8). Solución 1: Se disolvió, 1 mL de polipirrol +16 g de PEO en 10 mL de cloroformo. Solución 2: Se disolvió 1 g de Nylon-6 en 10 mL de ácido fórmico. Mezclaron las solucion 1 por agitación magnética durante 2 horas. Se agrego la solución 2 y se agitó 1 hora. Se recolectaron las fibras en un dispositivo rotatorio. Se observaron las nanofibras obtenidas. Figura 2. Ensamblado del sistema de Electrospinning con los parámetros que intervienen en la formación de nanofibras.

Ingeniería textil Una de las aplicaciones más importantes, por ser tan prometedora y estudiada, es la ingeniería textil. Mediante la obtención de fibras de fuentes naturales o sintéticas se hacen textiles con características específicas, estos tienen la capacidad de responder ante estimules eléctricos, mecánicos, térmicos, entre otros, por eso son llamados “tejidos inteligentes”. La finalidad de estos diseños es imitar las características de la naturaleza, por ejemplo, la capacidad de las hojas de evitar que el polvo o el agua se adhieran a ellas. Debido a la gran cantidad de nanocapas que integran las telas, las prendas fabricadas con nanofibras tiene mayor absorción (10, 7). Existen varias clasificaciones de los tejidos inteligentes, según su reacción a estímulos fisicoquímicos como pH. Luz o temperatura, pueden ser pasivos (capacidades aislantes y antimicrobianas), activos (termorreguladores) o muy activos (reacciona y se adaptan a estímulos). De acuerdo con su función pueden dividirse en:

Camaleónicos: cambian de color según las condiciones externas, estímulos como luz calor o electricidad.
Cosmetotextiles: desprenden aromas y generan una sensación de bienestar.
electrónicos: tienen un sistema de conducción debido a la incorporación de materiales conductores o semiconductores.
Terapéuticos: utilizan fibras que fungen como sensores para diagnóstico de enfermedades.
Uso militar: resistentes a cambios climáticos extremos e impacto a armas de fuego. Ingeniería de tejidos Las nanofibras actúan como andamios, son biológicamente activas en extremidades paralizadas se logran mover de nuevo; en un estudio donde se utilizaron ratones con lesiones severas en la medula espinal se buscaba un material que permitiera que dichos ratones recuperaran la movilidad en sus extremidades paralizadas en una cuestión de semanas. Se utiliza la laminina que es una proteína característica del tejido conectivo, induce a que crezcan nuevas extensiones de las células nerviosas durante o posterior a una lesión; se identificó una cadena de cinco aminoácidos en la laminina que se unen a las proteínas de la superficie celular (integrinas receptoras) responsables de mandar la señal de crecimiento hacia la célula. Con este descubrimiento se creó un material biológico que se dominó “péptido anfifilo IKVAV” se organiza en nanoestructuras con una concentración muy alta de péptidos IKVAV (isoleucina, lisina, valina, alanina y valina) en sus superficies, cuando son expuestos a las sales en el cuerpo, las IKVAV-PA se autoacumulan en nanofibras en forma de cilindro (tubo). Estas fibras forman geles cuando son lo suficientemente concentradas. Ratones recibieron una inyección de IKVAV-PA 24 horas después de sufrir una lesión severa de médula espinal que dejó paralizadas sus extremidades posteriores. Donde nueve semanas después algunos de los ratones tratados con nanofibras comenzaron a utilizar de nuevo sus extremidades, después de una lesión en la medula espinal. El andamio bioactivo mejora el crecimiento de extensiones nerviosas (axones) a lo largo de toda la médula espinal, llevando a la recuperación de la sensación y del movimiento. Después de once semanas de la lesión, crecieron nuevas fibras nerviosas a través de la lesión conectando con la médula espinal. Además de promover la supervivencia de las células que ayudan a reparar los nervios dañados (oligodendrocitos) y de mejorar directamente el crecimiento de la extensión nerviosa, las IKVAV-PA suprimieron el crecimiento de células cicatrizantes (astrocitos), reduciendo por lo tanto la formación de cicatriz. El tejido cicatrizante que se forma después de una lesión o cirugía en la médula espinal

impide la regeneración nerviosa. La terapia de nanofibras sería muy útil si se administrara poco después de la lesión, para poder disminuir la formación de tejido cicatrizante y rescatar los nervios dañados mientras sigan vivos (2). Conclusión Las partículas poliméricas principales son nanoesferas, nanocápsulas y nanofibras, de las cuales las más estudiadas son las nanofibras debido a la facilidad de síntesis y los bajos costos. Entre los métodos de síntesis más utilizados están la emulsión de Pickering y Electrospinning. Las nanofibras pertenecen a la clasificación de nanomateriales 1D, y sus propiedades obtenidas por medio de Electrospinning han permitido utilizarse en diversas áreas como la Ingeniería de tejidos, textil, Biomédica como el transporte de fármacos y su liberación controlada. Los parámetros importantes que deben controlarse para obtener las fibras pueden deberse a la técnica, la solución o el ambiente. Las condiciones óptimas son, un voltaje de 15-30 kV, distancia entre aguja y plato colector de 15 cm, y una velocidad de flujo constante. Además, para la caracterización de las fibras se utilizan métodos como Microscopia Electrónica de Barrido, Espectroscopia FTIR y Difracción de Rayos X. Las nanofibras han sido de gran relevancia en los últimos tiempos, ya que tienen múltiples aplicaciones en la vida diaria, por ejemplo, como tejido para “ropa inteligente” y regeneración de tejidos. Bibliografía

Cornejo, L. (2018). Clasificación nano materiales. https://nuevastecnologiasymateriales.com/clasificacion-de-los-nano-materiales/
Nanofibras Biológicamente Activas – Extremidades Paralizadas se Mueven de Nuevo | National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering. (2008). https://www.nibib.nih.gov/espanol/ciencia-highlights/nanofibras-biol%C3%B3gicamente- activas-%E2%80%93-extremidades-paralizadas-se-mueven-de
Urrejola, M., et al. (2018). Sistemas de Nanopartículas Poliméricas II: Estructura, Métodos de Elaboración, Características, Propiedades, Biofuncionalización y Tecnologías de Autoensamblaje Capa por Capa (Layer-by-Layer Self-Assembly). Int. J. Morphol , 36 (4). http://dx.doi.org/10.4067/S0717- 95022018000401463
Colín-Orozco, J., Zapata-Torres, M, Pedroza-Islas, R., & Rodríguez-Gattorno, G. (2013). Crecimiento y caracterización de nanofibras obtenidas a partir de proteína aislada de suero lácteo y oxido de polietileno por la técnica de electrohilado. Superficies y vacío , 26(2), 31-
Kook, B, et. al. (2016). PLA micro- and nano-particles. Elsevier , 107, 176 - 191. https://doi.org/10.1016/j.addr.2016.05.
Long, Y, et. al. (2019). Electrospinning: The setup and procedure. Elsevier. https://doi.org/10.1016/B978- 0 - 323 - 51270 - 1.00002- 9
Pataquiva A., Coba, S. (2018). Producción de nanofibras poliméricas mediante el proceso de electrospinning y su uso potencial. Mutis , 8(1). 17 - 33. http://dx.doi.org/10.21789/22561498.
Olvera, M. et. al. (2013). Procesamiento de micro y nanofibras de polipirrol/óxido de polietileno/nylon-6 por la técnica de electrohilado. Ingeniería Investigación y Tecnología , XIV (4). 575-581 ISSN 1405- 7743
Duque, L. et. al. (2013). Electrospinning: la era de las nanofibras_. Revista Iberoamericana_ de Polímeros , 14(1).

Síntesis y aplicaciones de nanopartículas poliméricas, con énfasis en nanofibras, Apuntes de Biofísica

Documentos relacionados

Vista previa parcial del texto

¡Descarga Síntesis y aplicaciones de nanopartículas poliméricas, con énfasis en nanofibras y más Apuntes en PDF de Biofísica solo en Docsity!

Síntesis y aplicaciones de nanopartículas

poliméricas, con énfasis en nanofibras.

Rodríguez Matildes Ameyalli,^1 Rodríguez Ruíz Andrea.^1

1 Universidad Autónoma Metropolitana, Unidad Cuajimalpa. Licenciatura en Biología

Molecular, Nanociencias Dr. Arturo Abreu Corona.