Nanopartículas magnéticas

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Las nanopartículas magnéticas son una clase de nanopartículas que pueden ser manipuladas a través de un campo magnético. Tales partículas comúnmente constan de elementos magnéticos tales como hierro, níquel y cobalto y sus compuestos químicos. Mientras que las nanopartículas son más pequeñas que 1 micrómetro de [[diámetro (típicamente 5-500 nanómetros), las microperlas más grandes son 0,5-500 micrómetros de diámetro.

Las nanopartículas magnéticas han sido el foco de numerosos estudios recientementes debido a que poseen propiedades atractivas que podrían ver su posible aplicación en catálisis, incluyendo catalizadores basados en nanomateriales,[1]​ biomedicina,[2]​resonancia magnética,[3]​[4]​ almacenamiento de datos,[5]​ remediación ambiental,[6]​ nanofluidos,[7]​ y filtros ópticos,[8]​ Sensor defecto[9]​ y sensores de cationes.[10]​

Propiedades

Las propiedades físicas y químicas de las nanopartículas magnéticas dependen en gran medida del método de síntesis y de la estructura química. En la mayoría de los casos, las partículas varían de 1 a 100 nm de tamaño y pueden mostrar superparamagnetismo.[11]​

Tipos de nanopartículas

Nanopartícula de cobalto, recubierta con grafeno es uno de los tipos de nanopartículas magnéticas que se utilizan actualmente en química magnética.

Hay tres tipos principales de nanopartículas, que se analizan a continuación.

Óxidos: ferritas

Estas nanopartículas magnéticas son las más exploradas. Una vez que las partículas de ferrita se hacen más pequeñas que 128 nm[12]​ se convierten en superparamagnéticas, lo que impide la auto aglomeración ya que exhiben comportamiento magnético sólo cuando se aplica un campo magnético externo. De esta manera, la remanencia cae de nuevo a cero. Al igual que las nanopartículas de óxidos no magnéticos, la superficie de las nanopartículas de ferrita a menudo se modifica por tensioactivos, siliconas o derivados de ácido fosfórico para aumentar su estabilidad en solución.[13]​

Metálicas

Las nanopartículas metálicas tienen la gran desventaja de ser pirofóricas y reactivas en presencia de agentes oxidantes a diferentes niveles. Esto hace difícil su manejo ya que provocan reacciones secundarias no deseadas.

Metálicas recubiertas

El núcleo metálico de las nanopartículas magnéticas puede ser atenuado por oxidación suave, aplicación de tensioactivos, polímeros, y metales preciosos.[11]​ En un entorno de oxígeno, las nanopartículas de cobalto forman una capa de óxido de cobalto anti-ferromagnético en la superficie de la nanopartícula. Se ha explorado además, el efecto de la síntesis y el sesgo de cambio en estas nanopartículas con cobertura de óxido y una capa exterior de oro.[14]​ Las nanopartículas con un núcleo magnético que consiste en hierro elemental o cobalto con una envoltura no reactiva hecha de grafeno, se han sintetizado en la actualidad.[15]​ Las ventajas en comparación con las nanopartículas de ferrita o elementales son:

  • Magnetización superior.
  • Mayor estabilidad en solución ácida y básica, así como en disolventes orgánicos.

Síntesis

Co-precipitación

Es una manera fácil y conveniente para sintetizar los óxidos de hierro (Fe3O4 y Fe2O3), a partir de soluciones acuosas de Fe2+ / Fe3+, mediante la adición de una base bajo atmósfera inerte a temperatura ambiente o a temperatura elevada.

El tamaño, la forma, y la composición de las nanopartículas magnéticas depende en gran medida del tipo de sales utilizadas (sulfatos, nitratos), la relación Fe2+ / Fe3+, la temperatura de reacción, el valor pH y la fuerza iónica.[16]​ Una variedad de disposiciones experimentales han sido reportadas para facilitar la co-precipitación continua de partículas magnéticas por mezcla rápida.[17]​[18]​ Se ha medido la tasa de crecimiento de las nanopartículas magnéticas en tiempo real durante la precipitación de nanopartículas de magnetita, a través de un susceptómetro magnético integrado, dentro de la zona de mezcla de los reactivos.[19]​

Descomposición térmica

Es posible sintetizar nanocristales magnéticos con un tamaño más pequeño a través de la descomposición térmica de compuestos organometálicos, en disolventes orgánicos de alto punto de ebullición que contienen tensioactivos estabilizadores.[11]​

Microemulsión

Utilizando esta técnica y partiendo de cobalto metálico, aleaciones de cobalto/platino, y nanopartículas de cobalto/platino recubiertas de oro, se han sintetizado en micelas inversas de bromuro de cetil-trimetil-amonio, usando 1-butanol como el co-tensioactivo, y octano en fase oleosa.[11]​[20]​

Síntesis de pulverización a la llama

El uso de la pirólisis[11]​ de aspersión por llama[21]​ y la variación de las nanopartículas recubiertas en condiciones de reacción, producen óxidos metálicos[11]​ o de carbono estabilizadores,[11]​ a una velocidad de 30 gramos por hora.

Various flame spray conditions and their impact on the resulting nanoparticles
Various flame spray conditions and their impact on the resulting nanoparticles
Operational layout differences between conventional and reducing flame spray synthesis
Operational layout differences between conventional and reducing flame spray synthesis

Aplicaciones

Una amplia variedad de aplicaciones se han visto para esta clase de partículas que incluyen:

Diagnóstico y tratamiento médico

Las nanopartículas magnéticas se utilizan en un tratamiento experimental contra el cáncer llamado hipertermia magnética,[22]​ en el que se utilizan las nanopartículas para generan calor cuando se colocan en un campo magnético alternante.

Ligandos de afinidad como el factor de (crecimiento epidérmico (EGF)), el ácido fólico, aptámeros lectinas, etc. se puede unir a la superficie de las nanopartículas magnéticas con el uso de diferentes composiciones químicas. Esto permite la focalización de nanopartículas magnéticas en los tejidos específicos de la célula.[23]​ Esta estrategia se utiliza en la investigación del cáncer para atacar y tratar tumores en combinación con la hipertermia magnética o nanopartículas que transporten medicamentos contra el cáncer.

Otro posible tratamiento del cáncer incluye fijar nanopartículas magnéticas a las células cancerosas de libre flotación, lo que les permite ser capturadas y llevadas fuera del cuerpo. El tratamiento ha sido probado en el laboratorio con ratones y será examinado en estudios de supervivencia.[24]​[25]​

Las nanopartículas magnéticas se pueden utilizar para la detección de cáncer. La sangre puede ser insertada en un chip de microfluidos con nanopartículas magnéticas en el mismo. Estas nanopartículas magnéticas están atrapados en el interior debido a un campo magnético aplicado externamente y la sangre es libre de fluir a través. Las nanopartículas magnéticas se recubren con anticuerpos dirigidos a las células cancerosas o proteínas. Las nanopartículas magnéticas pueden ser recuperadas y las moléculas asociadas a cáncer pueden ser analizadas para nuevas pruebas.

Las nanopartículas magnéticas se pueden conjugar con hidratos de carbono y se utilizan para la detección de bacterias. Partículas de óxido de hierro se han utilizado para la detección de bacterias Gram negativas como Escherichia coli y para la detección de bacterias Gram positivas como Streptococcus suis.[26]​[27]​

En un artículo en línea de la Escuela de Medicina de Harvard, publicado por Jake Miller el 21 de marzo de 2012:

Los investigadores de la Escuela de Medicina de Harvard y el Hospital General de Massachusetts han desarrollado una nanopartícula magnética basada en MRI técnica para predecir si una persona con predisposición genética a la diabetes desarrollarán o no la enfermedad. Se inició la prueba en ratones, los datos preliminares muestran que la plataforma se puede utilizar en las personas y, se podrá ver si los pacientes no tienen inflamación de páncreas. "Esta investigación trata de predecir la diabetes tipo 1, y poder predecir o averiguar lo que es diferente entre los que la contraen y los que no", dijo Diane Mathis, Morton Grove-Rasmussen Profesor de Inmunohematología en el Departamento de Microbiología e Inmunología y, junto con Christophe Benoist, Morton Grove-Rasmussen Profesor de Inmunohematología, co-autor principal del artículo. Los resultados fueron publicados en línea en Nature Immunology, el 26 de febrero de 2012. De acuerdo con el primer autor Wenxian Fu, un investigador en el laboratorio Mathis-Benoist, el grupo se sorprendió de que la ventana de diagnóstico de seis a 10 semanas de edad fuera tan breve. Esto demuestra que la progresión de la enfermedad, al menos en este modelo animal, se determina a muy temprana edad, y que la diabetes no requiere un gatillo para su activación, tal como una infección secundaria o estrés ambiental ...
Jake Miller[28]​

Inmunoensayo magnético

El inmunoensayo magnético[29]​ (MIA) es un nuevo tipo de inmunoensayo de diagnóstico que utiliza nanoperlas magnéticas como etiquetas en lugar de enzimas, radioisótopos o restos fluorescentes. Este ensayo consiste en la unión de un anticuerpo a un antígeno, donde una etiqueta magnética se conjuga a un elemento del par específico. La presencia de nanoperlas magnéticas se detecta por un lector magnético magnetómetro, que mide el cambio de campo magnético inducido por las perlas. La señal medida por el magnetómetro es proporcional al analito (virus, toxina, bacterias, marcador cardiaco, etc.). La cantidad debe ser la muestra inicial.

Tratamiento de aguas residuales

Gracias a la fácil separación mediante la aplicación de un campo magnético y el volumen de superficie es muy grande, las nanopartículas magnéticas tienen un gran potencial para el tratamiento de agua contaminada...[30]​ En este método, la unión de los quelantes EDTA como para nanoimanes de metal resultan recubiertos de carbono en un reactivo magnético para la rápida eliminación de metales pesados en solución o agua contaminada, a concentraciones tan bajas como microgramos por litro. Las nanoperlas magnéticas o grupos de nanopartículas compuestas por óxido y aprobadas por la FDA son nanopartículas superparamagneticas (por ejemplo maghemita, magnetita) tienen un gran potencial para el tratamiento de aguas residuales, ya que expresan excelente biocompatibilidad, en relación con los impactos ambientales de materiales como nanopartículas metálicas.

Química

Las nanoparticulas magnéticas tienen un gran potencial como catalizadores o soportes de catalizador.[31]​ En química, el soporte de catalizador es un material, por lo general un sólido con una superficie de área alta, a la que se fija un catalizador. La reactivada de un catalizador heterogéneo se produce en la superficie de los átomos. En consecuencia se hace un gran esfuerzo para mejorar el área de contacto en la catálisis distribuyéndolo sobre el soporte. El soporte puede ser inerte o participar en las reacciones catalíticas. Los soportes típicos pueden ser de carbono, alumina, y sílice.

Imágenes biomédicas

Hay muchas aplicaciones para nanoparticulas a base de óxido de hierro en concreto con imágenes de resonancia magnética.[32]​ nanopartículas magnéticas de CoPt están siendo usadas como agentes de contraste MRI para trasplantado de células madre neuralesy su detección.[33]​

Almacenamiento de información

La investigación utiliza nanopartículas magnéticas para hacer para hacer grabación magnética. El candidato más prometedor para el almacenamiento de alta densidad es la aleación de FePt en la fase tetragonal, centrada en las caras,(con tamaños de 3 nanómetros). Si se logra modificar las nanopartículas magnéticas en esta escala tan pequeña, la densidad de información que se podría lograr superaría fácilmente 1 terabyte por pulgada cuadrada.[34]​

Ingeniería genética

Las nanopartículas magnéticas tienen una amplia variedad de aplicaciones genéticas. Una de ella es el aislamiento de mRNA. Esto se puede hacer rápidamente, alrededor de 15 minutos. En esta aplicación la perla magnética se une a una cola T poli. Cuando se mezcla con el mRNA, la cola A poli del mRNA adjunta a las perlas magnéticas en la cola T poli, se lleva a cabo el aislamiento mediante la colocación de un iman al lado del tubo y vertiendo el líquido. Así mismo estas perlas magnéticas se ha usado para el montaje plásmido. Estas perlas se usan también como anclas, en cadenas genéticas de crecimiento, esto se logra mediante la construcción secuencial de genes. Este método a resultado muy efectivo ya que en menos de una hora se ha logrado crear construcciones multifuncionales de genes in vitro.[35]​

Toxicidad de las nanopartículas magnéticas

Tras su inyección intravenosa, las nanopartículas se acumulan mayormente en el hígado (del 80% al 90%), en el bazo (del 5% al 8%) y en la medula ósea (del 1% a 2%). Aunque si se las inhala también se las puede encontrar en el cerebro y los pulmones. La citotoxicidad se ha evaluado en estudios in vitro. Las nanoparticulas se acumulan intracelularmente e incluso pueden encontrarse en orgánulos subcelulares como la mitocondria y el núcleo, por lo que pueden llegar a interferir en procesos como la producción de energía mitocondrial o la expresión de genes. De estas las más biocompatibles son las de óxido de hierro, en las que apenas se han visto efectos negativos. [36]​

Transporte de fármacos

Hasta el presente, la mayor desventaja de los tratamientos que implican transporte de drogas o radioisótopos, es la inadecuada distribución de los medicamentos en el cuerpo. Las drogas terapéuticas se administran en forma intravenosa y por lo tanto se distribuyen en el torrente sanguíneo, con el consecuente efecto no deseando de que atacan a todas las células, incluidas las sanas.

A fines de la década de los años 1970, científicos dedicados a este tema propusieron usar portadores magnéticos con el fin de atacar sitios específicos dentro del cuerpo humano, como por ejemplo un tumor cancerígeno. El objetivo era lograr una mayor localización de la droga para disminuir los efectos colaterales y la dosis aplicada. En una terapia dirigida magnéticamente, una droga citotóxica se enlaza a una nanopartícula magnética y biocompatible. Cuando las partículas han entrado en el torrente sanguíneo se aplica un campo magnético externo para concentrar el ferrofluido en algún sitio específico del cuerpo. Una vez localizada la célula problema, la droga puede liberarse por medio de alguna actividad enzimática, por cambios en las condiciones fisiológicas o bien por variación de temperatura, y ser absorbida por el órgano o célula afectada.[37]​

Véase también

Referencias

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