viernes, 27 de enero de 2023

Estimulación de zonas profundas del cerebro mediante nanopartículas piezoeléctricas


 

Algunos problemas neuronales se pueden tratar mediante la estimulación eléctrica con electrodos implantados en zonas profundas del cerebro, pero esta técnica tiene el inconveniente de los efectos secundarios resultantes de la inserción de electrodos.

 

Un equipo de investigadores de la República de Corea y de Estados Unidos reportó que la administración sistémica de nanopartículas piezoeléctricas que producen óxido nítrico (NO) genera corriente directa bajo la acción de un campo ultrasónico de alta intensidad enfocado en una zona específica.

 

El efecto de las nanopartículas piezoeléctricas de generar corriente directa al deformarse por la acción de ultrasonido es conocido; el reto fue cómo introducir las nanopartículas a través de la barrera hematoencefálica in vivo. Los autores utilizaron el potencial que tiene el NO, como radical libre con alta reactividad, para abrir la barrera hematoencefálica. El NO se liberó de un  sistema multifuncional N,N’-diN,N’-dinitroso-1,4 fenilenediamina (BNN6)  y las nanopartículas piezoeléctricas utilizadas fueron de titanato de bario recubiertas con polidopamina (pDA). Bajo la acción de ultrasonido, estas nanopartículas efectivamente liberaron NO y produjeron una corriente directa que, a su vez, propició mecanismos de producción del neurotransmisor dopamina. Así, los autores lograron estimular exitosamente el tejido profundo del cerebro de un ratón y aminorar sus manifestaciones de la enfermedad de Parkinson.

 

En este trabajo se verificó el papel crucial de la apertura temporal de la barrera hematoencefálica mediada por NO y se demostró, en un modelo animal, que las partículas piezoeléctricas pueden reducir los síntomas de la enfermedad de Parkinson sin causar toxicidad evidente. Esta estrategia podría inspirar el desarrollo de otras terapias mínimamente invasivas para enfermedades neurodegenerativas.

Más detalles en: Nature Biomedical Engineering

jueves, 26 de enero de 2023

Estados de polarización múltiple inducidos por deslizamiento de capas en ferroeléctricos bidimensionales


 

La familia de materiales ferroeléctricos, cuyas polarizaciones espontáneas pueden conmutarse mediante campos eléctricos, ha crecido significativamente e incluye óxidos con estructura de perovskita, perovskitas híbridas, compuestos orgánicos, entre muchos otros. Los ferroeléctricos han mostrado un tremendo potencial industrial en aplicaciones tales como memoria no volátil, actuadores, transistores de efecto de campo de capacitancia negativa y en dispositivos fotovoltaicos como celdas solares. Muy en particular, los ferroeléctricos 2D han atraído considerable atención en la comunidad científica y tecnológica en los últimos años.

 

Cuando capas atómicas, conformando una estructura de van der Waals no centrosimétrica, se deslizan entre sí, la transferencia de carga entre las capas en la interfaz da como resultado una inversión (conmutación) de la polarización espontánea de la estructura. Este fenómeno se conoce como ferroelectricidad por deslizamiento y es marcadamente diferente a los mecanismos de conmutación en ferroeléctricos convencionales basados en el desplazamiento de iones.

 

Investigadores de China y Singapur reportaron un nuevo formato para controlar la ferroelectricidad por deslizamiento mediante la dependencia de capas. Los autores fabricaron transistores de efecto de campo de doble puerta conteniendo, como elemento dieléctrico-ferroeléctrico, empaquetamientos de varios espesores de capas de MoS2 en un arreglo romboédrico (3 R MoS2). En tales dispositivos, obtuvieron estados anómalos de la polarización intermedia en las multicapas 3 R MoS2 (diferente a las bicapas hexagonales 2 H). Mediante cálculos ab initio utilizando la teoría de funcional de la densidad, proponen un modelo generalizado para describir el proceso de conmutación ferroeléctrica en las multicapas 3 RMoS2 y para explicar la formación de estos estados de polarización intermedios.

 

El trabajo revela el papel crítico que juegan tanto el número de capas como el acoplamiento dipolar entre las capas en la ferroelectricidad por deslizamiento. Los resultados aportan una nueva estrategia para el diseño de nuevos dispositivos ferroeléctricos deslizantes.

 

El trabajo fue publicado en Nature Communications

lunes, 28 de noviembre de 2022

Modulación magnetotérmica del crecimiento de células nerviosas dependientes del calcio



El daño a los nervios conduce a discapacidades que afectan gravemente la calidad de vida. Los tratamientos disponibles no garantizan la regeneración completa de los nervios dañados ni la restauración de la función. La cirugía es invasiva e implica la implantación de autoinjertos diseñados para cerrar los espacios entre las terminaciones nerviosas. Sin embargo, tampoco proporciona una regeneración completa. El campo emergente de la neuromodulación magnética mediada por nanopartículas magnéticas (NPM) aprovecha una susceptibilidad magnética diminuta y la baja conductividad de los tejidos biológicos para enviar estímulos de forma inalámbrica a las células en las profundidades del cuerpo. Las NPM pueden diseñarse para convertir campos magnéticos en distintos estímulos físicos, incluidos calor, fuerza y cambios químicos detectados por el mecanismo de señalización celular.

 

Usando síntesis organometálica, los autores obtuvieron NPM monodispersas recubiertas con ácido oleico, de 21 ± 1 nm de diámetro (Fig. 1b). Luego las recubrieron con una capa adicional de copolímero de bloque anfifílico con un espesor promedio de 4 nm, para conferir biocompatibilidad a las NPM en condiciones fisiológicas. Los autores sugieren que el ingreso de Ca2+ a las células neuronales en desarrollo contribuye a su crecimiento acelerado. Para probar esta hipótesis, se aplicó la estimulación magnetotérmica remota de un canal iónico termosensible, lo que provoca la entrada de Ca2+. La cuantificación de la elongación de los procesos neuronales -las dendritas y el axón- en presencia de NPM disipadores de calor reveló un aumento en el crecimiento después de la estimulación. El estudio in vitro tuvo como objetivo demostrar el potencial de la estimulación magnetotérmica como un medio para acelerar el crecimiento de las células neuronales y ofrecer información sobre el mecanismo que subyace a este efecto.

 

Se espera que la investigación futura se beneficie de la aplicación de esta tecnología in vivo en modelos de trauma.

 

Publicado recientemente en Advanced Functional Materials

jueves, 24 de noviembre de 2022

Crecimiento controlado de nanopartículas no esféricas


 

Físicos de universidades y centros de investigación de la República de Uzbekistán y de la Federación Rusa desarrollaron una técnica para el crecimiento de nanopartículas no esféricas mediante la implantación de iones.

 

Los investigadores sintetizaron nanopartículas plasmónicas de cobre mediante el bombardeo de un haz de iones de Cu sobre la capa superficial de una cerámica transparente nanocristalina del compuesto MgAl2O4con estructura de espinela, escogido por su resistencia a la radiación. El disco cerámico se fabricó empleando el prensado uniaxial en caliente utilizando nanopolvos de MgAl2O4. La cerámica fue bombardeada con el haz perpendicular a la superficie, con una dosis de 1 X 1017 iones de Cu+2 por cm2 en una atmósfera de Ar.

 

Las cerámicas modificadas fueron tratadas térmicamente paso a paso y simultáneamente se realizó el análisis óptico en cada etapa mediante la obtención de espectros de absorción empleando luz monocromática polarizada. Se observó que se sintetizaron nanopartículas plasmónicas elipsoidales, orientadas a lo largo del flujo de iones, durante el bombardeo. El uso de luz polarizada permitió determinar que, durante la implantación, la dirección del flujo iónico incidente ejerce una atracción sobre las nanopartículas plasmónicas. Desarrollaron un modelo matemático, demostrando que la formación de las nanopartículas elipsoidales se debe a la implementación de procesos competitivos de difusión de iones y una mayor actividad de enlaces químicos en la superficie curva de la nanopartícula.

 

Al cambiar la forma de las nanopartículas de esféricas a no esféricas, se aumenta el rango de absorción óptica. Esto, a su vez, es la base para una mayor conversión de energía absorbida en electricidad o calor. Como resultado, se pueden obtener sensores más funcionales y aumentar su rango de sensibilidad. Asimismo, si estas nanopartículas se incrustan en láseres, la potencia de los láseres aumentará. 

 

Una descripción de la tecnología y los resultados de los primeros experimentos fueron publicados en el Journal of Physics and Chemistry of Solids.

 

Más información en Nanotechnology News.

lunes, 7 de noviembre de 2022

Desarrollo de óxidos mixtos Al2O3-Y2O3 para la deshidratación catalítica de alcoholes derivados de la biomasa


 

Se espera que en 10 años la tecnología para el aprovechamiento de biomasa permita sustituir del 10 al 15 % de los químicos básicos provenientes de fuentes fósiles por aquellos provenientes de la biomasa. 

 

Entre estos químicos se encuentra el isopropanol (2-propanol). Este alcohol puede servir como base para obtener otros productos químicos básicos como propeno o acetona mediante la deshidratación o deshidrogenación del 2-propanol, respectivamente. La ocurrencia de una u otra  reacción dependerá de la razón acidez/basicidad del catalizador utilizado, por lo que modular está propiedad constituye una herramienta muy importante para ajustar la selectividad. El uso de óxidos mixtos ha mostrado ser una estrategia efectiva para modular tales propiedades.

 

Un grupo de científicos del CNyN, del CICESE y de la Universidad de Tabasco de México, estudió la transformación de isopropanol utilizando catalizadores de óxidos mixtos binarios de Al2O3-Y2O3. Congruentemente, los experimentos demostraron que con el ajuste del porcentaje en peso de Y2O3 (0, 25, 50, 75 y 100 %) se modifican las propiedades texturales y electrónicas, la morfología y la estructura cristalina.

 

En cuanto a la morfología, se encontró que la muestra de alúmina estaba compuesta por nanovarillas que forman microesferas huecas tipo erizo. En cambio, los óxidos mixtos Al2O3-Y2O3 propiciaron microesferas sólidas, cuyo tamaño mostraba un aumento con el contenido de itria. En contraste, el porcentaje de nanovarillas mostró una disminución con el aumento de itria. Por otro lado, la muestra de itria mostró una morfología completamente distinta compuesta por microplacas y microbastones. Con ello, la morfología esférica se atribuye a la mezcla de fases. Asociado al cambio de morfología, se encontró que el área específica disminuye al aumentar el porcentaje de itria.

 

El trabajo demuestra que los óxidos mixtos Al2O3-Y2O3 son apropiados para regular la selectividad en la transformación a isopropanol. En específico, los óxidos mixtos Al2O3-Y2O3 mostraron un efecto sinérgico para aumentar la basicidad y por lo tanto la selectividad a acetona.

 

El trabajo fue publicado recientemente en Applied Catalysis B: Environmental

martes, 18 de octubre de 2022

Robot de síntesis química habilitado con inteligencia artificial para la exploración y optimización de nanomateriales


 

Los nanomateriales poseen propiedades físicas y químicas únicas, que se pueden controlar mediante su forma y su tamaño. El control de la morfología de los nanomateriales es crucial para ajustar sus propiedades ópticas, eléctricas y magnéticas, sin embargo, a pesar de la disponibilidad de varias rutas sintéticas, encontrar las condiciones óptimas es un gran desafío. Como resultado, la síntesis de nanomateriales a menudo sufre de irreproducibilidad, bajo rendimiento y polidispersidad. 

 

Investigadores de la Universidad de Glasgow, UK, desarrollaron un robot de síntesis química autónoma para la exploración inteligente, el descubrimiento y la optimización de nanoestructuras (AI-EDIDON, del inglés) conducidas por algoritmos de aprendizaje automático, teoría y retroalimentación espectroscópica en tiempo real, que controlan las condiciones de reacción y permiten la creación selectiva de plantillas de reacciones. En particular, la exploración abierta de la síntesis de múltiples pasos mediada por semillas de nanopartículas de oro (AuNP) a través de la caracterización ultravioleta-visible en línea los condujo al descubrimiento de cinco categorías de nanopartículas. La plataforma optimizó las nanoestructuras con las propiedades ópticas deseadas mediante la combinación de experimentos y simulaciones de espectro de extinción para lograr un rendimiento de hasta el 95 %. 

 

El desarrollo de tales arquitecturas robóticas de precisión autónomas capaces de realizar experimentos paralelos, con un sistema de control de lazo cerrado guiado por algoritmos de aprendizaje automático, puede proporcionar un camino viable para abordar la alta dimensionalidad y la sensibilidad a las condiciones de síntesis de nanomateriales.

 

Publicado en Science Advances

martes, 11 de octubre de 2022

Una revisión sobre nanopartículas: tipos, síntesis, caracterización y aplicaciones



Los nanomateriales han ocupado un lugar destacado en los avances tecnológicos modernos en los campos químico, médico, agrícola y otros, debido a sus características físicas, químicas y biológicas, y a la posibilidad de controlarlas fácilmente, en especial cuando se comparan con contrapartes más voluminosas. Los científicos han desarrollado un gran número de metodologías diferentes de producir nuevos nanomateriales, así como de procedimientos para utilizarlos. Existen numerosas fuentes de nanopartículas y materiales nanoestructurados, tanto naturales como fabricados en laboratorios. Uno de los principales nanomateriales que contribuyen a la nanotecnología son las nanopartículas. 


El artículo de revisión clasifica y resume varios métodos para producir nanopartículas a partir de metales, óxidos metálicos, semiconductores, polímeros y otros compuestos. Se propone que los métodos para la síntesis de nanopartículas se dividan en tres grandes grupos: físicos, químicos y biológicos. Se están desarrollando activamente "enfoques verdes", como la síntesis de nanopartículas a partir de extractos de plantas y biomoléculas de microorganismos, que conducen a procesos tecnológicos con toxicidad reducida o nula en comparación con otros métodos. Este artículo de revisión permite comparar nanopartículas y materiales nanoestructurados sintéticos y naturales, comparar sus características a nanoescala e identificar aplicaciones específicas de las nanopartículas y los materiales nanoestructurados.

 

Publicado recientemente en Biointerface Research in Applied Chemistry