Nano-inyección electroactiva para la transformación eficiente de células CAR-T

 

La terapia de células T primarias que expresan receptores quiméricos de antígeno (CAR, por sus siglas del inglés chimeric antigen receptor) es una inmunoterapia celular prometedora para tratar trastornos de la sangre y el cáncer. Sin embargo, la ingeniería genética de estas células ha sido un reto debido a la susceptibilidad de las células T a los métodos convencionales de transfección génica.   

Un grupo multidisciplinario de investigadores de Australia y Japón desarrolló una plataforma llamada nano-inyección electroactiva (ENI, por sus siglas del inglés electroactive nanoinjection) para introducir genes en las células T. Utilizaron nanotubos alineados verticalmente para generar un campo eléctrico localizado que induce poros transitorios en la membrana celular. El campo eléctrico producido por los nanotubos disminuye el voltaje requerido para la transfección génica a solo 10 volts, permitiendo una electroporación más suave sin la necesidad de emplear vectores virales. 

En comparación con otros métodos de transfección génica, la plataforma ENI mostró una eficiencia significativamente mayor con un mínimo impacto en la viabilidad celular. Además, en pruebas de laboratorio, las células CAR-T generadas mostraron una supresión efectiva del crecimiento de linfoma en células Raji.

Este descubrimiento tiene un gran potencial en aplicaciones clínicas en inmunooncología. La transfección eficiente y la expresión exitosa de genes CAR en células T primarias humanas abren nuevas posibilidades para el tratamiento del cáncer. La plataforma ENI podría mejorar la eficacia de la terapia con células CAR-T y reducir los efectos secundarios asociados con los métodos convencionales de transfección de genes.

Para mayores detalles, consultar: Advanced Materials 

Crecimiento de macroestructuras 3D de grafeno covalentemente estables que heredan el comportamiento eléctrico de las escalas micro.

 

La nanotecnología enfrenta el desafío de ensamblar nanomateriales para convertirlos en materiales macroscópicos de 3D. Para lograr esto, se requieren interconexiones efectivas y estables entre las unidades nanoestructuradas del ensamble. El grafeno es un nanomaterial muy interesante debido a sus extraordinarias propiedades y aplicaciones que incluyen: almacenamiento de energía, catálisis, electrónica y sensores. Por lo tanto, un objetivo importante de la nanotecnología es desarrollar métodos para construir grafeno 3D, covalentemente estable e interconectado que herede sus extraordinarias propiedades.

 

Un grupo de investigadores de China reportó un novedoso protocolo para el crecimiento covalente, capa por capa,  de una macroestructura 3D de grafeno puro (all-graphene macrostructure, AGM, por sus siglas en inglés). Lo lograron uniendo covalentemente polietersulfona (PES) bajo la irradiación de un láser de CO₂, obteniendo microestructuras 3D de grafeno poroso sin necesidad de introducir catalizadores, templetes o aditivos. El grafeno así obtenido presenta cristalinidad de muy alta calidad. La técnica para producir grafeno inducido por láser, conocida como LIG (laser-induced graphene, LIG, por sus siglas en inglés) se ha aplicado en dispositivos para almacenamiento de energía, micro y nanoelectrónica, entre otros. Esta estrategia sugiere nuevas posibilidades para la construcción de macroestructuras que conserven las propiedades intrínsecas del grafeno en aplicaciones de alto rendimiento.

 

Para mayores detalles, consultar: Advanced Functional Materials

Integración de materiales híbridos ultradelgados de alta constante dieléctrica sobre semiconductores bidimensionales

 

La reducción continua del tamaño de puerta de los transistores de efectos de campo (FETs) de tipo metal-óxido-semiconductor (MOS) basados en el Si se acerca a su límite fundamental. Uno de los retos es reducir el espesor del canal semiconductor para mitigar el efecto de disminuir el largo del canal. Una solución tecnológica para la próxima generación de FETs la brindan los semiconductores bidimensionales (2D) de van der Waals (vdW), como los dicalcogenuros de metales de transición (MoS₂, WSe₂, etc.) y el fósforo negro, los cuales pueden ser crecidos en capas con espesor atómico permitiendo un control de puerta sin precedentes en una arquitectura MOSFET.

Sin embargo, sigue siendo difícil integrar dieléctricos ultra-delgados y uniformes de alto valor de la constante dieléctrica κ en semiconductores 2D para fabricar FETs con mayor capacitancia de puerta.

Con este trabajo, un grupo de investigadores de China reportan una metodología versátil de dos pasos para integrar una película dieléctrica de alta calidad con un espesor de óxido equivalente (EOT, del inglés equivalent oxide thickness) menores a 1 nm sobre semiconductores 2D. Primero, empleando la evaporación térmica, depositaron una capa molecular inorgánica de Sb₂O₃ homogéneamente sobre MoS₂ la cual funciona como capa amortiguadora o mediadora. La capa molecular de Sb₂O₃ forma una interfaz óxido-semiconductor tipo vdW de alta calidad que elimina el carácter hidrofóbico del semiconductor 2D y a la vez, ofrece una superficie altamente hidrófila. Segundo, empleando la técnica de depósito por capas atómicas (ALD), logran crecer películas ultra-delgadas de alta-κ de HfO₂ sobre la capa de Sb₂O₃. 

Usando esta metodología, los investigadores fabricaron FET constituidos por una capa híbrida inorgánica dieléctrica de Sb₂O₃/HfO₂ con un mínimo EOT (0.67 nm) crecida sobre monocapas de MoS₂. Los transistores exhiben una relación de encendido/apagado de más de 106 utilizando un voltaje operativo ultra bajo de 0.4 V, logrando una eficiencia de activación sin precedentes. Sus resultados contribuyen al camino para integrar materiales 2D, dieléctricos y semiconductores, en la fabricación de los próximos dispositivos electrónicos ultra-pequeños de baja potencia.

 

El trabajo fue publicado en Nature Materials.

Control coherente de huecos en orbitales de un punto cuántico semiconductor

 

Las tecnologías necesarias para desarrollar fotónica cuántica demandan fuentes de luz y compuertas lógicas cuánticas. Para esto es necesario contar con pulsos entonables a frecuencias de teraherz y así poder manipular estados electrónicos externos de orbitales para lograr la manipulación coherente de portadores de carga en puntos cuánticos

 

Investigadores de China, Alemania y Reino Unido  crearon un bit cuántico en una nanoestructura semiconductora consistente en una gota epitaxial de GaAs. Usando una transición de energía especial, crearon un estado de superposición en un punto cuántico, un área diminuta del semiconductor, en el que un estado correspondiente a un hueco de un electrón poseé simultáneamente dos niveles de energía diferentes. Tales estados superpuestos son fundamentales para la computación cuántica.

 

En 2021, un equipo de investigación logró por primera vez estimular la transición Auger radiativa en un semiconductor, en la que un electrón se recombina con un hueco, liberando su energía en forma de un solo fotón y  otra parte se transfiere  a otro electrón. El mismo proceso se puede observar entre huecos. En este trabajo se demuestra que, por medio de el proceso Auger radiativo, es posible el control ultrarápido y coherente de huecos en orbitales externos de un punto cuántico 

 

 

 

Este trabajo abre nuevas posibilidades para comprender las propiedades fundamentales de los estados orbitales externos como emisores cuánticos de luz y asi desarrollar nuevos tipos de dispositivos fotónicos cuánticos basados en dichos orbitales.

            

Mas información en Nature Nanotechnology

Emisión de fotones en la banda-C por puntos cuánticos de (In,Ga)As generados por llenado de nanohoyos

 

Los protocolos para las nuevas comunicaciones cuánticas demandan fuentes capaces de producir pares de fotones entrelazados (entangled en inglés), de preferencia en la banda-C (1530-1565 nm) que  minimiza las pérdidas en la transmisión de señales por medio de fibras ópticas de silicio. Una posible alternativa son los puntos cuánticos (QD’s) de semiconductores crecidos epitaxialmente en los que se ha demostrado la posibilidad de generar fotones individuales y pares de fotones entrelazados, lo que ya se demostró para QD’s de InAs en una matriz de In_xGa _1−xAs pero por el modo de crecimiento Stransky-Krastanov que introduce esfuerzos y las consecuentes deformaciones en los QD’s.

 

Una nueva ruta para fabricar QD’s  libres de deformaciones consiste en llenar nanohoyos producidos por un ataque químico local a base de nanogotas. En este caso, se deposita Al sobre una capa del semiconductor Al_xGa_1−xAs, sin flujo de As, mediante el método de epitaxia de haces moleculares (Molecular Beam Epitaxy, MBE, por sus siglas en inglés). La gota del metal así formada, crece en el modo Volmer-Weber. Mediante un recocido posterior, el As se difunde de la capa superficial a la parte inferior de la gota lo que resulta en un nanohoyo. Estos nanohoyos se llenan con GaAs para luego cubrirse con otra capa de Al_xGa_1−xAs que constituye la barrera. Los QD’s obtenidos por este método pueden producir pares de fotones entrelazados.

 

En este trabajo, grupos de investigadores de Europa y EUA reportan por primera vez la fabricación de QD’s a partir de nanohoyos en capas de  In_0.52 Al_0.48As, llenados con In_0.53Ga _0.47As. Para evitar deformaciones estructurales, la capa de In_0.52 Al_0.48As se creció epitaxialmente (MBE) sobre un sustrato de InP (100).  En condiciones óptimas de nanohoyos profundos y llenado completo se obtuvo emisión bien definida en la banda C con un semiancho de aproximadamente 245 meV.

 

Este trabajo constituye un paso importante en la fabricación de QD’s libres de deformaciones por el método de gotas embebidas, para aplicaciones como fuentes de pares de fotones entrelazados para sistemas de telecomunicación cuántica.

 

Más detalles en: AIP Advances

Importancia del rompimiento superficial de un enrejado organometálico de Ti en la generación de hidrógeno por foto- o electrocatálisis

 

La creación de catalizadores a nanoescala capaces de descomponer el agua por acción de la luz solar permite producir "hidrógeno verde" y avanzar hacia la energía del hidrógeno. Así se sustituirían recursos energéticos  no renovables como el carbón, el gas y el petróleo, que provocan una contaminación ambiental generalizada. La oxidación del hidrógeno, que genera electricidad, produce agua sin afectar al medio ambiente. De esta agua, se puede volver a extraer hidrógeno, y así sucesivamente. 

Un equipo de científicos de Rusia, India, Egipto, EE.UU. y Arabia Saudita sintetizó  fotocatalizadores esféricos de enrejados organometálicos (MOF por sus siglas del inglés metal-organic framework). Inicialmente sintetizaron partículas esféricas de MOF con titanio (Ti-MOF). Mediante un proceso de recocido convirtieron estas esferas en partículas con estructura núcleo-coraza hueca con doble coraza, Ti-MOF/D. Según los investigadores, la descomposición parcial del Ti-MOF esférico conduce a la formación de una partícula hueca de tipo núcleo-coraza debido a la diferente estructura de las capas interna y externa (véase la figura). Encontraron que, mientras el área superficial del Ti-MOF/D fue siete veces mayor que la del Ti-MOF, la actividad fotocatalítica de la reacción de generación de hidrógeno del Ti-MOF fue 2 veces mayor, mostrando mayor eficiencia cuántica aparente. Consideraron como posible causa, el estado de valencia conmutable del Ti (entre Ti⁺³ y Ti⁺⁴) para el Ti-MOF en función del enlace molecular. Además,  los defectos presentes, la estructura mesoporosa sólida de núcleo-coraza y los sitios activos del Ti-MOF ayudan a atrapar a los portadores de carga y a reducir el proceso de recombinación electrón-hueco. La generación de hidrógeno por electrocatálisis fue similarmente superior en el Ti-MOF.

Las características únicas de los Ti-MOF y Ti-MOF/D propician nuevos estudios empleando esta metodología para controlar las propiedades de nuevos materiales según lo requiera la aplicación.

Más información en Nano-Micro_Small

Crecimiento de alambres cuánticos y uniones de un semiconductor tipo Mott autoensamblados a escala atómica

 

Los continuos avances en las tecnologías cuánticas se basan en la producción de alambres a escala nanométrica. Aunque se han utilizado varias tecnologías nanolitográficas de última generación y procesos de síntesis de abajo hacia arriba para diseñar estos conectores, persisten desafíos críticos en el crecimiento de alambres  cristalinos uniformes a escala atómica y en la construcción de redes nanoestructuradas. En estos sistemas 1-D la interacción entre espines electrónicos se vuelve muy importante y se pueden producir los aislantes o semiconductores tipo Mott, llamados así según el tamaño de la banda prohibida que se genere. Los alambres 1-D crecidos con los procesos aquí descritos hacen posible el estudio de estos dispositivos tipo Mott, lo que contribuye al conocimiento de aspectos básicos de la física de la materia condensada. Asimismo, la fabricación de nanoalambres y uniones 1-D tiene el potencial de aumentar cuantiosamente la integración de circuitos electrónicos.

 

Un grupo de investigadores  de Japón y  de Alemania descubrió un método simple para fabricar alambres a escala atómica, en forma de nano-anillos, líneas y uniones con forma de X o Y. Los alambres monocristalinos de b-RuCl₃ a escala atómica fueron crecidos sobre sustratos de grafito mediante el depósito a láser pulsado, con  el grosor de una celda unitaria. Tienen un ancho exacto de dos y cuatro celdas unitarias (1,4 y 2,8 nm),  longitudes de hasta unos pocos micrómetros y su banda prohibida es comparable a la de los semiconductores de brecha amplia. 

 

Los investigadores fabricaron los patrones para realizar nanocircuitos cuánticos, incluidas uniones atómicamente uniformes y nanoanillos. El equipo formó e integró los patrones de nanoalambres como parte de un proceso de crecimiento de película delgada, promoviendo el autoensamblaje.

 

Los alambres atómicos cristalinos 1-D y las redes que aquí se describen ofrecen una posibilidad sumamente interesante de fenómenos de autoensamblaje no equilibrado al nivel atómico, de estados electrónicos exóticos y tecnologías cuánticas.

 

Mas información en Science Advances

El microscopio de torsión cuántica o QTM (Quantum twisting microscope)

 

Los microscopios electrónicos de barrido actuales nos permiten obtener información acerca de las propiedades electrónicas en un punto particular de la muestra. En este  trabajo se presenta  el concepto de un nuevo tipo de microscopio de efecto túnel, que se ha denominado “microscopio de torsión cuántica” (del inglés “Quantum Twisting Microscope” o QTM). Al QTM se le ha adaptado una sonda  especial con un interferómetro en el ápice. Su operación consiste en realizar experimentos de interferencia local mediante una punta chata (superficie de 200 nm) cubierta con grafito ultradelgado, nitruro de boro hexagonal y un cristal tipo van der Waals, por ejemplo, grafeno.

 

El material de grosor atómico de esta punta está fuertemente adherido a los lados y a la punta chata, de tal manera que las fuerzas netas son mayores que la atracción entre las dos capas de cristales van der Waals de la punta y de la muestra, inclusive para ángulos de torsión extremos.

 

El QTM permite determinar el movimiento de los electrones a lo largo de líneas en el espacio de momentos, del mismo modo en que un microscopio electrónico de barrido de efecto túnel lo hace a lo largo de líneas en el espacio real. El momento del electrón se sintoniza con el momento permitido en la muestra y solo así ocurre el efecto túnel.  Mediante una serie de experimentos a temperatura ambiente, un grupo de investigadores de Israel y Japón demostró cómo, al variar el ángulo de giro de una bicapa de grafeno, se obtienen imágenes de las bandas de energía tanto de una monocapa de grafeno como de una bicapa girada de grafeno. Finalmente, al aplicar una presión local alta se puede visualizar cómo las bandas de energía más baja gradualmente se aplanan en la bicapa girada de grafeno.

 

Así, el QTM abre el camino a nuevas clases de experimentos en cristales tipo Van der Waals y otros materiales cuánticos.

  

Más detalles en: Nature

Contactos universales metal-semiconductor de van der Waals escalable a las obleas

 

Los semiconductores bidimensionales (2D) han atraído interés para ser utilizados en canales ultrafinos de transistores. Sin embargo, las técnicas de metalización convencionales en microelectrónica (como evaporación térmica por haz de electrones, pulverización catódica y depósito por descomposición química de vapores) son procesos de "alta energía" basados en la vaporización del precursor de metales, que provocan el incremento del efecto de anclaje del nivel de Fermi en la interfaz metálica-2D con una altura de barrera de Schottky incontrolable y una gran resistencia de contacto.

 

Los contactos metálicos de van der Waals (vdW), en honor al físico de Países Bajos Johannes Diderik van der Waals, se presentan como un enfoque prometedor para reducir la resistencia de contacto y minimizar el anclaje del nivel de Fermi en la interfaz de semiconductores bidimensionales (2D). Sin embargo, solo un número limitado de metales se puede   exfoliar mecánicamente para fabricar contactos vdW y el proceso de transferencia manual requerido no es escalable en la fabricación de dispositivos. 

 

Investigadores de China recientemente reportaron una metodología universal para la integración de metales vdW escalable a las obleas de Si, que puede aplicarse a un amplio rango de metales y semiconductores. Para lograr la unión metal-semiconductor mediante enlaces vdW, emplearon capas de un polímero fácil de descomponer térmicamente que permite depositar diferentes metales sin dañar los canales del semiconductor 2D subyacente. Posteriormente, la capa amortiguadora polimérica se eliminó en seco a través de un recocido térmico.

 

Con esta técnica, es posible integrar metales como Ag, Al, Ti, Cr, Ni, Cu, Co, Au, Pd como contacto en transistores 2D. Esta nueva estrategia de integración vdW puede extenderse a semiconductores 3D con una minimización del efecto indeseado del anclaje del nivel de Fermi.

 

Artículo publicado en Nature Communications

Primeros estudios a escala atómica de la superficie de la mica

 

La mica es un mineral común, (KAl₂(Si₃Al)O₁₀(OH) ₂, que se encuentra en el granito y ha sido ampliamente estudiado química y geológicamente. 

 

Se sabe que la mica es un material laminado que posee iones K⁺ que decoran la superficie al exfoliarse, pero la estructura de la superficie limpia, es decir, cuando no interactúa con el medio ambiente, no se conoce. Un equipo de la Universidad Tecnológica de Viena recientemente presentó un estudio de la mica a nivel atómico, usando técnicas de Microscopía de Fuerza Atómica (AFM) en Ultra Alto Vacío, que explica la distribución de los iones de potasio (K⁺) en la superficie de la mica.

 

Los resultados presentan imágenes claras de la distribución de K⁺ de la mica a 4.7K de temperatura y en condiciones de ultra alto vacío (UHV). Los datos revelan la presencia de un ordenamiento de corto alcance, contrario a previas suposiciones de distribuciones aleatorias o completamente desordenadas. Los cálculos basados en la teoría del funcional de la densidad (DFT) y las simulaciones de Monte Carlo muestran que los iones Al³⁺ juegan un papel importante en la disposición de los iones K⁺ de la superficie.

 

Los resultados de este trabajo tienen posible aplicación al fabricar circuitos electrónicos de materiales 2D, como el grafeno, ya que para ello se requieren aislantes adecuados. La mica resulta ser un candidato muy apropiado.

 

Los resultados fueron publicados en Nature Communications

Mas información en Nanotechnology News

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

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