¿Pueden la nanotecnología y la ciencia de materiales contribuir a la lucha contra el SARS-CoV-2?

A partir de la propagación global del nuevo coronavirus (SARS-CoV-2), ha surgido una pregunta: ¿es posible crear nanomateriales con propiedades antivirales que puedan ayudar a limitar la propagación del virus, o aumentar la efectividad del equipo de protección personal mediante el desarrollo de recubrimientos antivirales?

En una carta al editor de la revista Nanomaterials, científicos italianos revisan y proponen soluciones tecnológicas basadas en nanomateriales para contribuir a distintos aspectos de la lucha contra el virus. Un ejemplo sería funcionalizar nanopartículas metálicas utilizando fármacos antivirales típicos, lo que proporciona una gran eficacia sinérgica al compuesto resultante. Las nanopartículas también se pueden usar para modificar máscaras quirúrgicas y respiradores. En el futuro, puede preverse el desarrollo de nanomedicinas que combinen nanoportadores biodegradables y agentes nanoantivirales para la aerosolización de los pulmones en pacientes ventilados. Esto proporcionaría una concentración local más alta del fármaco antiviral, limitando su penetración en el torrente sanguíneo y, por lo tanto, reduciendo los efectos secundarios.

Por otro lado, los textiles y recubrimientos antivirales y antibacterianos basados en nanomateriales, en forma de materiales desechables, constituyen otro ejemplo que requiere una respuesta tecnológica rápida empleando nanomateriales antivirales híbridos.

En este artículo se examinan estas y otras aportaciones que pueden hacer la nanotecnología y la ciencia de materiales para contribuir a la lucha contra el SARS-CoV-2.

El trabajo fue publicado recientemente en Nanomaterials.

Transición de semiconductor a metal en oro bidimensional

Los metales en general y el oro en particular se caracterizan por su buena conductividad eléctrica. Sin embargo, investigadores de Alemania e Italia, han descubierto que algunos metales preciosos, como el oro, pierden esta propiedad si son lo suficientemente delgados. En el caso extremo de una monocapa atómica (capa del grosor de un átomo) ésta se comporta como un semiconductor. 

Para estudios básicos así como para aplicaciones tecnológicas, existe mucho interés en producir monocapas atómicas de metales de transición pero, sobre todo si se desea obtener áreas grandes, la tarea no es fácil. Los investigadores sintetizaron la monocapa de oro bidimensional, intercalada y estabilizada entre carburo de silicio y una monocapa de grafeno. Mostraron experimentalmente que, en este arreglo, la monocapa 2D de Au es, en efecto, un semiconductor con una banda de valencia cuyo máximo nivel está 50 meV por debajo del Nivel de Fermi. Las capas de grafeno y oro en gran medida no interactúan, definiendo así una heteroestructura tipo van der Waals. 

Posteriormente, demostraron que, al ajustar la cantidad de oro entre el SiC y el grafeno, se induce una transición de semiconductor a metal en la monocapa de Au, no observada previamente y de gran interés por la física fundamental.

Estas nuevas propiedades de las monocapas de metales de transición podrían conducir a aplicaciones en magnetismo 2D, nanoplasmónica y óptica no-lineal. 

Los resultados fueron publicados recientemente en Nature Communications

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Nanopartículas como agentes de contraste en imágenes por rayos X

La imágenes obtenidas mediante rayos X son el método de diagnóstico más frecuente en la medicina moderna, y recientemente ha habido importantes avances en esta tecnología conocida como imagenología

Investigadores de Estados Unidos e Israel publicaron una revisión sobre el tema que abarca desde las primeras imágenes obtenidas por rayos X y sus principios físicos hasta una descripción de las nuevas modalidades de imagenología por rayos X. En particular, se examina la importancia de los agentes de contraste para la adquisición de imágenes, como tomografías computacionales., 

Los agentes de contraste mejoran las imágenes obtenidas por rayos X, ya que ayudan a distinguir el área del cuerpo u órgano investigado, de los tejidos circundantes. 

Los autores exponen las ventajas de utilizar nanopartículas metálicas como agentes de contraste. Las nanopartículas de plata, de oro, de aleaciones de oro/plata y las nanopartículas de bismuto, poseen alto nivel de contraste, son capaces de circular durante tiempos prolongados y sus propiedades fisicoquímicas son ajustables. Las nanopartículas metálicas también resultan ser menos tóxicas y de más fácil excreción que sus contrapartes macroscópicas. 

 En este trabajo se ofrece una alternativa a la práctica actual que utiliza sustancias químicas basadas en compuestos yodados, sulfato de bario, clústeres de tungsteno o gadolinio, entre otros. Pues aunque son usados frecuentemente, tienen efectos secundarios tan severos como daño renal y paro cardiorrespiratorio.  

El artículo fue publicado recientemente en 

WIREs  NANOMEDICINE AND NANOBIOTECHNOLOGY 

Calefactor de Joule basado en una monocapa de grafeno

La tecnología actual demanda sistemas de calefacción para uso en la industria, en automóviles, doméstico y en sistemas flexibles de micro-calefacción en prendas de vestir. Los calefactores más utilizados son de grafeno oxidado y luego reducido, o bien de láminas grafeno depositadas a partir de la descomposición química de vapores (CVD por sus siglas en inglés).

Un grupo de investigadores rusos reportó la síntesis de monocapas de grafeno utilizando el método CVD y metano como precursor del carbono. Utilizaron láminas de cobre como sustrato catalizador. Una vez depositado, el grafeno se transfirió a un sustrato polimérico mediante un método de impresión a alta temperatura. Además, se desarrolló un modelo teórico con el fin de estimar el gradiente térmico en los cristales de grafeno. El sobrecalentamiento local en las fronteras de grano de los cristales de grafeno es el  factor principal que limita la potencia de los calefactores de grafeno por lo que se require reducir el tamaño 2D de los cristales de grafeno en el recubrimiento. Resulta muy conveniente utilizar cobre como catalizador pues al no interaccionar químicamente con el carbono, la película de grafeno se puede separar  fácilmente del sustrato.

En este trabajo se demuestra la posibilidad de construir elementos de calefacción basados en grafeno sobre compuestos poliméricos con un flujo de calor de 0.6 W/cm² en aire y 2.7 W/cm² en agua. Además se propone un modelo teórico que describe las características del calefactor.

Más información en: Nanotechnology.

Arreglos 3D de nano-objetos empleando vóxeles de ADN prescrito y controlados por valencia

La posibilidad de organizar objetos de tamaño nanométrico en matrices tridimensionales (3D) bien definidas constituye un importante avance para el diseño y la síntesis de nanomateriales con aplicaciones específicas. Sin embargo, a pesar de los éxitos en el ensamblaje de nanopartículas, la mayoría de los métodos desarrollados se limitan al sistema de interés y, en particular, no son compatibles totalmente con las biomoléculas.

Un equipo de investigadores de Estados Unidos y China presentó un nuevo enfoque que posiciona al ADN como un elemento de andamiaje 3D universal con un potencial significativo para organizar puntos cuánticos, enzimas y otros objetos nanométricos.

La metodología permite la fabricación de distintas redes 3D de diferentes nanomateriales, utilizando vóxeles de ADN prescritos y controlados por la valencia de sus enlaces. Los vóxeles consisten en unidades de ADN con diferentes geometrías (tetraedros, octaedros y cubos) coordinados en enrejados 3D que integran nano-objetos en su interior. La valencia y la coordinación de los nano-objetos son determinados por los vértices del vóxel, que pueden unirse entre sí mediante hibridación. Tales vóxeles de material de ADN definen la simetría de la red a través de la valencia establecida espacialmente, lo que desacopla al enrejado 3D de las propiedades físicas y morfológicas intrínsecas de los nano-objetos. Ofrecen la posibilidad de ensamblar nanopartículas metálicas, semiconductoras o superredes de proteínas con potencial en aplicaciones como matrices 3D emisoras de luz o enzimáticas de actividad incrementada.

Los resultados fueron publicados en Nature Materials

Mas información en MRS Bulletin

Nanomateriales diseñados para aplicaciones antimicrobianas: una revisión

La resistencia que desarrollan los microorganismos al adaptarse a los antibióticos en tiempos relativamente cortos constituye un grave problema de salud pública. Por otra parte, está bien establecido que las propiedades fisicoquímicas de las nanopartículas (NPs) son diferentes que el mismo material en una escala de tamaño mayor; en particular, presentan propiedades biocidas o antimicrobianas que ofrecen una alternativa a los antibióticos y se les ha denominado materiales "nano-antimicrobianos". 

Las propiedades antimicrobianas del cobre, la plata, el óxido de zinc y otros materiales similares se conocen desde hace muchos siglos y la evidencia ha confirmado que los microorganismos no pueden adaptarse a estos materiales. Su uso en forma de NPs mejora aún más este efecto.

Uno de los mecanismos de acción bactericida de las NPs ocurre cuando las NPs interaccionan con la superficie bacteriana,  lo que  puede causar que las NPs liberen iones y los transfieran al microorganismo (efecto oligodinámico), ocasionando un desequilibrio de radicales libres (el llamado "estrés oxidativo") y su muerte. 

Esta revisión, realizada por un grupo internacional de investigadores,  contiene una cantidad significativa de datos sobre la actividad antimicrobiana de  nanopartículas de una amplia variedad de materiales y los métodos  para su aplicación en diversos campos: en medicina, como agentes antimicrobianos en textiles y telas,  en pinturas protectoras, en envases de alimentos y para desinfectar el agua, entre otras.

Esto fue publicado recientemente en Applied Materials Today

Nuevo nanocristal magnético con múltiples aplicaciones potenciales

Las espinelas son óxidos con fórmulas químicas del tipo AB₂O₄, donde A es un catión metálico divalente (ion positivo), B es un catión metálico trivalente y O es oxígeno. Sus propiedades magnéticas han despertado interés por su potencial  uso en una gran variedad de aplicaciones tecnológicas. 

Una espinela de MnCr₂O₄ fue sintetizada por científicos de Brasil y de la India, y dopada con Zn por el método de combustión en solución para obtener una nanopartícula con la estructura Mn_0.5Zn_0.5Cr₂O₄.

Se midieron las propiedades estructurales, vibracionales, electrónicas y magnéticas de las nanopartículas de Mn_0.5Zn_0.5Cr₂O₄. La estructura se comprobó por difracción de rayos X (DRX), difracción de neutrones, espectroscopía de fotoelectrones de rayos X y análisis Raman y, teóricamente, aplicando la teoría de la funcional de la densidad electrónica (DFT). Se encontró que el tamaño promedio de los nanocristales es de 8 nm con estructura de espinela cúbica. La magnetización dependiente del campo confirma que las muestras son paramagnéticas a 300 K y antiferromagnéticas a 3 K. La susceptibilidad dependiente de la temperatura revela que la transición de la fase paramagnética a la fase antiferromagnética ocurre a 19 K (TN). 

Estas espinelas se pueden utilizar como sensores de gas, transportadores de fármacos, medios de almacenamiento de datos y en componentes de sistemas de telecomunicaciones.

Los resultados se publicaron en Journal of Magnetism and Magnetic Materials

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