Investigación Nanotecnología y Biotecnología

Ricardo Castillo Pérez

NANOTECNOLOGÍA Y BIOTECNOLOGÍA

1 – INTRODUCCIÓN

La tecnología ha jugado un papel muy importante dentro de la historia de las civilizaciones. No se cuestiona que la tecnología es uno de los pilares de cualquier civilización. Después de todo, es la nueva tecnología la que ofrece una ventaja en la supervivencia. No obstante, ¿qué son exactamente esos avances tecnológicos que cambiaron nuestra civilización, de tal manera que se haya dado un cambio rápido y dramático en la forma de vida?

Como es sabido, el estilo de vida humano ha sido alterado infinidad de veces a lo largo de la historia, por ejemplo cambiaron su estilo nómada adaptándolo al de cazadores-recolectores y así se dio paso a un estilo sedentario convirtiéndose en agricultores, verdaderamente esto representó un cambio revolucionario y un avance tecnológico cuando comenzaron a implementar herramientas agrícolas.

Otros avances tecnológicos tales como la aparición de herramientas de metal, implementos y armas, y el descubrimiento del fuego, pudieron haber ocurrido espontáneamente, por descubrimiento accidental. Esos avances tecnológicos se basan en el descubrimiento de un tipo específico de material (piedra, cobre, bronce o hierro).

Un punto crucial en la historia fue marcado por la Revolución Industrial de 1800 dando inicio a la era tecnológica moderna. La disponibilidad de combustibles hidrocarburos emergentes, en particular, puso en marcha la mecanización, la producción masiva, el transporte y la comunicación en niveles nunca antes vistos. El teléfono, la televisión, la computadora, el teléfono móvil y el Internet han cambiado nuestras vidas para siempre.

La tecnología nos está “invadiendo”, pero, ¿qué hay con la nanotecnología? ¿Es realmente una revolución o simplemente una progresión natural de la miniaturización? La aparición del transistor, los circuitos integrados y la era de las computadoras ciertamente han cambiado la manera de cumplir nuestras tareas diarias y nuestro estilo de vida. La Revolución Biotecnológica ha añadido materiales biológicos en la mezcla. La Revolución Nanobiotecnológica en gran medida es parte de esta “revolución” inspirada en la biología. Muchos consideran que la biotecnología es un componente de la nanotecnología, pero todos esos pseudo-problemas se reducen a la semántica y los límites.

Siempre es una cuestión difícil para trazar límites claros en estas ciencias, pero uno tiene que dibujarlos para que podamos obtener la perspectiva y orientación adecuada para nuestro punto de vista. Ahora que hemos propuesto nuestra idea de límites flexibles, porque dentro de un campo tan generalizado como lo es la nanotecnología, y que además es altamente interdisciplinaria en la naturaleza, tenemos como consecuencia que los límites sean difusos y no tan explícitos, en gran medida.

Esperamos que la nanotecnología cambie la forma en que vivimos, en ese sentido, puede ser considerado como una revolución. La nanotecnología es también el producto del proceso natural de evolución en la miniaturización, aunque en realidad, es la percepción de la nanotecnología lo que a muchos les preocupa. Sin embargo, no debemos extendernos tanto sobre si es un dilema o no, eso hay que dejárselo a debate a los verdaderos expertos, los políticos y los medios de comunicación, y más bien el tiempo lo decidirá. Lo que debemos entender, más que nada, es porque esos materiales tienen

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características tan notables, y como los nanomateriales se convierten e integran en las aplicaciones. Haremos más que nada hincapié en las aplicaciones de la nanotecnología y la bionanotecnología y de su utilidad para el hombre.

2 – ANTECEDENTES

La nanotecnología es una nueva ciencia de la era moderna que ha experimentado un gran auge en los últimos años, pero ¿qué es la nanotecnología? Para saber que es la nanotecnología, debemos comprender su origen y la ciencia que le dio sus bases, la metrología.

La metrología es una ciencia que nos ha acompañado desde siempre, es la ciencia de los pesos y medidas. Nuestra necesidad de medir, cuantificar y normalizar ha hecho que cada vez busquemos límites más grandes, haciendo que tengamos instituciones que estandaricen definiciones y límites. La metrología tiene un componente científico y uno industrial, de acuerdo con el IBWM (International Bureau of Weights and Measures, Oficina Internacional de Pesos y Medidas):

A la metrología científica, o fundamental, le concierne el establecimiento de unidades de medida, sistemas de unidades, el desarrollo de nuevos métodos de medida, la realización de estándares de medición y la transferencia de la trazabilidad de estos estándares a los usuarios de la sociedad. A la metrología aplicada o industrial le concierne la aplicación de la ciencia de la medición a la manufactura y otros procesos y su uso en la sociedad, garantizando la idoneidad de los instrumentos de medida, su calibración y control de calidad de las mediciones.(Hornyak, Moore, Tibbals, & Dutta, 2009, pág. 58)

A partir de esta ciencia surge una extensión natural de ella: la nanometrología, la cual vio su origen a partir de la microescala producida por R&D (Research and Development, Investigación y Desarrollo) y por los avances científicos de miniaturización. Esta ciencia, por supuesto, es la metrología a escala nanométrica, la cual usa como unidad de medida al nanómetro (nm), casi específicamente entre 1 y 100 nm, la nanometrología permite realizar mediciones en estas dimensiones para especificar los materiales y en conjunto, constituirán la infraestructura metrológica esencial para el éxito de la nanotecnología. (Hornyak, Moore, Tibbals, & Dutta, 2009, pág. 58)

3 – CONCEPTO

La nanotecnología es una ciencia multidisciplinaria, pues está relacionada con áreas como las matemáticas, la física, la química y la biología, y en otras más específicas como la robótica, la mecánica, la electrónica, etc. Se encarga del estudio y aplicación de materiales, procesos y sucesos en dimensiones nanométricas o a nanoescala.

En el año 2000, el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología, Comité en Tecnología, Subcomité en Ciencia a Nanoescala, Ingeniería y Tecnología (NSET, por sus siglas en inglés) de Estados Unidos, estableció el concepto de nanotecnología como:



Investigación y desarrollo tecnológico a nivel atómico, molecular o macromolecular, en una escala de longitud de entre aproximadamente 1 y 100 nanómetros, para proporcionar una comprensión fundamental de los fenómenos y materiales en la Nanoescala y para crear y usar estructuras, dispositivos y sistemas que tengan propiedades y funciones novedosas debido a su pequeño y/o intermedio tamaño. Las novedosas y distinguidas propiedades y funciones se desarrollan en una escala de longitud crítica de la materia típicamente debajo de los 100 nm.La investigación y desarrollo nanotecnológico incluye la manipulación bajo control de las nanoestructuras a nanoescala y su integración dentro de componentes de mayor tamaño, sistemas y arquitecturas. Dentro de estos conjuntos de mayor escala, el control y construcción de sus estructuras y componentes se mantienen en la escala nanométrica. En algunos casos particulares, la escala de longitud crítica para nuevas propiedades y fenómenos puede ser inferior a 1 nm (por ejemplo, la manipulación de átomos de alrededor de 0.1 nm) o ser mayor de 100 nm (por ejemplo, las nanopartículas de polímeros reforzados tienen la característica única de estar entre 200 – 300 nm en función de los puentes locales o enlaces entre las nanopartículas y el polímero)(Hornyak, Moore, Tibbals, & Dutta, 2009, pág. 5)

3.1 – NANOFABRICACIÓN

Crear nanomateriales requiere de la creación de herramientas y procesos con una alta precisión, paralelamente se requiere también de la misma precisión para el ensamble de estos nanoelementos y nanoestructuras de polímeros. Para ello, dentro del amplio concepto de la nanotecnología, encontramos a los procesos de nanofabricación como una extensión natural en la evolución de la nanoescala de prácticas de manufactura y micromanufactura. Así, varias técnicas desarrolladas recientemente son únicas de la fabricación a nanoescala, y por tanto deben considerarse innovadoras.

La nanofabricación, es un proceso mediante el cual materiales y componentes a nanoescala son producidos de lo pequeño a lo grande (a partir de átomos), o de lo grande a lo pequeño (a partir de material a granel), o una combinación de ambos métodos, todo esto realizado con gran precisión, en escala nanométrica por supuesto. Otro tipo de nanofabricación es la manufactura molecular, que como su nombre lo dice, es a través del ensamble de moléculas que se obtienen nanomateriales.

Nanometrología y nanofabricación están estrechamente relacionadas, pues sin la nanometrología no existirían guías para los procesos de nanofabricación.

3.2 – INCERTIDUMBRE

En efecto, la nanotecnología está creciendo, y debido a nuestro deseo de querer superar los límites, estamos en un sendero que nos está llevando a dimensiones cada vez más pequeñas y desconocidas, trabajando en un mundo completamente diferente, sin la física clásica tal y como la conocemos, todo este mundo solo puede ser comprendido a través de la mecánica cuántica. Una nueva era está sobre nosotros, y es la nanotecnología la que nos está abriendo esas puertas.



Existe incertidumbre en estas nuevas dimensiones, pues con la creación de nuevos materiales más pequeños aún, y los fenómenos presentados representan un desafío adicional a los ya tradicionales desafíos de esta ciencia. Se necesitan nuevos modelos y procedimientos para analizar e interpretar estos nuevos desafíos de la miniaturización, pues solo se están trabajando con aproximaciones a los valores reales de la cantidad física.

4 – APLICACIONES

Ahora, si nos podemos percatar, los beneficios de la nanotecnología y la miniaturización, ya los podemos encontrar a nuestro alrededor, por ejemplo, en los componentes de las computadoras, celulares, y demás gadgets, todos ellos llenos de microchips, los cuales están hechos de materiales semiconductores y circuitos integrados nanométricos.

De cualquier modo, ya casi llegamos al punto de producción en masa de nanosistemas que integran sistemas de áreas como la electrónica, la fotónica, el magnetismo, la mecánica, la química y de materiales biológicos y demás dispositivos. Ejemplos de ellos son los transistores de los procesadores Intel, los cuales tiene un tamaño de aproximadamente 30 nm.

No obstante, existe un sinnúmero de aplicaciones, no solo en los aparatos electrónicos. Por ahora solo abordaremos la parte de la aplicación biológica: la nanobiotecnología.

4.1 – NANOBIOTECNOLOGÍA

La nanobiotecnología es una tecnología emergente, una evolución de la biotecnología y la nanotecnología. La nanobiotecnología combina la funcionalidad de la nanomaquinaria biológica con el poder y velocidad de productos electrónicos.

De este nuevo concepto se derivan otros más, la bio-nanotecnología, la nanotecnología bio-molecular, la nanotecnología biomédica, son algunos de entre varios más que han surgido.

En apariencia, estos conceptos pueden parecerse mucho, pero no lo es, cada uno tiene un área específica. La biotecnología se encarga principalmente de la manipulación de sistemas biológicos clave, como el ADN. La bio-nanotecnología surgió en la manipulación y explotación de proteínas, los nano-motores naturales de los sistemas biológicos.

La nanotecnología bio-molecular va más allá de la bio-nanotecnología, pues, además de las proteínas, emplea otras estructuras moleculares y se encamina más al mejoramiento de sistemas biológicos y la creación de materiales orgánicos artificiales.

La nanotecnología biomédica es la aplicación de la nanotecnología a aplicaciones biomédicas, como el diagnostico y detección de alto rendimiento, implantación de prótesis e implantes cada vez más efectivos en el cuerpo humano.



4.2 – NANOMATERIALES

Todas las aplicaciones de la nanotecnología y sus ramas, se basan en materiales acordes a la escala, los nanomateriales. Estos, como ya se había mencionado, son creados por la manufactura molecular y la nanofabricación.

Estos materiales, tienen la ventaja de que al estar en dimensiones nanométricas, sus propiedades con respecto al mundo macromolecular no son las mismas, de esta forma, su conductividad, su capacidad de ser magnéticas o no, sus puntos de fusión, entre otros, cambian drásticamente. Un ejemplo de la flexibilidad de estos materiales se presenta en el carbón, pues con él se pueden producir nanotubos y nanohilos muy resistentes.

4.3 – NANOTECNOLOGÍA EN EL CUERPO HUMANO. APLICACIONES

La nanobiotecnología o bionanotecnología, es la parte de la nanotecnología que está enfocada a los asuntos relacionados con el material viviente. Esta interacción entre nanocomponentes y el cuerpo humano es muy interesante y variada, y con la debida precaución que esto conlleva, tiene un gran futuro en nuestras vidas.

4.3.1 – ALEACIONES NANOESTRUCTURADAS DE TITANIO PARA APLICACIONES DE IMPLANTES

El titanio y sus aleaciones se han convertido en uno de los materiales más utilizados en materiales de implante biomédico, debido a su peso ligero y su biocompatibilidad y resistencia a la biocorrosión, a sus buenas propiedades mecánicas, y a su bajo módulo de elasticidad.

En comparación del desarrollo de aleaciones, muchos tipos de nanotecnologías han estado aplicando la fabricación de nanoestructuras de titanio y sus aleaciones en años recientes. Esto es debido a que las aleaciones de titanio proveen nuevas oportunidades para mejorar aún más las propiedades bioquímicas y biomecánicas de estos materiales.

Esta nanoestructuración es conocida por ser beneficiosa bioquímicamente, y las respuestas positivas de células han sido reportadas en cultivos de células cultivadas en superficies de cerámica. (Reisner, 2008, págs. 61-62)

El comportamiento de las células en superficies de biomaterial depende de las interacciones del implante de células que juega un papel importante en la determinación de la biocompatibilidad y la integración entre los biomateriales y los tejidos del cuerpo humano. Una hipótesis larga afirma que hay cuatro factores que influencian las superficies hueso-implante y son la composición de la superficie del implante, la energía que posee, la rugosidad y la topografía. Diferentes tecnologías, como el recubrimiento de hidroxiapatita, han sido aplicadas para el mejoramiento de las superficies de los biomateriales, y debido a que estas tecnologías de modificación de la superficie involucran reacciones químicas, la alta energía libre de la superficie de la nanoestructura haría que estos procesos fueran más fáciles y con una respuesta celular más favorable. (Reisner, 2008, pág. 65)



4.3.2 – DESARROLLO DE BIOCHIPS PARA EL DIAGNÓSTICO CARDIACO

Un infarto agudo del miocardio (AMI, Acute Myocardial Infarctions) es básicamente mortal para una persona, en especial en edad avanzada. Entonces la fabricación de un biosensor que permita su detección temprana es muy viable. Para eso la microfabricación de biosensores como un sistema de punto de atención para el diagnostico temprano de un AMI es muy viable.

En una unidad de cuidados intensivos, muchos parámetros fisiológicos deben ser monitoreados y controlados en forma simultánea y en tiempo real. En el caso de un AMI, existen biomarcadores específicos de proteínas que deben ser monitoreadas, conocer los niveles de esas proteínas significaría que la administración de tratamientos sería más efectiva y salvarían la vida de los pacientes que sufren de AMI.

Actualmente, el diagnostico más fiable de AMI se basa en la detección de un aumento temporal significativo en el nivel de unas pocas proteínas en la sangre. Los métodos actuales para la detección de esas proteínas significan tener procesos de etiquetado que se consumen mucho tiempo. Los biosensores microfabricados, permiten agilizar esta operación y en tiempo real, y por lo tanto pueden desempeñar un papel significativo como un sistema de punto de atención. El uso de estos biosensores haría posible reducir el tiempo de exclusión de un infarto, acortar el tiempo para empezar un tratamiento y, por lo tanto, reducir el riesgo para los pacientes. (Reisner, 2008)

4.3.3 – BIOTECNOLOGÍA PARA BIOANÁLISIS

La creación de biomateriales gracias a la bionanotecnología nos permite emplearlos con mayor facilidad en el cuerpo humano, pues evitan el rechazo por parte del cuerpo y, de esta manera, aprovecharlos al máximo sin la preocupación de que puedan dañar al organismo.

Para un efectivo análisis de las células, los biomarcadores necesitan contar con una excelente especificación hacia las biomoléculas de interés y tener una señal estable de transmisión óptica. Las nanopartículas de silicio coloradas son candidatas ideales para el análisis de células. Esto fue demostrado por el bioanálisis de células leucémicas. Un anticuerpo fue usado como célula de reconocimiento. Las células linfoides mononucleares fueron incubadas con nanopartículas etiquetadas con CD10, mejor conocido como Antígeno Leucémico Linfocito Agudo Común (CALLA, por sus siglas en inglés Common Acute Lymphocytic Leukemia Antigen). Después de la incubación fueron bañadas con una solución salina de tampón-fosfato. La suspensión celular fue fotografiada con microscopio óptico y fluorescente.

Esto muestra claramente que las nanopartículas en conjunto con anticuerpos son capaces de funcionar como marcador biológico para las células a través del reconocimiento antígeno-anticuerpo. Con un mayor desarrollo de este método, las nanopartículas pueden ser una herramienta muy eficaz en el análisis biomolecular y hacerlo más eficiente.(Reisner, 2008, pág. 245)



4.3.4 – PERSPECTIVAS A FUTURO

Aunque las nanopartículas se han utilizado con éxito, aún no han sido explotadas en todo su potencial. Algunas opciones son la fabricación de nanopartículas para el control de la administración de medicamentos, la orientación hacia enfermedades biológicamente relevantes, utilizando nanopartículas para el análisis de células enteras, del núcleo y del citoplasma, y el desarrollo de sondas de detección para la separación molecular simple y demás técnicas de detección. Todas estas técnicas tan prometedoras, demuestran que las nanopartículas tendrán un alto impacto en detección ultrasensible y el seguimiento de eventos biológicos, que implicaría un vasto mundo nuevo de posibilidades de mejoramiento de sistemas biológicos.

5 – CONCLUSIONES

La nanotecnología y la biotecnología, son ciencias encaminadas hacia la creación de nuevos materiales cada vez más pequeños, y la implementación de estos en el mejoramiento de la calidad de vida humana. Aún hay muchos ámbitos en los cuales tienen un gran futuro, pero por el momento, y debido a causas tecnológicas (pues aún es joven el desarrollo), no podemos extendernos más allá de lo relevante en nuestros días. Pero llegará el día en que todo este avance esté al alcance de todos, y cuando llegue ese día, habrá nuevos retos que seguir.

El deseo innato de los humanos de buscar límites cada vez más grandes que superar, es lo que hace que cada vez vaya creando, innovando e imaginando nuevas y mejores cosas…

“Nunca pienso en el futuro, este llega pronto, suficiente” – Albert Einstein“Lo más maravilloso de la ciencia es que está viva” – Richard Feynman(Hornyak, Moore, Tibbals, & Dutta, 2009)

6 – Bibliografía

Hornyak, G. L., Moore, J. J., Tibbals, H. F., & Dutta, J. (2009). Fundamentals of nanotechnology. Boca Raton, Florida: CRC Press.

Offenhäusser, A., & Rinaldi, R. (2009). Nanobioeletronics. Electrons, Biology, and Medicine. New York, NY: Springer Science+Business Media.

Reisner, D. E. (2008). Bionanotechnology: Global prospects. Boca Raton, Florida: CRC Press.

Shatkin, J. A. (2008). Nanotechnology: Health and Enviromental Risks. Boca Raton, Florida: CRC Press.


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