Microsoft Word - PortadaUnidad Legaria
Preparación y Bioconjugación de
Nanocorazas Metálicas con Actividad en el
Cercano Infrarrojo
Doctor en Tecnología Avanzada
Director de Tesis:
Dr. José Francisco Sánchez Ramírez
México, D. F., Diciembre 2009.
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo
Agradecimientos
I
Agradecimientos
Mi gratitud
infinita al ser supremo, padre celestial que me ha proporcionando
todos
los medios para terminar una
etapa más en mi vida, de
igual forma me ha
proporcionado un entorno favorable para ser próspero.
Igualmente, doy las gracias a mis padres, mis hermanos por su apoyo incondicional en
toda mi vida. Así también doy
gracias a Dios por la
extraordinaria esposa que me
concedió, la cual siempre me brinda su apoyo y comprensión total.
Agradezco al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología, por
la beca otorgada durante
mis estudios de doctorado; al
Instituto Politécnico Nacional y al
Centro de
Investigación en Ciencia Aplicada y Tecnología Avanzada Unidad Legaria por darme
la
oportunidad de realizar mis estudios de doctorado.
Doy las gracias a todas las
personas que me apoyaron durante
mis estudios de
posgrado; tales como mi director de tesis, Dr.
José Francisco Sánchez Ramírez; al Dr.
Umapada Pal que me facilito su
laboratorio de nanoestructuras; a
la microscopista
María Esther Sánchez Espíndola por la amable atención y apoyo para la caracterización
de diversas muestras por Microscopia Electrónica de Transmisión; a mis compañeros
de estudio que de diversas formas me apoyaron con sus conocimientos. Son muchos
los nombres para enlistarlos pero ellos saben que más de una vez recurrí a ellos para
solicitar su apoyo en la solución de algunos problemas y/o dudas.
Nanocorazas de plata y oro con
forma esférica, superficie lisa y
homogeneidad en
tamaño
fueron sintetizadas; el proceso de
fabricación de estas nanocorazas requiere
de diferentes etapas de crecimiento;
no es posible sintetizar nanocorazas
de oro o
plata con núcleo se SiO2 en
una sola etapa. Las síntesis de
nanocorazas de plata
básicamente incluye tres etapas;
la absorción de iones Sn2+ sobre
la superficie de las
nanopartículas de dióxido de silicio; seguida de la reducción de iones Ag+ con los iones
Sn2+; y finalmente,
la deposición de una capa densa y uniforme de plata. Empleando
este procedimiento, se obtuvieron nanocorazas esféricas de plata cuya resonancia de
plasmón superficial se presenta en
el espectro visible. Resultados
por microscopia
electrónica de transmisión y análisis por EDS corroboran
la deposición de plata sobre
toda la superficie de
las nanopartículas de SiO2. Adicionalmente, un análisis detallado
de los espectros de absorbancia fue realizado para investigar el efecto del método de
lavado y redispersión de las
nanocorazas. Se concluyó que durante
el proceso de
lavado y redispersión de
la muestra se desprenden pequeñas nanopartículas de plata
de la superficie, y que este desprendimiento de partículas de las nanocorazas de plata
genera corrimiento de
la resonancia de plasmón superficial hacia menores
longitudes
de onda.
Comparable con
la síntesis de nanocorazas de plata,
la fabricación de nanocorazas de
oro requiere de diferentes etapas;
se requiere la modificación
superficial de las
nanopartículas de SiO2 para generar
grupos amino; en estos grupos
amino fueron
absorbidos
pequeñas nanopartículas de oro produciendo nanoestructuras
[email protected]
Au. Estas nanoestructuras de oro
fueron mezcladas en una solución
conteniendo
hidróxido de oro; esta etapa final ocasiona el crecimiento de las nanopartículas de oro
completando
la nanocoraza. Pequeñas nanopartículas de oro con diámetro promedio
de 2.5 nm fueron empleadas como
catalizadoras de la formación de
las corazas;
pequeñas nanopartículas de oro en conjunto con nanoesferas de SiO2 contribuyen a la
formación de nanocorazas esféricas,
lisas y homogéneas. Se obtuvieron nanocorazas
de oro cuyo espesor de coraza oscila entre los 5 y 10 nm. Establecidas las condiciones
de reacción fue posible producir
nanoestructuras con resonancia de
plasmón
superficial desde el visible hasta el
infrarrojo cercano únicamente adicionando mayor
cantidad de hidróxido de oro a la reacción. Con la finalidad de obtener nanocorazas de
oro sin núcleo se sílice, se
adicionó ácido fluorhídrico a la
solución coloidal para
disolver las nanopartículas de
SiO2. Micrografías por
TEM muestran nanocorazas de
oro formadas sobre toda
la superficie de
las nanoesferas de sílice, así como también,
es posible observar que las nanocorazas están formadas a partir de nanopartículas de
Spherical, smoothed along with
homogenous size distribution silver
and gold
nanoshells were synthesized; processing these nanostructures include different steps;
it is not feasible to
synthesize gold or silver
nanoshells with silica core
and metal
nanolayer merely
in one step or chemical reaction. Basically three steps are required
to assemble silver nanoshells,
absorption of Sn+2 ions on the
surface of silica; then the
reduction of Ag+ ions with Sn2+
ions to produce nanoscaled silver nuclei on hetero silicasilver
interface as seeds; and finally, the deposition of dense and uniform silver layer. Following this
procedure, spherical silver nanoshells
were obtained along with surface
plasmon
resonance
in the visible region. Results obtained by transmission electron microscopy
and EDS examination corroborates the deposition of silver on the silica surface. Furthermore,
a detail survey on the
absorbance spectrums to investigate
the effect of the redispersion
method was made. It was found that some small silver nanoparticles are detached from
the surface and these detached nanoparticles form he silver nanoshells produce a blue
shift of the surface plasmon resonance.
Comparable to silver nanoshells, gold
nanoshells synthesis involve different
phases.
Firstly, surface modification of
silica nanoparticles was required to
produce amino
groups on the silica surface;
in these amino groups were
attached small gold
nanoparticles providing
[email protected] nanostructures. These gold nanostructures were
added into a solution containing gold hydroxide; this final phase produced the growing
of the gold nanoparticles completing
the gold nanoshell. Gold
nanoparticles with
average particle size of 2.5 nm were employed to catalyze the formation of the shell
gold; small gold nanoparticles
along with spherical
silica nanoparticles contribute to
achieve spherical, homogenous as well as smoothed nanoshells. Gold nanoshells with
shell thickness between 5 to 10
nm were obtained. Having reaction
conditions
V
controlled was possible to produce a red shift of the surface plasmon resonance from
the visible region up to the near infrared region merely with the addition of more gold
hydroxide to the reaction. To acquire gold nanoshells without core, hydrofluoric acid
was added to the colloid with the main purpose to dissolve silica nanoparticles. TEM
micrographs displayed that the gold
nanoshells were formed on the
entire silica
surface, and also that the shell is made of gold nanoparticles that were growing until to
coalescence each other.
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo
Glosario de Términos
VI
Nanomateriales
Materiales con al menos una característica longitudinal menor o cercana a los 100 nm.
Esta característica
longitudinal puede ser el diámetro de una partícula, el
tamaño de
grano, espesor de capa, o el ancho de una línea de conducción en un chip electrónico
Nanopartículas
Partículas cuya dimensión es menor
a los 100 nm, constituidas por
un material
homogéneo y particularmente de forma esférica
Nanoestructuras
Estructuras formadas generalmente por
más de un material, y cuyas
características
dimensionales están en la nanoescala
Nanocorazas
Nanoestructuras esféricas formadas por un material dieléctrico en el núcleo el cual es
cubierto por una delgada coraza metálica, la cual típicamente es de oro o plata
Plasmón
En Física, un plasmón es un
cuanto de la oscilación de
plasma. El plasmón es una
cuasipartícula resultante de la cuantización de las oscilaciones del plasma, solo fotones
y fonones son cuantizaciones de
las ondas de luz y sonido,
respectivamente. Por lo
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo
Glosario de Términos
VII
tanto, los plasmones son oscilaciones
colectivas de la densidad de la
nube de los
electrones libres, generalmente a frecuencias ópticas.
Resonancia de plasmón superficial
Para nanopartículas esféricas
cuyo diámetro es mucho menor a
la longitud de onda
(diámetro << λ), un campo
electromagnético a cierta frecuencia
induce una
resonancia, una oscilación coherente de
los electrones libres sobre
la superficie de la
nanopartícula. Esta oscilación se
conoce como
resonancia de plasmón de
superficial
(RPS). La oscilación de plasmón
superficial de los
electrones metálicos origina una
extraordinaria absorción y dispersión de
la radiación electromagnética en resonancia
con la frecuencia de la RPS
de nanopartículas de metales nobles
(Au, Ag y Cu),
dándoles colores intensos e importantes propiedades ópticas.
Plasmónica
Constituye una parte importante del
campo fascinante de la nanofotónica.
La Plasmónica
estudia cómo los campos
electromagnéticos se puede confinar a
dimensiones del orden o
menores que la longitud de
onda. Se basa en los procesos
de interacción
entre la radiación electromagnética y los electrones de conducción en las interfaces metálicas
o en nanoestructuras metálicas pequeñas, teniendo énfasis en las propiedades ópticas que se
presentan a dimensiones sublongitud de onda.
Extinción
Es la atenuación de una onda electromagnética por dispersión y absorción al atravesar
un medio específico.
Materiales que no reaccionan con ambientes biológicos. Normalmente
los materiales
biocompatibles no son rechazados por el sistema inmune del ser humano.
dimensiones son comparables con la nanoescala.
5
2.1 Imagen representativa de la
oscilación colectiva de la nube
de
electrones al incidir un campo
eléctrico sobre nanopartículas
metálicas.
15
electromagnética incidente (R0). La
extinción es la suma de
la
absorción (RA) y la dispersión (RD).
16
2.3
Espectros de extinción calculados empleando
la teoría de Mie para
nanopartículas de oro de 2, 10, 50 y 100 nm.
17
2.4 Cext, Cdis, Cabs calculados
empleando la teoría de Mie
para
nanopartículas de oro de 2, 10, 50 y 100 nm. Observe que a menor
diámetro de las nanopartículas el
Cext está gobernado por la
absorción, siendo la dispersión
prácticamente nula; a diferencia
conforme se incrementa el diámetro
de la nanopartículas la
18
dispersión se hace dominante.
2.5 Cext, Cdis, Cabs calculados
empleando la teoría de Mie
para
nanopartículas de plata de 2, 10, 50 y 100 nm. Observe que a menor
diámetro de las nanopartículas el
Cext está gobernado por la
absorción, siendo la dispersión
prácticamente nula; en contraste,
conforme se incrementa el diámetro
de la nanopartículas la
atenuación de la radiación
electromagnética incidente por
dispersión se hace dominante.
20
2.6 Ilustración de
la ventana óptica de
los principales componentes de
los tejidos del cuerpo humano. Obsérvese que entre 650 y 900 nm,
el coeficiente de absorción es mínimo; por lo cual radiación con esta
longitud de onda podría llegar a los tejidos internos del cuerpo.
21
2.7 Cext calculado empleado la
teoría de Mie para nanocorazas de oro.
En esta gráfica se presenta el
coeficiente de extinción para
nanocorazas de oro a
las cuales únicamente cambiando el espesor
de la coraza de oro, la RPS se desplaza hasta el infrarrojo cercano.
22
3.1
Espectros de extinción de nanopartículas de plata de 2, 10, 50 y 100
nm de diámetro. Espectros calculados empleando la teoría de Mie.
26
Transmisión (TEM) a diferentes magnificaciones correspondientes a
las esferas de SiO2, estas
nanoesferas fueron empleadas como
núcleos para la formación de las corazas de plata.
27
3.3 Imágenes por TEM características
de las nanoesferas de SiO2
con
iones de Sn2+ absorbidos sobre
la superficie a diferentes
magnificaciones. A estas estructuras las denominamos
[email protected]+.
29
denominadas.
[email protected]+. Nótese y
comparece el diámetro
promedio entre las nanoesferas de
SiO2 y las nanoestructuras
30
X
[email protected]+; este último es menor
debido a la erosión de
las
nanoesferas de SiO2.
nanoesferas de SiO2 con núcleos
de plata reducidos sobre la
superficie. A esta muestra la denominamos
[email protected] Ag.
31
3.5 Imágenes típicas por TEM de
las nanoestructuras formadas
empleando nanoesferas de SiO2 como
núcleo y a las cuales se
le
creció una capa de plata sobre su superficie. A estas nanoestructuras
las denominamos
[email protected]
3.6
Imágenes características por TEM de las nanoestructuras
[email protected] a
diferentes magnificaciones. Estas imágenes
corresponden a la
muestra lavada con agua desionizada y empleando agitación manual
para redispersar las nanocorazas durante el proceso de lavado.
33
3.7 Micrografías
representativas obtenidas por TEM de
la muestra con
configuración
[email protected] Estas imágenes
pertenecen a la muestra
que fue lavada con agua desionizada y redispersada haciendo uso de
una tina de ultrasonido.
3.8 Histogramas de distribución de
tamaño con dinámetro promedio y
desviación estándar, los cuales
fueron obtenidos a partir de
las
imágenes por TEM pertenecientes a las nanoestructuras
[email protected] El
histograma posicionado a la izquierda pertenece a la muestra que no
se le realizó el proceso de
lavado; el histograma del
centro
pertenece a la muestra que fue lavada y aplicando agitación manual
moderada para redispersar, y el último pertenece a
la muestra que
fue lavada y redispersada haciendo uso de la tina de ultrasonido.
34
configuración
[email protected] En la tabla
posicionada a la derecha se
muestra los resultados por EDS
sobre un punto cercano a
la
superficie de la nanoestructura.
[email protected] La gráfica de
la derecha es su correspondiente
resultado
de análisis por EDS lineal; las líneas de color rojo indican la presencia
de plata.
36
3.11 Imagen por SEM de las
nanocorazas de plata con su
respectivo
análisis por EDS sobre una
superficie; la superficie examinada
corresponde al área comprendida dentro del recuadro de
líneas de
color rosa; las cuatro pequeñas
imágenes a la derecha de
la
micrografía corresponden a los
resultados de EDS debido a
la
presencia de Si, O, Sn y Ag en las nanocorazas; los puntos de color en
estas imágenes representan
la presencia de cada elemento químico
examinado.
37
3.12
Espectros de absorbancia de las muestras
[email protected]+,
[email protected] y
[email protected], indicando la posición de máxima de la banda de absorción.
Curva (A): espectro de absorbancia
correspondiente a las
nanopartículas de SiO2 con iones Sn
2+ absorbidos sobre la superficie,
nanoestructuras tipo
[email protected]+. Curva (B): espectro de absorbancia
de
las nanoesferas de SiO2 con núcleos de plata reducidos sobre su
superficie,
[email protected], muestra sin
lavar. Curva (C): espectro de
absorbancia de las nanoesferas de
SiO2 con núcleos de plata
reducidos sobre su superficie,
[email protected], muestra lavada y
redispersada empleando
la tina de ultrasonido. Curva
(D): espectro
de absorbancia de las nanoestructuras
tipo
[email protected], muestra sin
lavar. Curva (E): espectro de absorbancia de las nanoestructuras tipo
[email protected], muestra lavada y
redispersada con agitación manual
moderada. Curva (F): espectro de
absorbancia de las
nanoestructuras tipo
[email protected], muestra
lavada y redispersada
haciendo uso de la tina de ultrasonido.
39
[email protected] obtenidos a los 30 días
después de sintetizar dichas
estructuras. Curva (2D): espectro de
absorbancia de las
nanoestructuras tipo
[email protected], muestra
sin lavar. Curva (2E):
espectro de absorbancia de las
nanoestructuras tipo
[email protected],
muestra lavada y redispersada con
agitación manual moderada.
Curva (2F): espectro de absorbancia
de las nanoestructuras tipo
[email protected], muestra
lavada y redispersada haciendo uso de
la tina de
ultrasonido.
4.1
Ilustración de las cuatro etapas para la formación de las nanocorazas
de oro. Los viales ilustran la apariencia física las nanoestructuras en
solución coloidal.
44
4.2
Micrografía por MET de las nanopartículas de oro e histograma junto
con diámetro (φ) promedio y desviación estándar (σ).
46
4.3 Patrón de difracción indexado
correspondiente a las muestras
de
oro sintetizadas las cuales
fueron empleadas en
la superficie de las
nanoesferas de SiO2 como núcleos de crecimiento para la formación
de la coraza de oro.
46
4.4 Micrografías por MET
correspondientes a las muestras de
SiO2 del
grupo G1 preparadas con diferentes
volúmenes de NH4OH: A1:
10.00 ml, B1: 6.50 ml, C1: 3.00, D1: 1.5 ml y E1: 0.75 ml.
49
4.5
Histogramas de distribución de tamaño de
nanoesferas de SiO2 del
grupo G1 preparadas con diferentes
volúmenes de NH4OH: A1:
10.00 ml, B1: 6.50 ml, C1: 3.00, D1: 1.5 ml y E1: 0.75 ml. Del ajuste
Gaussiano de los correspondientes
histogramas, se estimo el
tamaño promedio (φ) y desviación estándar (σ) de las nanoesferas.
49
4.6 Imágenes por MET correspondientes
al grupo de muestras G2;
muestras A2, B2, C2, D2 y E2 de SiO2 preparadas con un volumen de
reacción de 500 ml bajos las mismas concentraciones molares de las
muestras del grupo G1.
4.7 Micrografías por MET y sus
correspondientes histogramas de
distribuciones de tamaño de
las muestras S1, S2
(semillas); S1A y
S2A (crecidas empleando S1 y S2,
respectivamente, por el método
de crecimiento sucesivo).
52
4.8
Espectros obtenidos por espectroscopia FTIR de las muestras de SiO2
preparadas con diferentes condiciones experimentales.
53
4.9 Micrografías por MET de
partículas de SiO2 funcionalizadas
(con
grupos terminales NH2 sobre la superficie) a diferente magnificación
y su correspondiente histograma de
distribución de tamaño con
diámetro promedio y desviación estándar.
54
Au y su correspondiente histograma de distribución de tamaño.
55
4.11
Espectros de absorbancia correspondientes a
las nanopartículas de
SiO2 (NP SiO2) y a las
nanopartículas de oro (NP Au);
así como
también el espectro de absorbancia
obtenido del resultado de
emplear estas nanopartículas para formar la estructura
[email protected]
56
4.12
Espectros de absorbancia correspondientes a las nanocorazas de oro
(
[email protected]) sintetizas adicionando diferentes volúmenes de hidróxido
de oro a la reacción (desde1ml
hasta 18 ml). Se observa como
la
posición de la
resonancia de plasmón superficial
se ensancha y se
desplaza hacia mayores longitudes de onda.
57
4.13 Micrografías representativas por
MET y su correspondiente
histograma para nanocorazas de oro preparadas con 2, 8, 13 y 18 ml
de hidróxido de oro adicionados a la reacción.
60
Tabla
4.1
microscopia electrónica de transmisión de
las nanoesferas de SiO2,
nanopartículas de Au y las
nanocorazas de oro (
[email protected])
sintetizadas adicionando 2, 8, 13 y 18 ml de AuOH a la reacción.
60
4.14
Imágenes por microscopia electrónica de transmisión de la muestras
60
XIV
[email protected], a la cual se le
adicionó ácido fluorhídrico con
la
finalidad de disolver el núcleo.
Con estas micrografías se puede
comprobar la ausencia del SiO2.
4.15 Micrografía por MET de
nanocorazas de oro seccionadas
transversalmente correspondientes a la
muestra
[email protected] A
estas nanocorazas de oro se le realizaron cortes transversales con la
finalidad de poder medir directamente
el espesor de la coraza
de
oro.
61
1.3 Nanomateriales Biológicos y NoBiológicos
4
1.4 Nanotecnología Biomédica 5
1.6 Nanocorazas y el Cáncer 7
1.7 Bibliografía 10
Capítulo 2. Propiedades Ópticas de Nanopartículas y Nanocorazas de Oro y
Plata
12
2.4 Propiedades ópticas de nanopartículas de oro y plata
15
2.5 Propiedades ópticas de nanocorazas
20
2.6 Bibliografía 24
TEM.
28
3.3.3 Análisis por Espectroscopia UVVis
37
3.4 Bibliografía 41
Capítulo 4. Síntesis y Caracterización de Nanocorazas de Oro
42
4.1 Introducción 42
4.3.1 Nanopartículas de oro 44
4.3.2 Nanopartículas de SiO2 47
4.3.3 Incorporación de nanopartículas
de oro sobre la
superficie de las nanoesferas de SiO2
53
4.4 Bibliografía 62
1.1 Naturaleza y Tecnología
El hombre constantemente aprende de
la naturaleza; en la actualidad
los avances
tecnológicos desarrollados por el hombre son primitivos en comparación con diversos
procesos presentes en la naturaleza1. Por ejemplo, no se ha logrado la eficiencia de la
fotosíntesis para el almacenamiento
de energía. Nadie es capaz de
facilitar la
transferencia de energía
(o transferencia de electrones) tan eficientemente como
las
biomoléculas. Ninguna empresa purifica y almacena agua tan eficientemente como el
agua que contienen los cocos o
el de un melón. El cerebro
de una persona, en
principio, almacena y procesa más
información que una supercomputadora
de la
actualidad. Es imposible para
cualquier videocámara capturar
imágenes más vívidas
2
que un ojo humano2. En fin,
un sin número de funciones
están presentes en la
naturaleza y sobre todo han estado presentes aún antes de que el hombre existiera.
Ahora con respecto del impacto que tiene la tecnología desarrollada por el hombre. De
acuerdo al conocimiento popular, la
tecnología convierte materiales primitivos
en
materiales prácticos. Pero la
tecnología tiene un impacto mucho
mayor en la
naturaleza, especialmente cuando
la complejidad tecnológica
incrementa. El impacto
de la invención de la rueda no tiene el mismo impacto que el de un automóvil, lo que
fundamenta el decir que el impacto de la tecnología incrementa con el progreso de la
civilización. El mejor producto tecnológicamente hablando en la actualidad podrían ser
los súper circuitos integrados empleados en las súper computadoras; estos se obtienen
de la arena pasando por obleas
y finalmente en circuitos integrados,
lo cual causa
severos daños al medio ambiente; aún cuando estos contribuyen a la explotación de la
información. El impacto de la
moderna tecnología es evidente en
los recursos
naturales, el agua, el aire y
en todo lo que nos rodea.
Con base a lo anterior,
la
tecnología que hemos desarrollado no es de la mejor calidad en su totalidad.
Eric Drexler3 sugirió una
alternativa para producir las cosas;
propuso comenzar a
ensamblar las cosas desde el
nivel molecular; a lo cual se
le puede llamar
nanotecnología molecular. Esto está completamente relacionado al “humilde” proceso
a través el cual
las plantas adquieren dióxido de
carbono
y agua del ambiente para
producir compuestos tales como
carbohidratos, exceptuando unos organismos
los
cuales lo extraen de otras formas de energía química. En realidad un carbón de CO2 es
ensamblado por una serie de procesos químicos para producir estructuras complejas.
Este ensamblaje unoauno ha facilitado las funciones de moléculas complejas a partir
de moléculas sencillas. Algunos de
estos ejemplos podrían ser las
proteínas, los
polisacáridos, incluyendo
la estructura molecular más compleja hasta ahora conocida
el DNA. La complejidad de estas
arquitecturas moleculares es
tal que una molécula
puede comunicarse con las demás
moléculas como si fueran una
unidad integral
realizando funciones complejas que
son necesarias para mantener la
vida. La
3
naturaleza ha perfeccionado estas
estrategias a través de millones
de años y las
continuará perfeccionando4. Por lo
cual nosotros podríamos aprovechar
los
conocimientos desarrollados por la
naturaleza para nuestro beneficio, a
través del
desarrollo de tecnología compleja y amigable con la naturaleza
Cualquier proceso producción
realizada por los procesos biológicos
es
extremadamente complejo; pero muy económicos en término reales. La constitución
de un melón es mucho más compleja que la de un circuito integrado avanzado; pero es
mucho más económico.
Por otro lado, el
poder manipular átomos y arreglarlos
de la forma que deseemos
puede facilitar la creación de
estructuras inorgánicas complejas al
precio de los
vegetales.
Esta habilidad podría facilitar la creación de todos los productos hechos por el hombre.
Esto es Nanotecnología. Procesos en
la naturaleza podrían considerarse como el
lado
“húmedo” de
la nanotecnología56. Hay también su
lado “seco” en donde
la habilidad
para organizar las cosas
átomo por
átomo podría originar estructuras o dispositivos
con funciones; que no solamente dieran como resultado computadoras más pequeñas
y/o procedimientos quirúrgicos sin
pérdida de sangre, sino que
ayude a tomar el
control; que nos ayude a evitar cambios climáticos.
1.2 Nanociencia y Nanotecnología
Terminológicamente hablando, el prefijo “nano” se refiere o una mil millonésima parte
de la unidad. (En
término anglosajón
sería una billonésima parte de
la unidad)6. Por
ejemplo, un nanómetro (nm) es una mil millonésima parte de un metro (1 nm = 1x109
m). La escala nanométrica es el espacio de acción de las moléculas y sus interacciones.
La nanociencia y la nanotecnología trabajan con objetos en la escala nanométrica7. Las
propiedades y funciones de los objetos a dicha escala son significativamente diferentes
de la escala en bulto8.
Estrictamente hablando; nanociencia
investiga las propiedades de
los materiales a
escala atómica, molecular y macromolecular; mientras que la nanotecnología trata del
diseño, producción y aplicación de dispositivos y sistemas a través del control de sus
forma y tamaños en la escala nanométrica9.
La Biología es una de
las ciencias
fundamentales más activas, y
también una ciencia
más perceptible para el público
en general. La necesidad de
tener mejoras en la
medicina para el
tratamiento de una enfermedad;
la de mejorar, corregir y prevenir
una disfunción en la salud,
siempre estará presente en nuestras
vidas. A la
combinación de la biología y
la medicina se le conoce como
“Biomedicina”, la cual
representa una de las
combinaciones más excitantes de la
ciencia y la tecnología.
Trabajar en la escala nanométrica
provee una unión entre biomedicina,
ciencia de
materiales y tecnología. La presente tesis trata de
la Preparación y Bioconjugación de
Nanocorazas Metálicas con Actividad en
el Cercano Infrarrojo enfocadas
hacia el
tratamiento del cáncer.
1.3 Nanomateriales Biológicos y NoBiológicos
La escala nanométrica abarca desde el nivel atómico hasta
los 100 nanómetros, y un
nanomaterial se define generalmente como aquel cuyas dimensiones
son menores a
los 100 nm. En términos
generales, dentro de los materiales
están todas las
estructuras, dispositivos y sistemas a escala nanométrica. En algunos casos el límite de
la escala
de un nanomaterial se puede extender hasta
los 1000 nm; debido a que el
punto esencial no es la escala sino la que un nanomateriales posee propiedades únicas
las cuales son diferentes a las de material en bulto2.
Para entender mejor en que rango
se está hablando y su relación
con entidades
biológicas se presenta la figura 1.1, la cual contiene diversas entidades biológicas, tales
como, proteínas, anticuerpos, virus y bacterias, las cuales son generalmente conocidas
como nanomateriales biológicos. Las
funciones y propiedades de un
nanomaterial
biológico inspiran el diseño de nanomateriales nobiológicos; por otra parte, debido a
las dimensiones, los nanomateriales nobiológicos pueden ser empleados para acceder
o manipular los nanomateriales biológicos1.
Figura 1.1 Nanoescala y su comparación con materiales típicos cuyas dimensiones son
comparables con la nanoescala.
La biología y la Física comparten un área de interés en común en la nanoescala; en la
integración de la biología con
ciencia de materiales en la
nanoescala se tiene el
potencial para revolucionar en muchos campos de la ciencia y la tecnología. Existe un
campo de acción entre los
límites de investigación de estas
áreas, que involucra el
desarrollo de nuevos materiales y
herramientas, y la investigación de
nuevos
fenómenos. Los avances en la Física proveen materiales adecuados en biología celular
y molecular, además provee
herramientas para caracterización de
componentes
celulares y subcelulares; mientras que
el progreso en
la Biología provee un campo
para que los investigadores descifren las más sofisticadas nanoestructuras funcionales
que jamás hayan existido.
Nanomateriales y nanotecnología se
emplean en biomedicina; especialmente
en el
área de diagnósticos biomédicos, drogas, prótesis e
implantes. Las aplicaciones de la
nanotecnología biomédica generalmente se divide en dos categorías: fuera del cuerpo
y dentro del cuerpo. Para
aplicaciones fuera del cuerpo están
los biosensores y
entre ella muestras de sangre.
Para aplicaciones dentro del cuerpo,
investigadores
están trabajando en el transporte de drogas
(medicamentos) a partes específicas del
cuerpo, en la implementación de un dispositivo que inyecte cuando se necesite, y en la
terapia genética. Adicionalmente, grandes logros se han desarrollado en las prótesis e
implantes que emplean materiales nanoestructurados.
1.5 Nanotecnología del Cáncer
El cáncer es una de las
principales causa de muerte a
nivel mundial. Tratamientos
convencionales, incluyendo cirugía,
radiación, quimioterapia y terapias
biológicas
(inmunoterapia) están limitadas por la accesibilidad al tumor, el riesgo de operar cerca
o en un órgano vital, el riesgo de extender las células cancerígenas dentro del cuerpo y
a la falta de selectividad para
con las células del
tumor hace de estos tratamientos
ineficientes10. La nanotecnología puede proveer una alternativa mejor para sobrevivir.
La nanotecnología del cáncer es
actualmente un
tipo de nanotecnología biomédica.
Cada vez se
le pone más y más atención en el diagnóstico y
tratamiento del cáncer
empleando la nanotecnología. Por ello
la nanotecnología del cáncer es un campo de
investigación especial de la nanotecnología11.
La nanotecnología del cáncer incluye
una variedad de matariles y
técnicas que son
empleadas para
resolver varios problemas. La
investigación en
la nanotecnología del
cáncer puede dividirse en siete
categorías1. La primera, enfocada al
desarrollo de
técnicas para
la detección y diagnóstico de cáncer desde sus comienzos; en el estado
presintomático. La segunda es el
desarrollo de técnicas que puedan
proveer
evaluación invivo de los efectos
terapéuticos. La tercera es el
desarrollo de
dispositivos de objetivo específico que puedan penetrar la barrera biológica del bypass
y con exactitud liberen agentes
terapéuticos en el
tumor. La cuarta, el desarrollo de
agentes que puedan
ser usados para monitorear
cambios moleculares predictivos y
prevenir la formación de células
precancerosas en células malignas.
Quinta, es el
desarrollo de sistemas de vigilancia
para la detección de mutaciones
que pudieran
provocar cáncer y también para detectar marcadores genéticos con predisposición de
cáncer. Sexta es el desarrollo de métodos para controlar
los síntomas del cáncer que
afectan gravemente la calidad de
vida. Séptima, es el desarrollo
de técnicas que
ayuden rápidamente a los
investigadores identificar nuevos blancos
para el
tratamiento clínico y el pronóstico
de posibles efectos secundarios y
resistencia al
medicamento.
Hay dos principales tendencias en la nanotecnología del cáncer12. Una se orienta hacia
el desarrollo de nanomateriales
multifuncionales que puedan ser
usados
simultáneamente para detección del tumor, y tratamiento a través de la liberación de
medicamentos en el tumor. Esta
tal vez sea el adelanto más
radical que la
nanotecnología pueda hacer para la
detección y el tratamiento del
cáncer. La otra
tendencia en
la nanotecnología del cáncer es
trasportar simultáneamente dosis a un
tumor conformada de diferentes medicamentos; no solamente de un medicamento en
particular. En esta tendencia, la resistencia al medicamento por parte del tumor, es el
reto más importante por
resolver. Usualmente, la
resistencia al medicamento de las
células cancerígenas es debida a
la habilidad de expulsar hacia
afuera los
medicamentos anticancerígenos una vez que estos se hayan introducido en la célula.
A pesar de ello, existe
la posibilidad de
liberar un agente que sea capaz de
inhibir la
expulsión del medicamento, al mismo
tiempo que el medicamento anticáncer
sea
liberado en la célula cancerígena,
lo cual podría extinguir la
resistencia hacia el
medicamento.
1.6 Nanocorazas y el Cáncer
Las Nanocorazas metálicas han atraído la atención de la comunidad científica debido a
sus extraordinarias propiedades ópticas, químicas y electrónicas1314. Nanocorazas de
oro se pueden diseñar para que absorban o dispersen radiación incidente a longitudes
de onda específica, especialmente en
el cercano infrarrojo15; a diferencia
de las
nanopartículas sólidas en las cuales la posición de su resonancia de plasmón superficial
(RPS) no cambia significativamente
respecto a sus dimensiones. En
contraste, las
Nanocorazas metálicas, particularmente las
de oro son altamente sensibles
a las
dimensiones relativas entre núcleo – coraza. Las Nanocorazas de oro son de particular
interés en medicina tanto por
sus propiedades ópticas y químicas16,
dicha
nanoestructuras pueden ser diseñadas
para que sus propiedades ópticas
sean
activadas en el infrarrojo cercano.
En este rango de energía, los
principales
componentes de los tejidos del
cuerpo, como son, agua, hemoglobina
y
oxihemoglobina presentan una mínima absorción; por lo cual las Nanocorazas podrían
ser potencialmente útiles para el tratamiento y/o detección del cáncer17. Para ello se
deben diseñar nanocorazas que
absorban o dispersen la radiación
a este rango de
longitud de onda y la conviertan en calor o la dispersen18. Es conocido que la absorción
de luz origina calor, este
calor podría matar a las celular
cancerígenas; para ello es
necesario localizar las Nanocorazas
sobre dicha células para ello
es necesario la
bioconjugación de las Nanocorazas
(unir anticuerpos sobre la superficie
de las
nanocorazas); las Nanocorazas bioconjugadas
se posicionarían específicamente en el
tumor para poder tratar o detectar dicha enfermedad.
Para la detección, en vez de diseñar Nanocorazas que absorban la radiación incidente,
se diseñarían Nanocorazas que dispersen dicha energía y empleando un microscopio
adecuado se podría detectar el tumor por una diferencia de contraste en la imagen.
Para poder aplicar las nanocorazas in vivo es muy importante que sean fabricadas con
materiales biocompatibles, es decir,
con materiales que son sea
tóxicos para el
organismo; el dióxido de silicio
(SiO2) es un material inerte
y el oro (Au) se reporta
como un material altamente biocompatible19.
Durante mis estudios de doctorado, se sintetizaron principalmente nanopartículas de
SiO2 de diferentes diámetros; las cuales se emplearon como núcleo para la fabricación
de nanocorazas metálicas. Así también,
se sintetizaron pequeñas nanopartículas
de
oro (entre 2 y 5 nm) las cuales funcionarían como catalizadores en la superficie de las
nanoesferas de SiO2 para la formación de la coraza de oro.
9
Así también, se sintetizaron
Nanocorazas de plata. Las
nanopartículas de plata
presentan su RPS alrededor de los 480 nm, a diferencia de las nanopartículas de oro las
cuales su RPS está alrededor de 520 nm; por
lo cual teóricamente se podrían diseñar
nanocorazas
con RPS mejor definido en un
rango más amplio; pero debido
al difícil
control de nanopartículas de plata de diámetro menor a los 5 nm y por ende al control
del espesor de la capa de plata sobre el núcleo, se obtuvieron mejores resultados con
las Nanocorazas de oro.
3.
Drexler, K.E., Peterson, C. & Pergamit, G. Unbounding the Future: the Nanotechnology
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4. Zanuy, D., et al. Stability
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19.
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Applications. Biomacromolecules 10, 11251134 (2009).
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo
Capítulo 2. Propiedades Ópticas de Nanopartículas y Nanocorazas de Oro y Plata
12
de Oro y Plata
2.1 Introducción
La manipulación de la materia a
escala nanométrica ha despertado el
interés de la
comunidad científica debido principalmente a las nuevas propiedades que presenta la
materia1; así como también a
las aplicaciones que se
les pueden dar a los
materiales
nanoestructurados en prácticamente cualquier área de investigación; sea manipulando
materiales orgánicos y/o inorgánicos2.
Así también es importante recalcar
que un
material nanoestructurado puede ser
fabricado tanto por la naturaleza
o por el
hombre3. Finalmente la tendencia
actual es fabricar materiales
biocompatibles, es
decir, materiales que puedan ser aplicados en la medicina. Para que un material sea
biocompatible,
la primera característica a cumplir es que no sea tóxico al organismo.
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo
Capítulo 2. Propiedades Ópticas de Nanopartículas y Nanocorazas de Oro y Plata
13
Actualmente se pueden
fabricar nanomateriales biocompatibles; estos pueden
tener
diferentes formas y tamaños; durante el desarrollo de la presente tesis nos enfocamos
a la manipulación de las
propiedades ópticas de nanocorazas
metálicas; las
nanocorazas metálicas a diferencia de las nanopartículas esféricas del mismo material
sus propiedades ópticas pueden ser
activadas desde el visible hasta
el infrarrojo
cercano.
2.2 Nanomateriales
Para comprender mejor de
lo que se está tratando; antes de continuar, presentaré el
concepto de nanomateriales. En
la actualidad existen diversos conceptos,
la mayoría
de ellos se basan en
las dimensiones del material. Dentro de estos conceptos, el que
me parece más adecuado es el siguiente:
Nanomateriales: materiales con al
menos una característica longitudinal
menor o
cercana a los 100 nm. Esta
característica longitudinal puede
ser el diámetro de una
partícula, el tamaño de grano, espesor de capa, o el ancho de una línea de conducción
en un chip electrónico4.
2.3 Origen de las propiedades ópticas de nanomateriales
Ahora nuestro principal interés es
sobre las propiedades ópticas de
los
nanomateriales, principalmente en las propiedades ópticas de nanopartículas de oro y
plata; así como de nanocorazas metálicas con corazas de oro o plata. Nanoestructuras
de Au son de particular interés en medicina debido a sus extraordinarias propiedades
ópticas (RPS) y químicas además de su excelente biocompatibilidad5.
Las propiedades ópticas del oro y plata nanoestructurado dependen directamente de
la resonancia de plasmón superficial
(RPS)6; la RPS da origen a
una extraordinaria
absorción y dispersión de la radiación electromagnética incidente.
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo
Capítulo 2. Propiedades Ópticas de Nanopartículas y Nanocorazas de Oro y Plata
14
Para entender mejor la RPS, explicaré lo que es un plasmón. En Física, un plasmón es
un cuanto de la oscilación de plasma. El plasmón es una cuasipartícula resultante de la
cuantización de las oscilaciones del plasma, solo fotones y fonones son cuantizaciones
de las ondas de luz y
sonido, respectivamente. Por lo
tanto, los plasmones son
oscilaciones colectivas de la
densidad de la nube de los
electrones libres,
frecuentemente a
frecuencia ópticas. Ellos
también puede unirse con un
fotón para
crear una tercera cuasipartícula llamada un plasma polaritón7.
Los metales pueden ser considerados
como un plasma confinado de
iones positivos
(constituido de núcleos y electrones núcleo
los cuales
son estáticos) y electrones de
conducción
(libres y en movimiento). En estado neutral,
la nube de iones con carga
positiva y la nube de
electrones con carga negativa se
traslapan entre sí. Por una
distorsión externa, por ejemplo, radiación de electrones o radiación electromagnética,
la carga de la nube es distorsionada y los electrones pierden la posición de equilibrio.
Si la densidad de electrones en
una región incrementa estos mismos
se repelen y
tienden a retornar a su
posición original de equilibrio. Al
momento de que los
electrones tratan de recuperar su
posición de equilibrio, estos
adquieren energía
cinética y en vez de de lograr la configuración de equilibrio, estos oscilan hacia atrás y
hacia adelante. La oscilación colectiva de los electrones de la banda de conducción en
metales en estado de excitación con
la radiación electromagnética es conocida como
plasmones.
Los plasmones dan origen a una
fuerte banda de absorción en el
rango visible del
espectro electromagnético8. En pocas
palabras, el origen de esta
banda, conocida
como banda de resonancia de
plasmón, es atribuida a la
resonancia entre las
oscilaciones colectivas de los
electrones de la banda de
conducción y la radiación
incidente. Para dar originen a la RPS, se requiere de una ffrecuencia de plasmón; la luz
consiste de un campo eléctrico fluctuante que genera un campo magnético fluctuante,
que genera un campo eléctrico
fluctuante etc. Cuando el campo eléctrico
interactúa
con un metal, los electrones
del metal oscilarán hacia atrás
y hacia adelante a la
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo
Capítulo 2. Propiedades Ópticas de Nanopartículas y Nanocorazas de Oro y Plata
15
frecuencia de fluctuación (ver figura 2.1). Como resultado,
la luz será reflejada. Pero,
hay una frecuencia límite en la
cual los electrones pueden responder.
Si las
fluctuaciones son demasiado rápidas,
los electrones ya no podrán
responder. Este
límite es llamado la frecuencia de plasmón, límite en el cual las interacciones electrón
plasma dan origen a la absorción de la energía del fotón. La frecuencia de plasmón es
responsable del color del oro en bulto. Debido a que el oro en bulto refleja el roj
