Nanotecnologia, biosensores, bioinstrumentacion

2015

Juan José Herrera D.

Universidad de Celaya

18-11-2015

Bioinstrumentación, Biosensores y BioMicro/Nanotecnología

Desarrollo de Liderazgo

12011229 Juan José Herrera Derramadero

Contenido

Introducción ........................................................................................................................................ 2

Bioinstrumentación ............................................................................................................................ 3

Características de la Bioinstrumentación. ....................................................................................... 5

Clasificación de la instrumentación biomédica. .............................................................................. 6

Modos de funcionamiento alternativos. ......................................................................................... 7

Modo de adquisición directo-indirecto. ...................................................................................... 7

Modo de adquisición continuo-muestreado. .............................................................................. 7

Modo de adquisición analógico y digital. .................................................................................... 7

Biosensores. ........................................................................................................................................ 8

El Bioreceptor .................................................................................................................................. 9

Tipos de bioreceptores ................................................................................................................ 9

Transductores empleados en Biosensores.................................................................................... 11

Electroquímicos ......................................................................................................................... 12

Termométricos .......................................................................................................................... 12

Piezoeléctricos ........................................................................................................................... 12

Fotométricos ............................................................................................................................. 13

Tipos de Biosensores ..................................................................................................................... 14

Biosensores de enzima .............................................................................................................. 14

Inmunosensores ........................................................................................................................ 14

Biosensores microbianos .......................................................................................................... 15

Bionanotecnología ............................................................................................................................ 16

Nuevos Desarrollos. ...................................................................................................................... 18

Nanomotor magnético en sangre humana ............................................................................... 18

Nanochip dentro de células vivas para medir presión intracelular .......................................... 19

Mejoran el tratamiento de Quimioterapia aplicando Nanotecnología .................................... 19

Anticuerpos artificiales basados en Nanotecnología ................................................................ 20

Referencias ....................................................................................................................................... 21



Introducción

La ingeniería biomédica es el resultado de la aplicación de los principios y técnicas

de la ingeniería al campo de la medicina. Se dedica fundamentalmente al diseño y

construcción de productos sanitarios y tecnologías sanitarias tales como los equipos

médicos, las prótesis, dispositivos médicos, dispositivos de diagnóstico

(imagenología médica) y de terapia. También interviene en la gestión o

administración de los recursos técnicos ligados a un sistema de hospitales. Combina

la experiencia de la ingeniería con las necesidades médicas para obtener beneficios

en el cuidado de la salud.

La ingeniería biomédica es una disciplina de vanguardia dentro de las ingenierías

especializada en resolver problemas inherentes a los seres humanos a

través distintas ramas tales como: la biomecánica, la bioóptica, los Biosensores,

las imágenes médicas, la bioinformática, los órganos artificiales, el procesamiento

de señales, la telemedicina, la ingeniería clínica y la ingeniería de rehabilitación. Su

posibilidad de dar respuestas y de crecimiento está íntimamente ligada al sostenido

desarrollo de sus ciencias-tecnologías de base, la biotecnología y la

nanotecnología. Es así como encontramos desarrollos de vanguardia:

nanotelescopios implantables en un ojo para tratar la degeneración macular;

nanorobot de AND autónomos con capacidad de trasportar distintas moléculas y

variar su estructura para entregarlas en la superficie de células cancerosas con la

posibilidad de ordenarles su autodestrucción; nanotubos de carbono para

desarrollar células cardíacas tendientes a regenerar el tejido muscular dañado por

un infarto; nanopartículas con un biopolímero sintético antimicrobiano

biodegradable para destruir bacterias resistentes, etc.

La integración de la biotecnología y la nanotecnología denominada nano

biotecnología modela e impulsa a la bioingeniería y a la ingeniería biomédica.



Bioinstrumentación

La Bioinstrumentación se encarga de emplear elementos propios de la electrónica

y la instrumentación para el diseño e implementación de sistemas con el fin de medir

variables fisiológicas o biológicas en relación con el cuerpo humano. Una vez

adquiridas esas señales se realiza un acondicionamiento de éstas ya sea por

medios analógicos o digitales con el fin de encontrar patrones relevantes que

contribuyan a un mejor diagnóstico y tratamiento de enfermedades y por ende a la

elección de un mejor tratamiento por parte del personal médico de las instituciones

prestadoras de servicios de salud.

El flujo principal de información va del hombre al equipo. Los elementos mostrados

por líneas discontinuas no son esenciales. La principal diferencia entre los sistemas

de instrumentación biomédica y cualquier otro sistema de instrumentación

convencional radica en que la fuente de las señales suelen ser seres vivos o energía

aplicada a estos seres o tejidos vivos.



Los principales bloques que componen un sistema de instrumentación biomédica

son:

MEDIDA

Es la magnitud física, propiedad o condición que el sistema mide. La

accesibilidad a la medida es un parámetro a tener en cuenta ya que esta

puede ser interna puede medirse en la superficie del cuerpo puede emanar

del cuerpo o puede salir o derivarse de una muestra de tejido del cuerpo. Las

medidas médicas más importantes pueden agruparse en las siguientes

categorías: biopotenciales, presión, flujo, dimensiones, desplazamiento,

impedancia, temperatura y concentraciones químicas. Estas medidas

pueden localizarse en un órgano concreto o por toda la estructura anatómica.

SENSOR

Normalmente el término “transductor” se emplea para definir a aquellos

dispositivos que convierten una forma de energía en otra. El término “sensor”

se emplea para los dispositivos que convierten una medida física en una

señal eléctrica. El sensor sólo debería responder a la forma de energía

presente en la medida que se desea realizar y excluir las demás. Además

debe poseer una interfaz con el tejido o sistema vivo de forma que no

interfiera en éste, debe de minimizar la energía extraída y ser lo menos

invasivo posible. Muchos sensores constan de elementos sensores primarios

como diafragmas, que convierte la presión en desplazamientos. Un elemento

de conversión se encarga posteriormente de convertir esta magnitud en

señales eléctricas como puede ser una galga que convierte el

desplazamiento en tensión. Algunas veces, las características del sensor

pueden ajustarse para adaptarse a un amplio rango de sensores primarios.

Otras veces se necesitan alimentaciones externas para alimentar estos

sensores y obtener datos de salida de los mismos.

ACONDICIONAMIENTO DE LA SEÑAL

Normalmente, la señal obtenida del sensor no puede aplicarse directamente

al “display” o dispositivo de salida (pantalla, papel, etc.). Un acondicionador



simple puede amplificar, filtrar y adaptar la impedancia del sensor a la

pantalla. A menudo, las señales de salida de los sensores se digitalizan y se

procesan utilizando ordenadores o sistemas basados en microcontroladores.

Por ejemplo, para compensar los errores de medida debidos a posibles

ruidos aleatorios puede realizarse un promediado de esta señal.

DISPOSITIVO DE SALIDA

El resultado del proceso de medida puede mostrarse de diferentes formas,

pero es conveniente que estos resultados se muestren de la forma más

sencilla y cómoda de interpretar por parte del operador humano. En función

del tipo de medida y cómo el operador humano va a utilizarla, los resultados

pueden representarse por medio gráficos o datos numéricos, de forma

continua o discreta, de manera temporal o permanente. Aunque la mayoría

de los dispositivos de salida dan una información visual, existen equipos que

pueden generar otro tipo de informaciones (pitidos, diferentes sonidos, etc.).

ELEMENTOS AUXILIARES

Existen diferentes elementos auxiliares que pueden implementar en el equipo

de medida. Puede utilizarse una señal de calibrado para calibrar los

resultados. Puede introducirse realimentaciones de las señales de salida

para controlar diferentes aspectos del equipo o ajustar diferentes parámetros

del sensor. El control y el sistema de realimentación pueden ser automático

Características de la Bioinstrumentación.

La fuente de las señales medidas con la instrumentación biomédica son los tejidos

vivos o energía aplicada a éstos. Esta circunstancia condiciona los métodos de

medida aplicables y los sensores o transductores a utilizar. Para ello deben

cumplirse los siguientes requisitos:

1. La acción de medir no debe alterar la magnitud medida. Dicha alteración

puede producirse como resultado de una interacción física (directa),



bioquímica, fisiológica o psicológica. Lo ideal sería que las medidas se

realizasen de una forma no invasiva y sin contacto pero esto no es posible

en todos los casos. Además, el mero conocimiento de que se está realizando

una medida puede provocar reacciones en el paciente que distorsionan

completamente los resultados.

2. Hay que garantizar la seguridad del paciente. La acción de medir no debe

poner en peligro innecesariamente la vida del paciente. Ante la

inaccesibilidad de muchas medidas se recurre a medidas indirectas en las

cuales se censa otra magnitud relacionada con la deseada (por ejemplo, para

medir la presión sanguínea suele censarse la variación de volumen de un

miembro cuando los atraviesa la sangre utilizando técnicas de

pletismógrafia). Si la variable medida es el resultado de aporte de energía al

tejido vivo, hay que respetar los límites aceptados como seguros

(radiografía). La seguridad también exige que los sensores sean de fácil

esterilización o de “usar y tirar “y no posean recubrimientos agresivos que

puedan provocar reacciones al entrar en contacto con el paciente.

3. Considerando el entorno de trabajo donde se van a ubicar los equipos, éstos

deben ser robustos, fiables y de fácil calibración.

Clasificación de la instrumentación biomédica.

El estudio de la instrumentación biomédica puede realizarse al menos desde cuatro

puntos de vista. Las técnicas utilizadas para obtener la media biomédica pueden

clasificarse en función de la magnitud que se censa, como puede ser la presión,

flujo o temperatura. Una ventaja de este tipo de clasificación es que pueden

compararse fácilmente diferentes métodos de medir un determinado parámetro.

Una segunda clasificación se basa en el principio de transducción, tales como

resistivo, inductivo, capacitivo, ultrasonidos o electroquímicos. Las técnicas de

medida pueden estudiarse separadamente para cada sistema fisiológico: sistema

cardiovascular, respiratorio, nervioso, etc. De esta forma, pueden aislarse diferentes

parámetros para cada área específica. Pero normalmente se solapan diferentes



magnitudes medidas y principios de transducción, es decir, puede medirse la misma

magnitud o parámetro en varios sistemas fisiológicos.

Modos de funcionamiento alternativos.

Modo de adquisición directo-indirecto.

A menudo, la medida de la magnitud deseada puede obtenerse directamente por

el sensor puesto que ésta es accesible .Este modo de adquisición se denomina

modo directo. Cuando la medida no es accesible, se utiliza el modo indirecto que se

basa en obtener medidas relacionadas con la deseada. Como ejemplo de medida

directa puede citarse el registro del electrocardiograma por medio de electrodos

superficiales y como medida indirecta el volumen de sangre por minuto que bombea

el corazón.

Modo de adquisición continuo-muestreado.

Algunas medidas, como por ejemplo, la temperatura corporal o la concentración de

iones, varían lentamente en el tiempo, de forma que pueden adquirirse o

muestrearse a intervalos grandes de tiempo. Otras magnitudes o medidas, como el

electrocardiograma o flujo sanguíneo requieren una monitorización continua. Por lo

tanto, la frecuencia de la señal que se desea medir, el objetivo de la medida, el

estado del paciente influyen en el diseño del sistema de adquisición de datos.

Modo de adquisición analógico y digital.

Las señales que transportan la información medida pueden ser analógicas (señal

continua que puede tomar cualquier valor dentro de un rango) o digitales (sólo

puede tomar un numero finito de valores dentro del rango). Normalmente los

sensores funcionan en modo analógico aunque también existe el modo digital.

Las ventajas del modo digital incluyen mayor precisión, repetibilidad, fiabilidad e

inmunidad a ruidos. Los dispositivos de salida digitales se van imponiendo a los



analógicos, si bien en muchas aplicaciones se prefieren los analógicos cuando hay

que determinar si la variable medida está dentro de unos límites y ésta varía

rápidamente como el latido del corazón.

Biosensores.

Un Biosensor puede ser definido como un aparato de medida integrado por tres

componentes: una molécula bioactiva, capaz de reconocer y reaccionar

específicamente con la sustancia que se pretende analizar; un transductor físico-

químico, íntimamente conectado con la molécula bioactiva y capaz de general una

señal que puede ser amplificada cuando hay una interacción específica con el

analito; y finalmente un aparato electrónico que amplifica y procesa la señal.

El sistema biológico ha sido integrado con el instrumental electrónico e informático

adecuado, que permite el procesamiento matemático automático de las señales, el

calibrado de las curvas patrón y a la interpolación de las muestras. Aspectos

Innovadores: Los Biosensores engloban las ventajas de las reacciones biológicas

presentes en la naturaleza con el gran poder de detección y procesamiento de

señales de la electrónica moderna. Por esta razón poseen:

Sensibilidad específica, rapidez y bajo coste, en comparación con las

técnicas convencionales de análisis (cromatografía, serología, conteo de

bacterias, etc.)

La determinación de una muestra se realiza en aproximadamente 2 minutos

y puede ser llevada a cabo por personal no cualificado.

Fácil manejo y precio competitivo.

Alta sensibilidad y bajo límite de detección. El Biosensor está en contacto directo con la muestra a través del bioreceptor, que

le confiere la selectividad a través de un sitio selectivo que identifica al analito y lo

transforma de alguna manera. Generalmente el bioreceptor es una enzima



inmovilizada que transforma el analito en un producto que es detectable por el

transductor.

Estos cambios que se producen al identificar al analito pueden ser: variaciones de

temperatura, de masa, constante dieléctrica, potencial de media celda, de

conductividad iónica, de turbidez de la muestra, entre otros. Por lo tanto,

dependiendo de esta modificación bioquímica que se produzca se escoge el

transductor.

El transductor debe dar una señal óptima, sensible, fácil de monitorear y con el

mínimo de ruido. El transductor puede ser electroquímico, termométrico, fotométrico

o piezoeléctrico y de acuerdo al tipo de bioreceptor con el que se combina pueden

formarse múltiples tipos de Biosensores.

Los sensores se han convertido en "sentidos ultra perfeccionados" que llegan a

lugares a los que nosotros no tenemos acceso, captan imágenes y movimientos con

una resolución inimaginable para el ojo humano, y detectan estímulos que nosotros

no percibimos, como las ondas electromagnéticas o los ultrasonidos. La información

que aportan ha cobrado un valor extraordinario en todos los ámbitos de la actividad

humana, desde la Alimentación y la Medicina hasta la Seguridad Nuclear o la

búsqueda de vida en otros planetas.

El Bioreceptor

El bioreceptor es crucial pues produce el efecto físico-químico que será detectado

por el transductor. Esto involucra procesos como biocatálisis, acoplamientos

inmunológicos o quimio recepción

Tipos de bioreceptores

Los bioreceptores más empleados son:



Catalizadores biológicos (enzimas). Las enzimas pueden ser extraídas de

una o más fuentes biológicas (in situ) para aplicaciones específicas y pueden

usarse solas o con sus cofactores. Las enzimas que se consiguen

comercialmente presentan las siguientes ventajas: se reproducen por lotes,

tiempo de vida y características conocidas, disponibilidad inmediata. Las

desventajas de las enzimas purificadas son que no son siempre estables y

necesitan la presencia de sus cofactores para operar en forma apropiada. En

algunos casos se necesitan cadenas enzimáticas para realizar las

transformaciones, lo que debe asegurarse la operación óptima del Biosensor

en forma global.

Microorganismos. Son entidades estructurales que poseen todas las enzimas

necesarias y sus cofactores en un ambiente optimizado por la naturaleza.

Pueden reproducir y compensar pérdidas en la actividad enzimática con el

tiempo.

Tejidos y organelas. El tejido tiene la ventaja de la cohesión, y tiene una

estructura que es lo suficientemente robusta para adherirse a un transductor

sin necesidad de recurrir a técnicas de inmovilización de proteínas. Pueden

usarse:

Tejidos de animales y vegetales: estos tejidos son fuentes naturales de

material enzimático por lo cual pueden construirse Biosensores muy

estables.

Organelas: se pueden encontrar biocatalizadores en lisosomas, cloroplastos,

mitocondrias y microsomas.

Inmunorreceptores. Debido a la reacción antígeno-anticuerpo se produce

una débil variación del potencial que puede detectarse, pero deben utilizarse

distintos procesos para mejorar la respuesta del transductor.

Quimiorreceptores. Se emplean los receptores celulares específicos de

membranas celulares que se excitan químicamente para producir cambios

conformacionales.



Transductores empleados en Biosensores

El transductor provee la evidencia de que ha ocurrido una reacción en el bioreceptor.

La elección del transductor depende del tipo de reacción, y las sustancias liberadas

o consumidas. Generalmente, la elección apropiada del transductor es el modelo

comercial que existe para el método de detección requerido. Hay un gran número

de electrodos disponibles para detección electroquímica, por ejemplo, electrodos

sensibles a pH, a aniones o cationes, y a gases (pO2, pCO2, pNH3). El componente

sensible puede comprarse independientemente y luego adherirlo al Biosensor.

La elección del transductor también depende la aplicación deseada del Biosensor.

Si va a ser usado en ambientes biológicos, debe satisfacer criterios de

biocompatibilidad, especialmente con respecto a la deposición de proteínas, lípidos

o células sobre su superficie. Si va a ser utilizado in vivo, debe ser de tamaño

reducido, y con forma adecuada para no dañar excesivamente los tejidos. Además

deben tenerse en cuenta las características tóxicas, metálicas, o componentes

poliméricos cuando se va a implantar por largo tiempo.

La interferencia química puede afectar la transducción, por lo que también debe

tenerse en cuenta en el momento de la elección del transductor.

El transductor debe aprovechar óptimamente las modificaciones fisicoquímicas que

resulten de las reacciones biológicas. Por ejemplo, si una reacción provoca una

variación de la entalpía, se produce un incremento muy débil de la temperatura y

por lo tanto un termistor es un transductor térmico más adecuado que una

termocuplas.

El mismo transductor puede usarse en modos de operación diferentes, que se eligen

de acuerdo al objetivo deseado. Por ejemplo, una fibra óptica puede usarse como

un transductor extrínseco, con un componente biorreactivo inmovilizado en su

punta, o como un transductor intrínseco explotando la interacción entre las

inmunoproteínas de su superficie y las ondas evanescentes de la superficie.

Los transductores pueden ser:



Electroquímicos

o Potenciométricos

o Amperométricos

o Semiconductores

Termométricos

Un sensor enzimático térmico, o entalpimétrico, mide la concentración de un

sustrato usando la variación de entalpía de una reacción enzimática. Existen

distintos métodos para medir temperatura (óptica, mecánica, eléctrica) pero

los eléctricos son los más usados para la construcción de Biosensores

térmicos debido a que la señal eléctrica puede obtenerse directamente de la

variación de la temperatura.

Pueden usarse termistores o termocuplas para la medición de temperatura.

Las termocuplas simples no son lo suficientemente sensibles para detectar

las variaciones de entalpía de las reacciones enzimáticas. Los termistores y

termopilas sí pueden detectar pequeñas variaciones de temperatura.

Los termistores son mezclas de óxidos metálicos con semiconductores

cristalinos. La alta resistividad de estos materiales les confiere una rápida

respuesta temporal gracias a su pequeño tamaño y capacidad calorífica

reducida. La resistencia de un termistor es función de la temperatura, lo cual

se ocupa como principio para la transducción. Las termopilas se construyen

alternando uniones termoeléctricas y se usan para construir Biosensores.

Generan señales pasivas lo que las hace particularmente aptas para

mediciones en soluciones fluidas.

Piezoeléctricos

Las mediciones piezoeléctricas usan la aparición de una polarización

eléctrica, o una variación en la polarización existente, en materiales



anisotrópicos dieléctricos, por ejemplo cuarzo, cuando se aplica una fuerza

en la dirección apropiada. Este efecto piezoeléctrico es reversible.

Un sensor piezoeléctrico mide la masa depositada en la superficie de un

cristal piezoeléctrico, detectando la variación en la frecuencia de resonancia

característica (FRC) del cristal. Intuitivamente, al aumentar el peso del cristal

su FRC disminuye, esto es análogo a las cuerdas de una guitarra, que cuanto

más gruesa es, resuena a una menor frecuencia.

Un sensor piezoeléctrico consiste en un cristal de cuarzo, electrodos

metálicos y el receptor que brinda la selectividad.

Fotométricos

Se basan en la medición de la variación de las propiedades ópticas de un medio o

un receptor inmovilizado. La luz puede atravesar, reflejarse o emitirse del material

analizado.

Las fibras ópticas pueden usarse para construir Biosensores. La luz entre una

muestra y una fuente o detector se transporta a lo largo del interior de las fibras

siguiendo los principios de reflexión total. La luz se propaga a lo largo de la fibra en

diferentes modos, de acuerdo a un ángulo de incidencia dado.

La reflexión total en una fibra nunca es perfecta y por lo tanto algo de radiación

electromagnética penetra la cubierta de la fibra. Esto se llama ondas evanescentes,

y pueden usarse para detectar variaciones de las propiedades ópticas de películas

químicas y biológicas que se colocan alrededor de la fibra.

Comúnmente el material (reactivo) que cambia sus propiedades ópticas (absorción,

fluorescencia, y luminiscencia) es inmovilizado en la punta o alrededor de una fibra

óptica.



Tipos de Biosensores

Los Biosensores pueden clasificarse de acuerdo al tipo de bioreceptor o del

transductor usado. En este caso están clasificados por tipo de bioreceptor porque

este componente es quien determina la acción primaria del Biosensor.

Biosensores de enzima Un Biosensor de enzima es la combinación de un transductor y una capa

delgada enzimática, que se usa normalmente para medir concentración de

un sustrato. La reacción enzimática transforma el sustrato en un producto de

reacción que el transductor puede detectar. La concentración de una

sustancia se mide según cómo afecte su presencia a la velocidad de reacción

enzimática.

Inmunosensores Los sensores inmunológicos o Biosensores reconocen el acoplamiento entre

un antígeno y un anticuerpo.

Los Inmunosensores tienen un gran potencial en medicina debido a la

especificidad de las reacciones inmunológicas. Estos Biosensores se usan

para medir drogas como theophylline, y para determinar la hormona HCG

para el diagnóstico de embarazo, alfafetoproteína para la identificación de

cáncer, y el antígeno de superficie de hepatitis B.

Estos Biosensores no pueden usarse in vivo porque la amplificación

enzimática involucrada requiere la adición de un sustrato para la operación

del sensor. Además, la formación del complejo anticuerpo-antígeno es lenta

y requiere un gran número de pasos.

La definición de Inmunosensores corresponde a un Biosensor ideal. Sin

embargo, en la práctica la mayor parte de los dispositivos no cumplen alguno

de los requisitos.



Biosensores microbianos

Los sensores microbianos surgen de la combinación de un microorganismo con un

transductor capaz de detectar el metabolito involucrado. Los microorganismos

poseen sistemas enzimáticos que son los que dan la selectividad. Los

microorganismos se inmovilizan generalmente en geles o usando membranas de

diálisis. Los electrodos potenciométricos y Amperométricos son útiles porque tienen

una membrana hidrofóbica en la cual se insertan los microorganismos (entre esta

membrana y la membrana de diálisis).

Las ventajas que presentan frente a los electrodos de enzimas aisladas son:

- Los sensores microbianos son menos sensibles a inhibirse por solutos y más

tolerantes en ambientes de pH.

- Tienen mayor tiempo de vida que los electrodos de enzimas.

- Más baratos (porque la enzima no necesita aislarse).

- Mantienen las enzimas en su ambiente natural evitando los problemas de

regeneración de cofactores.

Por otro lado la construcción de estos Biosensores presenta algunos problemas:

- Son inapropiados para mediciones in vivo y, en ambientes biológicos

complejos.

- El gran número de enzimas presente en los microorganismos puede hacer

bastante difícil las interpretaciones analíticas.

- El crecimiento microbacterial incrementa el tiempo de respuesta del sensor

porque varía con el espesor de la capa activa y el coeficiente de difusión del

sustrato, el cual cambia durante la operación del Biosensor.

Estos Biosensores pueden clasificarse como Biosensores de medición de

respiración o de metabolitos



Bionanotecnología

La nanotecnología es un nuevo planteamiento centrado en la comprensión y el

dominio de las propiedades de la materia a escala nanométrica: un nanómetro (la

mil millonésima parte de un metro) viene a ser la longitud de una pequeña molécula.

A esta escala, la materia ofrece propiedades diferentes y, muchas veces,

sorprendentes, de tal manera que las fronteras entre las disciplinas científicas y

técnicas establecidas a menudo se difuminan. De ahí el fuerte carácter

interdisciplinario inherente a la nanotecnología.

La nanotecnología es un área multidisciplinaria relativamente nueva. Integra

elementos de las ciencias biológicas (particularmente de ingeniería genética), con

las nanociencias y la nanotecnología. Además, incluye áreas tan diferentes como la

informática, la medicina, química, ingeniería, etc.

básicamente, la Bionanotecnología consiste en:

La modificación de los sistemas biológicos (desde biomoléculas hasta

organismos enteros), utilizando nanomateriales.

La síntesis o modificación de las nanoestructuras, utilizando sistemas

biológicos.

Dentro de la Bionanotecnología, las células desempeñan un papel fundamental

porque es la unidad funcional y estructural de la vida. Los nanomateriales tienen un

efecto directo en las células e incluso, las células pueden sintetizar (producir),

directa o indirectamente, diferentes nanomateriales.

La Bionanotecnología es importante porque nos proporciona los elementos

necesarios para modificar la naturaleza, en sus diferentes niveles; para satisfacer

las necesidades de la humanidad. En nuestra época, es de vital importancia

desarrollar nuevas estrategias de uso y cuidado de nuestros recursos, debido a que

somos muchas personas. Además, vivimos en un mundo con espacio y recursos

cada vez más limitados, lo que se refleja en la cantidad y calidad de alimentos,



medicamentos, productos y servicios que utilizamos en nuestra vida diaria. Gracias

a los avances de la ciencia y de la tecnología, tenemos la oportunidad de optimizar

el manejo de la naturaleza, al mismo tiempo que logramos que los productos

generados sean más amigables con el ambiente y con el ser humano.

A pesar de que la Bionanotecnología tiene una aplicación potencial en diversas

actividades importantes para nosotros, los ejes de investigación principales se

orientan en tres grandes áreas: alimentos, salud y energía

Con frecuencia se dice que la nanotecnología es potencialmente “disruptiva” o

“revolucionaria” por sus efectos en los métodos de producción industrial. Se trata de

una tecnología que ofrece posibles soluciones a muchos problemas actuales

mediante materiales, componentes y sistemas más pequeños, más ligeros, más

rápidos y con mejores prestaciones. Lo que permite generar nuevas oportunidades

de creación de riqueza y empleo. También se considera que la nanotecnología

puede hacer una aportación esencial a la solución de problemas medioambientales

de carácter mundial por el desarrollo de productos y procesos más ajustados a usos

específicos, el ahorro de recursos, y la disminución de emisiones y residuos.

Actualmente, se están haciendo enormes progresos en la carrera nanotecnológica

mundial. En Europa se empezó ya a invertir en programas de nanotecnología a

partir del período que va de mediados a finales de la década de los 90. Lo que ha

permitido crear una fuerte base de conocimientos, y ahora hay que asegurar que la

industria y la sociedad europeas recojan los frutos de esta labor mediante el

desarrollo de nuevos productos y procesos. La nanotecnología es el tema de una

reciente Comunicación de la Comisión. En ella, se propone no sólo impulsar la

investigación en nanociencias y nanotecnologías sino, además, tener en cuenta

varias otras dinámicas interdependientes:

No hay que descuidar otros factores de competitividad, como una metrología,

una reglamentación y unos derechos de propiedad intelectual adecuados, a

fin de preparar el camino para que la innovación industrial sea una realidad



y genere ventajas competitivas, tanto para las grandes como para las

pequeñas y medianas empresas.

Son de gran importancia también las actividades relacionadas con la

educación y la formación; en particular, existe un margen para mejorar la

actitud empresarial de los investigadores, así como la buena disposición de

los ingenieros de producción respecto al cambio. Por otra parte, la realización

de una verdadera investigación interdisciplinaria en el área de la

nanotecnología requiere nuevos planteamientos de educación y formación

aplicables tanto a la investigación como a la industria.

Los aspectos sociales (como la información y la comunicación al público, las

cuestiones sanitarias y medioambientales, y la evaluación del riesgo) son

otros tantos factores clave para asegurar el desarrollo responsable de la

nanotecnología y la satisfacción de las expectativas de los ciudadanos. La

confianza del público e inversores en la nanotecnología será crucial para su

desarrollo a largo plazo y para su aplicación de manera fructífera.

Nuevos Desarrollos.

Nanomotor magnético en sangre humana

La idea de pequeños nanorobots viajando a través de fluidos biológicos como la

sangre, es uno de los desafíos más fascinantes de la nanotecnología,

principalmente por sus potenciales aplicaciones en el área biomédica, en una

investigación reciente, un grupo de investigadores indios, han logrado desarrollar

por primera vez un nanomotor, capaz de viajar a través de sangre humana

controlado magnéticamente desde el exterior, investigaciones anteriores solo

habían logrado propulsar un nanomotor en agua desionizada o suero, o bien en

sangre, pero en presencia de Peróxido de Hidrógeno o hidrazina (utilizados como

combustible) que resultan tóxicos para un ser vivo, este nanomotor es no invasivo

y no requiere combustible, su diseño tiene forma de hélice construida a partir

de SiO2 y recubierta por un material magnético, estas hélices tuvieron que generar



un empuje lo suficientemente grande para superar la fuerza de arrastre generada

por las células sanguíneas.

Estos nanomotores podrían tener interesantes aplicaciones en nanomedicina, como

por ejemplo, el transporte de fármacos específicos para el cáncer hacia las

proximidades del tejido canceroso, con el fin de liberarlos y destruir en forma

selectiva las células cancerígenas. A continuación un vídeo en donde se visualiza

el nanomotor viajando a través de una muestra de sangre humana diluida.

Nanochip dentro de células vivas para medir presión intracelular

El estudio de células individuales, es de gran importancia en biomedicina, ya que

existen muchos procesos y propiedades a nivel bioquímico, electroquímico,

mecánico y térmico, que pueden ser seguidos en tiempo real, recientemente en

una publicación en la revista Nature Nanotechnology, investigadores españoles han

logrado por primera vez introducir un chip electrónico con sensores dentro de una

célula viva, en este caso para medir la presión intracelular.

El diseño del chip intracelular comprende un sensor mecánico rodeado por 2

membranas separadas por un espacio vacío, estas membranas actúan como

espejos de reflexión paralelos, que constituye un resonador de Fabry-Perot, de

forma tal que la presión externa desvía las membranas y los cambios de intervalo

que a su vez, modifican la intensidad de la luz reflejada en el centro de las

membranas.

Es importante destacar que estos chips intracelulares no producen daños en las

membranas celulares preservando la integridad de estas, manteniéndose las

células sanas y viables capaces de funcionar normalmente. A continuación un vídeo

en donde se muestra una célula con un chip intracelular en su interior, en donde se

aprecia como ésta se divide en forma normal.

Mejoran el tratamiento de Quimioterapia aplicando Nanotecnología

La Quimioterapia es un tratamiento ampliamente utilizado para tratar el cáncer, que

se basa en la administración de fármacos que interfieren en el ciclo celular,

impidiendo su división y destruyendo las células cancerosas. El problema que tiene,

es la falta de especificidad, ya que no solo se ven afectadas las células



cancerígenas sino que también las células sanas, causando diversos efectos

secundarios no deseados.

A raíz de esto, investigadores europeos han publicado un artículo en la revista

Nature Chemistry, en donde describen el desarrollo de microesferas que

encapsulan a un catalizador de Paladio, el cuál activaría el fármaco solo dentro de

la célula cancerígena, sin afectar al resto de las células, evitando así todos los

efectos secundarios inherentes a este tratamiento.

Anticuerpos artificiales basados en Nanotecnología

Los Anticuerpos son Proteínas que tienen como función el detectar y neutralizar

agentes extraños al organismo, como por ejemplo Bacterias, virus, y otros

microorganismos, Esta función la logran uniéndose a determinadas zonas del

agente extraño por lo general una proteína, la que recibe el nombre de Antígeno,

esta unión se da por una complementariedad espacial de una determinada zona del

anticuerpo llamada región variable con el antígeno.

Un equipo de Investigadores de Estados Unidos y Japón, han logrado sintetizar

una nanopartícula hecha de un polímero sintético, que posee la especificidad y

selectividad de un Anticuerpo natural, incluso funciona dentro del torrente

sanguíneo en un animal vivo, este avance podría tener aplicaciones en terapias

con anticuerpos, antídotos para toxinas, purificación de proteínas, etc... Además es

muy interesante el hecho de que una estructura hecha en forma artificial no proteica

pueda remplazar en función a una estructura biológica proteica, este es un ejemplo

más de como la Nanotecnología está entrando fuerte en al campo de

la Biotecnología y Medicina.



Referencias

VÁZQUEZ Muñoz, Roberto "La Bionanotecnología y su divulgación científica en México” Revista Digital Universitaria [en línea]. (2013), [Consultada: 14 de noviembre de 2015] Disponible en Internet: http://www.revista.unam.mx/vol.14/num3/art22/index.html

Robertson Sally P. (2014), “¿Cuáles son los Biosensores?”, News Medical

LIFE SCIENCES & MEDICINE, Recuperado de: http://www.news-

medical.net/health/What-are-Biosensors-(Spanish).aspx

Centro de investigación e innovación en bioingeniería [En línea].

“Biosensores”, Enero 2006, [Consultada: 14 de noviembre de 2015],

Disponible en internet:

http://www.upv.es/crib/docs/ficha_ci2b_biosensores.pdf

Alaniz R. Jessica “Bioinstrumentación y sensores biomédicos” [En Línea]

Octubre 2015, [Consultada: 14 de noviembre de 2015], Disponible en

internet: https://prezi.com/pgc8d8xblkti/bioinstrumentacion-y-sensores-

biomedicos/

Nanotecnología, (2015). “Que es Nanotecnología?” [en línea] Avances en

Nanotecnología. [Consultado: 14 Nov. 2015]. Disponible en internet:

http://www.nanotecnologia.cl/que-es-nanotecnologia

Nanotecnología, (2015). “Avances en Nanotecnología” [en línea] Avances

en Nanotecnología. [Consultado: 14 Nov. 2015]. Disponible en internet:

http://www.nanotecnologia.cl/tag/nanobiotecnologia/

Biocompu, (2015) “Nanotecnología” [En Línea], Bionanotecnología.

[Consultado: 14 de noviembre de 2015], Disponible en internet:

https://biocompu.wikispaces.com/Bionanotecnolog%C3%ADa

Segovia, Emilio. Aplicaciones médicas de la Bionanotecnología [en línea]

2009, [Consulta: 14 de noviembre de 2015] Disponible en:

http://redalyc.org/articulo.oa?id=199520297012

http://www.revista.unam.mx/vol.14/num3/art22/index.html

http://www.news-medical.net/health/What-are-Biosensors-(Spanish).aspx

http://www.news-medical.net/health/What-are-Biosensors-(Spanish).aspx

http://www.upv.es/crib/docs/ficha_ci2b_biosensores.pdf

https://prezi.com/pgc8d8xblkti/bioinstrumentacion-y-sensores-biomedicos/

https://prezi.com/pgc8d8xblkti/bioinstrumentacion-y-sensores-biomedicos/

http://www.nanotecnologia.cl/que-es-nanotecnologia

http://www.nanotecnologia.cl/tag/nanobiotecnologia/

https://biocompu.wikispaces.com/Bionanotecnolog%C3%ADa

http://redalyc.org/articulo.oa?id=199520297012



Club Planta,(2013) “Que es la biotecnología” [en línea], [ Consulta 14 de

noviembre de 2015], Disponible en internet:

http://www.profesiones.com.mx/que_es_la_bionanotecnologia.htm

Euro residentes, (2014), “Bionanotecnología, Nanobiotecnología”, [en línea],

[Consulta: 14 de Noviembre de 2015], Disponible en internet:

http://www.euroresidentes.com/futuro/nanotecnologia/diccionario/bionanote

cnologia.htm

Comisión europea, (2012), “Innovaciones para el mundo del mañana” [En

Línea] [Consulta: 14 de noviembre de 2015] Disponible en internet:

https://ec.europa.eu/research/industrial_technologies/pdf/nano-

brochure/nano_brochure_es.pdf

http://www.profesiones.com.mx/que_es_la_bionanotecnologia.htm

http://www.euroresidentes.com/futuro/nanotecnologia/diccionario/bionanotecnologia.htm

http://www.euroresidentes.com/futuro/nanotecnologia/diccionario/bionanotecnologia.htm

https://ec.europa.eu/research/industrial_technologies/pdf/nano-brochure/nano_brochure_es.pdf

https://ec.europa.eu/research/industrial_technologies/pdf/nano-brochure/nano_brochure_es.pdf

Health & Medicine

Nanotecnologia, biosensores, bioinstrumentacion