sábado, 21 de julio de 2018

Función cerebral replicada por nanotubos de carbono.

Crédito: Universidad de Osaka
El cerebro necesita  poca energía para adaptarse al medio ambiente, aprender, tener una alta capacidad de reconocimiento, inteligencia y realizar un procesamiento de información complejo. Las dos características clave de los circuitos neuronales son: la capacidad de aprendizaje de las sinapsis y los impulsos o espinas nerviosas.  A medida que la ciencia del cerebro progresa su estructura se va aclarado gradualmente pero es demasiado complicado para emularlo por completo. Los científicos han tratado de replicar la función cerebral mediante el uso de circuitos neuromórficos (circuitos analógicos que imitan las estructuras neurobiológicas) y dispositivos que emulan una parte de sus mecanismos. Investigadores de la Universidad de Osaka han creado un dispositivo-red neuromórfica molecular consistente en nanotubos de carbono de paredes simples complejados con polioxometalato. Las redes SWNT/POM (nanotubos de carbono de una sola pared-polioxometalato) extremadamente densas y aleatorias, generan picos espontáneos similares a los impulsos nerviosos de las neuronas. La importancia del estudio es que una parte de la función cerebral fue replicada por materiales nanomoleculares demostrando la posibilidad de que una red molecular al azar pueda convertirse en inteligencia artificial neuromórfica. Todo un avance hacia el futuro cerebro similar al humano.

sábado, 14 de julio de 2018

Cuadruplicar el almacenamiento de la energía solar.

Crédito: Ashley Pennington/
Rutgers University-New Brunswick
En una hora la tierra recibe del sol la cantidad equivalente de energía consumida por el planeta en un año. Esta energía debe fijarse y almacenarse en forma de un portador versátil como el gas hidrógeno utilizable como combustible y para generar electricidad.  Su producción por fotólisis catalítica del agua mediante luz solar visible requiere de catalizadores cada vez más eficientes. Si bien a lo largo de los últimos años se desarrollaron más de 130 semiconductores para realizar la disociación y obtener el gas, la eficiencia máxima alcanzada es baja, próxima al 2,5% de toda la radiación solar incidente.
En el interesante artículo “Au/La2Ti2O7 Nanostructures Sensitized with Black Phosphorus for PlasmonEnhanced Photocatalytic Hydrogen Production in Visible and NearInfrared Light”, investigadores del Institute of Scientific and Industrial Research (SANKEN) de la Universidad de  Osaka (Japón) utilizan nanopartículas de oro con forma de estrella recubiertas con un semiconductor para la obtención de gas hidrógeno a partir del agua. Logran aumentar cuatro veces la eficiencia de la producción de hidrógeno con relación otros métodos usuales para almacenar la energía solar. En lugar de utilizar la energía de la radiación ultravioleta (práctica estándar) usan la energía de la radiación visible e infrarroja, más abundante, para generar resonancia plasmónica superficial localizada y absorber la radiación específica en  las nanopartículas de oro. Los electrones excitados en el metal pueden transferirse eficientemente al semiconductor,  catalizando la reacción de obtención del gas. Diseñaron el fotocatalizador usando el sistema Au (nanoparticulas de oro con forma de estrellas) y el semiconductor La2Ti2O7 sensibilizado con fósforo negro. Las tasas de producción de Hóptimas  fueron de aproximadamente 0,74 y 0,30 mmol g-1  h-1 a longitudes de onda mayores de 420 nanómetros y 780 nanómetros respectivamente. La acción del semiconductor acoplado a los plasmones de Au contribuye a una actividad fotocatalítica potenciada. La radiación visible e infrarroja  es absorbida por la resonancia plasmónica de las nanopartículas de oro y luego algunos de los electrones generados se transfieren al semiconductor para generar una acción catalítica eficiente destinada a obtener hidrógeno por disociación del agua de mar. El hidrógeno se puede usar para almacenar la energía solar y luego utilizarla cuando sea necesaria. 
Toda una forma nanotecnológica de ampliar la forma en que aprovechamos la luz del sol.

Lectura complementaria:
Au/La2Ti2O7 Nanostructures Sensitized with Black Phosphorus for Plasmon‐Enhanced Photocatalytic Hydrogen Production in Visible and Near‐Infrared Light

sábado, 7 de julio de 2018

¿Cómo formar nanotecnólogos?

Además de responder a la premisa básica de  formación integral de los estudiantes como personas, ciudadanos y profesionales, un verdadero avance en la educación universitaria debe tomar como eje transformador la articulación de la generación de conocimientos con las demandas sociales nacionales, regionales y mundiales. Las nuevas carreras deben ser formuladas desde un paradigma más complejo, flexible, global, interactivo e inteligente. 
El crecimiento exponencial de la población mundial del planeta hizo necesario, para dar respuestas a las crecientes necesidades socioeconómicas, la aparición de un nuevo paradigma: ya no basta con ciencias aisladas  destinadas al conocimiento de la naturaleza ahora necesitamos ciencias-tecnologías integradas capaces de transformar la naturaleza para restaurar las pautas perdidas y hacer posible la continuidad de la vida en la tierra. 
La nanotecnología surge dentro del nuevo paradigma con un crecimiento exponencial capaz de acompañar al de la población mundial y paliar sus consecuencias. Consiste en comprender el mundo desde lo pequeño para innovar trabajando con átomos y moléculas de modo de dar respuestas a las crecientes necesidades socioeconómicas. Da respuestas a las demandas de las nueve necesidades humanas primarias: salud, energía, alimentos, transporte, vestimenta, vivienda, cuidado del medio ambiente, comunicación y defensa. 

Crédito: Lic. en Nanotecnología - Universidad CAECE

En la actualidad existen más de 120 carreras de grado universitario distribuidas en más de 25 países. No obstante no todas se ubican en el nuevo paradigma. Muchas capacitan al educando en las asignaturas específicas para desenvolverse en el ámbito de la nanotecnología pero no en las necesarias para formar un nanotecnólogo. La formación adecuada requiere generar capacidades para investigar, desarrollar nuevos productos, producirlos con eficiencia-calidad y finalmente la gestión de la empresa nanotecnológica desde lo técnico, financiero, económico y comercial. En síntesis todo lo que debe hacer un innovador en la especialidad. 
Formar nanotecnólogos no puede ni debe constituir la sumatoria enciclopédica de una serie de asignaturas necesarias para la profesión, implica además formar innovadores integrando capacidades vinculadas con la ciencia, la tecnología y la gestión empresarial.

Lectura complementaria:
No llores por la nanotecnología Argentina III

viernes, 29 de junio de 2018

La computación líquida.

La idea de usar un medio líquido para computación ha existido durante décadas en las cuales se han propuesto varios enfoques distintos. Ahora investigadores del Instituto Nacional  de Estándares y Tecnología (NIST - EE.UU)  han demostrado cómo las operaciones lógicas computacionales se pueden realizar en un medio líquido atrapando iones (átomos cargados) en grafeno flotando en solución salina. De este modo se reemplaza las computadoras base silicio por otras capaces de utilizar fluidos. Entre sus ventajas potenciales este enfoque requeriría muy poco material y sus componentes blandos podrían ajustarse a formas personalizadas en, por ejemplo, el cuerpo humano.
Una película especial inmersa en líquido puede actuar como un semiconductor sólido equivalente al silicio. Por ejemplo, el material puede actuar como un transistor, el interruptor que lleva a cabo operaciones de lógica digital en una computadora. La película se puede encender y apagar ajustando los niveles de voltaje como los inducidos por las concentraciones de sal en los sistemas biológicos.
Crédito: Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST)
Además, cambiando la entrada y la salida, el mismo dispositivo puede actuar como un transistor o como un dispositivo de memoria. El trabajo se centró  en una lámina de grafeno de 5,5 por 6,4 nanómetros (nm) con uno o más orificios pequeños revestidos con átomos de oxígeno. Estos poros se sabe que atrapan iones metálicos.  El grafeno se suspendió en agua que contiene cloruro de potasio, una sal que se disocia en iones de potasio y sodio. Los poros fueron diseñados para atrapar iones de potasio (una carga positiva). Al atrapar un único ion de potasio en cada poro impide la penetración de iones sueltos adicionales en el grafeno. Los iones atrapados en los poros no solo bloquean la penetración adicional de iones sino que también crean una barrera eléctrica alrededor de la membrana.  Cuando se aplican voltajes menores de 150 mV a través de la membrana, se "desconecta" cualquier penetración.  Esta se produce a voltajes de 300 mV o más.  La actividad de captura y penetración puede ajustarse aplicando diferentes niveles de voltaje a través de la membrana, creando operaciones lógicas con ceros y unos. 

Las simulaciones realizadas en el NIST sugieren la posibilidad de realizar operaciones lógicas simples. Por lo tanto, la captura de iones por voltaje en los poros podría usarse para almacenar información y en transistores ionicos sencillos, pero sensibles, para realizar operaciones lógicas sofisticadas en la computación nanofluídica.

Lectura complementaria: Aqueous Ion Trapping and Transport in Graphene-Embedded 18-Crown-6 Ether Pores. 

sábado, 23 de junio de 2018

Nanopartículas revestidas de membranas celulares.

Las nanopartículas pueden administrar diferentes tipos de fármacos a tipos celulares específicos, por ejemplo, en la quimioterapia de las células cancerosas. Para llegar a donde necesitan ir y entregar el medicamento necesario deben ser más astutas que las defensas del cuerpo evitando ser reconocidas como intrusas. Las defensas del sistema inmune tienden a destruir las nanopartículas sintéticas; las capturan y eliminan del cuerpo en pocos minutos constituyendo una barrera límite para la utilización de la nanotecnología en medicina. Al ser enmascaradas con membranas celulares les permite sobrevivir durante horas sin daños. Esto ha llevado a científicos de la Universidad de California (San Diego-EE.UU) a desarrollar de una nueva clase de nanopartículas biomiméticas (biomimétrico: aplicación de los métodos y sistemas naturales a la ingeniería y la tecnología), revestidas con membrana celular.     Están 
Crédito: Nanowerk y Wiley-VCH Verlag
constituidas por un núcleo
sintético y nanoparticulado envuelto por una capa de membrana celular natural. Al transferir la capa más externa de una célula directamente sobre la superficie de la nanopartícula la complejidad de la totalidad de la membrana con sus lípidos, proteínas y carbohidratos se conserva manteniendo con fidelidad muchas de las propiedades exhibidas por la célula fuente. Finalmente las nanopartículas biomiméticas estarán listas para su uso en aplicaciones tales como administración de fármacos, desintoxicación, modulación inmune, biodetección, formación de imágenes y terapia fotoactivable. Es así como se desarrollaron nanopartículas recubiertas o revestidas por membranas de glóbulos rojos, de plaquetas, de glóbulos blancos, de células cancerígenas y de células madre. Además de estos grupos principales los investigadores también están explorando y trabajando en otros tipos de recubrimientos de membrana: células endoteliales, células beta, células bacterianas y membranas celulares híbridas. La utilidad del enfoque de revestimiento de nanopartículas con distintas membranas celulares permite consolidar la emergente nanotecnología biomimética. 

Lectura complementaria:
Cell Membrane Coating Nanotechnology.

sábado, 16 de junio de 2018

Nanosensor de la osteoartritis.

En el artículo “Label-Free Analysis of Physiological Hyaluronan Size Distribution with a Solid-State Nanopore Sensor”, publicado en Nature Communications,  investigadores del Wake Forest Baptist Medical Center (EE.UU) presentan un nanosensor para la detección y medición del biomarcador ácido hialurónico (HA). El HA es una molécula extremadamente ubicua que tiene una amplia gama de funciones fisiológicas vinculadas con la inflamación, lubricación de las articulaciones e hidratación tisular. La abundancia y la distribución del tamaño-peso molecular del HA en fluidos biológicos se reconoce como un indicador de la inflamación conducente a la osteoartritis y de otras enfermedades inflamatorias crónicas. También es un indicador del progreso de la enfermedad. Mientras que el peso molecular(MW) del HA de origen natural esta en el rango de 10 5 -10 7 Daltón (250-25,000 unidades de disacáridos, cada 1 nm de longitud), su tamaño dentro de este rango es un determinante crítico de la función de la molécula in vivo. Por ejemplo, el HA de alto MW (> 1000 kDa) es altamente viscoso y parece mostrar propiedades antiinflamatorias e inmunosupresoras; mientras que el HA de bajo MW (generalmente <500 kDa) puede inducir la liberación de citocinas proinflamatorias de los macrófagos. Además, la propiedades lubricantes del fluido sinovial dependen mucho más del HA de alto MW. En consecuencia, tanto la abundancia como la distribución del tamaño de HA son biomarcadores importantes para las patologías de la enfermedad y son esenciales para comprender las funciones de lubricación e inmunomoduladora de lHA in vivo.
Crédito: Nature Communicationsvolumen Pixabay
Actualmente, el método más utilizado para analizar el HA es la electroforesis en gel, una técnica lenta, semicuantitativa y con requisito de mucho material de partida. Otras técnicas como la espectrometría de masas y la cromatografía de exclusión por tamaño son costosas y de alcance limitado. El equipo de investigación utilizó un sensor de nanoporos de estado sólido como herramienta para el análisis del HA. Consiste en un chip con un único agujero o poro de unos pocos nanómetros de ancho, aproximadamente 5000 veces menor comparado con el diámetro de un cabello humano. Sólo las moléculas individuales pueden pasar a través de la abertura y, a medida que lo hacen, cada una puede ser detectada y analizada. Al aplicar el nanosensor los investigadores pudieron determinar el tamaño de cada molécula de HA. La distribución del tamaño del HA cambia con el tiempo en la osteoartritis, por lo que esta tecnología podría ayudar a evaluar mejor la progresión de la enfermedad. El nanosensor presentado establece un nuevo método cuantitativo para la evaluación de un biomarcador molecular significativo. Sólo son necesarios 10 nanogramos(ng) del AH extraído por un proceso mínimamente invasivo directamente del líquido sinovial. Los requisitos de sensibilidad, velocidad y muestra pequeña de este enfoque lo hacen atractivo como una poderosa herramienta analítica con claras ventajas sobre las tecnologías de evaluación actuales.

Lectura complementaria:

sábado, 9 de junio de 2018

Impacto estratégico de la nanotecnología en la sociedad, los negocios y la economía.

La rápida evolución tecnológica constituye la base del crecimiento exponencial de la innovación. Los avances de las nuevas tecnologías (Nano-Bio-Info y Cognotecnología / NBIC) han ido más allá de nuestra capacidad para pronosticar con precisión su impacto en la sociedad,  los negocios y la economía. Es necesario contar con el conocimiento adecuado para visualizar en tiempo real el nuevo contexto. 
Estamos en medio de un cambio de paradigma en el cual las ciencias destinadas al conocimiento de la naturaleza se reemplazan por ciencias-tecnologías integradas destinadas a trasformar la naturaleza para restituir pautas perdidas, dar respuestas a las necesidades socioeconómicas  y hacer posible la vida en la tierra.
Nuestra civilización es testigo del cambio tecnológico más rápido y exhaustivo de la historia. La nanotecnología tiene las características necesarias para redefinir, remodelar y transformar las economías y las sociedades a escala mundial. La manipulación, por primera vez,  de la materia a nivel atómico forzará la reevaluación de los mercados globales, las economías y las industrias en una escala nunca antes experimentada por la humanidad.  La naturaleza omnipresente de la nanotecnología como ciencia-tecnología fundamental tiene aplicaciones en numerosos servicios e industrias vinculados, entre otros,  con la salud, los materiales, la electrónica, los robots, la fotónica y la preservación del ambiente.
 "Arte nanofotónico"
Crédito de la imagen: Raúl Almirón-Alberto L. D'Andrea
¿Por qué es tan importante considerar su impacto? La nanotecnología puede brindar las herramientas para diseñar tanto la materia inorgánica como la orgánica  a nivel atómico con el potencial de realinear la sociedad y cambiar la estructura de los negocios. También puede hacer surgir nuevos modelos comerciales, herramientas de diseño y estrategias de fabricación a precios muy reducidos y altamente eficientes. Si los desarrollos en nanotecnología son capaces de alcanzar una masa crítica en el suministro de avances radicalmente innovadores como, por ejemplo, en el autoensamblaje automatizado, la mayoría de las industrias verticales se verán influenciadas. Las cadenas de suministro industrial y postindustrial cambiarán. ¿Qué pasaría si en las líneas de fabricación para hacer computadoras se redujeran los costos en un 50%? ¿Qué sucedería si el desarrollo de medicamentos y sus costos de fabricación bajaran un 70%? ¿Qué ocurriría si la generación de energía no dependiera más de los combustibles fósiles? ¿Cuál sería el impacto si se aplica la nanotecnología en las reducción de los costos de los bienes y servicios esenciales que afectan la calidad de vida, la salud, el hábitat y el transporte?  Seguramente ocurriría un impacto dramático en nuestro estilo de vida. La mayoría de las cadenas de valor, vínculos de apoyo, las alianzas y los canales de distribución serán alterados. Se reformarán las instituciones de aprendizaje, los servicios financieros y la industria manufacturera. Imaginemos la aparición de un nanochip con la capacidad de  procesamiento de diez supercomputadoras por el precio de un reloj de cuarzo y más pequeño que un llavero.  Imaginenos un material superfuerte y barato para la construcción y la fabricación capaz de eliminar el mercado del acero y de los plásticos. A medida que la economía mundial siga siendo transformada por las nuevas tecnologías, se desarrollará una intensa competencia por el talento, la propiedad intelectual, el capital y la experiencia tecnológica.  
Mientras la nanotecnología se desplaza de lo teórico a lo práctico, el posible impacto en la sociedad, los negocios, y la economía se hará cada vez más evidente impulsando las respuestas a las problemáticas actuales. Debemos tener la capacidad de configurar el estratégico futuro nanotecnológico de nuestras naciones. 

Lectura complementaria:

sábado, 2 de junio de 2018

Convertir el cabello en nanopartículas biomédicas

Suele ocurrir de tanto en tanto que algún trabajo de investigación nos sorprenda por su enfoque original y práctico. Tal es el caso del artículo “Hierarchical Micro/Nanostructures from Human Hair for Biomedical Applications” publicado en la revista Advanced Materials por un equipo de investigadores del Laboratory of Biomedical Polymers-University Wuhan, China. Ellos exploraron en orden jerárquico las microestructuras (micropartículas jerárquicas-HMP) y nanoestructuras (nanopartículas jerárquicas-HNP) del cabello humano utilizando procedimientos descendentes (top-down).  Tales partículas muestran una alta hemocompatibilidad e inmunogenicidad insignificante con relación a otros vehículos usualmente comercializados (nanodelivery) tales como los liposomas o las nanopartículas de albúmina. La estrategia es preparar los biomateriales a partir del cabello de los propios pacientes para superar los inconvenientes citados. Además, estos materiales también muestran optimas propiedades en aspectos vinculados a la  absorción de luz  y  eliminación
Crédito:  Advanced Materials 
de radicales libres. Tanto las HMP como las HNP pueden prevenir el daño inducido por la radiación UV y, por ejemplo, aliviar los síntomas de las cataratas in vitro. También presentan una satisfactoria capacidad de conversión fototérmica. Desde una perspectiva química, el cabello está compuesto principalmente por las melaninas y queratinas, dos  polímeros ideales para variadas aplicaciones biomédicas.

Los biomateriales basados ​​en queratina muestran un rendimiento superior en la regeneración ósea, la hemostasia y la protección celular. Los pigmentos de melanina, constituyen un tipo de polímero funcional existente en la mayoría de las formas de vida, tienen funciones versátiles en la regulación del equilibrio redox, la conversión fototérmica y la coloración dinámica. Tal vez baste con comentar que las nanopartículas HNP modificadas con aptámeros dirigidos contra tumores exhiben un efecto antineoplásico espectacular con supresión del 96.8% del crecimiento tumoral in vivo.  Ahora muchos desafíos biomédicos podrán contar con micro y nanomateriales  multifacéticos, una nueva y económica herramienta proveniente de tu cabello.

Lectura complementaria:

sábado, 26 de mayo de 2018

Autoensamblaje robotizado masivo de nanoestructuras

En el artículo “Autonomous robotic searching and assembly of two-dimensional crystals to build van der Waals superlattices” publicado en la revista Nature Communications, investigadores japoneses,  presentan una forma de realizar ensamblaje robotizado a nanoescala con posibilidad cierta de estar disponible comercialmente a la brevedad. El sistema consiste en un microscopio óptico automatizado, un brazo robótico de transferencia de chips y un aparato de estampado que es capaz de apilar materiales bidimensionales (2D) conocidos como heteroestructuras de van der Waal (vdW)  mucho más rápidamente que los humanos. Estas heteroestructuras vdW reciben su nombre porque las fuerzas de van der Waal  mantienen juntas las capas. 
Crédito: Riccardo Frisenda
La propiedad única de estas nanoestructuras es que al alternar las capas conductoras (como el grafeno) y aislantes (como el nitruro de boro hexagonal) es posible lograr propiedades electrónicas “personalizadas”. Por lo general a los operadores les lleva días ensamblar 13 capas de una heteroestructura vdW mientras que el sistema presentado en el artículo permite ensamblar 29 capas en 32 horas.

Existen otros métodos de autoensamblaje para acoplar heteroestructuras de vdW que no involucran a los operadores apilando manualmente las capas, no obstante, estos métodos de autoensamblaje solo son capaces de crear heteroestructuras simples, en cambio la nueva técnica robótica se puede usar fácilmente para producir heteroestructuras tan complejas como el usuario las desee. En lugar de utilizar el enfoque “de arriba hacia abajo” comúnmente utilizado para fabricar dispositivos pequeños esculpiendo un material a granel (por ejemplo, en la industria del silicio, el punto de partida es una oblea de silicio macroscópica litografiada y grabada para definir transistores muy pequeños), en este trabajo usan el enfoque “de abajo hacia arriba” donde se fabrica un nanodispositivo acumulando capas atómicamente delgadas. La tecnología robótica presentada está en su inicio y es de esperar, a corto plazo,  un aumento considerable de la velocidad de ensamblado de las nanoestructuras.

sábado, 19 de mayo de 2018

La nanopartícula exómero y el cáncer

En el artículo “Identification of distinct nanoparticles and subsets of extracellular vesicles by asymmetric flow field-flow fractionation” publicado en la revista Nature Cell Biology, se aplica una técnica de vanguardia para separar y clasificar  las partículas de tamaño nanométrico presentes en los exosomas secretados por células cancerígenas (contienen ADN, ARN, grasas y proteínas). Existe un gran interés por el estudio de los exosomas para el desarrollo de las revolucionarias biopsias líquidas. La técnica permitió separar dos subtipos de exosomas distintos y descubrir una nueva nanopartícula, denominada exómero. Todo el material genético de los exómeros se encuentra mucho más preservado con relación a los fragmentos de ácidos nucleicos libres en sangre expuestos a la desnaturalización con mucha facilidad.
Crédito: Nature Cell Biology
 
Los exómeros, las partículas más predominantes secretadas por las células cancerosas, tienen menos de 50 nanómetros de diámetro, en comparación con los exosomas pequeños (Exo-S), que varían de 60 a 80 nanómetros de diámetro, y los exosomas grandes (Exo-L), con dimensiones entre 90 y 120 nanómetros. Los exosomas y exómeros también presentan diferentes características biofísicas tales como rigidez y carga eléctrica. Cuanto más rígida es la partícula, más fácil es su absorción por las células, Por lo expuesto, los exómeros, más rígidos que los exosomas, son mensajeros más efectivos para transferir toda la información sobre el tumor a las células receptoras. También difieren en la forma de participar en el cáncer. Los exómeros llevan enzimas metabólicas al hígado, un órgano  fundamental para la descomposición de las drogas en formas no tóxica. Los exómeros se dirigen al hígado para "reprogramar" su función metabólica y favorecer la progresión del tumor. También transportan factores de coagulación de la sangre al hígado, donde pueden suprimir la función normal del hígado en la regulación de la coagulación. En cambio los exosomas Exo-L promueven la metástasis en los ganglios linfáticos, mientras los Exo-S pueden apoyar la metástasis a distancia. 
El descubrimiento de los exómeros conduce a una mejor  comprensión sobre el mecanismo del cáncer y la técnica desarrollada puede ser beneficiosa  para el estudio de poblaciones complejas de nanopartículas y su utilización como biomarcadores en nuevas pruebas de diagnóstico.

sábado, 12 de mayo de 2018

Nanoestructura del hueso humano

Las propiedades del hueso se pueden atribuir a su organización jerárquica, donde los elementos pequeños forman estructuras más grandes. Sin embargo, la organización a escala nanométrica y la relación entre los componentes principales del hueso (mineral y proteína) no se han entendido completamente. Recientemente, equipos de investigación de la Universidad de York y del Imperial College de Londres, han demostrado, utilizando imágenes 3D del mineral en hueso humano a escala nanométrica, que los cristales minerales tienen una estructura jerárquica integrada a  la estructura de mayor escala del esqueleto. Los resultados de la investigación se publicaron en el artículo “Fractal-like hierarchical organization of bone begins at the nanoscale” de la revista Science (3 de mayo 2018).
Crédito: Dr Roland Kröger
Los investigadores combinaron varias técnicas avanzadas basadas en la microscopía electrónica y descubrieron que los principales bloques de construcción de mineral a escala nanométrica son los nanocristales curvos en forma de aguja capaces de formar plaquetas más grandes y retorcidas semejantes a las paletas de una hélice. Las cuchillas se fusionan continuamente y dividen a lo largo de la fase proteica del hueso. El mineral y la proteína entrelazados forman redes continuas para proporcionar la fuerza esencial de los huesos funcionales. La combinación de los dos materiales de una manera jerárquica proporciona hueso con propiedades mecánicas superiores a las de sus componentes individuales. Además del gran número de estructuras anidadas, una característica común de todas ellas es una ligera curvatura, responsable de proporcionar una geometría retorcida. Por nombrar algunas: los cristales minerales son curvos, los hilos de proteína (colágeno) están trenzados, las fibrillas de colágeno mineralizadas se retuercen y los huesos completos tienen un giro, como los de la forma curva de una costilla. Los fractales (objetos cuya estructura se repite a diferentes escalas) son comunes en la naturaleza: se pueden ver patrones auto-similares en relámpagos, líneas costeras, ramas de árboles, nubes y copos de nieve. El estudio de la nanoestructura permite concluir que la estructura del hueso sigue un principio de orden fundamental en la naturaleza.

Lectura complementaria:

sábado, 5 de mayo de 2018

Investigar células vivas por dentro con nanomotores

La capacidad de los nanomotores para ingresar a una célula y moverse a través del espacio intracelular no es nueva. Estos motores a menudo se pueden controlar utilizando varios tipos de campos: químicos, magnéticos, acústicos y eléctricos. No obstante hasta el presente no se había logrado evitar el daño celular. 
Un equipo de investigadores de la India, en la publicación “Maneuverability of Magnetic Nanomotors Inside Living Cells” (Advanced Materials), ha creado nanomotores helicoidales que pueden penetrar y maniobrar dentro de una célula utilizando un campo magnético rotativo. Su manejo, en forma remota,  limita el efecto de la transducción mecánica y la producción de algún efecto adverso sobre la célula.
Crédito: GiroScience/Shutterstock
Probaron los nanomotores en diferentes células cancerosas y no cancerosas, para analizar y, al mismo tiempo, diseñar  su desplazamiento por el espacio intracelular. Los investigadores pudieron sintonizar el movimiento (hacia delante y hacia atrás) ajustando el sentido de rotación del campo. El control a través de la célula permite su utilización  para entregar una carga útil (fármaco) directamente en el citoplasma celular. La investigación ha proporcionado suficiente evidencia sobre la anisotropía, heterogeneidad y variabilidad del espacio temporal en el interior de la célula. Observando como los nanomotores se mueven a través del entorno celular se pueden realizar estudios para hacer estimaciones cuantitativas sobre las propiedades reológicas puntuales en la célula. 
Los nanomotores magnéticos helicoidales pueden constituirse tanto en la herramienta para sondear el interior de la célula como para hacer delivery de medicamentos transportándolos directamente al  citoplasma celular.

Lectura complementaria:
Maneuverability of Magnetic Nanomotors Inside Living Cells

sábado, 28 de abril de 2018

La biotecnología también juega en el Mundial.

El 14 de junio del 2006, unos días antes del Mundial de Fútbol de Alemania, publiqué en el diario Clarín el artículo "La biotecnología también juega en el Mundial". El artículo se lo utilizó en varios manuales escolares, no siempre citando la autoría, en actividades vinculadas con contenidos de Biología y Biotecnología. A doce años de la publicación y ante la inminencia  del Mundial de Fútbol de Rusia, tal vez resulte interesante su lectura:
"Muchos conocen la historia de Lioneli Messi, quien a los 13 años presentaba una estatura inferior al promedio: alrededor de 1,46 metros. Se le diagnosticaron problemas de retraso en su crecimiento y, tras la negativa de clubes nacionales a hacerse cargo del tratamiento, emigró a España donde fue tratado con la hormona de crecimiento humano (hGH, human Growth Hormone).
La hormona del crecimiento humano se produce en la hipófisis humana y estimula la síntesis de proteínas, favoreciendo así el desarrollo de los músculos y huesos. En muchos casos, su utilización en tiempo y forma permite tratar el enanismo. Hasta mediados de los años ochenta, los tratamientos empleaban exclusivamente un tipo de hormona humana biológicamente activa. Esta era extraída de la hipófisis de cadáveres, por lo que, además de muy costosa, era extremadamente difícil de conseguir. Este procedimiento se siguió empleando hasta 1985, año en el que se descubrió la relación que había entre las muertes a causa de la enfermedad de Creutzfeldt-Jacob (una enfermedad del cerebro, que causa locura y muerte) y la hormona extraída de cadáveres humanos. Por tal motivo, se decidió retirar progresivamente del mercado el producto y, hoy en día, es imposible conseguir hormona extraída de cadáveres humanos. En sustitución, se comenzó a producir biotecnológicamente la hormona de crecimiento, empleando la técnica de ADN recombinante (rhGH). Esta consiste en introdu cir el gen que produce la hormona de crecimiento humano (gen localizado en el brazo largo del cromosoma 17) en bacterias como la Escherichia Coli o en cultivos de células de mamíferos. La hormona es luego purificada y así es comercializada mundialmente por múltiples laboratorios. Parece evidente, por otra parte, que la hormona es un producto biotecnológico de altísimo valor tanto para estimular el crecimiento en los niños-adolescentes como para retrasar el envejecimiento en los adultos-viejos. Muchos niños-adolescentes afectados por problemas de crecimiento no tienen ni la suerte de un diagnóstico a tiempo ni la posibilidad de poder comprar o conseguir la hormona por su elevado costo. Este panorama podría cambiar a raíz de que recientemente un laboratorio argentino pudo mediante técnicas de clonación obtener vacas transgénicas, en cuya leche está presente la hormona del crecimiento. En el futuro, esto permitiría proveer al mercado de una cantidad sufi ciente de este recurso con precios sensiblemente menores que los barajados en la actualidad.Afortunadamente, en el caso de Lionel Messi su fútbol le brindó la oportunidad de iniciar y completar el tratamiento con la rhGH y así alcanzar su actual altura de 1,69 metros. 
Resulta claro que su habilidad y talento no son producto de la hormona del crecimiento, pero también es cierto que jugadores de muy baja estatura y pequeña constitución física raramente llegan al fútbol competitivo de primer nivel".

Clarín, 14/06/06

sábado, 21 de abril de 2018

Desalinización solar directa con nanopartículas.

Hoy existe una necesidad crítica de convertir las fuentes no potables, como el agua de mar, en agua adecuada para uso humano debido a que más de mil millones de personas no tienen acceso al vital recurso, Sin embargo, los requerimientos de energía de las plantas de desalinización representan la mitad de sus costos de operación; esto hace necesario enfoques alternativos capaces preferentemente de aprovechar la radiación solar.
En el artículo “Desalinización solar del agua de mar con nanopartículas” (Biotecnología & Nanotecnología al Instante, 25/11/2007) explicamos como  nanopartículas de oro presentan el denominado efecto de resonancia plasmódica localizado originado, cuando la frecuencia de la onda electromagnética producida por el movimiento oscilatorio  de sus electrones superficiales, coincide con alguna frecuencia de los fotones de la radiación solar.  En tal situación ambas entran en resonancia con la absorción de la energía de la radiación incidente de esa longitud de onda, reflejando el resto. En el agua de mar, alrededor de las nanopartículas con su energía incrementada por la resonancia se comienzan a formar burbujas y, debido a la evaporación del agua en la interfase, migran a la superficie donde se libera el vapor quedando las nanopartículas disponibles para hacer un proceso continuo.
Ahora, trece investigadores de la Rice University, de Houston, publicaron el trabajo “Nanophotonics-enabled solar membrane distillation for off-grid water purification”, en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences, en el cual utilizan una membrana con nanopartículas para el proceso de destilación inducido por la iluminación solar.
Crédito Rice University 
El sistema, conocido como destilación de membrana solar habilitada por nanofotónica (NESMD), utiliza una membrana porosa con nanopartículas de negro de humo. Las nanopartículas toman la energía de la luz solar para calentar el agua en un lado de la membrana, que filtra la sal y otros contaminantes no volátiles al tiempo que permite que el vapor de agua pase a través de ella logrando convertir hasta el 80 por ciento de la energía de la luz solar en calor. Los resultados de un prototipo indican la posibilidad de producir hasta seis litros de agua dulce por hora por metro cuadrado de membrana solar. Una particularidad distintiva del sistema NESMD, es que la fuente de calor está en la membrana; las nanopartículas, incrustadas en un lado usan la luz del sol para calentar el agua e impulsar el proceso de desalinización. 
En la literatura científica podemos encontrar otras publicaciones con  variados sistemas basados en la utilización de nanopartículas para la desalinización solar directa; al parecer el camino viable para tener agua potable a futuro.

Lectura complementaria: