El músculo nanotecnológico

El 28 de enero publicó la revista Science el sorprendente artículo Unipolar stroke, electroosmotic pump carbon nanotube yarn muscles en el cual investigadores de la Universidad de Texas con colaboradores en Estados Unidos, Australia, Corea del Sur y China han fabricado músculos artificiales a partir de hilos de nanotubos de carbono con polímeros. Los músculos del hilo nanotubos de carbono (CNT) accionados electroquímicamente se activan al aplicar un voltaje entre el músculo y un contraelectrodo, al impulsar los iones de un electrolito circundante al músculo. No obstante existen limitaciones para los músculos CNT electroquímicos. En primer lugar el músculo se comporta en forma bipolar, lo que significa que el movimiento del músculo, ya sea expansión o contracción, cambia de dirección con el tiempo. Otro problema está relacionado con la estabilidad del electrolito solo en un rango particular de voltajes, fuera de este rango, el electrolito se descompone. Además, la capacitancia del músculo, su capacidad para almacenar la carga necesaria para la actuación, disminuye al aumentar la frecuencia lo que hace que el movimiento del músculo disminuya drásticamente.

Crédito: Universidad de Dallas  

Para resolver estos pro- blemas, los investigadores descubrieron que las super- ficies interiores de los hilos de nanotubos de carbono enrollados podrían recubrirse con un polímero conductor iónico adecuado conteniendo grupos químicos cargados positiva o negativamente. 

Este recubrimiento de polí- mero convierte la actuación bipolar normal de los hilos de nanotubos de carbono en una actuación unipolar donde el músculo actúa en una dirección en todo el rango de estabilidad del electrolito. Este comportamiento tan buscado tiene consecuencias sorprendentes, hace a los músculos electroquímicos de nanotubos de carbono mucho más rápidos y poderosos. Los músculos unipolares electroquímicos se contraen para generar una potencia mecánica de salida media máxima por peso muscular de 2,9 watt/gramo, que es aproximadamente 10 veces la capacidad típica del músculo humano. El recubrimiento polimérico utilizado para producir estos resultados fue el poli (4-estirenosulfonato de sodio) aprobado para uso farmacéutico y lo suficientemente económico. Los músculos de nanotubos de carbono impulsados ​​electroquímicamente proporcionan un enfoque alternativo para satisfacer la creciente necesidad de músculos artificiales rápidos, potentes y de gran recorrido para aplicaciones que van desde la robótica hasta las bombas cardíacas, también con posibilidades concretas de ser utilizados en la industria textil.

Información Complementaria:

Unipolar stroke, electroosmotic pump carbon nanotube yarn muscles.

Control remoto para neuronas.

Un equipo dirigido por investigadores de la Universidad Carnegie Mellon acaba de publicar el artículo Remote nongenetic optical modulation of neuronal activity using fuzzy graphene (PNAS-Proceedings of the National Academy of Sciences, 23/05/20) en el cual se presenta una nueva tecnología tendiente a  mejorar la capacidad de los científicos para comunicarse, utilizando la luz,  con las células neurales. El grafeno es un nanomaterial (nanoplaca) abundante, barato y biocompatible.  Mediante técnicas especialmente desarrolladas lo han sintetizado en topologías tridimensionales denominadas de grafeno "difuso".    

Interfase NT-3DFG con neuronas DGR. Crédito: Tzahi Cohen-Karni y col. Universidad Carnegie Mellon

Al cultivar estos copos de grafeno bidimensionales (2-D) con nanocables de silicio, crearon una estructura tridimensional (NT-3DFG) con absorción óptica de banda ancha y una eficiencia fototérmica sin igual. Estas propiedades lo hacen ideal para la modulación electrofisiológica celular utilizando la estimulación fototérmica remota no genética con energías láser muy bajas sin generar estrés celular. El nanomaterial puede prepararse con fácilidad en suspensión, aislándose NT-3DFG individual para lograr interfaces  subcelulares con neuronas, haciendo posible el estudio de la señalización dentro y entre los sistemas de células 2-D y 3-D tales como los organoides presentes en las células humanas. La absorción de banda ancha de estos nanomateriales tridimensionales permite utilizar luz de longitudes de onda que pueden penetrar profundamente en el tejido para excitar de forma remota las células nerviosas. El método se puede utilizar en toda una gama de aplicaciones, desde el diseño de terapias no invasivas hasta estudios científicos básicos. Los hallazgos del equipo son significativos tanto para nuestra comprensión de las interacciones celulares como para el desarrollo de terapias que aprovechen el potencial de las propias células del cuerpo. Las nanoestructuras creadas con NT-3DFG pueden tener un gran impacto en el futuro de la biología y la medicina humana.

Lectura complementaria:

Remote nongenetic optical modulation of neuronal activity using fuzzy graphene

Nanoterapia preventiva de la aterosclerosis.

La aterosclerosis es el proceso que subyace al ataque cardíaco y al derrame cerebral. Un rasgo característico de la placa aterosclerótica es la acumulación de células apoptóticas en el núcleo necrótico. El 27 de enero del año 2020 se ha publicado en la revista Nature Nanotechnology el artículo Pro-efferocytic nanoparticles are specifically taken up by lesional macrophages and prevent aterosclerosis, en el cual científicos de la Universidad de Michigan y de la Universidad de Stanford, han utilizado una nanoterapia específica de macrófagos basada en nanotubos de carbono de pared simple cargados con el inhibidor antifagocítico CD47-SIRPα.

Crédito:© MP / Adobe Stock

Los nanotubos se alojan en la placa aterosclerótica debido a su alta selectividad a un tipo particular de células inmunes: monocitos y macrófagos. Una vez dentro de los macrófagos en esas placas, liberan el agente farmacológico estimu- lando a la célula a engullir y comer restos celulares. Básicamente, elimina las cé- lulas enfermas - muertas en el núcleo de la placa. Al revitalizar los macrófagos, el tamaño de la placa se reduce y se estabiliza. La reactivación de la fagocitosis reduce la carga de la placa sin comprometer la seguridad, superando una barrera de traslación clave para esta clase de drogas. El análisis de secuenciación de ARN unicelular revela que los nanotubos de carbono de pared simple profagocíticos disminuyen la expresión de genes inflamatorios vinculados a las vías de las citocinas y quimiocinas en los macrófagos, demostrando su potencial de “caballo de Troya” para prevenir la enfermedad cardiovascular aterosclerótica. El estudio, en definitiva, se centra en interceptar la señalización de los receptores en los macrófagos y enviar un mensaje a través de nano-objetos utilizando plataformas nanoinmunoterapéuticas. Los investigadores ya han presentado una patente provisional a la espera del inicio de los estudios pertinentes a las distintas fases clínicas para su aprobación.

Información complementaria:
Pro-efferocytic nanoparticles are specifically taken up by lesional macrophages and prevent aterosclerosis.

Nanotecnología para cuantificar marihuana en el aliento.

La posibilidad de determinar la cantidad de marihuana consumida, tal como se realiza en la actualidad en un test de alcoholemia, puede convertirse en realidad. Un  equipo de investigadores de la Universidad de Pittsburgh presenta, en el artículo Tetrahydrocannabinol Detection Using Semiconductor-Enriched Single-Walled Carbon Nanotube Chemiresistors,  el diseño de un prototipo para medir la cantidad de cannabis consumido. El compuesto psicoactivo en la marihuana es el tetrahidrocannabinol(THC). Los investigadores diseñaron el dispositivo con la ayuda de la nanotecnología.  El marihuanímetro se basa en la utilización de nanotubos de carbono, pequeños tubos de carbono 100.000 veces más pequeños que un cabello humano enriquecidos en semiconductores s-SWCNT (nanotubos de carbono de pared simple). 

Crédito: Sean Hwang y col. Sens ACS. 2019,4,8

Las moléculas de THC del aliento del individuo a controlar se unen a los nanotubos de carbono y provocan un cambio en sus propiedades eléctricas. La electricidad circulante a través de los tubos cambia con la unión del cannabinol  y  la variación se puede medir con nanosensores. La diferencia en el pulso eléctrico proporciona una cuantificación precisa del THC presente en la respiración del individuo. Los investigadores afirman que la precisión en la detección del THC supera a la del método de espectrofotometría de masas, validado internacionalmente la para el análisis del THC. El equipo se  asemeja a un alcoholímetro con su  boquilla y pantalla digital. El límite de detección del test en el aliento es de  0.163 ng (0,163. 10^-9gramos). El nivel de detección no se afecta por la presencia de alcohol, agua, metanol y acetona, lo que evita la necesidad de correcciones en los valores debido a interferencias por las citadas sustancias. Los alentadores resultados logrados utilizando el prototipo alientan el pronto paso  a su de fabricación y disponibilidad para su utilización.

Información Complementaria:

Tetrahydrocannabinol Detection Using Semiconductor-Enriched Single-Walled Carbon Nanotube Chemiresistors.

Supercapacitores nano para dispositivos portátiles.

El avance de la tecnología portátil requiere de fuentes de energía mejoradas.  En el artículo “Highly Stretchable Supercapacitors via Crumpled Vertically Aligned Carbon Nanotube Forests”, publicado en la revista Advanced Energy Materials, investigadores de la Universidad Estatal de Michigan presentan una solución con la  creación de supercapacitores altamente estirables basados en bosques arrugados de nanotubos de carbono (CNT) alineados verticalmente y transferidos a un sustrato de elastómero.  

Crédito: Universidad Estatal de Michigan 

Los nuevos supercapacitores estirables pueden permitir el almacenamiento de energía para la alimentación de dispositivos portátiles y han recibido mucha atención debido a sus importantes aplicaciones en el desarrollo de artefactos electrónicos estirables autoamplificados destinados a  los dispositivos electrónicos portátiles, a los dispositivos      epidérmicos en implantes y a los dispositivos biomédicos con capacidad  de soportar deformaciones y adaptarse a las superficies complicadas. El capacitador desarrollado ha demostrado un sólido rendimiento y estabilidad, incluso cuando se estira hasta el 800% de su tamaño original para miles de ciclos de estiramiento-relajación. Además, los electrodos de CNT-bosque arrugados se pueden complementar fácilmente con nanopartículas de óxido metálico impregnadas para mejorar la capacidad específica y la densidad de energía de los supercapacitores. En lugar de tener una película delgada plana estrictamente restringida, el diseño permite que el bosque CNT interconectado en tres dimensiones mantenga una buena conductividad eléctrica, resultando mucho más eficiente, confiable y robusto. En términos de su capacidad para recolectar y almacenar energía, los nanobosques arrugados superaron a la mayoría de los supercapacitores basados ​​en CNT existentes.  El enfoque desarrollado en este trabajo ofrece una estrategia alternativa para construir nuevos dispositivos de energía estirables con nanotubos o nanocables alineados verticalmente para aplicaciones avanzadas en sistemas electrónicos estirables, flexibles y portátiles.

Información complementaria:

Highly Stretchable Supercapacitors via Crumpled Vertically Aligned Carbon Nanotube Forests

Nanodelivery de genes a los cloroplastos.

Los investigadores del MIT han desarrollado una nueva herramienta genética para facilitar la ingeniería de las plantas y hacerlas sobrevivir a la sequía o resistir las infecciones por hongos. La técnica utiliza nanopartículas para suministrar genes a los cloroplastos de las células vegetales y puede ser aplicada a muchas especies de plantas diferentes, incluidas las espinacas y otras verduras. La ingeniería genética de plantas es una herramienta importante utilizada para el mejoramiento de cultivos, la biosíntesis de productos farmacéuticos y la agricultura sostenible. Esta nueva estrategia podría ayudar a superar las dificultades involucradas en la actual modificación genética de los vegetales, un proceso complejo y lento. 

Crédito: Instituto de Tecnología de Massachusetts

En el artículo “Chloroplast-selective gene delivery and expression in planta using chitosan-complexed single-walled carbon nanotube carriers”, publicado en la revista Nature Technology, los investigadores (MIT) diseñan racionalmente nanopartículas conteniendo nanotubos de carbono de pared simple envueltos (complejados) con quitosano, un azúcar natural. El mecanismo por el cual las nanopartículas penetran en las  membranas de las células vegetales se denomina penetración de la envoltura de intercambio de lípidos (LEEP). Los nanotubos de carbono de pared simple entregan de forma selectiva el ADN plasmídico a cloroplastos de diferentes especies de plantas sin ayuda biológica o química externa. El ADN, cargado negativamente, se une libremente a los nanotubos de carbono cargados positivamente. Para colocar las nanopartículas en las hojas de las plantas los investigadores aplican una jeringa sin aguja llena de la solución de partículas en el lado inferior de la superficie de la hoja. Las partículas entran a la hoja a través de pequeños poros llamados estomas, encargados normalmente de controlar la evaporación del agua. Las nanopartículas pasan a través de la pared celular de la planta, las membranas celulares y luego las membranas dobles del cloroplasto. Una vez dentro, el ambiente del cloroplasto, ligeramente menos ácido, hace que el ADN se libere y una vez liberado puede traducirse en proteínas. Debido a que los genes diseñados se transportan solo en los cloroplastos, heredables por vía materna,  pueden pasar a la descendencia pero no se pueden transferir a otras especies de plantas. La herramienta de administración de genes a los cloroplastos mediada por nanopartículas brinda ventajas prácticas sobre las técnicas de administración actuales y se constituye como un método potencial de transformación para bioingeniería de plantas.

Información complementaria:
Chloroplast-selective gene delivery and expression in planta using chitosan-complexed single-walled carbon nanotube carriers.

Telas autorregulables para responder al clima.

En el artículo Dynamic gating of infrared radiation in a textile publicado el 8 de febrero del 2019 en la revista Science, investigadores de la Universidad of Maryland explican el desarrollo de una tela capaz de regular automáticamente la cantidad de calor que la atraviesa. Cuando las condiciones son cálidas y húmedas la tela permite a la radiación infrarroja (calor) traspasarla. Cuando las condiciones se vuelven más frías y secas el tejido reduce el paso del calor generado por el cuerpo. 

Crédito: F. Levine, M. Li, S. Deng y YH Wang. de Maryland.

El nuevo textil, adaptable al infrarrojo, está compuesto de fibras de triacetato de celulosa recubiertas con nanotubos de carbono. El triacetato de celulosa puede absorber agua lo que tiende a unir las fibras y agrandar los poros; en caso contrario la celulosa repele la fibras y achica los poros.  Como los materiales son capaces de repeler o absorber el agua, las fibras se deforman cuando se exponen a la humedad del cuerpo sudoroso. Esa distorsión acerca las hebras del hilo produciendo dos efectos. En primer lugar abre los poros de la tela generando un pequeño efecto de enfriamiento por permitir escapar al calor; la segunda y más importante surge de la modificación del acoplamiento electromagnético entre los nanotubos de carbono del recubrimiento capaz de aumentar o disminuir la disipación del calor. Por lo expuesto la tela permite que pase la radiación infrarroja o la bloquea. La reacción es casi instantánea, antes de darnos cuenta de que nos estamos calentando, la prenda ya podría estar bajando nuestro calor. Por otro lado, cuando un cuerpo se enfría, el mecanismo de cierre dinámico funciona a la inversa para atrapar el calor generado por el cuerpo. La tela presentada es un verdadero regulador bidireccional, constituyéndose en el primer textil capaz de autorregular nuestro intercambio de calor con el ambiente.

Información complementaria:

Dynamic gating of infrared radiation in a textile.

Hacer viable lo inviable II

Desde los residuos orgánicos hasta los materiales nanocompuestos para la producción 3D. 

En el primer artículo “Hacer viable lo inviable” hemos mostrado un cuadro de situación en el cual se ha resumido una serie de soluciones posibles para aquellas zonas consideradas inviables por los economistas y abandonadas a su suerte. En tal contexto la gente joven emigra en busca de un porvenir mejor y los pueblos existentes languidecen.     
Las soluciones propuestas abarcaban desde el aprovechamiento de los residuos y la generación abundante de energía, hasta la producción de nanomateriales de avanzada. En el presente artículo vamos a profundizar sobre las impactantes posibilidades que brinda la nanotecnología de obtener, a partir de los residuos orgánicos, productos de alto valor agregado y de incorporar la zona a una producción sustentable con tecnología de de punta.
La producción de biogás genera metano y dióxido de carbono. Ambos gases se pueden utilizar para obtener nano-objetos. Del metano se puede, mediante el proceso CVD (Chemical vapour deposition) obtener grafeno y nanotubos de carbono. Del dióxido de carbono también puede obtenerse grafeno por reducción con magnesio del hielo seco generado.

En forma paralela, con los residuos se puede producir poliláctico (PLA), un polímero biodegradable y reciclable. Generalmente los residuos fermentables son autoclavados a 121ºC durante 20 minutos y luego regulando las condiciones fisicoquímicas se realiza un proceso de sacarificación con la enzima glucosamilasa y posteriormente se agrega Lactobacillus rhamnousus para pasar la glucosa producida a ácido láctico. 
Finalmente el ácido láctico se utiliza para sintetizar PLA. Dentro de los materiales nanoestructurados, los nanopcompuestos de polímeros con nano-objetos presentan en la actualidad un alto grado de aplicaciones actuales y futuras. En algunos nanocomposites, un 1% de grafeno en la estructura polimérica permite aumentar su resistencia en un 100%. La posibilidad de poder utilizar en las impresoras 3D polímeros de PLA-grafeno y PLA-nanotubos de carbono, obtenidos a partir de residuos, permite producir en forma continua o rotativa una importante cantidad de productos utilizables en la industria textil, alimenticia y automotriz, entre otras. Un buen ejemplo de la importancia de la nanobioeconomía en la sociedad multidireccional.

Lecturas complementarias: 
Hacer viable lo inviable;
La sociedad Multidirecccional ; 
Nanobioeconomía.

Nanotubos de carbono facilitan la regeneración neuronal

Los nanotubos de carbono presentan características interesantes para la construcción de dispositivos híbridos (contenido biológico + material sintético)  especiales destinados a restablecer las conexiones entre las células nerviosas. En el reciente  artículo “Sculpting neurotransmission during synaptic development by 2D nanostructured interfaces [1]" publicado en la revista científica Nanomedicine: Nanotechnology, Biology, and Medicine, un equipo multidisciplinario integrado por científicos de la International School for Advanced Studies (SISSA), Life Science Department - University of Trieste, ELETTRA Synchrotron Light Source y dos instituciones españolas, la Fundación Vasca para la Ciencia y el CIC BiomaGUNE, han evaluado los posibles efectos sobre las neuronas cuando interactúan con los nanotubos de carbono. Demostraron que los nanotubos de carbono pueden regular la formación de sinapsis, estructuras especializadas a través de las cuales las células nerviosas se comunican y modulan mecanismos biológicos como su crecimiento y autoregulación. El resultado, permite determinar hasta qué punto la integración entre las células nerviosas y estas estructuras sintéticas es estable y eficiente, Destaca las grandes potencialidades de los nanotubos de carbono como materiales innovadores capaces de facilitar la regeneración neuronal o para crear una especie de puente artificial entre grupos de neuronas cuya conexión se ha interrumpido. En la actualidad ya han comenzado con las pruebas in vivo. Otra interesante aplicación de la nanomedicina.

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[1] Sculpting neurotransmission during synaptic development by 2D nanostructured interfaces

Teléfonos celulares con nanosensores de gases tóxicos.

Los investigadores del Departamento de Química del MIT (Massachusetts Institute of Technology) desarrollaron sensores utilizando nanotubos de carbono modificados químicamente capaces de detectar menos de 10 ppm (partes por millón) de gases tóxicos (J. Am. Chem. Soc., 2016). El sensor tiene un circuito cargado con nanotubos de carbono, normalmente altamente conductores, envueltos en un material aislante para mantenerlos en un estado altamente resistivo. Cuando se expone a ciertos gases tóxicos el material aislante específico es atacado en función de la concentración de la sustancia en el aire y los nanotubos vuelven a conducir la corriente enviando una señal legible por un teléfono celular inteligente con tecnología de comunicación de campo cercano (NFC). Los teléfonos celulares con nanosensores para sustancias tóxicas  podrían ser utilizados por los soldados en el campo de batalla para evidenciar la presencia de armas químicas,  los trabajadores de fábricas en las cuales puede haber fugas de sustancias peligrosas, ambientalistas para controlar niveles de contaminación del planeta y por los habitantes de un lugar para salvar sus vidas en caso escapes peligrosos o de atentados con gases letales. Los nanosensores en su conjunto pesan menos que una tarjeta de crédito. Un gramo de nanotubos de carbono alcanza para construir cuatro millones de dispositivos con un costo aproximado de  50 centavos de dólar cada uno. Una contribución de la nanotecnología en un  desarrollo accesible capaz de mejorar de la seguridad personal y cuidar la salud.

Lectura complementaria:

Ultratrace Detection of Toxic Chemicals: Triggered Disassembly of Supramolecular Nanotube Wrappers