Segunda parte
Pequeñas fibras, grandes aplicaciones
El Comité de Redacción de Acta Bioquímica Clínica Latinoamericana ha seleccionado este artículo publicado en CIENCIA HOY - Volumen 21 Número 121 (febrero – marzo 2011), para su difusión a través de FABA Informa
Pablo C Caracciolo, Pablo R Cortez Tornello, Fabián Buffa, Florencia Montini Ballarin, Teresita R Cuadrado y Gustavo A Abraham
Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales, INTEMA (UNMDP-Conicet), Mar del Plata, Argentina
Fármacos y cosméticos
La nanotecnología está penetrando fuertemente en el área de la salud generando una disciplina denominada nanomedicina. Existen en el mercado sistemas que utilizan nanofibras en dispositivos para la liberación controlada de fármacos. Estos permiten la liberación de una droga en el sitio específico, un beneficio buscado para evitar los efectos secundarios de esa droga en otros tejidos. Se utilizan también para aplicaciones tópicas donde una estructura en forma de malla o red compuesta por nanofibras se coloca directamente sobre la piel sana, sobre heridas o quemaduras que la droga atraviesa para ingresar hasta su sitio de acción. Estos parches ya se utilizan para tratar tabaquismo e hipertensión, y para la administración de analgésicos posoperatorios, entre otros. Cuando el sistema se coloca sobre heridas y quemaduras, no solo permite la liberación del fármaco deseado de manera controlada sino que también actúa como una barrera de protección de la zona tratada ante posibles microorganismos extraños. En nuestro laboratorio hemos preparado una membrana que contiene embelina, un principio activo que presenta propiedades antifúngicas y cicatrizantes, usado como un novedoso método que permite reducir el tiempo de reparación de tejidos cutáneos dañados, asegurando además mayor asepsia de la zona afectada (figura 7).
• Figura 7. Dispersión de embelina (agente antifúngico extraído de la especie Oxalis erythrohiza, conocida como ‘boldo de la cordillera’, por la Universidad Nacional de San Juan) en una matriz fibrosa de policaprolactona obtenida en nuestro laboratorio.
Para el tratamiento de enfermedades como el cáncer existen sistemas nanofibrosos muy prometedores. Deben poder proteger al principio activo durante su transporte a través del torrente sanguíneo y atravesar barreras naturales. Una vez en el sitio, deben tener receptores en su superficie (anticuerpos) que les permitan el reconocimiento específico de la célula afectada y la interacción con la droga a fin de poder destruirla. Algunos ensayos de laboratorio muestran la eficiencia de estos sistemas sobre células de leucemia, linfoma, cáncer de mama, ovario y próstata. Algunos de estos sistemas nanofibrosos pueden atravesar los vasos sanguíneos cerebrales, lo que les permite reconocer tumores utilizando los marcadores de superficie adecuados y liberar drogas antitumorales de manera específica sobre las células enfermas, preservando la integridad de las células sanas.
En terreno más novedoso, hay estudios que pretenden lograr aplicaciones de sistemas nanofibrosos en terapias de tipo inhalatorias en las cuales las nanofibras actúan, de nuevo, como vehículo de drogas. Pequeñas fibras ingresan al sistema respiratorio alojándose en las cavidades del pulmón, desde donde pueden actuar directamente sobre enfermedades de tipo pulmonar como tumores cancerígenos, metástasis, hipertensión pulmonar y asma, o atravesar la membrana pulmonar para ingresar al torrente sanguíneo.
También en cosmética existen productos comerciales que emplean nanofibras. Las mascarillas, por ejemplo, consisten en redes soporte que poseen una elevada área superficial, lo que permite un contacto íntimo con la piel. De este modo pueden suministrarse factores a través de ellas que permiten una adecuada nutrición, limpieza y regeneración de la dermis, garantizando un contacto continuo y prolongado.
Nanofibras y el medio ambiente
Las matrices nanofibrosas pueden utilizarse en ingeniería ambiental como membranas de captura y adsorción física para purificación del aire y del agua. Mediante estas aplicaciones se han logrado muy buenos resultados, eliminando partículas de entre 1 y 5 micrómetros de diámetro suspendidas en el aire (~100% de eficiencia) (ver ‘Aerosoles en los subterráneos de Buenos Aires’ , CIENCIA HOY, vol. 20, N° 116, p. 24), y removiendo partículas de 3 a 10 micrómetros presentes en el agua (> 95% de eficiencia) sin una caída significativa en la velocidad de flujo.
La contaminación de las aguas es un problema crítico a nivel mundial. Actualmente se está evaluando el uso de matrices nanofibrosas como membranas de afinidad en el tratamiento de aguas residuales. Estas matrices capturan partículas, moléculas o macromoléculas mediante su inmovilización selectiva por afinidad química en la superficie de la membrana, para lo cual las nanofibras deben modificarse superficialmente con ciertos grupos funcionales capaces de atraerlas. Las membranas de afinidad pueden ser la respuesta para algunos metales que no pueden eliminarse por los métodos tradicionales, así como para los contaminantes orgánicos, que si bien suelen presentar concentraciones inferiores, agotan el oxígeno impidiendo la vida.
Dentro de los contaminantes inorgánicos más significantes se encuentran metales como mercurio, plomo, cobre y cadmio. La distribución de estos metales en el medio ambiente se debe principalmente a la liberación de efluentes industriales sin tratar. El empleo de nanofibras poliméricas que contienen alúmina hidratada, hidróxido de aluminio y óxidos de hierro nanométricos permite atrapar los iones de estos metales tóxicos, por mecanismos de adsorción física, adsorción química y atracción electrostática con el nanomaterial reactivo. Por otra parte, se ha incorporado ?-ciclodextrina (oligosacárido que puede capturar moléculas orgánicas formando complejos) a membranas nanofibrosas de poli(metacrilato de metilo) a fin de desarrollar membranas de afinidad para eliminar residuos orgánicos.
Nanofibras y biotecnología
La biotecnología no queda fuera de los campos tecnológicos en los que las membranas nanofibrosas se aplican con notable éxito. Se ha investigado la ubicación de moléculas, biomoléculas y hasta células dentro de estos materiales porosos, para su empleo en la purificación de proteínas, como herramienta de diagnóstico y análisis químico (biosensores), y para síntesis y catálisis enzimática (biorreactores de membrana) .
El uso de nanofibras poliméricas modificadas superficialmente con grupos químicos puede extenderse a la separación de biomoléculas o proteínas con elevada eficiencia. Esto implica el empleo de una interacción específica entre un tipo de biomolécula de soluto y una segunda molécula o grupo funcional que es inmovilizado en la membrana nanofibrosa (fase estacionaria). Por ejemplo, la molécula inmovilizada puede ser un anticuerpo específico para una proteína. Cuando el soluto que contiene una mezcla de proteínas se pasa a través del anticuerpo, sólo la proteína especifica se liga a la fase estacionaria. Para lograr la separación molecular, es importante llevar a cabo una adecuada funcionalización superficial de la membrana nanofibrosa. Las fibras con estructuras de núcleo-cáscara con núcleos fluidos y cáscaras sólidas pueden emplearse para capturar bacterias o biomoléculas como proteínas o virus, en medios en los que sus funciones no sean afectadas.
Los biosensores, que consisten típicamente en una membrana biofuncional y un transductor (dispositivo que convierte un determinado tipo de energía de entrada, en otra diferente a la salida), han sido ampliamente utilizados para propósitos medioambientales, de alimentación y clínica diaria. El empleo de nanofibras en el diseño de biosensores se debe a que una gran área superficial favorece la adsorción de mayor cantidad de sustancia, en muchos casos presente en bajas concentraciones, lo que mejora significativamente la conductividad de un sensor. Por ejemplo, las nanofibras que contienen óxidos semiconductores de molibdeno, estaño o titanio (Mo03, SnO2 o TiO2) muestran una resistencia eléctrica que es sensible a gases perjudiciales como el amoníaco y el óxido nitroso. Las nanofibras de polipirrol con avidina (glicoproteína presente en el huevo) permiten detectar moléculas marcadas con biotina, como el ADN. En algunos casos, se han obtenido sensibilidades casi tres órdenes de magnitud superiores que las de películas delgadas de los mismos materiales.
En los procesos catalíticos, una etapa crucial es la remoción y el reciclado del catalizador luego de la reacción. La inmovilización de catalizadores homogéneos o heterogéneos en nanofibras presenta una solución interesante a este problema. Los catalizadores de nanofibras poliméricas cargadas con nanopartículas metálicas (como rodio, platino, paladio, rodio/paladio y paladio/platino) pueden emplearse, por ejemplo, en reacciones de hidrogenación, resultando más efectivos que los catalizadores soportados en otras superficies. Estos sistemas se obtienen a partir del electrohilado de soluciones poliméricas con sales de los metales (como acetato de paladio) como precursores, las que luego son reducidas térmicamente o empleando un agente reductor. Las nanopartículas formadas presentan diámetros en el rango de 5-15nm, dependiendo del método de fabricación. Para aplicaciones en catálisis homogénea, se han obtenido sistemas más nanofibrosos de tipo núcleo-cáscara combinados con prolina y compuestos de escandio como catalizadores. En contraste con los catalizadores convencionales en soluciones homogéneas o en microemulsiones, en las que la conversión alcanza un 80%, los sistemas nanofibrosos permiten lograr una conversión completa en tiempos iguales o inferiores. Las fibras pueden emplearse numerosas veces sin pérdida de actividad. Por otra parte, las nanofibras también se han empleado con mucho éxito como portadores de enzimas, unidas químicamente a las nanofibras o bien dispersadas directamente en ellas durante el proceso de electrohilado. La actividad catalítica de estos sistemas es muy elevada, como es de esperar en materiales con alta área superficial.
Nanofibras en defensa y seguridad
Aquellas personas, como bomberos, personal militar y médico, que por su trabajo pueden encontrarse en contacto con productos químicos y / o biológicos peligrosos, requieren de indumentaria con protección para estas amenazas. La alta sensibilidad de las nanofibras hacia los agentes utilizados en conflictos bélicos (por ejemplo, gas mostaza) las convierte en buenas candidatas para actuar como interfases sensibles a toxinas químicas y biológicas con niveles de concentración de partes por billón. Un método de protección consiste nuevamente en la modificación química de la superficie y su funcionalización con grupos reactivos, como oximas, ciclodextrinas y cloraminas, que pueden unirse a esos agentes y promover la desintoxicación.
Las máscaras que se desarrollan para enfrentar una guerra química y bacteriológica cuentan con dos componentes: un filtro particulado de aire de alta eficiencia y un lecho de carbón activado que adsorbe gases peligrosos y contaminantes. Las membranas nanofibrosas, con reactivos incluidos mediante tratamientos químicos (poshilado) o a través de un material compuesto polímero-nanopartícula (prehilado), pueden reemplazar a los filtros de carbón.
Nanofibras y generación de energía
Otro tema que preocupa en la actualidad es la necesidad de generar fuentes de energía amigables con el medio ambiente que puedan reemplazar las existentes. Las propiedades inherentes a la morfología de los sistemas nanofibrosos los hace aptos para su empleo en baterías poliméricas, celdas fotovoltaicas y celdas de combustible de membrana de polímero-electrolito, que son algunas de las alternativas posibles.
Las baterías poliméricas consisten en un ánodo de carbono, un cátodo de óxido de cobalto y litio, y contienen además un electrolito de gel polimérico, el cual puede reemplazarse por nanofibras conductoras reduciendo así la filtración del electrolito y aumentando la flexibilidad y la densidad de energía por peso. Además, su elevada porosidad incrementa la conductividad iónica, su morfología de poros interconectados logra un mejor transporte de los iones a través de la membrana, mientras que su elevada área superficial mejora el mojado de la red por la solución del electrolito, aumentando la afinidad de estos dos componentes heterogéneos. Sobre la base de estas consideraciones se ha desarrollado un nuevo tipo de batería polimérica usando membranas nanofibrosas de poli (fluoruro de vinilideno).
La mayoría de las celdas fotovoltaicas emplean silicio monocristalino, policristalino o amorfo. Como una alternativa, se han desarrollado células solares sensibilizadas por colorante que emplean membranas nanofibrosas de óxido de titanio como electrodo, lo cual facilita la penetración del electrolito polimérico, obteniéndose una mayor eficiencia de conversión de energía y una menor filtración del electrolito. Las celdas de membrana de polímero-electrolito generan energía a través de la oxidación de hidrógeno en el ánodo y la reducción de oxígeno en el cátodo. Las propiedades críticas de estas membranas son su alta conductividad de protones y el bloqueo del transporte de electrones, requiriendo menor cantidad de material que las membranas convencionales aplicadas en celdas de combustible.
Nanofibras en el campo textil
Las nanofibras también encuentran novedosas aplicaciones textiles y en accesorios de filtrado. El tamaño promedio de los poros, la porosidad total y el área superficial específica interna determinan las características propias de cada aplicación.
Las membranas nanofibrosas permiten generar filtros más eficientes y capaces de retener partículas de diámetros inferiores al micrón. Así, desde hace veinte años, Freudenberg Nonwovens es uno de los mayores productores de membranas electrohiladas en el mundo para filtros de alta eficiencia. Para lograr altas eficiencias de filtrado es necesario que los tamaños de poros se ajusten a las dimensiones de las partículas a ser filtradas. Los filtros de coalescencia y aerosol son aplicaciones características de las matrices nanofibrosas. Los filtros de coalescencia se emplean para filtrar gotas de agua de tamaño nanométrico de combustible de aviación para evitar la formación de cristales de hielo a elevadas altitudes. Las pequeñas partículas de aerosol también pueden filtrarse empleando matrices que no conduzcan a una resistencia al flujo elevada. Estas matrices se emplean ampliamente en filtros de aire.
Las telas convencionales pueden combinarse con membranas nanofibrosas para modificar las propiedades de los textiles, dando lugar a textiles funcionales, es decir, textiles que no sólo desempeñan las funciones propias de los artículos convencionales, sino que además cumplen funciones no inherentes a su naturaleza textil, por ejemplo los textiles extremadamente impermeables al agua, antibacterianos o repelentes a insectos. La resistencia al viento puede incrementarse casi tres órdenes de magnitud con respecto a los textiles convencionales, aumentando significativamente la aislación térmica. Esto se debe a la reducción de la difusión de moléculas de aire a través del material. Al mismo tiempo, la permeabilidad al vapor de agua es muy elevada, dependiendo de la naturaleza química de la matriz nanofibrosa.
Nanofibras en el campo óptico y electrónico
Las membranas nanofibrosas con propiedades eléctrico-ópticas tienen un amplio potencial en aplicaciones en nanoelectrónica y óptica. Éstas pueden emplearse en la fabricación de dispositivos electrónicos o máquinas, de nano o microescala, sensores y actuadores (un actuador es un dispositivo inherentemente mecánico cuya función es proporcionar fuerza para mover o ‘actuar’ otro dispositivo mecánico).
Estos materiales también se han empleado en el desarrollo de un dispositivo de cristal líquido que permite regular el paso de la luz dependiendo del campo eléctrico aplicado. Otra aplicación óptica de las membranas electrohiladas es el uso de arreglos de nanofibras alineadas (figura 8) como polarizadores ópticos baratos, ya que la intensidad de luz dispersada por la nanofibras depende de la dirección de polarización de la luz. Se ha encontrado que la conductividad de nanofibras que contienen polianilina depende de su diámetro, resultando aislantes para aquellos inferiores a los 15nm, lo cual ha permitido la fabricación de dispositivos electrónicos tales como transistores de efecto de campo.
• Figura 8. Membrana poliuretánica con nanofibras alineadas obtenidas en nuestro laboratorio
Perspectivas futuras
No hay dudas del importante aporte que la ciencia de materiales, la nano y la biotecnología realizarán en los próximos años para el desarrollo de nuevos e interesantes dispositivos funcionales, terapias, métodos de monitoreo y diagnóstico. Las aplicaciones de los materiales nanofibrosos son diversas y sorprendentes, y en particular en el área biomédica crecen de manera exponencial. La mayoría de estas aplicaciones están aún en su infancia. En un futuro cercano, los estudios que se llevan a, cabo hoy en día dejarán el ámbito académico del laboratorio y comenzarán su etapa de producción. El esfuerzo que se realiza mundialmente para el desarrollo de materiales y tecnologías, sumado a la investigación multidisciplinaria, revolucionará una vez más la calidad de vida del hombre.
LECTURAS SUGERIDAS
• BEACHLEY V & WEN X, 2010, ‘Polymer nanofibrous structures: Fabrication, biofunctionalization, and cell interactions’, Prog, Polym, Sci 35(7), 868-892.
• BHARDWAJ N & KUNDU SC, 2010, ‘Electrospinning: A fascinating fiber fabrication technique’, Biotech. Adv., 28,325-347
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