Aplicaciones de la Nanotecnología

Electrónica

Actualmente la sociedad requiere y demanda nuevas tecnologías, más eficientes, con mayor conectividad, mayor almacenamiento y que a su vez tengan un menor consumo. Mediante nanotecnología se pueden crear nuevos dispositivos capaces de solucionar estas demandas, ejemplo de esto es la creación de transistores a escala de unos cuantos nanómetros, como lo son aquellos basados en nanotubos de carbono o en el spin de un electrón con el fin de transportar información, una de las ramas que pueden hacer uso de estas nuevas tecnologías es la fotoelectrónica.

Un desarrollo importante en el área de la nanoelectrónica es el desarrollo de micro chips basados en germanio, este material da la posibilidad de crear chips con una tasa de procesamiento mayor, además de que reduciría su tamaño sustancialmente, lo que disminuiría su consumo eléctrico. Esta tecnología ya había sido implementada alrededor de 1960, sin embargo, fue reemplazada por el micro chip de silicio debido a sus excelentes propiedades como semiconductor, además de que el micro chip basado en germanio aun presenta un gran problema y es la dificultad que se tiene para evitar que los átomos de fósforo se difundan en el germanio, lo que "arruina" las propiedades interesantes que este material posee. Una de las técnicas que actualmente se utilizan para producir este tipo de microchips, es mediante el recocido, ya que al producirlo se genera un daño importante en el material a la hora de implantar los átomos. Esta técnica permite reparar el daño producido a los cristales de germanio, además, esto genera en el microchip propiedades eléctricas bastante aceptables aparte de evitar la difusión de los átomos de fósforo hacia el germanio (que es uno de los principales problemas).​

Otro desarrollo importante de la nanotecnología en el área de la electrónica, es lo que se conoce como "spintrónica". La electrónica convencional esta basada en la carga que poseen los electrones, sin embargo, nunca se ha considerado el spin que estos poseen, el spin de un electrón se refiere al campo magnético que este genera al girar sobre su propio eje, mediante nuevos métodos se ha encontrado la forma de filtrar los electrones, con el fin de que solamente pasen aquellos que poseen un spin en la misma dirección, esto ha permitido utilizar al spin de los electrones como medio de transporte para la información. Esta tecnología presenta la ventaja de poseer tanto mayor almacenamiento como una velocidad de lectura de datos en memorias más eficiente, además de reducir significativamente el consumo eléctrico de estas, todo esto respecto de la electrónica convencional.

Medio ambiente

              

En nuestros días, uno de los mayores problemas a los que nos enfrentamos es la Contaminación ambiental, esta se debe a que no existe un control adecuado por parte de las autoridades del área sanitaria, además de que tanto empresas como ciudadanos no muestran interés por el tema, lo que lleva a que este problema aun este lejos de solucionarse. Además del problema más evidente que causa la contaminación, que es el calentamiento global, se tiene la gran cantidad de enfermedades que se derivan de esta. Entre las enfermedades más comunes causadas por la contaminación se encuentran las enfermedades respiratorias, como el asma y una gran cantidad de problemas alérgicos en la piel. Existen estimaciones que muestran que en los países altamente industrializados, en 20% de todas las enfermedades se pueden atribuir a problemas relacionados con la contaminación.​

Uno de los problemas más graves de contaminación, es la que se da en lagos, ríos, afluentes y en general cualquier cuerpo de agua. La nanotecnología a permitido desarrollar técnicas importante para la descontaminación, causada tanto por metales pesados como por materia orgánica(ya que esta produce una gran cantidad de virus y bacterias) en dichos cuerpos de agua.

Una de las técnicas que se pueden llegar a emplear en la limpieza de virus y bacterias producidos por desechos orgánicos, son las nanoburbujas, estas burbujas son tan pequeñas como la millonésima parte de un metro, “son muchísimo más pequeñas que las burbujas encontradas en las gaseosas” según menciona Marino Morikawa, pionero en el uso de este tipo de tecnología para la limpieza de lagos, estas finísimas burbujas se crean a partir de iones electrolíticos, dichas burbujas actúan como una especia de imán, atrayendo hacia si virus y bacterias, estos al adherirse a su superficie hacen que la burbuja estalle liberando radicales libres, lo que elimine estos agentes patógenos.

Una de las técnicas que se podría utilizar para tratar de filtrar los metales pesados, es la nanofiltración, esta técnica funciona mediante tecnologías de membranas. Dichas tecnologías han sido recibidas con bastante aceptación en lo que respecta a su aplicación en la industria, una de las membranas más comunes son las membranas cerámicas, este tipo en particular ha despertado la “curiosidad” de la comunidad científica, en lo que a términos de desarrollo e investigación se refiere.

Este tipo de técnica, funciona gracias a un proceso que involucra tanto al soluto como a la membrana misma, dicho proceso se conoce como exclusión de Donnan y consiste en aprovechar la carga presente en la membrana con tal de que cualquier soluto de carga opuesta a la membrana sea atraído hacia esta como si de un imán se tratase, estos solutos que poseen una carga opuesta se denominan contra-iones, por otro lado los iones que presentan una carga idéntica a la de la membrana (co- iones) son repelidos, de nuevo, simulando el efecto de un imán, es por esto que la potencia de la membrana depende de la intensidad de carga que se le dé a esta, además de la fuerza de Valencia que tenga el ion.

Otra de as aplicaciones que la nanotecnología ha conseguido en el medio ambiente, es la posibilidad de recolectar la polución encontrada en el aire, esto se logra mediante torres revestidas por 45 placas metálicas simulando una persiana, dentro se encuentra un gigantesco purificador de aire, el cual funciona mediante tecnología iónica capaz de limpiar el aire circundante en un 75%. Una vez que se consigue recolectar la polución, esta se somete a altas presiones con el fin de transformarlas en diamantes, cada diamante supone 1000 metros cuadrados de aire purificado. Esta tecnología ha sido creada por Daan Roosegaarde, creador del estudio Roosegaarde, ubicado en Roterdam, Holanda.

Envasado de alimentos

La conservación de los alimentos es una idea que viene desde los inicios de la historia humana. A partir de la edad prehistórica, la necesidad de mejorar la preservación del alimento mediante diferentes técnicas ha sido un característica del comportamiento humano. Fermentación, salinización, secado al sol, rostización, curado, irradiación, carbonación y la adición de preservantes químicos y físicos, se han desarrollado desde el inicio de la humanidad. Todos estos métodos tienen la misma idea central. Evidencia arqueológica soporta la idea que las técnicas de preservación fueron desarrolladas en las civilizaciones Greca, Romana y Egipcia. Sin embargo, los diversos métodos presentan el desafío de mantener las condiciones originales por periodos de tiempo prolongados.

Los métodos de envasado de alimentos tienen como objetivo asegurar la calidad de los alimentos para que permanezcan con sus propiedades de manera intacta. Los principales envases tienen como objetivo entregar protección física con el propósito de prevenir la contaminación de los alimentos con otros alimentos o con microorganismos. Los materiales de envasado están confeccionados preferentemente de materiales biodegradables, con el propósito de reducir la contaminación medioambiental. Esta idea se ha llevado a cabo gracias a la introducción de la nanotecnología.

Una de las aplicaciones de la nanotecnología en el campo de envases para alimentación es la aplicación de materiales aditivados con nanoarcillas, que mejoren las propiedades mecánicas, térmicas, barrera a los gases, entre otras; de los materiales de envasado. En el caso de mejora de la barrera a los gases, las nanoarcillas crean un recorrido tortuoso para la difusión de las moléculas gaseosas, lo cual permite conseguir una barrera similar con espesores inferiores, reduciendo así los costos asociados a los materiales.

Los procesos de incorporación de las nanopartículas se pueden realizar mediante extrusión o por recubrimiento, y los parámetros a controlar en el proceso de aditivación de los materiales son: la dispersión nanopartículas, la interacción de las nanopartículas con la matriz, las agregaciones que puedan tener lugar entre las nanopartículas y la cantidad de nanopartículas incorporada.

Los nanosensores ayudan a detectar cualquier cambio en el color de los alimentos y ayuda a la detección de gases dentro del producto. Estos sensores son usualmente sensibles a gases como el hidrógeno, sulfuro de hidrógeno, óxido de nitrógeno, dióxido de sulfuro y amonio. Los nanosensores son dispositivos que procesan datos capaces de detectar cambios a nivel de luz, calor, humedad, gases y señales del tipo eléctricas y químicas.​

Las nanoemulsiones son utilizadas para producir alimentos para aderezo de ensaladas, aceites saborizantes, endulzantes y otros- Ayudan en la liberación de diferentes sabores con la estimulación que tienen relación con calor, pH, ondas de ultrasonidos. etc. Las nanoemulsiones pueden retener los sabores eficientemente y prevenir la oxidación y las reacciones enzimáticas. Las nanoemulsiones son creadas principalmente a través del compromiso de alta energía con homogeneización de alta presión, métodos de ultrasonido, chorros coaxiales líquidos de alta velocidad y métodos con dispositivos de alta velocidad. De forma similar, los métodos de baja energía, compromete emulsificación de membranas, emulsificación espontánea, desplazamiento de solventes, punto de inversión de emulsiones y mediante puntos de inversión de fases. Las nanoemulsiones son creadas por dispersión de la fase líquida en una fase acuosa continua. Los componentes que son utilizados para la creación de nanoemulsiones son del tipo lipofílicos.​

Administración de fármacos

Dentro de las posibilidades de administración de fármacos, ha surgido la posibilidad de utilizar la nanotecnología como un sistema de liberación del principio activo. En general los vehículos utilizados para administrar un fármaco, deben ser de baja toxicidad, con propiedades óptimas para el transporte y liberación y vida media larga. Ejemplos de nanosistemas son: micelas, liposomas, dentrímeros, nanopartículas, nanotubos y bioconjugados.​

Las nanopartículas son partículas sólidas coloidales con un tamaño de 1 nm a 1000 nm que son utilizadas como agentes de administración de fármacos. Con esto se logra un aumento en la velocidad de disolución y el límite de saturación de la solubilidad.​ Existe además un tipo especial llamadas, nanopartículas lipídicas sólidas (SLN). Estas nanopartículas protegen al principio activo contra la degradación química, además de generar una mayor flexibilidad en la modulación de la liberación del fármaco.

Los liposomas son moléculas amfifílicas, como los fosfolípidos, que forman vesículas de membranas en bicapas que pueden llevar a vesículas. Los liposomas son estructuras esféricas formadas por una o más capas que contienen en su interior una fase acuosa. Los liposomas se han utilizado para mejorar el efecto terapéutico de fármacos muy potentes. Se considera que este sistema de distribución reduce la toxicidad.​

Los bioconjugados o conjugados poliméricos actúan como transportadores y como componentes biológicos (péptidos, proteínas, nucleótidos) que actúan como ligandos para efectos terapéuticos específicos o dianas. Un ejemplo de bioconjugados con los productos obtenidos de la adición de polietilenglicol (PEG) a fármacos o proteínas terapéuticas.

Los dendrones o dendrímeros son nanomateriales que pueden incorporar bloques poliméricos sintéticos o componentes naturales. Su estructura factorial jerárquica presenta numerosos sitios de conjugación para cargos o motivos diana.​

Las nanopartículas inorgánicas son nanopartículas construidas a partir de materiales inorgánicos. Los materiales más comunes son puntos cuánticos junto con oro, plata, óxido de hierro o nanopartículas mesoporosas. Las propiedades características de cada material son el tamaño, la carga, la química de la superficie y la estructura.​

Uno de los primeros fármacos en nanomedicina que mostró ser seguro para la FDA fue obtenido por la encapsulaciones de doxorrubicina dentro de los liposomas. Esta nanoformulación mejoró las características farmacocinéticas y de distribución de doxorrubicina, lo que lleva a la prolongación de la vida media y generar un proceso de acumulación en el tejido tumoral.​

       Terapia del cáncer

Uno de los aspectos más desafiantes en las terapias que existen contra el cáncer, es la especificidad de los tratamientos. Esto podría conducir a reducir los efectos tóxicos que se generan luego de administrar las terapias anticancerígenas. Además de esta posibilidad, podría mejorarse la solubilidad y biodisponibilidad de fármacos que son pobremente solubles. Debido a estas necesidades, han surgido algunas investigaciones que utilizan nanotransportadores (liposomas, micelas poliméricas y nanoparticulas poliméricas) para la preparación de nuevas formulaciones que mejoran la biodisponibilidad de estos tratamientos y mejoran la distribución del fármaco anticancerígeno en el sitio del tumor. Dentro de los factores que se consideran del tipo fisicoquímicos, se encuentra el potencial Z, el tamaño de partícula, la carga catiónica de la superficie y la solubilidad.

Terapia del VIH/sida

Los de distribución de fármacos aplicados a distribución sistémica de fármacos antivirales podría tener ventajas similares a los ejemplos exitosos en la terapia contra el cáncer. Los sistemas de liberación controlada podría aumentar la vida media de los fármacos, manteniendo concentraciones plasmáticas en niveles terapéuticos por periodos de tiempo más prolongados que tengan finalmente impactos en la eficacia de la terapia farmacológica. Adicionalmente se podría obtener un mejor perfil de seguridad que lleve una mejor adherencia de los pacientes. De manera específica, la distribución dirigida de fármacos antivirales frente a células CD4+ y macrófagos, tanto como la distribución a órganos de difícil acceso como el cerebro, que podrían asegurar la mantención de las concentraciones a través de la generación de reservas latentes. 

De forma conjunta a la mejora de la terapia farmacológica, ha nacido la idea de lograr realizar terapia génica a través de la nanotecnología. Al parecer es una promisoria la terapia génica, en la cual un gen es insertado dentro de una célula para llevar a un interferencia de los procesos de infección o replicación. Existe evidencia que indica que el silenciamiento de genes podría ser una potencial herramienta para atacar los genes de interés. Se ha descrito también que podría ser posible generar vacunas que sean eficaces y seguras en contra del VIH/sida. Es posible utilizar antígenos encapsulados en su centro desde los cuales las células presentadoras de antígenos pueden procesar, presentar y cross-presentar antígenos a las células CD4+ y CD8+, respectivamente, o absorber antígenos en su superficie, permitiendo a las células B generar una respuesta humoral. Por otro lado, la inmunoterapia para VIH/sida basada en agentes virales y administración de células dendríticas autólogas generadas ex-vivo.

Nanotecnología del ADN

Las aplicaciones de la nanotecnología en la biología celular tienen como foco desafiante la molécula de ácido desoxirribonucleico (ADN). Se han desarrollado elementos estructurales con una cierta lógica molecular para llevar a cabo acciones terapéuticas en un determinado tipo celular o tejido, llevando a una mayor especificidad y disminuyendo los efectos indeseables de las terapia convencionales. Además las nanoestructuras de ADN pueden ser utilizadas como una unión programable de fármacos, ligandos diana y otras modificaciones o sistemas como bicapas lipídicas. Por otro lado, se han desarrollado sondas de imagen con buena sensibilidad y especificidad, que se consideran mecanismos de amplificación basados en ADN y que pueden ser programados para interactuar específicamente con las secuencias de ácido ribonucleico (ARN) a nivel intraceular. 

Otra aplicación es la generación de estructuras de ADN que entregan un control preciso a la organización espacial intraceular, proporcionando una base para desarrollar sistemas de cuantificación a nivel subcelular.56​ Las nanoestructuras de ADN como vehículos de liberación de fármacos se ha desarrollado de manera importante en los últimos años. Para tal efecto, los oligodesoxinucleotidos CpG (ODNs) pueden disparar una respuesta inmune innata activando los receptores tipo Toll del tipo TLR9. Dichos ODNs se han convertido en un interesante cargo terapéutico debido a que puede ser integrado directamente dentro de la nanoestructura del ADN a través de hibridación. Se han desarrollado moléculas de ADN en forma de Y con motivos CpG que pueden desencadenar una respuesta inmune aumentando la eficiencia de captación de macrófagos. Otros hallazgos han llevado a la creación de complejos de vacunas sintéticas por ensamblaje de nanoestructuras de ADN tetraedricas (TDNs) que fueron modificadas con estreptavidina y ODNs CpG. En ese caso la estreptavidina sirve como un antígeno modelo que lleva a que el constructo genere anticuerpos IgG anti-estreptavidina.