FISICA DE SEMICONDUCTORESPROYECTO FINAL
HUGO MAURICIO MERA YARPAZ1085288161
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA UNADESCUELA DE
CIENCIAS BASICAS TECNOLOGIA E INGENIERIASAN JUAN DE PASTOMAYO DE
2015
Nanobiosensores: Aplicaciones en la frontera entre las
nanociencias y la biomedicina por Luis Liz-MarznDe entre las
posibles aplicaciones de la nanotecnologa en el mbito de la salud,
el diagnstico presenta un gran potencial, ya que se pueden disear
mltiples transductores que mejoren su rendimiento, tanto en
sensibilidad como en localizacin. Los nanobiosensores se basan en
nuevas propiedades que son caractersticas de los materiales en la
escala nanomtrica y que permiten optimizar la deteccin. Se espera
de estas nuevas herramientas que permitan la deteccin temprana de
enfermedades y la implantacin de tratamiento y seguimiento a nivel
personalizado.La nanotecnologa se ha establecido definitivamente
como una disciplina con entidad propia en ciencia y tecnologa. En
una de las muchas definiciones posibles, la nanotecnologa se ve
como el desarrollo de investigacin y tecnologa a niveles atmicos,
moleculares o macromoleculares, en la escala de aproximadamente
1100 nm, para obtener una comprensin fundamental de fenmenos y
materiales en dicha escala nanomtrica y para crear y usar
estructuras, dispositivos y sistemas que tengan nuevas propiedades
y funciones a causa de su tamao. Esto quiere decir que la clave no
es la miniaturizacin, sino ms bien los cambios que se producen en
las propiedades fsicas y qumicas de los materiales cuando se
dividen hasta la escala nanomtrica. Debido al gran aumento de la
proporcin de tomos superficiales, propiedades como la conductividad
elctrica, el color, la resistencia mecnica, o el punto de fusin,
entre otras, pueden variar radicalmente respecto a las del mismo
material a escala macroscpica. Asimismo, en la escala nanomtrica
dichas propiedades varan notablemente con pequeos cambios de tamao
o geomtricos y suelen ser muy sensibles a su entorno cercano, lo
cual convierte a los nanomateriales en excelentes candidatos para
la fabricacin de sensores. Si somos capaces de manipular estos
nanomateriales, podremos no solo modular su morfologa sino tambin
fabricar nuevos dispositivos cuya aplicacin se base en estas nuevas
propiedades.Por otra parte, la mayora de los procesos biolgicos
fundamentales tambin tienen lugar en la escala nanomtrica, ya que
biomolculas como el ADN, las protenas, los virus, etc., poseen
dimensiones nanomtricas, de forma que la interaccin con
nanopartculas puede ser tremendamente efectiva. Es pues esta
frontera entre lo bio y lo nano, la que define las posibles
aplicaciones de nanopartculas y nanosistemas en el campo
biomdico.Nanopartculas para diagnsticoEn el campo de la
nanomedicina se suelen distinguir tres grandes reas: diagnstico,
terapia y medicina regenerativa. De entre estas reas, el
nanodiagnstico ocupa una posicin preferente, ya que es
probablemente el rea en la que se pueden obtener soluciones
concretas a ms corto plazo. El objetivo principal del
nanodiagnstico es la identificacin de enfermedades en sus etapas
iniciales, cuando el desarrollo es todava muy limitado, mediante la
utilizacin de nanodispositivos o directamente de nanopartculas. De
esta forma se podra tener una capacidad de respuesta ms rpida, que
ofrezca ms posibilidades de terapia eficaz y recuperacin completa.
Los mtodos de nanodiagnstico se pueden utilizarin vivooin vitro. El
diagnstico in vivo normalmente requiere que los nanodispositivos
puedan penetrar en el cuerpo humano para identificar y (en el caso
ideal) cuantificar la presencia de un determinado patgeno o de
clulas cancergenas, por ejemplo. Obviamente, esto requiere la
biocompatibilidad del propio material, adems de un diseo realmente
sofisticado para asegurar su eficacia y minimizar los posibles
efectos secundarios. Por su parte, el diagnsticoin vitroofrece una
mayor flexibilidad de diseo ya que se puede aplicar a pequeas
muestras de fluidos corporales o de tejidos, a partir de los cuales
se puede llevar a cabo una deteccin especfica (de patgenos o
defectos genticos, por ejemplo) en tiempos muy cortos, con gran
precisin y sensibilidad.A pesar de que existen ejemplos anteriores
de productos comerciales para nanodiagnstico (como los tests de
embarazo), ha sido a lo largo de las ltimas dos dcadas cuando
realmente se han hecho progresos espectaculares en este campo.
Buena parte de dichos avances se basan en el control extremadamente
preciso que se ha alcanzado en la fabricacin y manipulacin de
nanopartculas con tamaos, geometras y qumica superficial
perfectamente definidas. Estos mtodos de fabricacin ponen a nuestra
disposicin nanopartculas de distintos tipos (semiconductoras,
metlicas, magnticas) que se pueden utilizar tanto como agentes de
contraste para diagnstico in vivo, como para disear biosensores
para deteccinin vitro.Diagnsticoin vivo: bioimagenEl diseo de
nanopartculas para diagnstico in vivo busca mejorar los niveles de
contraste necesario para obtener una imagen, el cual se puede basar
en distintos tipos de propiedades. Sin embargo, sea cual sea el
tipo de nanopartculas utilizadas, se deben tener en cuenta una
serie de cuestiones generales. Dado que el objetivo suele ser el
reconocimiento de una anomala en un rgano especfico, las
nanopartculas deben permanecer estables hasta llegar a su destino,
reconocerlo de forma selectiva e, idealmente, eliminarse del
organismo una vez realizada su funcin, a fin de evitar efectos
secundarios. Por lo tanto, se debe evitar que las nanopartculas
sean captadas por macrfagos antes de alcanzar el rgano afectado.
Para ello, es necesario colocar ciertas molculas en la superficie
de las partculas que acten como una capa de invisibilidad y de esa
forma las escondan de los macrfagos, por ejemplo con polmeros como
el polietilenoglicol. Una vez resuelto este problema, es preciso
indicarles cmo localizar el tumor, lo cual requiere la unin de
biomolculas (biorreceptores) con afinidad selectiva hacia un
compuesto especfico de la zona a reconocer. Por ejemplo, ciertas
protenas se encuentran en mayor proporcin en la membrana de las
clulas cancerosas y son caractersticas de cada tipo de cncer.
Cuando las nanopartculas que llevan el biorreceptor se acercan a
una clula que contiene dicha protena, se produce una reaccin de
reconocimiento biomolecular, de forma que se acumularn all,
permitiendo la deteccin mediante una tcnica adecuada a cada tipo de
nanopartculas. La eliminacin de las nanopartculas a travs del hgado
o los riones parece ser bastante eficiente para tamaos pequeos,
pero pueden surgir problemas relacionados con procesos de
agregacin, que es necesario resolver en algunos casos.Uno de los
primeros sistemas de nanopartculas que se han propuesto para
aplicaciones de marcaje celular e identificacin de zonas daadas o
tumores son las nanopartculas de semiconductores, tambin conocidas
como puntos cunticos (quantum dots). Cuando el tamao de estos
semiconductores se reduce a unos pocos nanmetros, su estructura
electrnica se modifica, perdiendo la estructura de bandas
caracterstica y surgen niveles electrnicos discretos (cuantizacin).
Esta nueva estructura electrnica les confiere propiedades de
fluorescencia, cuyo color se puede modular a travs del tamao de la
partcula. Por lo tanto, se pueden fabricar puntos cunticos del
mismo material que emitan luz en diferentes longitudes de onda (con
distintos colores), con mayor estabilidad que las molculas
fluorescentes habituales, por lo que son extremadamente tiles como
marcadores biolgicos. Los semiconductores ms utilizados son los de
CdSe y CdTe, ya que se pueden producir en grandes cantidades
mediante procesos qumicos, con un control exquisito del tamao que
permite obtener bandas de emisin estrechas e intensas en una amplia
variedad de colores y con un tiempo de vida muy prolongado. Todas
estas caractersticas, a las que se puede aadir que la excitacin de
puntos cunticos de distintos tamaos se puede realizar con una nica
lmpara (permitiendo as realizar marcajes mltiples de forma
simultnea), han promovido su desarrollo como competencia a los
marcadores moleculares fluorescentes habituales. Existen mltiples
demostraciones del uso de puntos cunticos para la localizacin de
pequeos tumores, permitiendo as su extirpacin inmediata. La Figura
1 muestra un ejemplo de localizacin inicial en el corazn y su
seguimiento hasta que las partculas acaban acumulndose en el
hgado.Figura 1. (Izqda.) Disoluciones de puntos cunticos de
distintos tamaos, con color de fluorescencia caracterstico para
cada tamao. (Drcha.) Imagen de microscopa electrnica de un punto
cuntico de CdSe en la que se puede apreciar su estructura
cristalina. Esquema de reconocimiento anticuerpo-antgeno cuando el
punto cuntico alcanza la zona daada. (Abajo) Imgenes de un ratn en
el que se han inyectado puntos cunticos y cmo se acumulan en
distintos rganos.Con un esquema similar, se pueden utilizar tambin
nanopartculas magnticas como marcadores. El mtodo de camuflaje y la
introduccin de agentes de reconocimiento seran idnticos, pero la
tcnica de deteccin es diferente. En este caso, las nanopartculas
(tpicamente xidos de hierro como la magnetita) actan aumentando el
contraste en medidas de resonancia magntica de imagen. Estas
nanopartculas podran pues sustituir a los marcadores actuales,
basados en metales pesados, reduciendo as su toxicidad. Idealmente,
el carcter magntico de estos materiales podra facilitar su
transporte a travs del cuerpo mediante un campo magntico externo
(un imn), pero no existen todava pruebas concluyentes al respecto.
Asimismo, se estn desarrollando nanopartculas marcadas con istopos
radiactivos que permitan su deteccin mediante tcnicas como la
tomografa de emisin de positrones (positron emission tomography,
PET) o la tomografa de emisin de fotones individuales
(single-photon emissioncomputed tomography, SPECT), ampliamente
utilizadas como marcadores moleculares.Biodeteccin con
NanometalesLas nanopartculas de metales nobles (principalmente oro
y plata) presentan propiedades pticas muy diferentes a las de los
metales macroscpicos, ya que la luz puede provocar oscilaciones
colectivas de los electrones que dan lugar a la absorcin muy
intensa de luz de un determinado color. Dado que esta interaccin
con la luz vara enormemente en funcin de las propias dimensiones
del metal, se han planteado nuevos mecanismos de deteccin de tipo
ptico. Estos efectos, que se denominan resonancias plasmnicas, son
muy sensibles al tamao y la geometra de las nanopartculas, lo cual
permite disearlas para que absorban o dispersen luz en la regin
espectral que nos interese. Por ejemplo, se pueden fabricar
nanopartculas de oro que sean muy eficientes absorbiendo o
reflejando luz en el infrarrojo cercano (700 900 nm), donde los
tejidos son ms transparentes, de forma que la deteccin se pueda
llevar a cabo inclusoin vivo. Dado que la frecuencia de resonancia
del plasmn superficial es muy sensible a variaciones en el ndice de
refraccin cerca de la superficie, las nanopartculas metlicas pueden
utilizarse tambin para disear biosensores para deteccinin vitro. En
los biosensores se requieren dos elementos principales: un receptor
biolgico (por ejemplo protenas, ADN) preparado para reconocer
especficamente una sustancia por interacciones biomoleculares y un
transductor o sensor, capaz de interpretar el reconocimiento
biolgico y traducirlo en una seal cuantificable. El fenmeno de
resonancia plasmnica en nanopartculas se puede usar como
transductor. Tal como se indica en la Figura 1, la adsorcin de
(bio) molculas sobre las nanopartculas provoca cambios de color,
que se pueden emplear para la deteccin, incluso al nivel de una
sola partcula. Estos biosensores presentan la ventaja de que el
sistema experimental es muy sencillo, ya que simplemente se mide la
transmisin de luz, y adems permite llevar la miniaturizacin hasta
niveles extremos.Figura 2. Arriba: Fotografas de microscopa
electrnica de nanocilindros de oro y de microscopa ptica de campo
oscuro donde se pueden ver los colores brillantes derivados de la
reflexin de luz por nanopartculas individuales. Abajo: Esquema del
fenmeno de reconocimiento molecular en una nanopartcula biosensora
y su efecto en el espectro de absorcin en el visible.Debido a su
pequeo tamao, la oscilacin de los electrones en las nanopartculas
de oro y plata est muy localizada en ciertas zonas de las
nanopartculas, dando lugar a campos elctricos superficiales muy
elevados (ver mapas de intensidad de campo en la Figura 3). Esto
permite disear otros mtodos de deteccin que hacen uso del fenmeno
de resonancia plasmnica de una forma diferente. Una tcnica que est
adquiriendo una gran repercusin es la dispersin Raman aumentada en
superficies (surface enhanced Ramanscattering,SERS). En esta
tcnica, el campo elctrico generado al excitar la resonancia
plasmnica provoca un aumento de la seal de dispersin Raman de
molculas adsorbidas a su superficie en muchos rdenes de
magnitud.
Figura 3. Izquierda y centro: Fotografas de microscopa
electrnica de un nanotringulo de plata y una nanoestrella de oro,
junto a la determinacin experimental de la distribucin de campo
sobre su superficie. Derecha: esquema del deteccin de una nica
molcula mediante SERS aumentado por una nanoestrella. Se muestra
tambin la distribucin de molculas y un espectro sers
caracterstico.De esta forma se obtiene un aumento espectacular de
la sensibilidad, que permite detectar cantidades extremadamente
pequeas de gran variedad de sustancias, llegando incluso a la
deteccin de una nica molcula. Un ejemplo se muestra en la Figura 3,
en la que la unin de una nanoestrella de oro a una molcula anclada
a una superficie permite su identificacin a travs de su espectro
SERS. Otros ejemplos son la deteccin de defectos puntuales en ADN o
el reconocimiento de priones daados, que son precursores de
distintas enfermedades neurodegenerativas. A pesar del gran
potencial que presentan estas tcnicas, todava es necesario resolver
ciertos problemas tcnicos antes de poder llevarlas al mercado.
BIBLIOGRAFIA1.
http://culturacientifica.com/2014/05/24/nanobiosensores-aplicaciones-en-la-frontera-entre-las-nanociencias-y-la-biomedicina/
