Universidad Interamericana de Puerto Rico - Recinto de Ponce. I. Introducción

Transcripción

1 1 Investigación subgraduada en nanotecnología con aplicaciones en microbiología, biotecnología y ciencias Por: Edmy J. Ferrer Torres Universidad Interamericana de Puerto Rico Recinto de Ponce I. Introducción La comunidad científica internacional considera que la nanotecnología es uno de los más proyectos más innovadores de la ciencia moderna. Esta se origina en un discurso presentado en diciembre de 1959 por el físico Richard Feynman, ganador del Premio Nobel, quien estableció las bases de un nuevo campo científico. El avance mundial en este nuevo campo comenzó solo hace una década. Hoy día se han diseñado miles de productos a nanoescala en el campo de la biología, la ingeniería y la electrónica. Las propiedades novedosas que muestran las nanopartículas han hecho que sean el objeto de estudio por los últimos años. Las nanopartículas son la aplicación más utilizada en la nanotecnología con dimensiones entre 1 y 100 nm. Poseen propiedades únicas que les dan aplicaciones potenciales en la medicina y la biología. Existen diferentes clases de nanopartículas y varían de acuerdo a su composición. Las nanopartículas metálicas presentan una gran aplicabilidad debido a sus propiedades electrónicas. Estos pequeños agregados metálicos no pueden ser tratados como el grueso del material, ya que la banda de conducción presente en un metal voluminoso está ausente en este tipo de sistemas, y en su lugar se darán estados discretos en la banda. Los electrones están confinados en pequeñas partículas de metal, mostrando así las propiedades de los puntos cuánticos". Se utiliza la palabra cuántico para enfatizar que las nanopartículas metálicas muestran una serie de propiedades ópticas y electrónicas inesperadas, resultado del confinamiento de los electrones a un número finito de estados energéticos cuánticos disponibles. El diagrama 1.1 muestra las diferencias entre los niveles energéticos para los átomos, las nanopartículas y el grueso del material.

2 2 Diagrama 1.1 Representación de las diferencias electrónicas entre los átomos, las nanopartículas y el grueso de los metales. A medida que jugamos con el tamaño de las nanopartículas, podemos manipular los niveles energéticos de estas para explorar sus novedosas propiedades y aplicarlas en la investigación científica. La aplicación de estas nanopartículas está incursionando en el campo de la biotecnología, la medicina y electrónica, entre otros. blogs.creamoselfuturo.com Figura 1. Escala de materiales para comprender la nano escala

3 3 II. Justificación Los avances en nanotecnología representan un reto para la comunidad universitaria. El gobierno y las industrias están invirtiendo billones de dólares para el avance de este campo. Las universidades tienen el reto de preparar a los estudiantes con las destrezas y el conocimiento necesario para poder contribuir a este campo multidisciplinario. Especialistas en química, física, biología e ingeniería podrían realizar investigaciones en este campo. En el Recinto de Ponce, estamos preparando a estudiantes en los programas de Biotecnología, Microbiología y Ciencias Forenses. Estos jóvenes necesitan las experiencias que les permitan desarrollar las destrezas para enfrentarse a las demandas del avance en la ciencia. III. Objetivos del Proyecto de Investigación En enero de 2011, comenzamos un proyecto de investigación enfocado en la nanotecnología. Nuestro mayor objetivo es poder contribuir al desarrollo de nuestros estudiantes brindándoles la oportunidad de realizar investigación científica y así ampliar sus conocimientos en la nanociencia y la nanotecnología. Nos enfocamos en la síntesis, la caracterización, el diseño y la aplicación de materiales en la escala nanométrica. IV. Descripción del proyecto El proyecto de investigación se divide en tres áreas principales: 1. La síntesis de nanopartículas metálicas, su caracterización y funcionalización con biomoléculas para el desarrollo de biosensores. 2. La aplicación de nanopartículas para la detección y resolución de las huellas dactilares. 3. La aplicación de nanopartículas para inhibir el crecimiento de bacterias y su potencial aplicación para aumentar la efectividad de los antibióticos. A continuación le presento un resumen de los trabajos que hemos realizado con los estudiantes y algunos de sus resultados.

4 4 Proyecto #1: Efecto de la concentración de aminoácidos en la absorción de las nanopartículas de oro. Estudiantes: Raúl Alenó, Mariel Báez, Carlos Rosado, Gilberto Báez Las nanopartículas de los metales nobles como el oro, la plata y el cobre han sido objeto de investigaciones por sus aplicaciones en la medicina, la biología, y la electrónica, entre otras. Nuestro trabajo presenta el estudio del efecto de la concentración de algunos aminoácidos como Tirosina, Cisteína, Acido Glutámico y Asparagina en la absorción de las nanopartículas de oro. Para realizar el estudio se escogieron tres tamaños distintos de nanopartículas de 12 nm ( = 523 nm), 20 nm ( = 529 nm) y 60 nm ( =548 nm) aproximadamente. Se monitoreó cada uno de estos tamaños en función de la concentración añadida del aminoácido y se utilizó la espectroscopia UV-VIS. También se realizaron medidas de microscopia DLC y electroforesis para complementar nuestros resultados. Los resultados reflejan cambios en la resonancia del plasmón característico de estas nanopartículas. La cisteína fue el aminoácido que brindó resultados más interesantes. Mostró una nueva banda en los 690 nm que la asignamos a la interacción de las nanopartículas con el mismo. Esta banda muestra un aumento en intensidad en función de la concentración añadida del aminoácido. Para los otros aminoácidos, pudimos observar una atenuación en la banda del plasmón. Nuestros resultados son preliminares, pero nos guían en el estudio de la aplicación de estas partículas como biosensores para identificación de ADN.

5 Absorbance Intensity (a.u.) Universidad Interamericana de Puerto Rico - Recinto de Ponce MBM MBM80 MBM Wavelength (nm) Figura 2. Absorbencia de las nanopartículas de oro en función de la adición de cisteína. Esta grafica muestra la formación de una nueva banda de absorción alrededor de los 800 nm. Asignamos esta banda a la interacción con el amino acido cisteína. Figura 3. Microscopia óptica de las diferentes nanopartículas al ser funcionalizadas con cisteína. Se muestran los distintos arreglos microscópicos que surgen al secar las nanopartículas coloidales

6 6 Proyecto #2: Síntesis y caracterización de las nanopartículas de plata para el desarrollo de biosensores. Estudiantes: Pedro Rivera Pomales, Anthony Lledó Las nanopartículas de plata se han utilizado en varias aplicaciones biológicas, tecnológicas y médicas. El tamaño de las nanopartículas desempeña un papel importante en sus propiedades eléctricas, ópticas y magnéticas. El desarrollo de métodos simples para la síntesis de las nanoparticulas que nos permitan controlar su tamaño e inhibir su crecimiento es el enfoque de varios estudios recientes. Nuestra investigación se centró en la síntesis de nanopartículas de plata para su aplicación como biosensores. La preparación de nanopartículas de plata se logró exitosamente utilizando diferentes agentes reductores como citrato de sodio, ácido ascórbico, glucosa y borohidruro de sodio. Se alcanzaron una variedad de colores como el amarillo, el ámbar, el gris y ek translúcido. Para caracterizar y confirmar la formación de las nanopartículas de plata, se utilizó espectroscopia ultravioletavisible. Las muestras analizadas mostraron la formación del plasmón entre los 380 nm y 430 nm. Las nanopartículas fueron funcionalizadas con diferentes aminoácidos. Luego de la adición de las diferentes cantidades de los aminoácidos se observaron cambios importantes en la banda del plasmón. Atribuimos estos cambios a la interacción de las nanopartículas con los amino ácidos. Todavía faltan más estudios para poder establecer mejores resultados.

7 7 Figura 3. Estudio óptico y microscópico de las nanopartículas de plata funcionalizadas con amino ácidos. Proyecto #3: Efecto antimicrobial de los antibióticos funcionalizados con nanopartículas de oro, plata y oxido de zinc. Estudiante: Raúl Aleno El uso inadecuado de antibióticos es la razón principal para que los microorganismos desarrollen métodos para aumentar su resistencia a los agentes microbianos. Los científicos están desarrollando nuevos antibióticos para combatir las infecciones. Las bacterias se reproducen rápidamente y el número de bacterias resistentes aumenta exponencialmente. La nanotecnología está contribuyendo al avance de la medicina y la ingeniería. Se han publicado algunos estudios acerca de las propiedades antimicrobianas de las nanopartículas de plata. Nuestro proyecto estudia los efectos antimicrobianos al mezclar nanopartículas de óxido de zinc, plata y oro con diferentes antibióticos y estudiar si aumenta su efectividad. Nuestro objetivo es desarrollar tratamientos más eficaces contra las infecciones de bacterias resistentes, incrementando el potencial de los antibióticos mezclados con nanopartículas o desarrollar nuevos agentes antimicrobianos mediante nanopartículas.

8 8 Figura 4. Esta figura muestra el halo de inhibición de la bacteria E. coli al ser expuesta a las nanopartículas de plata, el antibiótico Clindamicin y la combinación de las nanopartículas de plata y el antibiótico. Proyecto #4: Síntesis de nanomateriales y su aplicación para las impresiones de huellas dactilares. Estudiantes: Isuanete Maldonado, Aileen García Materiales en polvo han sido utilizados habitualmente para la detección de huellas dactilares en el campo de las ciencias forenses. En la literatura, se reportan algunos estudios previos en la aplicación de polvos nanoestructurados de óxido de Zinc (ZnO) para impresiones de huellas dactilares. Sin embargo se necesitan más estudios en la aplicación de nanopartículas en la detección de huellas dactilares. Nuestro trabajo consistió en la evaluación de la eficacia de materiales nanoestructurados para mejorar la resolución de impresiones de las huellas dactilares. Hemos logrado con éxito la síntesis de ZnO en nanoescala. Se realizó un estudio preliminar con aluminio en polvo que regularmente se utiliza para el revelado de huellas. Se compararon con las nanopartículas de ZnO sintetizadas en el laboratorio. Se

9 9 estudiaron huellas dactilares frescas y después de varias semanas. Estas impresiones fueron realizadas en diferentes superficies. Las muestras estudiadas con las nanopartículas mostraron mejor resolución y definición de detalles. Actualmente estamos estudiando el acoplamiento con nanopartículas semiconductoras y metálicas fluorescentes. Figura 5. Impresiones de las huellas dactilares con el método tradicional y las nanopartículas. La muestra #1 evidencia una mejor resolución y definición de los detalles. V. Grupo de Investigación en Nanotecnología Dra. Edmy J. Ferrer, Prof. Lourdes Diaz, Prof. Humberto Del Canto, Lic. Eulalia Medina, Sr. Raúl Aleno, Srta. Mariel Báez, Sr. Gilberto Báez, Srta. Aileen García, Sr. Anthony Lledó, Sr. Pedro Rivera, Sra. Isuanete Maldonado y Sr. Carlos Báez.

10 10 Bibliografía Pissuwan, D.; Niidome, T.; Cortie, M.B. (2009).The forthcoming applications of gold nanoparticles in drug and gene delivery systems. J. Contr. Release 149, Rich, R. & D. Myszka, (2000), Advances in surface plasmon resonance biosensor analysis, Current Opinion in Biotechnology, 11, A Low, V Bansal. (2010). A visual tutorial on the synthesis of gold nanoparticle. Biomedical Imaging and Intervention Journal. 6(1). Huang, L., Guo, Y., & Porter, A.L. (2010). Identifying the emerging roles of nanoparticles in biosensors, J Bus Chem. 7(1). Champod C, Lennard C, Margot P, & Stoilovic M. (2004). Fingerprints and other ridge skin impressions. New York: CRC Press. Gumus C, Ozkendir OM, Kavak H, & Ufuktepe Y. (2006). Structural and optical properties of zinc oxide thin films prepared by spraying pyrolysis method. J Optoelectronics and Advanced Materials, 8, Edmy J. Ferrer Torres, ejferrer@ponce.inter.edu. Ph. D. en Química Aplicada con especialidad en Materiales, M.S. en Química con concentración en Ciencia de Superficies. Especialización en Nanotecnología con énfasis en desarrollo de biosensores. Universidad de Puerto Rico-Recinto Universitario de Mayagüez.