¿Qué es la nanotecnología?

Aproximadamente, un cabello humano tiene una anchura de 80 000 nm
Fuente: eSpin Technologies, Inc.La nanotecnología es la ciencia que interviene en el diseño, la producción y el empleo de estructuras y objetos que cuentan con al menos una de sus dimensiones en la escala de 0.1 milésimas de milímetro (100 nanómetros) o menos.

La nanotecnología es la ciencia que interviene en el diseño, la producción y el empleo de estructuras y objetos que cuentan con al menos una de sus dimensiones en la escala de 0.1 milésimas de milímetro (100 nanómetros) o menos.

La nanotecnología podría tener repercusiones de gran alcance para la sociedad. En la actualidad ya se utiliza en sectores como el de la información y las comunicaciones. También se emplea en cosméticos, protectores solares, textiles, revestimientos, algunas tecnologías alimentarias y energéticas o en determinados productos sanitarios y fármacos. Además, la nanotecnología podría ayudar a reducir la contaminación ambiental.

Sin embargo, las nanopartículas manufacturadas tienen propiedades y efectos muy diferentes a los de los mismos materiales en tamaños convencionales, lo que puede plantear nuevos riesgos para la salud del hombre y de otras especies. De hecho, es posible que los mecanismos de defensa del hombre no consigan reaccionar adecuadamente ante la presencia de dichas partículas manufacturadas, que poseen características completamente desconocidas para estos mecanismos de defensa.

Las nanopartículas podrían además propagarse y persistir en el entorno, con el consiguiente impacto para el medio ambiente.

La nanotecnología se refiere a la rama de la ciencia y la ingeniería dedicada al diseño, producción y uso de estructuras, dispositivos y sistemas mediante la manipulación de átomos y moléculas a nanoescala , es decir, que tienen una o más dimensiones del orden de 100 nanómetros (100 millonésimas de milímetro) o menos.

En el mundo natural hay muchos ejemplos de estructuras con una o más dimensiones nanométricas , y muchas tecnologías han involucrado incidentalmente tales nanoestructuras durante muchos años, pero solo recientemente ha sido posible hacerlo intencionalmente.

Muchas de las aplicaciones de la nanotecnología implican nuevos materiales que tienen propiedades muy diferentes y efectos nuevos en comparación con los mismos materiales fabricados en tamaños mayores. Esto se debe a la muy alta relación superficie/volumen de las nanopartículas en comparación con las partículas más grandes, y a efectos que aparecen a esa pequeña escala pero no se observan a escalas mayores.

Las aplicaciones de la nanotecnología pueden ser muy beneficiosas y tienen el potencial de tener un impacto significativo en la sociedad. La nanotecnología ya ha sido adoptada por sectores industriales, como los de la información y las comunicaciones, pero también se utiliza en la tecnología alimentaria y energética, así como en algunos productos médicos y medicamentos. Los nanomateriales también pueden ofrecer nuevas oportunidades para la reducción de la contaminación ambiental.

Pero estos nuevos materiales también pueden presentar nuevos riesgos para la salud. Los seres humanos han desarrollado mecanismos de protección contra diversos agentes ambientales de diferentes tamaños. Sin embargo, hasta hace poco nunca habían estado expuestos a nanopartículas sintéticas y sus características específicas. Por lo tanto, es posible que los mecanismos de defensa humanos normales asociados, por ejemplo, con los sistemas inmunológico e inflamatorio , no puedan responder adecuadamente a estas nanopartículas. Además, las nanopartículas también pueden dispersarse y persistir en el medio ambiente y, por tanto, tener un impacto en el medio ambiente.

En lo que respecta a los riesgos para la salud, existen dos tipos de nanoestructuras a considerar:

• aquellas donde la estructura propiamente dicha es una partícula libre, denominadas nanopartículas libres , que es el grupo que más preocupa; y
• aquellos donde la nanoestructura es parte integral de un objeto más grande, por ejemplo, materiales con recubrimientos compuestos de nanomateriales . Sin embargo, mientras las nanopartículas estén fijadas al soporte, no hay razón para suponer que representen un mayor riesgo para la salud o el medio ambiente que los materiales a mayor escala.

Efectos de las Nanotecnologías

 

¿Qué efectos perjudiciales podrían tener las nanotecnologías?

Algunas nanopartículas tienen las mismas dimensiones que determinadas moléculas biológicas y pueden interactuar con ellas. Pueden moverse dentro del cuerpo humano y de otros organismos, pasar a la sangre y entrar en órganos como el hígado o el corazón, y podrían también atravesar membranas celulares. Preocupan especialmente las nanopartículas insolubles, ya que pueden permanecer en el cuerpo durante largos periodos de tiempo.

Los parámetros que influyen sobre los efectos de las nanopartículas para la salud son su tamaño (las partículas de menor tamaño pueden comportar un peligro mayor), la composición química, las características de su superficie y su forma.

Cuando se inhalan, las nanopartículas pueden depositarse en los pulmones y desplazarse hasta otros órganos como el cerebro, el hígado y el bazo; es posible que puedan llegar al feto en el caso de mujeres embarazadas. Algunos materiales podrían volverse tóxicos si se inhalan en forma de nanopartículas. Además, las nanopartículas inhaladas podrían provocar inflamaciones pulmonares y problemas cardíacos.

Las nanopartículas se emplean como vehículo para que los fármacos lleguen en mayor cantidad a las células deseadas, para disminuir los efectos secundarios del fármaco en otros órganos o para ambas cosas. Sin embargo, en ocasiones no es fácil diferenciar la toxicidad del fármaco de la toxicidad de la nanopartícula.

Existe muy poca información sobre el comportamiento de las nanopartículas en el cuerpo, con la salvedad de las partículas en suspensión que llegan a los pulmones. A la hora de evaluar los efectos de las nanopartículas sobre la salud debería tenerse en cuenta que la edad, los problemas respiratorios y la confluencia de otros contaminantes pueden influir en algunos de los efectos sobre la salud.

Se sabe muy poco de los efectos de las nanopartículas sobre el medio ambiente. Sin embargo, es probable que muchas de las conclusiones de los estudios con seres humanos puedan extrapolarse a otras especies. En cualquier caso, es necesario seguir investigando.

¿Cómo puede medirse la exposición a las nanopartículas?

Un científico trabajando con un microscopio electrónico
Fuente: Thames-Rawlins Polymer Research

La detección de nanopartículas es una tarea difícil, tanto en gases como en líquidos. Las nanopartículas tienen un tamaño tan reducido que sólo los microscopios electrónicos pueden detectarlas. Hasta hace poco tiempo, no se contaba con instrumentos capaces de detectar y analizar partículas de apenas unos nanómetros.

La mayoría de las personas se exponen cotidianamente a las nanopartículas presentes en el aire ambiente, que proceden en gran parte del humo de los motores diésel. Se trata de una exposición baja en términos de masa, pero considerable si tenemos en cuenta el número de partículas. De hecho, el número de partículas, su tamaño y las características de su superficie determinan su forma de interactuar con los organismos vivos.

No existe consenso sobre cuáles son los parámetros más adecuados para medir y evaluar la exposición. Tampoco existe instrumental portátil para medir la exposición a las nanopartículas. Es necesario, además, desarrollar nuevas técnicas de muestreo y estrategias para evaluar la exposición en el lugar de trabajo y en el entorno.

En la actualidad, la inhalación es la principal vía de exposición humana a las nanopartículas, mientras que las emisiones de los vehículos a motor constituyen la principal fuente de nanopartículas en las zonas urbanas. Además, es posible que en determinados lugares de trabajo se produzca una exposición a las nanopartículas en suspensión, aunque existe poca información al respecto. Tampoco se sabe mucho de otras vías de exposición, en particular de la dérmica (que interviene principalmente en las preparaciones farmacéuticas para la piel que incorporan nanopartículas) y de la digestiva.

Situación actual y propiedades de la nanotecnología

Los conocimientos actuales sobre la nanociencia provienen de avances en los campos de la química, física, ciencias de la vida, medicina e ingeniería. Existen diversas áreas en las que la nanotecnología está en proceso de desarrollo o incluso en fase de aplicación práctica.

En la ciencia de los materiales, las nanopartículas permiten la fabricación de productos con propiedades mecánicas nuevas, incluso en términos de superficie de rozamiento, de resistencia al desgaste y de adherencia.

Los componentes más pequeños del chip de un ordenador se miden a nanoescala

Fuente: NanoPrism Technologies, Inc.

En biología y medicina, los nanomateriales se emplean en la mejora del diseño de fármacos y su administración dirigida. También se trabaja en el desarrollo de nanomateriales para instrumental y equipos analíticos.

Productos de consumo tales como cosméticos, protectores solares, fibras, textiles, tintes y pinturas ya incorporan nanopartículas.

En el campo de la ingeniería electrónica, las nanotecnologías se emplean, por ejemplo, en el diseño de dispositivos de almacenamiento de datos de menor tamaño, más rápidos y con un menor consumo de energía.

Los instrumentos ópticos, tales como los microscopios, también se han beneficiado de los avances de la nanotecnología.

¿Qué propiedades físicas y químicas tienen las nanopartículas?

Las nanopartículas pueden agruparse
Fuente: NanoPrism Technologies, Inc.

Con frecuencia, las nanopartículas cuentan con propiedades físicas y químicas muy diferentes a las de los mismos materiales a escala convencional.

Las propiedades de las nanopartículas dependen de su forma, tamaño, características de superficie y estructura interna. La presencia de determinadas sustancias químicas también puede alterar dichas propiedades.

La composición de las nanopartículas y los procesos químicos que tienen lugar en su superficie pueden alcanzar una gran complejidad.

Las nanopartículas pueden agruparse o permanecer en estado libre, en función de las fuerzas de atracción o repulsión que intervengan entre ellas.

Avances de la nanotecnología para la salud

Investigadores alrededor del mundo dedican sus esfuerzos a buscar alternativas a problemáticas relacionadas con la salud, y estudian cada opción posible para mejorar la calidad de vida de nuestra sociedad.  Una de las soluciones más prometedoras es mediante el uso de la  Nanotecnología, que aprovecha propiedades de los materiales a escala nano para llegar a aquellos lugares que antes se creían imposibles. Así, se resuelven problemas que van desde el diagnóstico hasta el tratamiento de muchas enfermedades.

La Organización Mundial de la Salud, en una publicación previa al brote de la COVID-19, titulada Cuáles son las 10 principales amenazas a la salud en 2019, consideraba que algunos de los riesgos eran:

• 1.- La contaminación del aire y el cambio climático.
• Los contaminantes microscópicos en el aire pueden penetrar los sistemas respiratorios y circulatorios, dañando los pulmones, el corazón y el cerebro, matando a 7 millones de personas en forma prematura cada año por enfermedades como el cáncer, los accidentes cerebrovasculares, las enfermedades cardíacas y pulmonares.
• 2.- Las enfermedades no transmisibles como la diabetes y el cáncer. 
• 3.- Las enfermedades cardiacas, que son responsables del 70 % de todas las muertes anuales en el mundo (41 millones de personas).
• 4.- Y enfermedades infecciosas como la tuberculosis, que cada año presentan miles de nuevos casos de resistencia a los fármacos.   

Para el diagnóstico de algunas de estas, por ejemplo, se han desarrollado nanopartículas que actúan como materiales (agentes o medios de contraste) para mejorar la obtención de fotografías de la zona del cuerpo que el médico debe estudiar. Y, también, como biosensores que permiten detectar sustancias o moléculas en el organismo de forma más rápida, menos invasiva y en el sitio de atención.

Con respecto al tratamiento, se investiga el diseño de sistemas que permitan la liberación controlada de fármacos, de tal manera que las nanopartículas sirvan como vehículo para transportar y proteger el fármaco hasta que llegue a la zona afectada, ofreciéndole, de esta manera, un direccionamiento específico para que vaya al sitio de acción y no genere efectos secundarios en otras partes del cuerpo o, en otros casos, resistencia antimicrobiana. 

También se realizan estudios que permitan, por medio de la nanotecnología y sus avances para la salud, obtener medios terapéuticos que ataquen tumores sin afectar el tejido sano, e incluso brindar herramientas para la regeneración de tejidos.

Pero, encontrar estas soluciones lleva a los investigadores a enfrentarse con muchos obstáculos, entre ellos:

 + La toxicidad que pueden tener los materiales al estar en contacto con el cuerpo.

• + La interacción entre estos sistemas nanométricos y las moléculas que tenemos en el organismo, como las proteínas.
• + Las células del sistema inmunológico, que, al momento de detectar objetos extraños en el cuerpo, los etiquetan y atacan para eliminarlos lo más rápido posible. Lo que se convierte en un limitante para llegar al lugar de acción, que serían los tumores o el interior de células específicas.

Por ello, en la investigación se siguen diferentes protocolos que permiten a los científicos conocer los sistemas que se están diseñando y evaluar sus propiedades fisicoquímicas y su comportamiento e interacción. Hablamos de los modelos animales, que se llevan a cabo antes de poder estudiarse en pacientes.

Nanotecnologia y salud 

Que técnicas emplea la nanotecnología?

La nanotecnología se apoya en una gran cantidad de disciplinas científicas y aplica numerosas técnicas, pero algunas de las más conocidas son:

• 1. Microscopía de efecto túnel
• 2. Microscopía de fuerza atómica
• 3. Litografía de electrones
• 4. Deposición de capa atómica
• 5. Barrido orientado a la característica
• 6. Interferometría de polarización dual

¿Cuáles son las principales aplicaciones de la nanotecnología?

Por supuesto, la nanotecnología tiene un gran y creciente número de aplicaciones. Algunos de los campos en los que participa son:

• 1. En medicina: ha permitido el desarrollo de materiales que liberan medicamentos de forma controlada y de nanorobots capaces de aplicar tratamientos específicos. El desarrollo de nanoestructuras relacionadas con el ADN también ha permitido tratar patologías de manera más precisa y sin los efectos colaterales de los tratamientos convencionales.
• 2. En electrónica: ha sido fundamental para la miniaturización de los dispositivos.
• 3. En la industria: se ha utilizado para mejorar la resistencia y las propiedades de los materiales en general.