PROSPECTOS DE NANOBIOMATERIALES PARA BIODETECCIÓN

Gerardo López León, NT25. A 19 de enero del 2022. Nanobiomateriales

PROSPECTOS DE NANOBIOMATERIALES PARA BIODETECCIÓN

Introducción

Los nanomateriales utilizan ingeniería en nanoescala y la integración del sistema de materiales existentes para desarrollar mejores materiales y productos. Las aplicaciones  de los nanomateriales ha tenido una fuerte presencia en varias áreas como la salud, implantes y prótesis, textiles inteligente, generación y conservación de energía con materiales generadores de energía, baterías de alta eficiencia, defensa, seguridad, terrorismo y vigilancia. La investigación de los bionanomateriales ha surgido como un nuevo y emocionante campo. Grandes avances en materiales de nanobiochips, nanomotores, materiales nanocompositos, nanobiosensores y sistemas de nanoliberación de fármacos tienen un enorme prospecto en aplicaciones industriales, de defensa y clínicas.

Un biosensor consiste de un material biosensible y un transductor que puede ser usado para detección de agentes biológicos o químicos. Los materiales biosensibles, como encimas, anticuerpos, sondas de ácido nucleico, células, tejidos y organelos, reconocen selectivamente los analitos objetivos mientras que los transductores como dispositivos electroquímicos, ópticos, piezoelectricos, térmicos y magnéticos pueden cuantitativamente monitorear las reacciones bioquímicas.

Los biosensores integrados con las nuevas tecnologías en biología molecular tiene aplicación en producción agrícola, procesamiento de comida, cuidado clínico y ambiente para para una detección rápida, especifica, sensitiva, poco caro, en campo, en linea y en tiempo real así como monitorear pesticidas, antibióticos, patógenos, toxinas, proteínas, microbios, plantas, animales, comida, tierras, aire y agua. Los biosensores ofrecen ser una excelente herramienta analítica para monitoreo de contaminación permitiendo la vigilancia de la biosfera.

Nanomateriales

 Los nanomateriales con dimensiones en un rango entre 1 a 100 nm exhiben propiedades notables y únicas comparadas con los materiales a macroescala, a causa de su tamaño se les otorga una reactividad más alta y otras propiedades físicas benéficas. Los nanomateriales han permitido el desarrollo de biosensores ultrasensibles, a causa de su alta área superficial, propiedades eléctricas y actividad electrocatalítica así como biocompatibilidad. Las nanopartículas de oro recubiertas con ferrocenil hexanetiol y estreptavidina fueron usadas para monitorear la hibridación del ADN. Las nanopartículas también han sido acopladas con partículas magnéticas para capturar ADN objetivo, el cual después híbrida con una sonda secundaria etiquetada a una nanopartícula metálica y detectada por voltamperometría anódica.

 K’Owino reportó por primera vez el subpotencial de deposición de una monocapa de plata para la mejora de sensibilidad electroquímica de una reacción molecular. Se han reportado usos del metal mejorado como una película continua, partículas, coloides o monocapa para la detección de niveles de partes por trillón del fármaco anticancerígeno cisplatino y PCBs. El concepto de los MED (por sus siglas en inglés) fue desarrollado para al detección de desajustes usando Microcystis como un modelo para monitoreo de interacciones ADN-cisplatino. La detección también ha sido usada para monitorear otras reacciones biomoleculares, incluyendo hibridación de ADN, detección de desajustes, ADN-proteína, antigenanticuerpos y reacciones ADN-ARN.

Variedad de nanomateriales se han utilizados incluyendo nanotubos de carbono, se han usado como conectores eléctricos entre el electrodo y el centro redox de la glucosa oxidasa.

Los nanotubos fueron sintetizados y aislados por primera vez en 1991 por Iijima. Tienen propiedades físicas y químicas únicas como rigidez, flexibilidad y resistencias, también son conductores térmicos, pueden comportarse como emisores de campos y poseen superconductividad intrínseca, dependiendo de su quiralidad, pueden comportarse como conductores o semiconductores. Poseen un tamaño pequeño, alta actividad electroquímica, excelente propiedades físicas, baja densidad y biocompatibilidad la fibra de CNT (nanotubos de carbono) tiene un gran potencial para aplicaciones de monitoreo clínico para analitos relevantes como glucosa, lactatos, anticuerpos y antígenos. Otras áreas de interés son los bioreactores, química veterinaria y clínica, ciencias ambientales e industria alimenticia.

Los nanotubos pueden ser acoplados a encimas para proveer una orientación de superficie favorable y así actuar como cables moleculares (nanoconectores) entre el electrodo y una encima redox.  Patolsky demostró que los nanotubos de carbono de pared simple pueden ser ligados a un electrodo en la superficie. Los electrones fueron transportados a lo largo de grandes distancias, mayores a 150nm controlando la tasa de transporte de electrones, Se estimo una tasa de transferencia constante de 42 1/s para nanotubos de 50 nm.

Biomateriales

Un biomaterial es natural o fabricado que comprende todo o una parte de una estructura viva o dispositivo biomédico que realiza o reemplaza una función natural. Se utilizan a diario en aplicaciones dentales, cirugía y liberación de fármacos. Un biomaterial puede ser también un autoinjerto, aloinjerto o xenoinjerto utilizado como material de trasplante. Biomateriales naturales son silicatos en algas, carbonatos en invertebrados, fosfatos de calcio  y carbonatos en vertebrados. Cristales moleculares, cristales líquidos, coloides, micelas, emulsiones, polímeros de fase separada, películas delgadas y monocapas, todos son ejemplos de estructuras altamente ordenadas. En el campo biomédico los materiales artificiales han sido usados en el cuerpo humano para medir, restaurar, mejorar funciones fisiológicas y mejorar la supervivencia y la calidad de vida. Típicamente materiales inorgánicos y poliméricos han sido utilizados para elementos como válvulas de corazón artificiales,  vasos sanguíneos artificiales, caderas artificiales, adhesivos médicos, suturas, compositos dentales y polímeros para liberación lenta y controlada de fármacos. Los materiales biocompatibles se han integrado en el ambiente biológico así como otras propiedades a la medida dependiendo de la aplicación específica in vivo.

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