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Nanotijolo

Cocina molecular

Un equipo de Campinas crea una fórmula con nanopartículas de plata y magnetita

Nanoladrillos magnéticos

Diego Muraca/ lnnano-CNPEMNanoladrillos magnéticosDiego Muraca/ lnnano-CNPEM

La receta es sencilla. Hay que combinar sales minerales que contengan hierro y plata con solventes orgánicos, llevar al horno, calentando lentamente durante cinco horas y voilà: un  polvo marrón formado por granos diminutos, solo visibles con un microscopio electrónico. Cada grano está formado por bloques con forma de paralelepípedo y un tamaño del orden de millonésimas de milímetro o nanómetros (nm). La fórmula para sintetizar esos bloques fue creada por un equipo liderado por los físicos Kleber Pirota y Marcelo Knobel, de la Universidad de Campinas (Unicamp), que les dieron el mote de nanopartículas tipo ladrillo.

Es la primera vez que científicos fabrican nanopartículas con formato de ladrillo elaboradas con magnetita, el mineral de los imanes de las heladeras, que contienen en su interior un pequeño núcleo de plata. “Su forma, el tamaño nanométrico y la inclusión de plata acentúan las propiedades magnéticas de la magnetita”, explica Pirota. “Además, la plata posee interesantes propiedades ópticas y bactericidas”.

Los físicos esperan que el nuevo material sea útil para la medicina debido a su potencial acción bactericida y, tal vez, para perfeccionar una nueva terapia contra el cáncer denominada magnetohipertermia. Esa terapia, que se encuentra en fase avanzada de ensayos clínicos en Europa y Estados Unidos, emplea actualmente nanopartículas elaboradas sólo con magnetita, que se inyectan en la sangre para combatir algunos tipos de cáncer. La magnetita de esas nanopartículas está recubierta de moléculas capaces de adherirse solamente sobre la superficie de las células tumorales. Una vez adheridas al tumor, se las sacude por medio de un campo magnético oscilante. La fricción generada por la agitación de las partículas calienta las células tumorales hasta matarlas. “La hipertermia puede quemar tumores en su fase inicial, sin dañar a las demás células del organismo, tal como ocurre con la quimio y la radioterapia”, explica Knobel, haciendo la salvedad de que sus nanoladrillos de magnetita con plata serían capaces de vibrar con mayor intensidad que las nanopartículas mayores e de formato irregular, elaboradas tan sólo con magnetita, que se están utilizando en las terapias experimentales.

Para arribar a esa fórmula, los físicos de la Unicamp trabajaron en ella durante casi 10 años por medio de proyectos financiados por la FAPESP y por el Consejo Nacional de Desarrollo Científico y Tecnológico (CNPq). “Se trata de algo similar a cocinar: primero se pone eso, después aquello y se va modificando la receta hasta que salga bien”, dice Knobel. “Arribamos a ese resultado experimentando bastante y con algo de suerte”.

Para comenzar, su equipo empleó las estrategias que todos los investigadores de nanomateriales generalmente adoptaban para la elaboración de nanopartículas formadas por un metal noble recubierto por una cubierta magnética. En primera instancia fabricaron el “núcleo”, calentando sales da plata disueltas en un líquido hasta que sus iones se cristalizaban en nanopartículas de hasta 20 nm de diámetro. Al día siguiente, los investigadores mezclaban las nanopartículas de plata con sales ricas en hierro y calentaban la solución, con la expectativa de que crecieran gruesos recubrimientos de magnetita alrededor de las nanopartículas.

partículas nanométricas conteniendo un núcleo  de plata (Ag), con acción bactericida, recubierto por magnetita (Fe3O4)

Diego Muraca/ lnnano-CNPEMpartículas nanométricas conteniendo un núcleo
de plata (Ag), con acción bactericida, recubierto por magnetita (Fe3O4)Diego Muraca/ lnnano-CNPEM

Nanoflor
Sin embargo, el resultado de esa breve receta no eran nanopartículas del tipo de núcleo metálico recubierto (cáscara-carozo). En lugar de eso, eran una mezcla de nanopartículas del tipo “flor”, con un meollo de plata rodeado de “pétalos” de magnetita. “El núcleo de plata siempre quedaba expuesto, nunca lográbamos recubrirlo con una cubierta de magnetita”, explica Pirota. “Esas nanopartículas son interesantes para ciertas aplicaciones, ya que la plata tiene propiedades bactericidas. Pero no para la hipertermia, porque el núcleo libera iones de plata que pueden dañar otras células aparte de las tumorales”.

No obstante, los físicos notaron que, cuanto menores son las nanopartículas de plata, más pétalos de magnetita crecían a su alrededor. El químico Román López-Ruiz y el físico Diego Muraca, compañeros de Knobel y Pirota en la Unicamp, tuvieron entonces la idea de “cocinar” las sales de plata y hierro simultáneamente, para impedir que las nanopartículas de plata crecieran demasiado. De ese modo, López-Ruiz y la maestranda Maria Eugênia Brollo finalmente prepararon la fórmula perfecta: calentaron la solución con las sales durante 40 minutos hasta llegar a los 200 grados Celsius, mantuvieron esa temperatura durante dos horas hasta que se formaron pequeños núcleos de plata y a continuación siguieron calentando durante otros 20 minutos hasta 250 grados, manteniendo esa temperatura durante otras dos horas.

El físico Santiago Figueroa, del Laboratorio Nacional de Luz Sincrotrón, confirmó la presencia de magnetita alrededor del núcleo valiéndose de técnicas de luz sincrotrón y Muraca obtuvo imágenes de las partículas en un microscopio electrónico en el Laboratorio Nacional de Nanotecnología del Centro Nacional de Investigación en Energía y Materiales (CNPEM). Los nanoladrillos tienen 13 nm de ancho por 15 nm de largo, con un espesor un poco mayor que el diámetro de la esfera de plata en su interior (alrededor de 4 nm).

Todavía no se sabe por qué funciona esa fórmula ni el motivo del formato rectangular de las nanopartículas. Los científicos sospechan que las nanopartículas de plata con un tamaño inferior a 10 nm dejan de ser buenos metales conductores de la electricidad. Por debajo de ese tamaño, la plata se transforma en un material que agrupa cargas eléctricas en su superficie. Esas cargas ayudarían a aglomerar la magnetita a su alrededor, creando un ladrillo de magnetita compacto y homogéneo. “Estamos intentando verificar esa hipótesis”, dice Pirota.

“Aún es prematuro como para afirmar que ese material cuenta con potencial para usarlo en la hipertermia magnética”, sostiene el físico Andris Bakuzis, de la Universidad Federal de Goiás. El científico coordina un trabajo conjunto entre 25 investigadores de la región centro-oeste que utilizan nanopartículas en test preclínicos para nuevas terapias médicas, incluyendo la hipertermia. “El cuerpo incorpora y reutiliza el hierro de la magnetita, pero la plata es tóxica”.

Pirota es consciente del problema. “Incluso con su núcleo totalmente recubierto, los iones de plata aún pueden atravesar la magnetita”, explica. Trabajos de otros investigadores incluso sugieren que, por extraño que parezca, el efecto bactericida de una nanopartícula de plata totalmente recubierta de magnetita sería aún mayor que el de una nanopartícula tan sólo de plata. “Si ese resultado fuera confirmado”, concluye Bakuzis, “esas partículas podrían contar con un gran potencial bactericida”.

Artículo científico
BROLLO, M. E. F. et al. Compact Ag@Fe3O4 core-shell nanoparticles by means of single-step thermal decomposition reaction. Scientific Reports. v. 4, n. 6839. 9 oct. 2014.

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