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Universidad Interamericana de Puerto Rico - Recinto de Ponce
Investigación subgraduada en nanotecnología con aplicaciones en
microbiología, biotecnología y ciencias
Por: Edmy J. Ferrer Torres
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.
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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.
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Figura 1. Escala de materiales para comprender la nano escala
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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.
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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.
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2.5
Absorbance Intensity (a.u.)
2
1.5
MBM
1
MBM80
MBM100
0.5
0
400
500
600
700
800
900
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
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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.
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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.
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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
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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.
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Advanced Materials, 8, 299-303.
Edmy J. Ferrer Torres, [email protected]. 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.
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