A New Generation of Carbon-Based Nanomaterials for Biomedical Applications
José Juan Cedillo Portillo1*, Aidé Sáenz Galindo2, Adali Castañeda Facio3
1Maestría en Ciencia y Tecnología en Materiales, 2Cuerpo Académico de Química Orgánica, 3Cuerpo Académico de Ciencia y Tecnología de Polímeros. Facultad de Ciencias Químicas. Universidad Autónoma de Coahuila. C.P. 25280. Saltillo, Coahuila, México. *Autor de correspondencia: juan_cedillo_portillo@uadec.edu.mx
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JBCT Volumen 9, No. 18
Resumen
El carbono es uno de los elementos más abundantes del planeta. Debido a las propiedades únicas que presentan, los nanomateriales a base de carbono tienen diversas aplicaciones, teniendo un gran impacto desde la electrónica hasta la medicina. Actualmente, este tipo de materiales es muy utilizado en el ámbito de las ciencias de la salud, ya que sus propiedades le permiten actuar en la medicina por su escala nanométrica, presentándolos como un nuevo acarreador de diferentes fármacos, regenerador de células y sustrato para el crecimiento óseo y muscular. Es por lo anterior, que en el presente trabajo se muestra una revisión bibliográfica de los nanomateriales a base de carbono como el grafeno, nanotubos y fullerenos, su síntesis y aplicaciones en la biomedicina, reflejando así su importancia como un avance tecnológico de gran impacto para la investigación médica.
Palabras clave: Carbono, Medicina, Nanoestructuras.
Abstract
Carbon is one of the most abundant elements of on Earth. Due to the unique properties carbon-based nanomaterials present, they are materials used in various applications, having a great impact from electronics to new applications in medicine. Currently, this type of materials is widely used in the field of health sciences, since its properties allow it to participate in medicine for its nanometric scale, presenting them as new carrier of different drugs, cell regenerator and substrate for bone and muscle growth, Therefore, the present work displays a bibliographic review of carbon nanomaterials such as graphene, nanotubes and fullerenes, their synthesis and applications in biomedicine, showing them as a technological advance of great impact for medical research.
Keywords: Carbon, Medicine, Nanostructures.
INTRODUCCIÓN
El carbono es uno de los elementos más abundantes del planeta, siendo único por su capacidad de formar redes que van desde la adimensional (0-D) hasta tridimensional (3-D) como se muestra en la Fig.1. Debido a su estructura y geometría única, el carbono tiene varios alótropos como el grafito, el grafeno, el diamante, nanotubos de carbono y fullerenos (Qi Zhang y col., 2017). Después del descubrimiento en 1985 del fullereno C60 de (0-D) como la primera estructura simétrica en la familia de los nanomateriales de carbono por Kroto, Kurl y Smalley (Camisasca y col., 2017; Goodarzi y col., 2017), los nanomateriales a base de carbono, han sido arduamente estudiados en la investigación científica para posibles aplicaciones en diversas áreas de estudio que van desde la electrónica, como almacenadores de energía, hasta la ingeniería de tejidos en la biomedicina. Estos materiales posen propiedades únicas como una alta resistencia mecánica, su conductividad térmica y el área superficie con la que cuentan (Foo y col., 2017; Sajid y col., 2016).
Fig. 1. Estructura de los nanomateriales a base de carbono (Zhao y col.,2017).
Desde su descubrimiento inesperado en 2004, el grafeno se ha popularizado como un avance tecnológico con una infinita variedad de aplicaciones; no obstante, hasta el 2008 Dai y col. utilizaron un derivado del grafeno, el óxido de grafeno, para el suministro de un análogo de la Camptotecina (CPT), el SN38, el cual mostró una buena solubilidad, alta capacidad de carga para el análogo del (CTP) y una alta eficiencia de administración del fármaco SN38, así como también una alta citotoxicidad contra las células (Zhao y col., 2017).
En la actualidad los compuestos a base de carbono como los nanotubos han tenido gran importancia por su capacidad de ser funcionalizados, uniendo a su superficie moléculas de interés en la medicina para usarlos como biosensores, marcadores fluorescentes a escala molecular y nanoportadores. Zhou y col. (2009) estudiaron el comportamiento electroquímico del H2O2 con un electrodo modificado con grafeno, mostrando un aumento de la tasa de transferencia de electrones en comparación con electrodos que no tenían grafeno (Zhou y col., 2009). Por su parte, Hosu y col. (2017) fabricaron dos nuevos sensores híbridos electroquímicos para el análisis farmacéutico basados en poli (azul de metileno) y nanotubos de carbono, mostrando una buena estabilidad, reproducibilidad, repetibilidad y altos factores de recuperación (Hosu y col., 2017).
Asimismo, una gran ventaja que tienen este tipo de nanoestructuras es su tamaño, la cual les confiere la posibilidad de circular libremente por el torrente sanguíneo, llegar a atravesar la barrera encefálica, el epitelio estomacal y poder ser filtrados por el bazo y el riñón. Convirtiéndose estos en una alternativa terapéutica para medicina (Montes 2009).
Los fullerenos C60 han tenido gran interés en la biomedicina debido a sus propiedades físicas, en especial a la facultad que tienen de generar especies reactivas de oxigeno citotóxico bajo la exposición al laser; sin embargo, el uso biológico del C60 permanece limitado por la solubilidad que presenta en ambientes acuosos. No obstante, se han sintetizado y caracterizado una serie de derivados C60 solubles en agua como el C60-(OH), el cual puede eliminar los radicales libres y protege las células, por lo que es ampliamente utilizado en la terapia fotodinámica (TFD) (Zhang y col., 2015).
En esta revisión se aborda la importancia de las aplicaciones de los materiales a base de carbono como el grafeno, los nanotubos y los fullerenos como una nueva generación de nanomateriales en la biomedicina.
ANTECEDENTES
Propiedades de los nanomateriales a base de carbono
El grafeno es un material 2D con fuertes enlaces covalentes C-C dentro de sus hojas, lo que lo hacen uno de los materiales más resistentes con un módulo de Young de 1100 GPa, una resistencia a la fractura de 130 GPa y un área superficial de 2600 m2g-1. Además, su estructura plana 2D, les permite interactuar con muchos compuestos químicos y especies biológicas. Adicionalmente, sula naturaleza hidrófoba del grafeno le brinda la característica de absorber varias moléculas o polímeros orgánicos hidrófobos a través de interacciones de van der Waals (Zhao y col., 2017).
Los nanotubos de carbono (NTC), por otro lado, son nanoestructuras en forma cilíndrica de láminas de grafeno perfectamente enrolladas por una o varias capas, las cuales presentan tamaños variables con diámetros en la escala nanométrica y longitud de hasta milímetros. Los enlaces que presentan estas nanoestructuras son sp2 y las láminas de grafeno suelen atraerse entre ellas mismas mediante fuerzas de Van der Waals. Debido a su estructura los NTC se puede clasificar en nanotubos de pared sencilla (SWNT por su siglas en ingles single walled carbon nanotubes) y en nanotubos de pared múltiple o compuesta (MWNT multi walled carbon nanotubes) (Montes 2009).
Por su parte, los fullerenos con una estructura de hibridación sp2 presenta una simetría con diferentes tamaños, el más abundante en el C60 que consiste de 60 átomos de carbono enlazados que forman pentágonos, generando un icosaedro truncado, con los átomos de carbono en los vértices. La naturaleza de los fullerenos los hace altamente hidrófobos y que la solubilidad en disolventes orgánicos, especialmente en disolventes aromáticos, sea muy alta a diferencia que en disolventes polares (Goodarzi y col., 2017).
Métodos de síntesis para grafeno, nanotubos y fullerenos
En general los métodos para la fabricación de grafeno, nanotubos de carbono y fullerenos se pueden subdividir en dos categorías: la primera en enfoques sintéticos orgánicos descendentes y la segunda en enfoques ascendentes. La división mecánica, el método de redox y la descarga de arco utilizan el grafito en forma natural como fuente de carbono y son enfoques de forma descendente. En la actualidad los métodos más utilizados para la síntesis de grafenos son: exfoliación de la estructura y escisión del grafito, los ascendentes, la deposición química de vapor CVD y síntesis orgánica.
La exfoliación de la estructura incluye la separación mecánica de las capas del grafeno débilmente unidas al grafito con una energía de interacción entre las capas de 2 eV/nm2 y con una fuerza requerida de 300 nN/μm2 (Fraczek-Szczypta 2014)(Qi Zhang y col., 2017) (Deng y col., 2016).
Método de descarga de arco
En este método se utilizan electrodos de carbono como fuente de carbono y una descarga eléctrica producida por una corriente eléctrica de aproximadamente 50-100 A y una diferencia de 20 V, lo cual crea una corriente eléctrica aplicada en un gas inerte que se encuentre a baja presión y en presencia de un catalizador como el hierro, cobalto o níquel produce una temperatura lo suficientemente alta que vaporiza la superficie de uno de los electrodos de carbono, formando un pequeño deposito en forma de varilla de los nanotubos de carbono en el otro electrodo ( Hernandez y col., 2004; Sajid y col., 2016).
Figura 2. Método descarga de arco (Y. Hernandez y col., 2004).
Método de ablación laser
En el método de ablación laser unos pulsos de laser proporcionan la fuente de energía y los electrodos de carbono proporcionan la fuente de carbono, se utilizan pulsos sucesivos para vaporizar el blanco de forma uniforme, a temperaturas entre 3000 y 4000° C (González y col., 2009).
Método de deposición química de vapor
El método de deposición química en fase vapor es uno de los métodos más utilizados para la producción de nanomateriales a base de carbono, utilizando hidrocarburos como CH4, acetileno o monóxido de carbono como la fuente de carbono mientras que la energía la toman del calentamiento la cual proporciona suficiente energía para la descomposición de los hidrocarburos (Fraczek-Szczypta 2014; Goodarzi y col., 2017; Qi Zhang y col., 2017).
Aplicaciones biomédicas del grafeno, nanotubos y fullerenos
Mientras el cáncer se ha convertido en el primero problema global de salud pública, los tratamientos para combatirlo, como las quimioterapias, dejan efectos secundarios muy graves y además teniendo respuestas terapéuticas limitadas y variadas. En las últimas décadas se ha tratado de superar estos problemas explorando nuevas posibilidades de suministros de fármacos y liberación controlada (Yang y col., 2016). El uso de materiales a base de carbono para la entrega de fármacos es actualmente una técnica muy investigada debido a la gran área superficial que tienen estos materiales, lo que facilita la carga y conjugación de fármacos y otras moléculas de interés biológico. Además, debido a que el uso de algunos fármacos se ve limitado por la solubilidad que presentan, el grafeno es actualmente utilizado como portador de medicamentos hidrófobos (Jaleel y col., 2017).
Yang y col. han reportado la utilización de óxido de grafeno funcionalizado con algunos polímeros como portadores de Doxorrubicina (DOX) y Camptotecina (CPT), fármacos para el tratamiento de cáncer, mostrando una capacidad de carga alta; no obstante, este tipo de portadores pueden mostrarse sensibles al pH (Yang y col., 2016). También se han reportado fármacos injertados con polímeros como el poli, N-isopropil acrilamida (PNIPAM) el cual es sensible a la temperatura, las láminas de grafeno injertadas con PNIPAM mostraron una buena solubilidad y estabilidad bajo condiciones fisiológicas, este material a base de grafeno y polímero mostro una buena capacidad de carga para el CPT y una alta eficiencia contra la muerte de las células cancerosas (Jaleel y col., 2017).
Una de las principales características con las que cuentan los fullerenos C60 es atrapar los radicales libres con el fin de proteger los sistemas biológicos contra el daño celular y las anomalías de los tejidos, ya que presentan dobles enlaces que son capaces de reaccionar a los radicales libres; además, pueden localizarse dentro de las células inhibiendo la producción de radicales libres (Goodarzi y col., 2017). Se ha informado también que los fullerenos C60 y algunos derivados solubles tienen actividad antioxidante y pueden prevenir la peroxidación lipídica y la descomposición de la membrana celular. Wang y colaboradores encontraron además que muestran mayor eficiencia los fullerenos C60 y sus derivados solubles que la vitamina E (Wang y col., 1999).
Otra de las aplicaciones de los materiales a base de carbono es la utilización de estos en la rehabilitación de tejidos nervioso, ya que tienen formas parecidas a las neuritas. Estos materiales pueden ser funcionalizados o modificados químicamente utilizando biomoléculas que estimulen el crecimiento de las neuritas. Los nanomateriales a base de carbono como los nanotubos y el grafeno proporcionan un sustrato para el crecimiento de las neuronas por las propiedades que poseen como el área superficial y la conductividad eléctrica (Fraczek-Szczypta, 2014).
Los nanocompuestos de carbono también son utilizados en la regeneración osteogénica, debido a que al incorporarlos a materiales compuestos presentan una mayor resistencia, una mayor adhesión de células y deposición de calcio. Asimismo, estos nanomateriales son ampliamente utilizados como sustrato en la regeneración muscular (Erol y col., 2016).
El uso de nanoestructuras a base de carbono se han convertido en temas recientes de discusión en la medicina por sus propiedades antimicrobianas aunque todavía son limitados, debido a que no poseen una buena dispersión en solventes y la citotoxicidad humana en forma pura. No obstante, los nanocompuestos de PVK-GO, los cuales tiene óxido de grafeno disperso en una matriz polimérica de polivinil-N-carbazol (PVK), han capturado la atención porque se ha mostrado como un prometedor antibacteriano para bioinplantes, biosenosres, recubrimientos de dispositivos médicos y bactericidas (Mejias-Carpio y col., 2012).
CONCLUSIÓN
Los materiales a base de carbono como los nanotubos, el grafeno y los fullerenos, así como sus derivados muestran una ventana emergente para el uso de estos mismos en diversas aplicaciones, en especial en las ciencias biomédicas, debido a sus propiedades electicas, ópticas, el área superficial con la que cuentan y su estructura. Así, este tipo de compuestos se muestran como una nueva generación de nanomateriales con gran interés para en el área médica, específicamente en la conjugación de moléculas orgánicas y de interés biológico, biosensores, acarreadores de fármacos hidrófobos, sustrato para la regeneración celular y liberación controlada de fármacos.
Agradecimientos
Se agradece al CONACYT por la beca otorgada No. 477168 y a la Maestría en Ciencia y Tecnología de Materiales de la Universidad Autónoma de Coahuila.
REFERENCIAS
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