Nanopartículas en biomedicina

Imagen a escala aproximada de objetos nanoscópicos.

La nanotecnología tiene infinitas aplicaciones, esa es una de las razones por las que vale la pena enfrentar las dificultades que presentamos en Lo difícil de la nanociencia. Dentro de ese enorme abanico de usos, uno de los campos más interesantes en donde se aplica la nanotecnología actualmente es la medicina. Son muchas las oportunidades nuevas que nos brinda la escala “nano”, pero de todas las propiedades novedosas de las nanoestructuras, en medicina resulta importante la más obvia, los objetos nanoscópicos tienen un tamaño similar o incluso inferior al de las estructuras biológicas. Esto permite por primera vez en la historia de la medicina, una interacción íntima con los tejidos a escalas inferiores a la celular. Como se observa en la imagen, una nanopartícula de algunos nanómetros resulta más pequeña que las estructuras con actividad biológica de menor tamaño, como pueden ser las proteínas.

Debido a esto, la posibilidad de diseñar, construir y manipular objetos nanoscópicos en sistemas biológicos abrió la puerta para una enorme cantidad de terapias y técnicas de diagnóstico que actualmente se encuentran en diferentes estados de avance, desde las pruebas de concepto hasta la aplicación clínica.

Dependiendo de la aplicación buscada, se pueden fabricar nanopartículas de diferentes materiales como metales, semiconductores, dieléctricos y materiales orgánicos. Estos materiales también se pueden combinar en una misma nanoestructura a fin de aprovechar sus propiedades de manera simultánea u obtener propiedades nuevas de la combinación.

Imagen por microscopía de electrones de “nanoestrellas” de aleación de hierro y platino (A), recubiertas con oro (C) y finalmente con sílica (óxido de silicio).

Nanoimanes y sus dominios

Un tipo de nanopartículas con varias aplicaciones médicas, es el de las nanopartículas magnéticas. De la misma forma que con metales como el oro, se pueden sintetizar nanopartículas de materiales con respuesta magnética como el hierro y sus óxidos. Así, es posible introducir en los tejidos un material que luego puede ser manipulado desde el exterior mediante campos magnéticos tanto constantes como alternos. Esto permite utilizar a las nanopartículas como actuadores para aplicar fuerza, como contraste para imágenes por resonancia magnética y como transductores de potencia para generar calor, entre otras muchas aplicaciones. En este artículo y los siguientes vamos a contar un poco de estos usos de las nanopartículas magnéticas. Pero primero tenemos que mencionar algunas características de los materiales magnéticos en general, y de los nanoestructurados en particular.

Dominios magnéticos

Los materiales ferromagnéticos y ferrimagnéticos como el hierro y algunos de sus óxidos (la magnetita Fe3O4 y la maghemita Fe2O3 ) son los que se pueden atraer más fácilmente con un imán. En escala macroscópica, estos materiales se pueden magnetizar, o sea, si se los expone a un campo magnético intenso, se convierten ellos mismos en un imán. Pero después de un cierto tiempo pierden su magnetización. Esto se debe a que tienden a minimizar su energía separando su volumen en regiones que llamamos “dominios magnéticos”. Cada dominio magnético conserva una cierta magnetización. Cuando aplicamos un campo externo, todos los dominios magnéticos tienden a apuntar en la dirección del campo, pero debido a que la interacción entre dominios vecinos apuntando en una misma dirección eleva la “energía magnetostática” del material, al retirar el campo los dominios empiezan a orientarse en todas direcciones y la magnetización neta desaparece. Este proceso de desmagnetización puede durar desde minutos hasta años, dependiendo del material y de la temperatura. Es por esto que no todos los objetos de hierro se comportan como imanes, su estado de menor energía es el desmagnetizado.

En un material desmagnetizado (izq) los dominios magnéticos apuntan en todas direcciones (configuración de baja energía). En un material con magnetización neta (der), apuntan mayoritariamente en una dirección (configuración de alta energía).

Ahora, cuando un material magnético se presenta en partículas o estructuras en alguna dimensión menores que el tamaño típico de un dominio, estos ya no se pueden generar y la tendencia a desmagnetizarse desaparece. Así, se pueden obtener partículas “monodominio” cuya magnetización es permanente en magnitud.

A la izquierda vemos islas de un material magnético depositado sobre otro material. Las islas tienen 8 nm de altura y están divididas en dominios como se muestra en la imagen del medio donde cada color corresponde a una orientación de la magnetización. A la derecha vemos islas de 4 nm de altura. La formación de dominios ya no es posible y cada isla se encuentra magnetizada completamente en una dirección.

Peeeero…

En la naturaleza todo tiene un costo. Si bien, achicar las partículas magnéticas nos permite tener objetos monodominio, cuando más chico es un sistema magnético, más fácil es cambiar su magnetización. Esto resulta importante a nivel tecnológico por ejemplo en los sistemas magnéticos de almacenamiento de información como los discos rígidos convencionales de las computadoras. En estos sistemas, los bits digitales se almacenan como dominios magnéticos orientados en uno u otro sentido. Por un lado es deseable tener dominios pequeños para poder almacenar más información en menos espacio, pero cuanto más pequeños los dominios, menos estable es la información. Pasado un límite inferior de tamaño que depende del material y la tempertura, una nanopartícula magnética presenta una magnetización tan inestable que fluctúa continuamente, al punto que para la mayoría de las técnicas de medición, la magnetización promedio resulta nula. En los próximos artículos, seguiremos contando sobre el comportamiento especial de los nanoimanes y sobre las aplicaciones a la medicina que surgen a raíz de este. Nanoparticulas en medicina pte 2