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« . i o ^ B i NANOTECNOLOGIA Y NANOMEDICINA * -Tecnologías emergentes para mejorar la calidad de vida

Jatro E Márquez D*

INTRODUCCION

Con los vertiginosos cambios tecnológicos y científicos que se han venido suscitado con el advenimiento de la Nanotecnología y sus disciplinas hace más de una década, es claro que se viene encima una nueva era tecnológica sin precedentes, advirtiéndonos de sus implicaciones en todas las áreas del saber, desde la microelectrónica y las ciencias de la computación, pasando por todas las áreas de la medicina, hasta llegar a la ingeniería aeroespacial. Los resultados que se espera obtener por medio de la nanotecnología a corto, mediano y largo plazo en términos socio económicos son multimillonarios, donde la manipulación de la materia desde sus elementos básicos es la pieza fundamental para el desarrollo de nuevos elementos que prometen mejorar la calidad de vida del hombre y del medio ambiente.

Palabras clave: nanotecnología, nanomedicina, nanotubos.

SUMMARY

The sudden technological and scientific changes that have resulted from the nanotechnology and its disciplines for more than a decade, make clear that a new technological era without antecedents is here. It has implications in all the áreas of knowledge from micro electronics and computer science, going by all the áreas of medicine and even in aerospace engineering. The results expected to come from nanotechnology in short médium an long term in socio economical standards are multimillionare, were matter manipulation from its basic elements is the fundamental comerstone for the development of new elements that promise to improve the quality of life and the environment.

gf. Key words: nanotechnology, nanomedicine and nanotubes.

-Oí

Físico- matemático, Docente investigador en la UDEC-Colombia.

REVISTA DE LA FACULTAD DE MEDICINA VOL. 9 No. 1 • JUNIO DE 2004 17 NANOTECNOLOGÍA Y NANOMEDICINA

NANOTECNOLOGÍA

-j- a Nanotecnología o tecnología de lo pe-j ^ queño, se conoce también como tecnolo-

logía atómica, tecnología molecular o tecnología gris. La nanotecnología trabaja a escalas del orden de una milésima de millonésima de metro (10-9m). El enfoque de investigación y desarrollo (I + D) está enfocado a diseñar, controlar y modificar materiales orgánicos e inorgánicos, a través de la miniaturización de componentes a rangos del nivel de un submicrón hasta niveles de átomos individuales o moléculas (lOOnm y O.lnm). A nanoescala, el comportamiento de los átomos individuales está regido por la física y química cuánticas, que difieren a microescala y mesoescala, de tal forma que las propiedades de los materiales cambian de manera drástica.

La Nanotecnología hizo su aparición hace más de tres décadas, y su aplicación se ha diversificado de manera exponencial en casi todas las áreas del saber, creando de paso nuevas disciplinas de investigación y desarrollo (I + D). Como son: r , s M , . T

Nanoelectrónica, Nanomedicina, Nanomáquinas, Nanorobótica, Moletrónica, Nanobiotecnología, Biomateriales Nanoestructurados, Computación Molecular, Computación de Proteínas, Computa­ción Cuántica, Biocomputación, Computación A D N , Computación Óptica, Computación Rever­sible (lógica reversible y lógica helicoidal). Química Supramolecular, Espintrónica (Los Dispositivos giro-polarizados), Nanosensórica, Protocatálisis, Neogenética, Nanomateriales (nanotubos, nano-hilos, nanopuntos). Fluidos Nanoestructurados, Nanocompuestos y Simulación de sistemas Nano-escalares, Nanofotónica, Nanotexturación, Nano-Optoelectrónica, Nano-óptica, Nanobiología, Nanometría, Nanoinstrumentación, Nanocon-tactos, Nanograpas o Nanoclusters, Nanoquímica (células de nanocombustible), Nanohilos inorgá­nicos, Nanoporosidades para secuencias génicas, Nanoanillos, Nanomagnetismo, Nanolitografía y Nanofabricación entre otros.

"Si quisiéramos ver una máquina nanotecnológica, solo observemos nuestro cuerpo y la naturaleza que nos rodea".

Se plantean a un futuro no muy lejano sistemas nanoscópicos que permitan ensamblar o autoen-samblar estructuras usando como materia prima elementos del entorno (materiales inteligentes y materiales autoensamblantes o replicadores). A medida que se reduzca la escala de trabajo de los dispositivos, los efectos cuánticos serán cada vez más importantes. Igualmente el control y la utiliza­ción de los principios cuánticos (principio de ex­clusión de Paulí, indeterminación de Heissenberg, decoherencia cuántica y superposición entre otros) harán realidad la posibiUdad de crear dispositivos nanoscópicos, tal como se puede observar en la figura 1, en la que se observa un corral cuántico, que es pieza fundamental en microelectrónica y nanoelectrónica para analizar el comportamiento de los electrones confinados en espacios ultrape-queños (pozos cuánticos y puntos cuánticos).

FIGURA 1. Se observa un corral cuántico construido con átomos sobre una matriz molecular. Sus aplicaciones van desde confinamiento de átomos hasta anillos cuánticos para electrónica flexible y nanoelectrónica. Cortesía de IBM.

La naturaleza muestra ejemplos claros de autoen-sambladores como son las gotas de lluvia sobre una hoja de árbol (autoensamblaje termodiná-mico), un embrión es un ejemplo de autoensam­blaje codificado. Se espera que en poco tiempo la comunidad científica de todo el mundo, logre com­prender los procesos naturales de la vida usando la Biotecnología y la Nanotecnología (Nano­biotecnología), en la que se espera crear y modificar el entorno vivo prácticamente al antojo, lo que

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implica un paso decisivo en la evolución no solo de la especie humana sino de todos los seres que pueblan el planeta Tierra. Tanto así que el concepto de muerte quedará entre dicho, preservación de tejido e individuos ad inf ini tum "Criogenía o Biostasis". La vejez podrá ser historia cuando se logre burlar las huellas del tiempo, "se jugará a ser Dios" como afirman algunos científicos. • ?

Para poder llegar a tan anhelado sueño se están implementando nuevos procesos de fabricación en serie que serán más económicos proyectados hacia el futuro. Con miras a la optimización de productos fruto de la nanofabricación, existen actualmente una serie de métodos para la construcción de es­tructuras menores a los lOOnm, en la que cada una de ellas presenta ventajas y desventajas según su aplicación. Como son: método de fotolitografía (usada actualmente para la impresión de chips), método por sonda exploradora (microscopio de efecto túnel, el microscopio de fuerzas atómicas y el microscopio de sonda de barrido entre otros), método descendente en los que se tiene la litogra­fía blanda y la litografía de pluma bañada, y final­mente el método ascendente, que a diferencia del anterior ensamblan átomos o moléculas para formar nanoestructuras.

FIGURA 2. La fusión de disciplinas que antes de los años noventa parecían independientes, ayudaron a consolidar la nueva ciencia conocida fioy como la Nanotecnología, en la que la computación es pieza fundamental en la simu­lación de procesos físico químicos antes de desarrollar cualquier producto.

NANOMEDICINA

Actualmente la nanotecnología ha entrado con fuerza en las instituciones académicas en todo el mimdo. En ella la industria ha puesto sus esperan­zas, ya que se ha demostrado que la inversión en este campo vale la pena (más de 3 billones de dóla­res para el año 2004), sobre todo en el área de la Nanomedicina, donde la biotecnología es pieza fundamental. Por ejemplo, en el diagnóstico y tera­pia, el que se emplean nanoestructuras construidas con materiales inorgánicos, las nanopartículas inyectadas en el organismo usadas como marca­dores o como medio para almacenar y liberar fármacos en sitios indicados- magnetofluidos o ferrofluidos, las modificaciones nanométricas de implantes superficiales tales como una cadera artificial, los medios de contraste para detección de enfermedades en fase temprana (puntos cuán­ticos y ferrofluidos), los biochips de última genera­ción usado como detector de mutaciones genéticas, los sensores para rastreo y detección de malforma­ciones celulares, los sistemas nanorobóticos para control y rastreo de virus y bacterias letales, los replicadores para reparación de A D N y tejido, los ensambladores moleculares para terapia génica, los iocentinelas para reparación de A D N deleccio-nado por radiación ionizante, entre otros.

Para poder desarrollar todas estas investigaciones se requiere de un equipo y técnicas sofisticadas para el análisis y obtención de la materia prima como son, la microscopía electrónica de barrido (SEM), la microscopía de transmisión (TEM) con accesorios para lograr alta resolución y espectros­copia por pérdidas de energía (PEELS). También se consigue con la microscopía de efecto túnel cuántico (STM), espectroscopia de rayos X por dis­persión de energía (EDS) y difracción de electrones de baja energía (LEED), entre otros.

DESPLIEGUE DE LA NANOTECNOLOGÍA

La nanotecnología se despliega en tres campos:

• Nanotecnología seca; se deriva del estudio de la física de superficies y la fisicoquímica de

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NANOTECNOLOGÍA Y NANOMEDICINA

V

materiales. Se emplea en la nanoconstrucción de estructuras usando como materia prima átomos de carbono, silicio, óxidos metálicos y materiales inorgánicos, en donde se aprovecha la propiedad de los electrones de ser altamente reactivos en estos compuestos, sobre todo en ambientes húmedos, lo que los hace prome­tedores para la fabricación de dispositivos con capacidad de ensamblaje y autoensamblaje. Con base en las propiedades antes citadas existen las tecnologías de los nanotubos, los cuales se aplican a la nanoelectrónica y funcio­nan según el dopaje como aislantes, semicon­ductores o conductores eléctricos. También se aplica la nanotecnología seca en materiales criogénicos, en dispositivos optoelectrónicos, en construcción de dispositivos de estado sólido y en la construcción de ensambladores y autoensambladores moleculares.

si 4

Nanotecnología húmeda; su desarrollo está dirigido básicamente a la investigación de sistemas biológicos o vivientes que son gober­nados a escala nanométrica, tales como el material genético (mapa genético), enzimas, hormonas, proteínas y componentes celulares en general. Se ha comenzado a producir nanomáquinas basadas en proteínas, al igual que el uso de material genético para formar enzimas. Las cuales son de por sí máquinas capaces de construir o deshacer moléculas. Estas investigaciones se promueven en la dirección de crear circuitos moleculares y com­putadoras proteicas.

Nanotecnología computacional; en ella encontramos la computación cuántica y la computación orgánica o molecular (ADN), también abarca los campos de simulación y modelado de nanoestructuras complejas, como son nanocircuitos y nanotransistores co­mo se muestra en la figura 3. Combina la nano­tecnología seca y húmeda. Actualmente se discute si será mejor empezar desde abajo o desde arriba (en tamaño) para llegar a escalas nanométricas, también se cuestiona la viabili­dad de una tecnología que deberá "luchar" contra principios físicos como el de Incerti-

dumbre de Heissenberg y sus efectos sobre la física cuántica, el calor desplegado por las vibraciones moleculares, las radiaciones ioni­zantes y no ionizantes y fluctuaciones térmicas entre otros. J

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ENSAMBLADORES

Uno de los gestores de la nanotecnología molecu­lar Eric Drexler, autor de las célebres obras "Engi­nes of Creation and Nanosystems" predice que la nanotecnología propenderá a la creación de micro-robots y nanorobots y a una revolución industrial sin precedentes.

Si llegase a realizarse sus predicciones, la función primaria de los nanorobots será el mantenimiento del cuerpo humano por dentro, reparación y ca­bleado de tejido cerebral a control remoto, repara­ciones corporales tales como arterias, órganos internos, tumores, oídos y ojos sin la necesidad de costosas y riesgosas cirugías. En este campo se esta trabajando a una escala micro y macroscópica como es la Inteligencia Artificial l A (Inteligencia Artificial Nanométrica lAN), Vida artificial, biónica, cibernética, microelectrónica y bioingeniería.

Drexler plantea la existencia de los ensambladores o replicadores, los cuales son máquinas molecula­res que construyen o ensamblan de abajo arriba bloques o componentes básicos para formar pro­ductos. Por ejemplo, máquinas moleculares para tareas específicas o para repetir la misma función que su progenitor, que a su vez crearan otras ma­yores. Este proceso sigue hasta que las maquinas de ensamblaje configuren el producto final, ut i l i ­zando como única materia prima cantidades amor­fas de los átomos necesarios. Plantea que cualquier tipo de estructura molecular por más simple que sea pueda ser construida por nanorobots capaces de autoreplicarse de tal manera que creen y ensam­blen estructuras usando elementos del entorno (átomos y moléculas), lo que garantiza el uso racional de materia prima. Dicho principio sería aplicado a casi todo; alimentos, naves espaciales, vehículos, electrodomésticos, eliminación de resi­duos, drogas, órganos y tejidos artificiales, repara-

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ción de la capa de ozono entre muchas otras cosas. ¿Fantasía o realidad? Es posible por ahora sea una fantasía, pero la ciencia no se detiene y es solo cuestión de tiempo.

La empresa privada Zyvex, está en la búsqueda de solución al problema de la creación de los ensambladores, trabajando para construir la má­quina precursora de ensamblaje. La empresa tiene tres métodos para abordar este problema:

1. Involucrar la creación de dispositivos que pueden fabricar versiones más pequeñas de ellos mismos, y su vez, estos crearían versiones más pequeñas aún.

2. Creación de piezas tipo "Lego" que se pueden manipular y luego armar (montar) en tres dimensiones, rt-;uí Bnu rmín'}&iq i fU no'j •ioi

3. Desacelerar una capa de átomos en una superficie, luego ponerlos en orden y después montar encima otra capa de átomos.

La NASA tiene un ambicioso programa, con miras a solucionar el problema de los daños ocasionados por la radiación del espacio en las células de los cuerpos de sus astronautas, en particular su A D N el cual degenera en tumores o cáncer. La idea consiste en diseñar nanopartículas o nanocápsulas que se inyectarían directamente a la corriente sanguínea de las personas, de tal manera que estas identificaran las células dañadas por radiación ionizante (rayos X, rayos UV) por medio de los marcadores, que son una clase particular de proteína llamada CD-95, las cuales se ubican en la parte externa de la membrana celular, luego de estar identificada, las nanocápsulas iniciarían la reparación de las células de forma individual o en su defecto, deshacerse de aquellas células que son propensas a mutar o que están muy dañadas como para ser reparadas. - Í - . . t r ? t ó , . ; Í V - , , « ^ i . . . .

Otro método que se está investigando en nanome­dicina usando la nanotecnología son las enzimas. Cada una de ellas es una fábrica química completa, reducida a una escala nanométrica. Estas enzimas han evolucionado durante miles de millones de

años para lograr una fabricación ideal de produc­tos químicos. Estas nanomáquinas moleculares son quienes hacen que la vida funcione. Estas investi­gaciones traen tras de si implicaciones evolutivas sin precedentes, es decir, manipular las fábricas químicas de la vida involucra cambios en las estructuras atómicas y moleculares de las células, y por ende de las formas de vida macroscópicas.

Se han desarrollado diminutos granos de silicio que son capaces de ensamblarse, orientarse y "sentir" el entorno de forma espontánea. Se está ante un primer paso hacia la construcción de robots del tamaño de un grano de arena que podrían ser usados en nanomedicina, vigilancia del bioterro-rismo o control de polución. ,á>^ Í > , . - . > - . I . - -

El diseño y síntesis de estos chips de silicio tan pequeños, también llamados "polvo inteligente", ha sido llevado a cabo por Michael Sailor y Jamie Link, de la UCSD (University of California San Diego). Consisten básicamente en dos espejos colo­reados, verdes por un lado y rojos por el otro. Cada superficie ha sido modificada para que encuentre y se pegue a un objetivo en particular, y para que ajuste su color ligeramente, permitiendo que el observador sepa que ha sido hallado.

Para crear el polvo inteligente, se utilizan sustan­cias específicas para grabar una de las caras de un chip de silicio, generando así una superficie reflec­tante coloreada y dotada con pequeños poros. Luego, se permite que esta superficie porosa se convierta en hidrofóbica, dejando que una sustan­cia química que lo es, se una a ella. Después, se graba el otro lado del chip para crear una superficie porosa, también reflectante, pero de distinto color, y se la expone al aire para que se convierta en hidrofílica. Usando vibraciones, se rompe el chip en diminutos pedazos, para que cada uno alcance el tamaño del diámetro de un cabello humano. Cada fragmento será ahora un pequeñísimo sensor con superficie opuesta, de colores diferentes y distinta inclinación hacia el agua.

Cuando se añade este polvo a un recipiente con agua, las partículas se alinearán con la cara hidro­fílica apuntando hacia el agua, y la hidrofóbica

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hacia el aire. Si se añade una gota de una sustancia oleosa, el polvo rodeará la gota con la cara hidrofó­bica apuntando hacia dentro. Además de esta nueva alineación, se producirá un ligero cambio de color en el espejo hidrofóbico. Dicho cambio de color dependerá de la sustancia insoluble utiliza­da, y se explica por la entrada del líquido oleoso en los poros de la cara hidrofóbica de la partícula de silicio. El cambio de color señala al observador externo que se ha localizado el objetivo correcto.

De igual manera, el lado hidrofílico del chip cam­biará de color en función de la identidad del líqui­do hidrofílico con el que contacte. Observar el cambio en xma sola partícula sería muy difícil. En cambio, el comportamiento colectivo facilita la detección de la señal.

El objetivo último es construir dispositivos en miniatura que puedan moverse con facilidad a través de un entorno reducido (como una vena o una arteria) hacia objetivos específicos, para después localizar y detectar compuestos químicos o biológicos e informar sobre ello al mundo exte­rior por medio de ondas infrarrojas, ultrasonido o radiofrecuencia. Estos sistemas podrían ser em­pleados para controlar la pureza del agua potable o marina, para detectar agentes químicos o bioló­gicos peligrosos en el aire, o incluso para localizar y destruir células cancerosas en el cuerpo.

Actualmente a nivel de la nanoelectrónica, que es complemento a la Nanomedicina y medicina en general, se habla de las nanoestructuras autoen-sambladas, como son: los puntos cuánticos (QD), los anillos cuánticos (Q-Ring) o los hilos cuánticos (QWR). Estas estructuras, escaladas a tamaño nanométrico se forman de manera natural, debido a los efectos de tensión-relajación cuando un material semiconductor crece sobre una superficie de un segundo material semiconductor con un ÍOiíiiKJíSÍM'l. J> mitf. o J

ligero desajuste de red. Su tamaño resulta ade­cuado para el confinamiento espacial de las cargas eléctricas, produciendo una escalera de niveles de energía atómicamente abruptos. Estos niveles pueden ser usados como base para construir nuevos materiales semiconductores avanzados.

f. El mecanismo de auto ensamblaje permite la formación de decenas de billones de puntos por cm2 con un alto grado de uniformidad en un único paso de crecimiento. Los puntos pueden ser inme­diatamente cubiertos por una segunda capa del material sustrato, configurando de ésta manera un material con una alta calidad óptica. Algunas de las ventajas de su utilización en dispositivos láser demuestran el gran potencial de ésta tecnología, en particular los anillos, que emiten en el rango de los 980nm. Los hilos cuánticos, una vez recubier­tos con InP presentan tina fuerte emisión en L55_m a temperatura ambiente, por lo que su empleo en la región activa de láseres tiene una importante aplicación tecnológica en el mundo de las teleco­municaciones, tt;?^

NANOTUBOS

Los primeros elementos generados utilizando Tecnología atómica fueron los nanotubos^ para posteriormente construir nanoestructuras. Los nanotubos son el tercer estado del carbono. A l igual que nanocristales, todos ellos tienen dimensiones que oscilan entre los muy grandes de 800nm hasta los más pequeños de l l n m . Se han identificado las firmas ópticas de 33 "especies" de nanotubos de carbono. Su obtención se efectúa al hacer pasar im arco eléctrico a través de dos barras de grafito, que al vaporizarlas se obtiene una masa tipo hollín cuya estructura cristalográfica es de 60 carbonos distribuidos en forma de bola llamada BuckyboUa o fuUereno^.

... * Los primeros fueron descubiertos en 1991 por el investigador japonés de la NEC S. lijima y tienen la forma de relativamente largos tubos cilíndrinos de carbono y son elaborados pro procesos de crecimiento catalítico. Se argumenta que son en realidad "láminas" de grafito enrolladas y relacionadas con el tipo de carbonos conocidos como fullerenos. Los fullerenos son macromoléculas, arreglos de cabono de dimensiones nanométricas que exhiben propiedades específicas tales como: superconductividad, térmicas, eléctricas, alto móduo de Young, arreglos tiexagonales y pentagonales específicos.

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Los nanotubos de carbono de una sola capa, forma­dos por configuraciones geométricas hexagonales de átomos de carbono, presentan un doble compor­tamiento como lo es de ser metálicos o semicon­ductores, y la diferencia radica en el diámetro del nanotubo y la helicidad que describe el ángulo de torsión del tubo haciéndolo elástico y resistente, a parte de no poseer defectos o dislocaciones lo hace poseer alta resistencia a las tracciones (100 veces mayor que el acero, pero con un sexto de su peso), alta deformación a rotura, presentan propiedades mecánicas óptimas a nivel óptico, magnético y eléc­trico fuera de lo común, lo que permite entre otras cosas llenarlos con moléculas metálicas, ya que estas no tienen ninguna interacción con las paredes haciéndolas ideales como lubricantes, o llenarlos con gases como hidrógeno o como sistema de carga para fármacos.

En aplicaciones fotovoltaicas, el diseño de síntesis de diadas y triadas de fullerenos de 60 carbonos pretenden revolucionar los acumuladores de ener­gía creando materiales basados en metaloftalacia-ninas, también pueden utilizarse para crear sondas no invasivas en materiales, desalinizar y purificar agua, sondear células humanas y manipulaciones genéticas in vivo e in vitro, la utilización de nanoes­tructuras en la superficie de naves espaciales, para creación de pistas electrónicas 100 veces más estre­chas que las que existen en los circuitos de los microchips de silicio más avanzados hoy en día.

También se ha demostrado que al sintetizar moléculas con propiedades similares a las del A D N que se adaptan mejor a la estructura de los nanotu­bos, tienen más estabilidad térmica y están exentos de degradación enzimática. Además, esas molécu­las, llamadas PNA, son compatibles con los disol­ventes orgánicos a los que están sometidos los nanotubos de carbono y facilitan su ensamblaje, convirtiéndolos en materia prima para la fabrica­ción de biosensores, transistores de im solo electrón y otios dispositivos nanotecnológicos.

La tecnología de los nanotubos está usándose en prototipos de pantallas para publicidad, para celula­res, monitores y televisión. Dependiendo de su apli­cación los nanotubos se clasifican en cuatro familias:

FIGURA 3. La imagen computarizada muestra una estructura de nanotubos ligada a una matriz polimérica captando proteínas para fijarla a ella. Cortesía IBM. ^

1. Carbono o grafitica que es una malla tubular hexagonal abierta con infinidad de aplicacio­nes entre las más importantes está la Nanoe­lectrónica y la Física de Semiconductores.

2. Boro y Nitiógeno, su configuración es igual que el primero, pero con la diferencia que las moléculas de Boro y Nitrógeno ocupan de forma alterna los nodos de la red haciendo que ésta sea abierta. Por ejemplo el nitruro de boro tiene una alta estabilidad química, es un mate­rial aislante y tiene propiedades refractarias, resistencia a altas temperaturas y fibras quími­camente resistentes. Estos nanotubos pueden rellenarse con núcleos metálicos y no metálicos para formar estiucturas en forma de cable para ser usados posteriormente como material cerá­mico en microelectrónica y como catalizadores (por ejemplo óxido de alfa-aluminio).

3. Doble Capa Lipídica que consiste en un siste­ma de moléculas carbonadas complejas unidas por medio de un nanotubo.

4. Citoesqueleto, el cual es el armazón interno o bioestructura de las células y le brindan esta­bilidad y rigidez a parte que cumplen el papel de intercambiador de iones celulares.

Macro aplicaciones de nanotubos está la de cables con altas propiedades mecánicas; los que podrían

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Los nanotubos de carbono de una sola capa, forma­dos por configuraciones geométricas hexagonales de átomos de carbono, presentan un doble compor­tamiento como lo es de ser metálicos o semicon­ductores, y la diferencia radica en el diámetro del nanotubo y la helicidad que describe el ángulo de torsión del tubo haciéndolo elástico y resistente, a parte de no poseer defectos o dislocaciones lo hace poseer alta resistencia a las tracciones (100 veces mayor que el acero, pero con un sexto de su peso), alta deformación a rotura, presentan propiedades mecánicas óptimas a nivel óptico, magnético y eléc­trico fuera de lo común, lo que permite entre otras cosas llenarlos con moléculas metálicas, ya que estas no tienen ninguna interacción con las paredes haciéndolas ideales como lubricantes, o llenarlos con gases como hidrógeno o como sistema de carga para fármacos.

En aplicaciones fotovoltaicas, el diseño de síntesis de diadas y triadas de fullerenos de 60 carbonos pretenden revolucionar los acumuladores de ener­gía creando materiales basados en metaloftalacia-ninas, también pueden utilizarse para crear sondas no invasivas en materiales, desalinizar y purificar agua, sondear células humanas y manipulaciones genéticas in vivo e in vitro, la utüización de nanoes­tructuras en la superficie de naves espaciales, para creación de pistas electrónicas 100 veces más estre­chas que las que existen en los circuitos de los microchips de silicio más avanzados hoy en día.

También se ha demostrado que al sintetizar moléculas con propiedades similares a las del A D N que se adaptan mejor a la estructura de los nanotu­bos, tienen más estabilidad térmica y están exentos de degradación enzimática. Además, esas molécu­las, llamadas PNA, son compatibles con los disol­ventes orgánicos a los que están sometidos los nanotubos de carbono y facilitan su ensamblaje, convirtiéndolos en materia prima para la fabrica­ción de biosensores, transistores de im solo electrón y otros dispositivos nanotecnológicos. : *

La tecnología de los nanotubos está usándose en prototipos de pantallas para publicidad, para celula­res, monitores y televisión. Dependiendo de su apli­cación los nanotubos se clasifican en cuatro familias:

FIGURA 3. La imagen computarizada muestra una estructura de nanotubos ligada a una matriz polimérica captando proteínas para fijarla a ella. Cortesía IBM.

1. Carbono o grafitica que es una malla tubular hexagonal abierta con infinidad de aplicacio­nes entre las más importantes está la Nanoe­lectrónica y la Física de Semiconductores.

2. Boro y Nitrógeno, su configuración es igual que el primero, pero con la diferencia que las moléculas de Boro y Nitrógeno ocupan de forma alterna los nodos de la red haciendo que ésta sea abierta. Por ejemplo el nitruro de boro tiene una alta estabilidad química, es un mate­rial aislante y tiene propiedades refractarias, resistencia a altas temperaturas y fibras quími-

i camente resistentes. Estos nanotubos pueden rellenarse con núcleos metálicos y no metálicos para formar estructuras en forma de cable para ser usados posteriormente como material cerá­mico en microelectrónica y como catalizadores (por ejemplo óxido de alfa-aluminio).

3. Doble Capa Lipídica que consiste en un siste­ma de moléculas carbonadas complejas unidas por medio de un nanotubo.

4. Citoesqueleto, el cual es el armazón interno o bioestructura de las células y le brindan esta­bilidad y rigidez a parte que cumplen el papel de intercambiador de iones celulares.

Macro aplicaciones de nanotubos está la de cables con altas propiedades mecánicas; los que podrían

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utilizarse en la constarucción de puentes en suspen­sión, construcciones resistentes a impactos de terremotos o de elementos naturales. También se plantea como cables superconductores que traba­jen a temperaturas ambientales.

La propiedad de los nanotubos de sostener esfuer­zos axiales en ciertos niveles, lo hace ideal para ser una útil como herramienta de sondeo micros­cópico, como sondas celulares para ingeniería genética, que inyecten directamente el material a la célula blanco sin perturbar a las demás. Sondas para explorar materiales sin dañarlos en su estructura molecular, etc. Debido a su flexibilidad es posible utilizarlos como absorbentes de golpes. Se pueden utilizar para transmitir calor en una dirección, ya que tienen una gran conductividad térmica a lo largo del tubo. El objetivo es poder hacer nanoalambres que revolucionen la industria de ordenadores al crear procesadores y difusores de calor más pequeños que los actuales, envol­viéndolos con boro-nitrato se hace posible aislarlos del ambienten En nanomedicina, se plantea la posibilidad de utilizar nanotubos para enviar directamente a las células el material genético, a la par de tratar infecciones y otras enfermedades directamente en el foco de origen; con los nanotu­bos no se perfora la piel ni se dañan otros órganos, se dirige específicamente al blanco deseado, y además puede viajar tranquilamente por el sistema circulatorio, respiratorio y renal entre otros, sin ningún problema.

Con miras a fijar o ensamblar nanotubos en siste­mas biológicos, se ha creado un análogo del A D N , Uamado ácido nucleico peptídico (PNA), que mimetiza el A D N natural, cuya diferencia es ser soluble en disolventes orgánicos y que es un medio ideal para ensamblar los nanotubos, ya sea entre ellos mismos, o con otros componentes, tales como partículas para hacer transistores, compuestos biológicos o como sensores biológicos. . ?,j / . i -

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CONCLUSIÓN

Es evidente el impacto que tendrán la Nanotec­nología y la Nanomedicina cuando maduren mucho más, cambiando e\o en que vivos. Los ensambladores moleculares (replicadores), los nanorobots, las nanoestructuras basadas en nanotubos, la nanomedicina y la nanoelectrónica entre muchas otras disciplinas, van a moldear la materia y el entorno como jamás nadie lo habría imaginado, Uevando la tecnología a un nuevo pedestal de desarrollo sin precedentes, permi­tiendo la construcción de lo que no se podía cons­truir hace pocos años. -Curar lo que no se podía curar, vivir lo que no se podía vivir.- Es fascinante pensar en todas las cosas buenas que nos depara esta ciencia.

Actualmente los beneficios ya se están poniendo en tela de juicio, pues se plantea que existe un grave problema no solo ético sino también sobre el uso deliberado de la nanotecnología para fines militares o terroristas (nanoterrorismo), en el que la comunidad científica hasta ahora está estu­diando las posibles incidencias de esta ciencia en la vida del planeta Tierra.

Personalmente pienso que la investigación y el desarrollo, independiente de si es nanotecnológico o no, va ligado a la política, y esta trae tras de sí la carga militar. Por lo tanto, es indispensable analizar más a fondo las futuras implicaciones de la Nano­tecnología en el medio ambiente, en las cuales se deben trazar unas directrices enmarcadas dentro del contexto bioético, biopolítico y nanopolítico, condensado en la "Nanobiopolítica), con miras a que estas disciplinas velen por el bienestar de la vida; teniendo como referente que la vida al pasar de ser natural a "artificial" buscará ella misma emerger como un sistema complejo evolutivo autónomo, emulando a la propia naturaleza, te­niendo presente que estos nuevos sistemas u orga-

«9 sutjbrmnj ktes aodíjíonfiri aoí '¡si rJ.

3 Recientemente se estudia la posibilidad de la desalinización del agua y utilizarlos en plantas de tratamiento de aguas residuales. Debido a su ^ gran conductividad y su razón de área a volumen los manotubos son más eficientes en remover del agua sales y otros compuestos, que el

carbón.

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nismos vivos producto de la nanotecnología sean o no autosostenidos, no i m p l i q u e n a futuro cam­bios o mutaciones que conlleven a catástrofes biológicas irreversibles sin precedentes.

La Nanotecnología es y será una herramienta poderosa en el m u n d o de la ciencia y la tecnología, llevadas dentro del marco bioético y nanobiopo-lítico podrá aportar grandes beneficios para la humanidad. A l a vez, de manera tácita formularán nuevos paradigmas concernientes a la forma de definir y ver la v ida .

"El que logre dominar total o parcialmente la ciencia de la nanotecnología, será quien doblegue al mundo a su servicio." i

BIBLIOGRAFÍA

(1) UCSD. Polvo Inteligente. Noticias de la Ciencia y La tecnología. 28 de Agosto de 2003. Amazings. com. Comment: Michael J. Sailor, (858) 534-8188. UCSD Chemists Develop Self-Assembling Silicon Particles A First Step Toward Robots the Size of a

iri'I Grain of Sand.

(2) CIMN. Nanohilos de Carbono. (CNW). Fuente: CIMN. 21 de mayo de 2003. Nanotecnologia.com.

(3) WAYNER Peten Silicon in Reverse. Byte Maga-zine, August 1994, page 67.

(4) MULHALL Douglas. Our Molecular Future: How Nanotechnology, Robotics, Genetics, and Art i f i ­cial Intelligence W i l l Transform Our World. Prometheus Books, Amherst, New York, Hard Cover, 392 pages, 2002.

(5) NEWTON E. David. Recent Advances and Issues i n Molecular Nanotechnology. Greenwood Publishing Group, Hard Cover, 306 pages, 2002.

(6) National Nanotechnology Irütiative (www/nano. gov/2002budget.html) el 5 de marzo del 2002.

(7) CAMERON David, "Walking small", en el sitio web de Technology Review (www.techreview. com), 1° de marzo del 2002.

(8) GRAHAM-Rowe, Duncan, "Lord of the Dance", en New Scientist, 26 de mayo del 2001, páginas 22-23.

(9) KONTZER, Tony, "Get the bugs in"(www.infor-mationweek.com), 3 de diciembre del 2001. Informationweek.com es parte de la TechWeb Bussiness Technology Network.

(10) SMALLEY, Richard E., "Of Chemistry, love and nanorobots", en Scientific American, septiembre de 2001, p. 76.

(11) TINKER Natán, 2001 Business of Nanotech Survey, en NanoBusiness Alliance, octubre del 2001, p. 4. 1*1 ifiiijíc/! ío írjeqtí ojff'MiD'ír;

(12) TINKER Natán, 2001 Business of Nanotech r t Survey, en NanoBusiness Alliance, octubre del

A 2001, p. 6. :T''̂

(13) CHOI, Charles, "Liquid coated fluids for smart drugs, food" , en United Press International (www.upi.com), Nueva York, 28 de febrero del

q 2002.

(14) SMALLEY, Richard E., "Of chemistry, love and nanorobots", en Scientific American, septiembre del 2001, p. 77.

(15) ROUKES Michael . Nanoelectromechanical systems face the future. Physics Web. Feature: February2001.

(16) R. Gref et a l , "Stealth corona-core nanoparticles surface modified by polyethylene glycol (PEG):

,fí influences of the corona (PEG chain length and .7:/ surface density) and of the core composition on

phagocytic uptake and plasma protein adsorp-tion," CoUoids Surf. B Biointerfaces 18(1 October 2000):301-313.

(17) REED A. Mark. Tour M . lames. Computación molecular. Investigación y ciencia. Agosto 2000. Número 250. Pág. 56 - 63.

(18) Nanotechnology the new engineering. Scientific American. November 2001. Number 302.

(19) C H E M L A YR. Grossmann H . L poon Y Me Dermott R.Stevens R. Alper M.D. and Clarke J. Ultrasensitive magnetic biosensor for homoge-

REVISTADE LA FACULTAD DE MEDICINA VOL. 9 No. 1 • JUNIO DE 2004

NANOTECNOLOGÍA Y NANOMEDICINA

neous inmunoassay. Proceeding of the national » academic of sciences.USA Vol.97. Number 27.19

December 2000.

(20) TOIGO Jon Will im. La Crisis de las Memorias Masivas. Scientific American. Julio de 2000.

(21) RIGOUTSOS, I . , A. Floratos, L. Parida, Y. Gao and D. Platt, "The Emergence of Pattern Discovery

L Techniques in Computational Biology." Metabolic Engineering. 2(3):159-177, July 2000.

(22) RIGOUTSOS, L, A. Floratos, C. Ouzounis, Y Gao and L. Parida, "Dictionary Building Via Unsu-

í: pervised Hierarchical Motif Discovery in the Sequence Space of Natural Proteins." Journal of Proteins: Structure, Function and Genetics, 37(2), November 1999.

(23) RIGOUTSOS, I . , Y Gao, A. Floratos and L. Parida, "Building Dictionaries Of I D and 3D Motifs by

3- Mining the Unaligned I D Sequence of 17 Ar-! i chaeal and Bacterial Genomes." Proceedings f- Seventh International Conference on Intelligent

Systems for Molecular Biology (ISMB '99), pp. 223-233, Heidelberg, Germany. August 1999.

(24) FLORATOS, A., I . Rigoutsos, L. Parida, G. Stolo-vitzky and Y. Gao, "Sequence Homology Detec-tion Through Large-Scale Pattern Discovery."

; Proceedings 3rd Annual A C M International Conference on Computational Molecular Biology (RECOMB '99), Lyon, France. March 1999.

(25) FREITAS A.Robert. Nanomedicine, Volume I : Basic Capabilities.Vii + 509 pp, 200+ illustrations, 3728 references. Laudes Bioscience: Georgetown, TX. 1999). HALPERIN L. James and Book Del Rey The First Immortal. Published by The Ballantine

T Publishing Group, New York. 1998.

o

(26) CRANDALL. Nanotechnology: Molecular Specu-lations on Global Abundance. Edited by BC Crandall. The MIT Press: Cambridge, Massachu-setts; London, England. 1996. ^

(27) KRUMMENACKER Markus and Lewis James. Prospects in Nanotechnology: Toward Molecular Manufacturing. Edited by Markus Krumme-nacker and James Lewis, xvi i i + 297 pages. Inclu-des bibliographic references and index. John Wiley & Sons, Inc.: New York, Chichester, Bris-bane, Toronto, and Singapore. 1995).

(28) DREXLER K. Eric. Nanosystems: Molecular Ma-chinery, Manufacturing, and Computation.John Wiley & Sons, Inc.: New York, Chichester, Bris-bane, Toronto, and Singapore. 1992.

(29) CRANDALL and Lewis James. Nanotechnology: Research and Perspectives. Edited by BC CrandaU and James Lewis, ix + 381 pages. Includes biblio-

i " graphic references and index. MIT Press: Cam­bridge, Massachusetts; London, England. 1992.

(30) DREXLER Eric. Engines of creation: the coming era of nanotechnology fourth estáte. 1990.

(31) BENNETT H Charles and Landauer Rolf. The Fundamental Limits of Computation. Scientific

:• • American, July 1985, pages 48-56 (38-53 in some versions). For the history, see Notes on the History of Reversible Computation by Charles Bennett, IBM J. Research and Development, Vol. 32, No.

•-f;-: 1, January 1988, pages 16-23.

(32) DREXLER K. Eric. Nanotechnology Engines of Creation. Anchor Books/Doubleday, originally published in 1986.

.••«yivai/tol.www)

REVISTA DE LA FACULTAD DE MEDICINA VOL. 9 No. 1 • JUNIO DE 2004 26 NANOTECNOLOGÍA Y NANOMEDICINA