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¿Sabías que la herrumbre (si es muy pequeña) tiene muchos usos médicos?

Por Fernando Herranz (CSIC)*

El tamaño sí que importa y lo cierto es que la herrumbre, el hierro oxidado que puede terminar apareciendo en piezas metálicas al estar tiempo sometidas a las condiciones atmosféricas, deja de ser una molestia si la empleamos a escala nanométrica. No solo eso, sino que cuando su tamaño es muy pequeño –justo antes de llegar al mundo de los átomos y las moléculas– algunos compuestos de la herrumbre –hidróxidos y óxidos de hierro– pueden utilizarse para diagnosticar enfermedades o tratar el cáncer.

Herrumbre

No hay duda de que a escala macroscópica la herrumbre constituye un serio problema, tanto a nivel estético –cuando afecta a superficies pintadas– como estructural ­–ya que, si penetra en profundidad, el metal presenta una resistencia mecánica mucho menor–. Esto explica la variedad de productos que se venden para evitar la formación de herrumbre o facilitar su eliminación.

Sin embargo, compuestos como la magnetita, uno de los óxidos más presentes en la herrumbre, tienen numerosas aplicaciones en el ámbito de la nanotecnología. Esta rama de la ciencia consiste en la producción y manipulación de materiales a escala nanométrica, es decir, que tienen al menos una dimensión de alrededor de 100 nanómetros (nm). A esta diminuta escala, empezamos a ver cosas muy curiosas que hacen que el óxido de hierro presente nuevas propiedades.

Pero, ¿qué ocurre cuando un material como la magnetita se forma a escala nanométrica para que sea tan distinto a cuando nos lo encontramos en el día a día? La magnetita macroscópica es fuertemente magnética, un imán, para entendernos. Cuando ese material se tiene en, por ejemplo, una esfera (una nanopartícula) de un diámetro de 10 nm, pasa a mostrar una propiedad llamada superparamagnetismo. De forma muy simple; todos los ‘pequeños imanes’ que constituyen el material están orientados en el mismo sentido dentro de la esfera. Debido a su tamaño, a temperatura ambiente, estas nanopartículas en agua no presentan magnetismo ya que cada esfera está dando vueltas al azar, sin una orientación definida. Sin embargo, cuando se acerca un imán, todas las nanopartículas se orientan y producen una respuesta magnética muy intensa. Esta propiedad de poder ‘enceder y apagar’ su magnetismo tiene múltiples aplicaciones.

Cabeza resonancia magnética

Imagen de una cabeza humana obtenida por resonancia magnética.

Por ejemplo, en medicina. Las nanopartículas basadas en magnetita, o materiales relacionados como la maghemita, se usan en imagen médica, en técnicas como la imagen por resonancia magnética o la imagen de partículas magnéticas. En esta aplicación las nanopartículas se dirigen, una vez inyectadas, a la enfermedad que se quiere diagnosticar y, una vez allí, es posible detectarlas por la señal que producen. En la imagen por resonancia magnética lo que hacen las nanopartículas es modificar el comportamiento magnético de las moléculas de agua de nuestros tejidos. Los dos hidrógenos de la molécula de agua (H2O) son los responsables de la señal en esa técnica de imagen. Las nanopartículas de magnetita modifican la señal que se obtiene de esos hidrógenos; de esa forma permiten saber dónde se han acumulado las nanopartículas y, por tanto, dónde se encuentra la enfermedad. Otra ventaja de las nanopartículas para imagen por resonancia es que, según las condiciones en las que se produzcan, pueden hacer que la señal sea más brillante o más oscura, lo que ayuda al diagnóstico de distintas enfermedades.

Brújulas vivientes

El comportamiento magnético de estas nanopartículas también explica otra de sus aplicaciones más interesantes en el tratamiento del cáncer. La técnica se llama ‘hipertermia magnética’ y consiste en acumular las nanopartículas en el tumor para, una vez allí, aplicar un campo magnético desde el exterior y producir un calentamiento de las células tumorales que acabe con ellas. Dicho calentamiento es posible gracias a las propiedades magnéticas de este nanomaterial.

Cadena de magnetosomas en el interior de la bacteria

Cadena de magnetosomas en el interior de la bacteria. / Alicia Muela; Estibaliz Etxebarria (UPV/EHU).

No solo el ser humano se ha dado cuenta de la utilidad de las nanopartículas de magnetita: ¡las bacterias también lo saben! Algunos de estos microorganismos producen en su interior pequeñas nanopartículas de magnetita (y también algunos otros compuestos relacionados) que se disponen de forma alineada a lo largo de la bacteria; son los llamados magnetosomas. Pero, ¿qué ganan con esto las bacterias? La respuesta es la magnetorrecepción: la capacidad de detectar las líneas del campo magnético terrestre y, de esa manera, orientarse. De hecho, los microorganismos que producen magnetosomas en el hemisferio norte se ven atraídos por el sur magnético, mientras que aquellos en el hemisferio sur se ven atraídos por el norte magnético (es decir, se sienten atraídos por el imán más potente que ‘sientan’). Las bacterias se convierten en minúsculas brújulas vivientes gracias a la nanotecnología.

En resumen, en nanotecnología, el tamaño importa, y mucho. Un mismo material que a escala macroscópica presenta pocas propiedades interesantes, cambia completamente cuando se presenta en la escala de los nanómetros.

 

* Fernando Herranz dirige el Grupo de Nanomedicina del Instituto de Química Médica del CSIC y colaborador habitual del blog DCIENCIA.

Respirocito, un nanorobot para ‘vivir sin respirar’

Por Mar Gulis

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El investigador Robert A. Freitas

¿Te imaginas bucear dos horas y media ‘a pulmón’, sin necesitar botella de oxígeno? ¿O respirar sin dificultad en la cima del Everest? O algo más alucinante todavía: ¿te imaginas un mundo en el que las personas pudieran vivir sin respirar durante cuatro horas? Todo ello podría ser posible gracias a ‘respirocito’, una especie de glóbulo rojo artificial que fue desarrollado en los años 90 por Robert A. Freitas -uno de los padres de la nanomedicina- y su equipo en el Instituto de Fabricación Molecular de California. Y sí, es lo más parecido a un nanorobot.

Fabricado con carbono diamantino, un material de gran resistencia, este artefacto tiene un diámetro de una micra (su tamaño es similar al de una bacteria) y la capacidad de almacenar y liberar hasta 236 veces más oxígeno que un glóbulo rojo natural. Ahí está todo su potencial.

El diseño que propusieron Freitas y sus colegas está integrado por 18.000 millones de átomos dispuestos en un pequeño tanque de presión que se llena de oxígeno y dióxido de carbono. Los ‘respirocitos’ llevan incorporados sensores químicos y de presión, de modo que los médicos podrían manipularlos, activarlos o desactivarlos empleando ultrasonidos. Según su creador, una inyección de ‘respirocitos’ permitiría salvar vidas en circunstancias extremas o hacer cosas impensables ahora mismo, como bucear o vivir con el corazón parado durante horas. A modo de ejemplo, Freitas explicaba en un artículo que podrían usarse con víctimas de incendios que hayan sufrido envenenamiento por monóxido de carbono. ¿Será posible algo tan sorprendente en el futuro?

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Recreación de respirocitos que actuarían como seudo-glóbulos rojos en el torrente sanguíneo

Aunque hoy los nanorobots forman parte de la ciencia ficción, su existencia parece cada vez más cercana. El propio Freitas y su grupo se han planteado la posibilidad de fabricar, además de los ‘respirocitos’, otros nanorobots denominados ‘microbívoros’: una especie de leucocitos (glóbulos blancos) artificiales que serían capaces de destruir cualquier microorganismo de nuestro torrente sanguíneo, y que serían mil veces más eficientes que las células de nuestro sistema inmune.

Sin embargo, hacerlos realidad parece aún más complicado, ya que la optimización de nuestro sistema inmune es el resultado de más de 3.500 millones de años de evolución biológica y selección natural. Aunque la bionanotecnología avanza rápidamente en la construcción de nanodispositivos que imitan o mejoran ciertas capacidades de los seres vivos, la robustez, adaptabilidad y versatilidad de los sistemas biológicos complejos (en este caso, el sistema inmune) es por el momento inalcanzable para los nanotecnólogos.

 

Este post ha sido elaborado con información extraída del libro Nanociencia y nanotecnología. Entre la ciencia ficción del presente y la tecnología del futuro (FECYT, 2008), escrito por varios investigadores del CSIC.