Una nanocapa , o más bien un plasmón de nanocapa , es un tipo de nanopartícula esférica que consiste en un núcleo dieléctrico que está cubierto por una fina capa metálica (normalmente oro ). [1] Estas nanocapas implican una cuasipartícula llamada plasmón , que es una excitación colectiva u oscilación de plasma cuántico donde los electrones oscilan simultáneamente con respecto a todos los iones.
La oscilación simultánea puede denominarse hibridación plasmónica, donde la capacidad de ajuste de la oscilación está asociada con la mezcla de la capa interna y externa, donde se hibridan para dar una energía más baja o más alta. Esta energía más baja se acopla fuertemente a la luz incidente, mientras que la energía más alta es un antienlace y se combina débilmente con la luz incidente. La interacción de hibridación es más fuerte para capas de capa más delgadas, por lo tanto, el espesor de la capa y el radio total de la partícula determinan con qué longitud de onda de luz se acopla. [2] Las nanocapas se pueden variar en un amplio rango del espectro de luz que abarca las regiones visible e infrarroja cercana. La interacción de la luz y las nanopartículas afecta la ubicación de las cargas, lo que afecta la fuerza de acoplamiento. La luz incidente polarizada paralela al sustrato da una polarización s (Figura 1b), por lo tanto, las cargas están más alejadas de la superficie del sustrato, lo que da una interacción más fuerte entre la capa y el núcleo. De lo contrario, se forma una polarización p que da una energía plasmónica más fuertemente desplazada, lo que causa una interacción y acoplamiento más débiles.
El descubrimiento de la nanocáscara fue realizado por la profesora Naomi J. Halas y su equipo en la Universidad Rice en 2003. Cuando ella y su equipo descubrieron las nanocáscaras, inicialmente no estaban seguros de qué potencial tenían. "Dijimos, '¡Caramba! ¿Para qué podría ser bueno?'", dijo Halas a CNN. Después de muchas sugerencias, la terapia contra el cáncer surgió de colaboraciones continuas con bioingenieros que buscaban diferentes tipos de aplicaciones biomédicas. [3] "Una de nuestras visiones", afirmó Halas, "no es nada menos que el diagnóstico y tratamiento del cáncer en una sola visita". [4] En 2003, Halas recibió el premio al Mejor Descubrimiento de 2003 de Nanotechnology Now . [4]
Un método de última generación para sintetizar nanocapas de oro es el uso de espumas compuestas microfluídicas. Este método tiene el potencial de reemplazar el método litográfico estándar para sintetizar nanocapas plasmónicas. El proceso de producción descrito a continuación fue un experimento realizado por Suhanya Duraiswamy y Saif A. Khan del Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular de Singapur. Aunque este método fue un experimento, representa el futuro de la síntesis de nanocapas.
Los materiales necesarios para la producción de las nanocápsulas son los siguientes: ortosilicato de tetraetilo, hidróxido de amonio, clorhidrato de hidroxilamina, tris-aminopropil tris, hidrogenotetracloroaurato(III) trihidrato, cloruro de tetrakis(hidroximetil)fosfonio, hidróxido de sodio, carbonato de potasio, etanol, agua ultrapura y cristalería lavada en agua regia y enjuagada abundantemente en agua. [5] )
El primer paso para sintetizar nanocapas con este método es crear el dispositivo en el que se llevará a cabo la reacción. Los patrones del dispositivo microfluídico se fabricaron sobre obleas de silicio mediante fotolitografía estándar utilizando fotorresistente negativo SU-8 2050. Posteriormente, los dispositivos se moldearon en poli(dimetilsiloxano) (PDMS) utilizando la técnica de litografía blanda.(40) Brevemente, el PDMS se moldeó sobre las láminas maestras de SU-8 a 70 °C durante 4 h, se despegó, se cortó y se limpió. Se perforaron orificios de entrada y salida (1/16 pulg. de diámetro exterior) en el dispositivo. Los microcanales se adhirieron de forma irreversible a un portaobjetos de vidrio recubierto previamente con una capa fina de PDMS después de un breve tratamiento de plasma de aire de 35 s. Los microcanales tienen una sección transversal rectangular y tienen 300 μm de ancho, 155 μm de profundidad y 0,45 m de largo. [5]
La producción real de las nanopartículas implica bombear "aceite de silicona, una mezcla de partículas de sílice con semillas de oro y solución de recubrimiento de oro y solución de agente reductor al dispositivo microfluídico mientras se suministraba gas nitrógeno desde un cilindro". [5] Luego, la solución de recubrimiento se dejó envejecer, en un entorno controlado, durante más de 24 horas. Después del proceso de envejecimiento, el fluido se recoge del dispositivo microfluídico y se coloca en una centrífuga. El líquido resultante tiene una capa de aceite en la superficie con una solución debajo que contiene las nanocapas.
La razón por la que este método es revolucionario es que el tamaño y el grosor relativo de la nanocapa de oro se pueden controlar modificando el tiempo que se permite que tenga lugar la reacción, así como la concentración de la solución de recubrimiento. Esto permite a los investigadores adaptar las partículas a sus necesidades específicas, ya sea para la óptica o para el tratamiento del cáncer.
Las nanopartículas con cubierta de oro, que son nanopartículas esféricas con núcleos de sílice y/o liposomas [6] y cubiertas de oro, se utilizan en la terapia del cáncer y la mejora de la bioimagen. Las sondas teranósticas , capaces de detectar y tratar el cáncer en un solo tratamiento, son nanopartículas que tienen sitios de unión en su cubierta que les permiten adherirse a una ubicación deseada (típicamente células cancerosas) y luego pueden ser fotografiadas a través de imágenes de modalidad dual (una estrategia de imagen que utiliza rayos X e imágenes de radionúclidos ) y a través de fluorescencia de infrarrojo cercano. [7] La razón por la que se utilizan nanopartículas de oro se debe a sus vívidas propiedades ópticas que están controladas por su tamaño, geometría y sus plasmones de superficie. Las nanopartículas de oro (como las AuNP) tienen el beneficio de ser biocompatibles y la flexibilidad de tener múltiples moléculas diferentes y materiales fundamentales adheridos a su cubierta (casi cualquier cosa que normalmente se pueda unir al oro se puede unir a la nanocubierta de oro, que se puede utilizar para ayudar a identificar y tratar el cáncer). El tratamiento del cáncer es posible únicamente gracias a la dispersión y absorción que se produce en la plasmónica . En el proceso de dispersión, las nanopartículas bañadas en oro se hacen visibles para los procesos de obtención de imágenes que están ajustados a la longitud de onda correcta, que depende del tamaño y la geometría de las partículas. En el proceso de absorción, se produce la ablación fototérmica , que calienta las nanopartículas y su entorno inmediato a temperaturas capaces de matar las células cancerosas. Esto se logra con un daño mínimo a las células del cuerpo debido a la utilización de la "ventana de agua" (el rango espectral entre 800 y 1300 nm). [1] Como el cuerpo humano está compuesto principalmente de agua, esto optimiza la luz utilizada en comparación con los efectos generados.
Estas nanocapas de oro se introducen en los tumores mediante el uso de la fagocitosis , donde los fagocitos engullen las nanocapas a través de la membrana celular para formar un fagosoma interno, o macrófago . Después de esto, se transportan a una célula y generalmente se utilizan enzimas para metabolizarlas y sacarlas de la célula. Estas nanocapas no se metabolizan, por lo que para que sean efectivas solo necesitan estar dentro de las células tumorales y se utiliza la muerte celular fotoinducida (como se describió anteriormente) para eliminar las células tumorales. Este esquema se muestra en la Figura 2.
Se han logrado administrar terapias basadas en nanopartículas a tumores aprovechando el efecto de retención y permeabilidad mejorado, una propiedad que permite que las estructuras a escala nanométrica sean absorbidas pasivamente por los tumores sin la ayuda de anticuerpos.[4] La administración de nanocapas a las regiones importantes de los tumores puede ser muy difícil. Aquí es donde la mayoría de las nanocapas intentan explotar el reclutamiento natural de monocitos del tumor para su administración, como se ve en la figura anterior. Este sistema de administración se denomina "caballo de Troya". [8]
Este proceso funciona muy bien porque los tumores están compuestos por aproximadamente ¾ de macrófagos y una vez que los monocitos ingresan al tumor, se diferencian en macrófagos que también serían necesarios para mantener las nanopartículas de carga . Una vez que las nanocapas están en el centro necrótico, se utiliza iluminación infrarroja cercana para destruir los macrófagos asociados al tumor.
Además, estas nanopartículas pueden utilizarse para liberar oligonucleótidos de ADN antisentido cuando se encuentran bajo fotoactivación. Estos oligonucleótidos se utilizan junto con los tratamientos de ablación fototérmica para realizar terapia génica. Esto se logra porque los complejos de nanopartículas se introducen en el interior de las células y luego se liberan de ADN de su superficie inducida por la luz. Esto permitirá la manipulación interna de una célula y proporcionará un medio para controlar el retorno de un grupo de células al equilibrio. [9]
Otro ejemplo de plasmónica de nanocapas en el tratamiento del cáncer implica colocar medicamentos dentro de la nanopartícula y usarla como vehículo para administrar medicamentos tóxicos solo a los sitios cancerosos. [10] Esto se logra recubriendo el exterior de una nanopartícula con óxido de hierro (lo que permite un fácil seguimiento con una máquina de resonancia magnética ), luego, una vez que el área del tumor está recubierta con las nanopartículas llenas de medicamento, las nanopartículas se pueden activar utilizando ondas de luz resonantes para liberar el medicamento.
