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oro coloidal

Oro coloide de diferentes tamaños.
Suspensiones de nanopartículas de oro de varios tamaños. La diferencia de tamaño provoca la diferencia de colores.

El oro coloidal es un sol o suspensión coloidal de nanopartículas de oro en un fluido, generalmente agua. [1] El coloide suele ser de color rojo vino (para partículas esféricas de menos de 100  nm ) o azul violeta (para partículas esféricas más grandes o nanobarras ). [2] Debido a sus propiedades ópticas , [3] electrónicas y de reconocimiento molecular, las nanopartículas de oro son objeto de importantes investigaciones, con muchas aplicaciones potenciales o prometidas en una amplia variedad de áreas, incluida la microscopía electrónica , la electrónica , [4] nanotecnología , ciencia de materiales , [5] y biomedicina . [6] [7] [8] [9]

Las propiedades de las nanopartículas de oro coloidal y, por tanto, sus posibles aplicaciones, dependen en gran medida de su tamaño y forma. [10] Por ejemplo, las partículas en forma de varilla tienen un pico de absorción tanto transversal como longitudinal , y la anisotropía de la forma afecta su autoensamblaje . [11]

Historia

Este cuenco de vidrio de arándano se hizo agregando sal de oro (probablemente cloruro de oro) al vidrio fundido.

Utilizado desde la antigüedad como método de tinción de vidrieras , se utilizó oro coloidal en la Copa de Licurgo del siglo IV , que cambia de color dependiendo de la ubicación de la fuente de luz. [12] [13]

Durante la Edad Media , el oro soluble, una solución que contenía sal de oro , tenía fama por sus propiedades curativas para diversas enfermedades. En 1618, Francisco Antonio , filósofo y miembro de la profesión médica, publicó un libro llamado Panacea Aurea, sive tractatus duo de ipsius Auro Potabili [14] (en latín: poción de oro, o dos tratamientos de oro potable ). El libro presenta información sobre la formación del oro coloidal y sus usos médicos. Aproximadamente medio siglo después, el botánico inglés Nicholas Culpepper publicó un libro en 1656, Tratado de Aurum Potabile , [15] que analiza únicamente los usos médicos del oro coloidal.

En 1676, Johann Kunckel , químico alemán, publicó un libro sobre la fabricación de vidrieras. En su libro Valuable Observations or Remarks About the Fixed and Volatile Salts-Auro and Argento Potabile, Spiritu Mundi and the Like , [16] Kunckel asumió que el color rosado del Aurum Potabile provenía de pequeñas partículas de oro metálico, no visibles para los ojos humanos. . En 1842, John Herschel inventó un proceso fotográfico llamado crisotipo (del griego χρῡσός que significa "oro") que utilizaba oro coloidal para registrar imágenes en papel.

La evaluación científica moderna del oro coloidal no comenzó hasta el trabajo de Michael Faraday en la década de 1850. [17] [18] En 1856, en el laboratorio del sótano de la Royal Institution , Faraday creó accidentalmente una solución de color rojo rubí mientras montaba trozos de pan de oro en portaobjetos de microscopio. [19] Como ya estaba interesado en las propiedades de la luz y la materia, Faraday investigó más a fondo las propiedades ópticas del oro coloidal. Preparó la primera muestra pura de oro coloidal, a la que llamó "oro activado", en 1857. Usó fósforo para reducir una solución de cloruro de oro. El oro coloidal que Faraday fabricó hace 150 años sigue siendo ópticamente activo. Durante mucho tiempo, la composición del oro "rubí" no estuvo clara. Varios químicos sospecharon que se trataba de un compuesto de oro y estaño debido a su preparación. [20] [21] Faraday reconoció que el color en realidad se debía al tamaño en miniatura de las partículas de oro. Observó las propiedades de dispersión de la luz de las micropartículas de oro suspendidas, lo que ahora se denomina efecto Faraday-Tyndall . [18]

En 1898, Richard Adolf Zsigmondy preparó el primer oro coloidal en solución diluida. [22] Además de Zsigmondy, Theodor Svedberg , que inventó la ultracentrifugación , y Gustav Mie , que proporcionó la teoría de la dispersión y absorción por partículas esféricas , también estaban interesados ​​en la síntesis y las propiedades del oro coloidal. [11] [23]

Con los avances en diversas tecnologías analíticas en el siglo XX, los estudios sobre nanopartículas de oro se han acelerado. Los métodos de microscopía avanzada, como la microscopía de fuerza atómica y la microscopía electrónica , son los que más han contribuido a la investigación de nanopartículas. Debido a su síntesis comparativamente fácil y su alta estabilidad, se han estudiado varias partículas de oro para sus usos prácticos. En muchas industrias, como la electrónica, ya se utilizan diferentes tipos de nanopartículas de oro.

Propiedades físicas

Óptico

La variación de la sección transversal de dispersión de una nanopartícula de oro de 100 nm de radio frente a la longitud de onda

Los artistas han utilizado el oro coloidal durante siglos debido a las interacciones de las nanopartículas con la luz visible. Las nanopartículas de oro absorben y dispersan la luz [24] , lo que da como resultado colores que van desde rojos vibrantes (partículas más pequeñas) hasta azules y negros y, finalmente, transparentes e incoloros (partículas más grandes), dependiendo del tamaño de las partículas, la forma, el índice de refracción local y el estado de agregación. Estos colores se producen debido a un fenómeno llamado resonancia de plasmón superficial localizado (LSPR), en el que los electrones de conducción en la superficie de la nanopartícula oscilan en resonancia con la luz incidente.

Efecto del tamaño, forma, composición y entorno.

Como regla general, la longitud de onda de la luz absorbida aumenta en función del aumento del tamaño de las nanopartículas. [25] Tanto la frecuencia de resonancia del plasmón superficial como la intensidad de la dispersión dependen del tamaño, la composición de la forma y el entorno de las nanopartículas. Este fenómeno puede cuantificarse mediante el uso de la teoría de dispersión de Mie para nanopartículas esféricas. Las nanopartículas con diámetros de 30 a 100 nm pueden detectarse fácilmente con un microscopio, y las partículas con un tamaño de 40 nm pueden incluso detectarse a simple vista cuando la concentración de las partículas es de 10 −4 M o mayor. La dispersión de una nanopartícula de 60 nm es aproximadamente 10 5 veces más intensa que la emisión de una molécula de fluoresceína . [26]

Efecto del índice de refracción local.

Los cambios en el color aparente de una solución de nanopartículas de oro también pueden ser causados ​​por el entorno en el que está suspendido el oro coloidal. [27] [28] Las propiedades ópticas de las nanopartículas de oro dependen del índice de refracción cerca de la superficie de la nanopartícula, por lo que las moléculas directamente unidas a la superficie de la nanopartícula (es decir, ligandos de nanopartículas) y el disolvente de la nanopartícula pueden influir en las características ópticas observadas. [27] A medida que aumenta el índice de refracción cerca de la superficie del oro, el LSPR cambia a longitudes de onda más largas. [28] Además del entorno disolvente, el pico de extinción se puede ajustar recubriendo las nanopartículas con capas no conductoras como sílice , biomoléculas u óxido de aluminio . [29]

Efecto de la agregación

Cuando las nanopartículas de oro se agregan, las propiedades ópticas de la partícula cambian, porque el tamaño efectivo de la partícula, la forma y el entorno dieléctrico cambian. [30]

Investigación médica

Microscopio de electrones

El oro coloidal y diversos derivados se encuentran desde hace mucho tiempo entre los marcadores más utilizados para antígenos en microscopía electrónica biológica . [31] [32] [33] [34] [35] Las partículas de oro coloidal se pueden unir a muchas sondas biológicas tradicionales, como anticuerpos , lectinas , superantígenos , glicanos , ácidos nucleicos , [36] y receptores. Las partículas de diferentes tamaños se distinguen fácilmente en las micrografías electrónicas, lo que permite experimentos simultáneos de etiquetado múltiple. [37]

Además de las sondas biológicas, las nanopartículas de oro se pueden transferir a diversos sustratos minerales, como mica, silicio monocristalino y oro atómicamente plano (III), para observarlos mediante microscopía de fuerza atómica (AFM). [38]

Sistema de suministro de medicamento

Las nanopartículas de oro se pueden utilizar para optimizar la biodistribución de fármacos a órganos, tejidos o células enfermos, con el fin de mejorar y dirigir la administración de fármacos. [39] [40] La administración de fármacos mediada por nanopartículas es factible sólo si la distribución del fármaco es inadecuada. Estos casos incluyen fármacos dirigidos a zonas inestables ( proteínas , ARNip , ADN ), administración a sitios difíciles (cerebro, retina, tumores, orgánulos intracelulares) y fármacos con efectos secundarios graves (por ejemplo, agentes anticancerígenos). El rendimiento de las nanopartículas depende del tamaño y las funcionalidades de la superficie de las partículas. Además, la liberación del fármaco y la desintegración de las partículas pueden variar según el sistema (por ejemplo, polímeros biodegradables sensibles al pH). Un sistema óptimo de administración de nanofármacos garantiza que el fármaco activo esté disponible en el sitio de acción durante el tiempo y la duración correctos, y que su concentración debe estar por encima de la concentración mínima efectiva (MEC) y por debajo de la concentración mínima tóxica (MTC). [41]

Se están investigando nanopartículas de oro como portadoras de fármacos como el Paclitaxel . [42] La administración de fármacos hidrofóbicos requiere encapsulación molecular y se ha descubierto que las partículas nanométricas son particularmente eficientes para evadir el sistema reticuloendotelial .

Detección de tumores

En la investigación del cáncer, el oro coloidal se puede utilizar para atacar tumores y proporcionar detección mediante SERS ( espectroscopia Raman mejorada de superficie ) in vivo . Estas nanopartículas de oro están rodeadas de reporteros Raman, que proporcionan una emisión de luz más de 200 veces más brillante que los puntos cuánticos . Se descubrió que los reporteros Raman se estabilizaban cuando las nanopartículas se encapsulaban con una capa de polietilenglicol modificado con tiol . Esto permite la compatibilidad y circulación in vivo . Para atacar específicamente las células tumorales, las partículas de oro polietilengiladas se conjugan con un anticuerpo (o un fragmento de anticuerpo como scFv), contra, por ejemplo, el receptor del factor de crecimiento epidérmico , que a veces se sobreexpresa en células de ciertos tipos de cáncer. Utilizando SERS, estas nanopartículas de oro pegilado pueden detectar la ubicación del tumor. [43]

Las nanopartículas de oro se acumulan en los tumores debido a la filtración de la vasculatura tumoral y pueden usarse como agentes de contraste para mejorar la obtención de imágenes en un sistema de tomografía óptica de resolución temporal que utiliza láseres de pulso corto para la detección del cáncer de piel en un modelo de ratón. Se ha descubierto que las nanopartículas esféricas de oro administradas por vía intravenosa ampliaron el perfil temporal de las señales ópticas reflejadas y mejoraron el contraste entre el tejido normal circundante y los tumores. [44]

Dirigido a tumores mediante nanoportadores multifuncionales. Las células cancerosas reducen la adhesión a las células vecinas y migran hacia el estroma rico en vasculatura. Una vez en la vasculatura, las células pueden ingresar libremente al torrente sanguíneo. Una vez que el tumor está directamente conectado al sistema principal de circulación sanguínea, los nanoportadores multifuncionales pueden interactuar directamente con las células cancerosas y atacar eficazmente los tumores.

Terapia de genes

Las nanopartículas de oro han demostrado potencial como vehículos de administración intracelular de oligonucleótidos de ARNip con un impacto terapéutico máximo.

Nanopartículas multifuncionales de ARNip-oro con varias biomoléculas: PEG, péptidos de penetración y adhesión celular y ARNip. Se emplearon dos enfoques diferentes para conjugar el ARNip con la nanopartícula de oro: (1) Enfoque covalente : uso de ARNip tiolado para la unión de tiol de oro a la nanopartícula; (2) Enfoque iónico : interacción del ARNip cargado negativamente con la superficie modificada de la AuNP a través de interacciones iónicas.

Las nanopartículas de oro muestran potencial como vehículos de administración intracelular de oligonucleótidos antisentido (ADN monocatenario y bicatenario) al brindar protección contra nucleasas intracelulares y facilidad de funcionalización para orientación selectiva. [45]

Agentes fototérmicos

Se están investigando nanobarras de oro como agentes fototérmicos para aplicaciones in vivo. Las nanobarras de oro son nanopartículas de oro en forma de varilla cuyas relaciones de aspecto sintonizan la banda de resonancia de plasmón superficial (SPR) desde la longitud de onda visible hasta la infrarroja cercana. La extinción total de la luz en el SPR se compone tanto de absorción como de dispersión. Para las nanobarras de diámetro axial más pequeño (~ 10 nm), domina la absorción, mientras que para las nanobarras de diámetro axial más grande (> 35 nm) puede dominar la dispersión. Como consecuencia, para estudios in vivo, se están utilizando nanobarras de oro de pequeño diámetro como convertidores fototérmicos de luz infrarroja cercana debido a sus secciones transversales de alta absorción. [46] Dado que la luz infrarroja cercana se transmite fácilmente a través de la piel y el tejido humanos, estos nanorods pueden usarse como componentes de ablación para el cáncer y otros objetivos. Cuando se recubren con polímeros, se ha observado que las nanobarras de oro circulan in vivo con vidas medias superiores a 6 horas, tiempos de residencia corporal de alrededor de 72 horas y poca o ninguna absorción en ningún órgano interno, excepto el hígado. [47]

A pesar del éxito incuestionable de las nanobarras de oro como agentes fototérmicos en la investigación preclínica , aún no han obtenido la aprobación para uso clínico porque el tamaño está por encima del umbral de excreción renal . [48] ​​[49] En 2019, se informó sobre la primera arquitectura plasmónica ultrapequeña en nano que absorbe NIR , que combina conjuntamente: (i) una conversión fototérmica adecuada para tratamientos de hipertermia , (ii) la posibilidad de múltiples tratamientos fototérmicos y (iii) excreción renal de los componentes básicos después de la acción terapéutica. [50]

Potenciador de dosis de radioterapia

Se ha demostrado un interés considerable en el uso de oro y otras nanopartículas que contienen átomos pesados ​​para mejorar la dosis administrada a los tumores. [51] Dado que los tumores absorben más las nanopartículas de oro que el tejido sano cercano, la dosis se aumenta selectivamente. La eficacia biológica de este tipo de terapia parece deberse a la deposición local de la dosis de radiación cerca de las nanopartículas. [52] Este mecanismo es el mismo que ocurre en la terapia con iones pesados .

Detección de gases tóxicos

Los investigadores han desarrollado métodos sencillos y económicos para la detección in situ de sulfuro de hidrógeno H
2S presente en el aire basado en la antiagregación de nanopartículas de oro (AuNPs). Disolver H
2S en una solución tampón alcalina débil conduce a la formación de HS-, que puede estabilizar las AuNP y garantizar que mantengan su color rojo, lo que permite la detección visual de niveles tóxicos de H
2S . [53]

Biosensor basado en nanopartículas de oro

Las nanopartículas de oro se incorporan a los biosensores para mejorar su estabilidad, sensibilidad y selectividad. [54] Las propiedades de las nanopartículas, como el tamaño pequeño, la alta relación superficie-volumen y la alta energía superficial, permiten la inmovilización de una amplia gama de biomoléculas. Las nanopartículas de oro, en particular, también podrían actuar como "cable de electrones" para transportar electrones y su efecto de amplificación de la luz electromagnética le permite funcionar como amplificadores de señales. [55] [56] Los principales tipos de biosensores basados ​​en nanopartículas de oro son los biosensores ópticos y electroquímicos.

Biosensor óptico

Biosensor basado en nanopartículas de oro (Au-NP) para glutatión (GSH). Las AuNP están funcionalizadas con un grupo químico que se une al GSH y hace que las NP colapsen parcialmente y, por tanto, cambien de color. La cantidad exacta de GSH se puede derivar mediante espectroscopia UV-vis a través de una curva de calibración .

Las nanopartículas de oro mejoran la sensibilidad de los sensores ópticos en respuesta al cambio en el índice de refracción local. El ángulo de la luz de incidencia para la resonancia de plasmón superficial, una interacción entre ondas de luz y electrones conductores en un metal, cambia cuando otras sustancias están unidas a la superficie del metal. [57] [58] Debido a que el oro es muy sensible a la constante dieléctrica de su entorno, [59] [60] la unión de un analito cambia significativamente la SPR de la nanopartícula de oro y, por lo tanto, permite una detección más sensible. Las nanopartículas de oro también podrían amplificar la señal SPR. [61] Cuando la onda de plasmón pasa a través de la nanopartícula de oro, la densidad de carga en la onda y el electrón del oro interactúan y dan como resultado una respuesta de mayor energía, conocida como acoplamiento de electrones. [54] Cuando el analito y el biorreceptor se unen al oro, la masa aparente del analito aumenta y, por lo tanto, amplifica la señal. [54] Estas propiedades se habían utilizado para construir un sensor de ADN con una sensibilidad 1000 veces mayor que sin el Au NP. [62] También se han construido sensores de humedad alterando el espacio entre átomos entre moléculas con el cambio de humedad; el cambio de espacio también resultaría en un cambio del LSPR de Au NP. [63]

Biosensor electroquímico

Los sensores electroquímicos convierten la información biológica en señales eléctricas que podrían detectarse. La conductividad y biocompatibilidad del Au NP le permiten actuar como "cable de electrones". [54] Transfiere electrones entre el electrodo y el sitio activo de la enzima. [64] Podría lograrse de dos maneras: unir el Au NP a la enzima o al electrodo. El electrodo monocapa GNP-glucosa oxidasa se construyó utilizando estos dos métodos. [65] El Au NP permitió más libertad en la orientación de la enzima y, por lo tanto, una detección más sensible y estable. Au NP también actúa como plataforma de inmovilización de la enzima. La mayoría de las biomoléculas se desnaturalizan o pierden su actividad cuando interactúan con el electrodo. [54] La biocompatibilidad y la alta energía superficial del Au le permiten unirse a una gran cantidad de proteínas sin alterar su actividad y da como resultado un sensor más sensible. [66] [67] Además, Au NP también cataliza reacciones biológicas. [68] [69] Las nanopartículas de oro de menos de 2 nm han mostrado actividad catalítica en la oxidación del estireno. [70]

Biosensor inmunológico

Se han recubierto nanopartículas de oro con péptidos y glicanos para su uso en métodos de detección inmunológica. [71] La posibilidad de utilizar gliconanopartículas en ELISA fue inesperada, pero el método parece tener una alta sensibilidad y, por lo tanto, ofrece potencial para el desarrollo de ensayos específicos para la identificación diagnóstica de anticuerpos en el suero de los pacientes. [72]

Peliculas delgadas

Las nanopartículas de oro cubiertas con ligandos orgánicos, como las moléculas de alcanotiol, pueden autoensamblarse en grandes monocapas (> cm 2 ). Las partículas se preparan primero en un disolvente orgánico, como cloroformo o tolueno, y luego se extienden en monocapas sobre una superficie líquida o sobre un sustrato sólido. Estas películas delgadas interfaciales de nanopartículas tienen una estrecha relación con las monocapas de Langmuir-Blodgett hechas de tensioactivos.

Las propiedades mecánicas de las monocapas de nanopartículas se han estudiado ampliamente. Para esferas de 5 nm cubiertas con dodecanotiol, el módulo de Young de la monocapa es del orden de GPa. [73] La mecánica de las membranas está guiada por fuertes interacciones entre capas de ligandos en partículas adyacentes. [74] Tras la fractura, las películas se agrietan perpendicularmente a la dirección de deformación con una tensión de fractura de 11 2,6 MPa, comparable a la de las películas de polímeros reticulados. [75] Las membranas de nanopartículas independientes exhiben una rigidez a la flexión del orden de 10 eV, superior a lo que se predice en teoría para placas continuas del mismo espesor, debido a restricciones microestructurales no locales, como el acoplamiento no local de los grados de libertad de rotación de las partículas. [76] Por otro lado, se ha descubierto que la resistencia a la flexión se reduce considerablemente en monocapas de nanopartículas que se soportan en la interfaz aire/agua, posiblemente debido a la detección de interacciones de ligandos en un ambiente húmedo. [77]

Química de superficies

En muchos tipos diferentes de síntesis de oro coloidal, la interfaz de las nanopartículas puede mostrar caracteres muy diferentes, desde una interfaz similar a una monocapa autoensamblada hasta un límite desordenado sin patrones repetitivos. [78] Más allá de la interfaz Au-Ligando, la conjugación de los ligandos interfaciales con varios restos funcionales (desde pequeñas moléculas orgánicas hasta polímeros, desde ADN hasta ARN) proporciona al oro coloidal gran parte de su amplia funcionalidad.

Intercambio/funcionalización de ligandos

Después de la síntesis inicial de nanopartículas, los ligandos de oro coloidal a menudo se intercambian con nuevos ligandos diseñados para aplicaciones específicas. Por ejemplo, las NP de Au producidas mediante el método de estilo Turkevich (o reducción de citrato) reaccionan fácilmente mediante reacciones de intercambio de ligandos, debido a la unión relativamente débil entre los grupos carboxilo y las superficies de las NP. [79] Este intercambio de ligandos puede producir conjugación con una serie de biomoléculas, desde ADN hasta ARN, proteínas y polímeros (como PEG ) para aumentar la biocompatibilidad y la funcionalidad. Por ejemplo, se ha demostrado que los ligandos mejoran la actividad catalítica al mediar en interacciones entre adsorbatos y las superficies de oro activas para reacciones de oxigenación específicas. [80] El intercambio de ligandos también se puede utilizar para promover la transferencia de fase de las partículas coloidales. [78] El intercambio de ligandos también es posible con NP detenidas con alcano tiol producidas a partir del método de síntesis tipo Brust, aunque se necesitan temperaturas más altas para promover la velocidad de desprendimiento del ligando. [81] [82] Un método alternativo para una mayor funcionalización se logra mediante la conjugación de los ligandos con otras moléculas, aunque este método puede provocar la degradación de la estabilidad coloidal de las NP de Au. [83]

Eliminación de ligando

En muchos casos, como en diversas aplicaciones catalíticas de Au a alta temperatura, la eliminación de los ligandos de protección produce propiedades fisicoquímicas más deseables. [84] La eliminación de ligandos del oro coloidal mientras se mantiene un número relativamente constante de átomos de Au por Au NP puede ser difícil debido a la tendencia de estos grupos desnudos a agregarse. La eliminación de ligandos se puede lograr parcialmente simplemente eliminando todo el exceso de ligandos de protección, aunque este método es ineficaz para eliminar todo el ligando de protección. Con mayor frecuencia, la eliminación del ligando se logra mediante ablación ligera o a alta temperatura seguida de lavado. Alternativamente, los ligandos pueden eliminarse electroquímicamente . [85]

Estructura de la superficie y entorno químico.

La estructura precisa de los ligandos en la superficie de las NP de oro coloidal impacta las propiedades de las partículas de oro coloidal. Las conformaciones de unión y el empaquetamiento superficial de los ligandos de protección en la superficie de las NP de oro coloidal tienden a diferir mucho de la adsorción del modelo de superficie masiva, en gran parte debido a la alta curvatura observada en las superficies de las nanopartículas. [78] Las interfaces tiolato-oro a nanoescala han sido bien estudiadas y se observa que los ligandos tiolato extraen átomos de Au de la superficie de las partículas para formar motivos "básicos" que tienen un carácter Thiyl-Au(0) significativo. [86] [87] La ​​superficie de citrato-oro, por otro lado, está relativamente menos estudiada debido a la gran cantidad de conformaciones de unión del citrato a las superficies curvas de oro. Un estudio realizado en 2014 identificó que la unión más preferida del citrato involucra dos ácidos carboxílicos y el grupo hidroxilo del citrato une tres átomos metálicos de la superficie. [88]

Salud y seguridad

A medida que se investigan más a fondo las nanopartículas de oro (AuNP) para la administración dirigida de fármacos en humanos, es necesario considerar su toxicidad. En su mayor parte, se sugiere que las AuNP son biocompatibles, [89] pero es necesario determinar las concentraciones a las que se vuelven tóxicas y si esas concentraciones se encuentran dentro del rango de concentraciones utilizadas. La toxicidad se puede probar in vitro e in vivo . Los resultados de toxicidad in vitro pueden variar según el tipo de medio de crecimiento celular con diferentes composiciones de proteínas, el método utilizado para determinar la toxicidad celular (salud celular, estrés celular, cuántas células se introducen en una célula) y los ligandos de protección en solución. . [90] Las evaluaciones in vivo pueden determinar la salud general de un organismo (comportamiento anormal, pérdida de peso, esperanza de vida promedio), así como la toxicología específica de los tejidos (riñón, hígado, sangre) y la inflamación y las respuestas oxidativas . [90] Los experimentos in vitro son más populares que los experimentos in vivo porque los experimentos in vitro son más simplistas de realizar que los experimentos in vivo . [90]

Toxicidad y peligros en síntesis.

Si bien las propias AuNP parecen tener una toxicidad baja o insignificante, [ cita necesaria ] y la literatura muestra que la toxicidad tiene mucho más que ver con los ligandos que con las partículas mismas, su síntesis involucra sustancias químicas que son peligrosas. El borohidruro de sodio , un reactivo fuerte, se utiliza para reducir los iones de oro a oro metálico. [91] Los iones de oro generalmente provienen del ácido cloroáurico , un ácido potente. [92] Debido a la alta toxicidad y peligro de los reactivos utilizados para sintetizar AuNP, surgió la necesidad de métodos de síntesis más “verdes”.

Toxicidad debida a ligandos de protección.

Algunos de los ligandos de protección asociados con las AuNP pueden ser tóxicos mientras que otros no lo son. En nanobarras de oro (AuNR), se ha demostrado que se asocia una fuerte citotoxicidad con AuNR estabilizados con CTAB en bajas concentraciones, pero se cree que el CTAB libre fue el culpable de la toxicidad. [92] [93] Las modificaciones que recubren estos AuNR reducen esta toxicidad en las células de cáncer de colon humano (HT-29) al evitar que las moléculas CTAB se desorban de los AuNR nuevamente a la solución. [92] La toxicidad del ligando también se puede observar en las AuNP. En comparación con el 90% de toxicidad de HAuCl4 a la misma concentración, se demostró que las AuNP con extremos de carboxilato no son tóxicas. [94] Las AuNP grandes conjugadas con biotina, cisteína, citrato y glucosa no fueron tóxicas en células de leucemia humana ( K562 ) en concentraciones de hasta 0,25 M. [95] Además, se ha demostrado que las nanoesferas de oro cubiertas con citrato (AuNS) son compatible con la sangre humana y no provocó agregación plaquetaria ni respuesta inmunitaria. [96] Sin embargo, se descubrió que las nanopartículas de oro cubiertas con citrato de tamaños entre 8 y 37 nm eran letalmente tóxicas para los ratones, causando vidas más cortas, enfermedades graves, pérdida de apetito y peso, decoloración del cabello y daños al hígado, el bazo y los pulmones. ; Las nanopartículas de oro se acumularon en el bazo y el hígado después de recorrer una sección del sistema inmunológico. [97] Hay opiniones encontradas sobre las AuNP modificadas con polietilenglicol (PEG). Se descubrió que estas AuNP eran tóxicas en el hígado del ratón mediante inyección, causando muerte celular e inflamación menor. [98] Sin embargo, las AuNP conjugadas con copolímeros de PEG mostraron una toxicidad insignificante hacia las células del colon humano ( Caco-2 ). [99] La toxicidad de las AuNP también depende de la carga general de los ligandos. En ciertas dosis, los AuNS que tienen ligandos cargados positivamente son tóxicos en las células de riñón de mono (Cos-1), los glóbulos rojos humanos y E. coli debido a la interacción de los AuNS con la membrana celular cargada negativamente; Se ha descubierto que los AuNS con ligandos cargados negativamente no son tóxicos en estas especies. [94] Además de los experimentos in vivo e in vitro mencionados anteriormente , se han realizado otros experimentos similares. Las AuNP de alquiltiolato con extremos de ligando de trimetilamonio median la translocación de ADN a través de membranas de células de mamíferos in vitro a un alto nivel, lo que es perjudicial para estas células. [100] La neblina corneal en conejos se ha curado in vivo mediante el uso de nanopartículas de oro cubiertas con polietilemnimina que se transfectaron con un gen que promueve la cicatrización de heridas e inhibe la neblina corneal.fibrosis . [101]

Toxicidad por el tamaño de las nanopartículas.

La toxicidad en ciertos sistemas también puede depender del tamaño de la nanopartícula. Se descubrió que los AuNS de tamaño 1,4 nm eran tóxicos en células de cáncer de piel humana (SK-Mel-28), células de cáncer de cuello uterino humano ( HeLa ), células de fibroblastos de ratón (L929) y macrófagos de ratón (J774A.1), mientras que 0,8, 1,2 , y los AuNS de 1,8 nm fueron seis veces menos tóxicos y los AuNS de 15 nm no fueron tóxicos. [94] Existe cierta evidencia de la acumulación de AuNP después de la inyección en estudios in vivo , pero esto depende en gran medida del tamaño. Se descubrió que las AuNP de 1,8 nm estaban casi totalmente atrapadas en los pulmones de las ratas. [102] Se encontró que AuNP de diferentes tamaños se acumulaban en la sangre, [103] [104 ] cerebro, [103] estómago, [103] páncreas, [103] riñones, [103] hígado, [103] [104] y bazo. . [103] [104]

Las investigaciones de bioseguridad y biocinética en arquitecturas biodegradables ultrapequeñas en nanopartículas han demostrado que las nanopartículas de oro pueden evitar la acumulación de metal en los organismos al escapar por la vía renal. [105] [106]

Síntesis

Diferencia de potencial en función de la distancia desde la superficie de la partícula.

Generalmente, las nanopartículas de oro se producen en un líquido ("métodos químicos líquidos") mediante la reducción del ácido cloroáurico ( H[AuCl
4] ). Para evitar que las partículas se agreguen, se añaden agentes estabilizantes. El citrato actúa como agente reductor y estabilizador coloidal.

Se pueden funcionalizar con varios ligandos orgánicos para crear híbridos orgánicos-inorgánicos con funcionalidad avanzada. [17]

método turkevich

Este método simple fue iniciado por J. Turkevich et al. en 1951 [107] [108] y perfeccionado por G. Frens en los años 1970. [109] [110] Produce nanopartículas de oro esféricas modestamente monodispersas de alrededor de 10 a 20 nm de diámetro. Se pueden producir partículas más grandes, pero a costa de la monodispersidad y la forma. En este método, el ácido cloroáurico caliente se trata con una solución de citrato de sodio , produciendo oro coloidal. La reacción de Turkevich se produce mediante la formación de nanocables de oro transitorios . Estos nanocables de oro son responsables del aspecto oscuro de la solución de reacción antes de que se vuelva rojo rubí. [111]

Agentes taponadores

Se utiliza un agente de protección durante la síntesis de nanopartículas para inhibir el crecimiento y la agregación de partículas. El producto químico bloquea o reduce la reactividad en la periferia de la partícula; un buen agente de protección tiene una alta afinidad por los nuevos núcleos. [112] Los iones citrato o ácido tánico funcionan como agente reductor y agente de protección. [113] [114] Menos citrato de sodio da como resultado partículas más grandes.

Método Brust-Schiffrin

Este método fue descubierto por Brust y Schiffrin a principios de la década de 1990 [115] y puede usarse para producir nanopartículas de oro en líquidos orgánicos que normalmente no son miscibles con agua (como el tolueno ). Implica la reacción de una solución de ácido cloraúrico con una solución de bromuro de tetraoctilamonio (TOAB) en tolueno y borohidruro de sodio como anticoagulante y agente reductor, respectivamente.

Aquí, las nanopartículas de oro tendrán un tamaño de entre 5 y 6 nm. [116] NaBH 4 es el agente reductor y TOAB es tanto el catalizador de transferencia de fase como el agente estabilizante.

TOAB no se une con mucha fuerza a las nanopartículas de oro, por lo que la solución se agregará gradualmente en el transcurso de aproximadamente dos semanas. Para evitar esto, se puede agregar un agente aglutinante más fuerte, como un tiol (en particular, alcanotioles ), que se unirá al oro, produciendo una solución casi permanente. [117] [118] Las nanopartículas de oro protegidas con alcanotiol se pueden precipitar y luego volver a disolver. Los tioles son mejores agentes aglutinantes porque existe una fuerte afinidad por los enlaces oro-azufre que se forman cuando las dos sustancias reaccionan entre sí. [119] El tetradodecantiol es un agente aglutinante fuerte comúnmente utilizado para sintetizar partículas más pequeñas. [120] Parte del agente de transferencia de fase puede permanecer unido a las nanopartículas purificadas, lo que puede afectar propiedades físicas como la solubilidad . Para eliminar la mayor cantidad posible de este agente, las nanopartículas deben purificarse aún más mediante extracción Soxhlet .

método perrault

Este enfoque, descubierto por Perrault y Chan en 2009, [121] utiliza hidroquinona para reducir HAuCl 4 en una solución acuosa que contiene semillas de nanopartículas de oro de 15 nm. Este método de síntesis basado en semillas es similar al utilizado en el revelado de películas fotográficas, en el que los granos de plata dentro de la película crecen mediante la adición de plata reducida a su superficie. Asimismo, las nanopartículas de oro pueden actuar junto con la hidroquinona para catalizar la reducción del oro iónico en su superficie. La presencia de un estabilizador como el citrato da como resultado la deposición controlada de átomos de oro sobre las partículas y su crecimiento. Normalmente, las semillas de nanopartículas se producen mediante el método del citrato. El método de la hidroquinona complementa el de Frens, [109] [110] ya que amplía la gama de tamaños de partículas esféricas monodispersas que se pueden producir. Mientras que el método de Frens es ideal para partículas de 12 a 20 nm, el método de la hidroquinona puede producir partículas de al menos 30 a 300 nm.

método martin

Este método simple, descubierto por Martin y Eah en 2010, [122] genera nanopartículas de oro "desnudas" casi monodispersas en agua. Controlar con precisión la estequiometría de reducción ajustando la proporción de iones NaBH 4 -NaOH a iones HAuCl 4 -HCl dentro de la "zona dulce", junto con el calentamiento, permite un ajuste de diámetro reproducible entre 3 y 6 nm. Las partículas acuosas son coloidalmente estables debido a su alta carga debido al exceso de iones en solución. Estas partículas pueden recubrirse con diversas funcionalidades hidrófilas o mezclarse con ligandos hidrófobos para aplicaciones en disolventes no polares. En disolventes no polares, las nanopartículas permanecen altamente cargadas y se autoensamblan en gotas de líquido para formar películas monocapa 2D de nanopartículas monodispersas.

Estudios de nanotecnología

Bacillus licheniformis se puede utilizar en la síntesis de nanocubos de oro con tamaños entre 10 y 100 nanómetros. [123] Las nanopartículas de oro generalmente se sintetizan a altas temperaturas en solventes orgánicos o utilizando reactivos tóxicos. Las bacterias los producen en condiciones mucho más suaves.

Navarro et al. método

Para partículas de más de 30 nm, el control del tamaño de partícula con una baja polidispersidad de nanopartículas esféricas de oro sigue siendo un desafío. Para proporcionar el máximo control sobre la estructura de NP, Navarro y sus colaboradores utilizaron un procedimiento de Turkevitch-Frens modificado utilizando acetilacetonato de sodio como agente reductor y citrato de sodio como estabilizador. [124]

Sonólisis

Otro método para la generación experimental de partículas de oro es la sonólisis . El primer método de este tipo fue inventado por Baigent y Müller. [125] Este trabajo fue pionero en el uso de ultrasonido para proporcionar energía para los procesos involucrados y permitió la creación de partículas de oro con un diámetro de menos de 10 nm. En otro método que utiliza ultrasonido, la reacción de una solución acuosa de HAuCl 4 con glucosa , [126] los agentes reductores son radicales hidroxilo y radicales de pirólisis de azúcar (que se forman en la región interfacial entre las cavidades que colapsan y el agua a granel) y la morfología obtenida es el de nanocintas con un ancho de 30 a 50 nm y una longitud de varios micrómetros. Estas cintas son muy flexibles y pueden doblarse en ángulos superiores a 90°. Cuando la glucosa se reemplaza por ciclodextrina (un oligómero de glucosa), solo se obtienen partículas esféricas de oro, lo que sugiere que la glucosa es esencial para dirigir la morfología hacia una cinta.

Método mediado por copolímero de bloques

Sakai et al. han desarrollado una metodología de síntesis económica, ambientalmente benigna y rápida para nanopartículas de oro utilizando copolímeros en bloque. [127] En esta metodología de síntesis, el copolímero de bloques desempeña el doble papel de agente reductor y de agente estabilizante. La formación de nanopartículas de oro comprende tres pasos principales: reducción de iones de sal de oro mediante copolímeros de bloque en la solución y formación de grupos de oro, adsorción de copolímeros de bloque en grupos de oro y reducción adicional de iones de sal de oro en las superficies de estos grupos de oro para la crecimiento de partículas de oro en pasos y finalmente su estabilización mediante copolímeros en bloque. Pero este método suele tener un rendimiento limitado (concentración de nanopartículas), que no aumenta con el aumento de la concentración de sal de oro. Ray et al. [128] mejoraron este método de síntesis al aumentar muchas veces el rendimiento de las nanopartículas a temperatura ambiente.

Aplicaciones

Síntesis de nanopartículas conjugadas con antibióticos.

Las nanopartículas metálicas funcionalizadas con antibióticos se han estudiado ampliamente como una forma de tratar cepas bacterianas resistentes a múltiples fármacos. Por ejemplo, las nanopartículas de oro recubiertas con kanamicina (Kan-AuP) mostraron una actividad antibacteriana dependiente de la dosis de amplio espectro contra cepas bacterianas grampositivas y gramnegativas en comparación con la kanamicina sola. [129]

Ver también

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