Los nanosensores son dispositivos a escala nanométrica que miden cantidades físicas y las convierten en señales que se pueden detectar y analizar. En la actualidad, se han propuesto varias formas de fabricar nanosensores, entre ellas la litografía de arriba hacia abajo, el ensamblaje de abajo hacia arriba y el autoensamblaje molecular . [1] Existen distintos tipos de nanosensores en el mercado y en desarrollo para diversas aplicaciones, sobre todo en las industrias de defensa, medioambiente y atención sanitaria. Estos sensores comparten el mismo flujo de trabajo básico: una unión selectiva de un analito, la generación de señales a partir de la interacción del nanosensor con el bioelemento y el procesamiento de la señal en métricas útiles.
Los sensores basados en nanomateriales tienen varias ventajas en cuanto a sensibilidad y especificidad en comparación con los sensores fabricados con materiales tradicionales, debido a las características de los nanomateriales que no están presentes en los materiales a granel que surgen a escala nanométrica. [2] [3] Los nanosensores pueden tener una mayor especificidad porque operan a una escala similar a los procesos biológicos naturales, lo que permite la funcionalización con moléculas químicas y biológicas, con eventos de reconocimiento que causan cambios físicos detectables. Las mejoras en la sensibilidad se derivan de la alta relación superficie-volumen de los nanomateriales, así como de las nuevas propiedades físicas de los nanomateriales que se pueden utilizar como base para la detección, incluida la nanofotónica . Los nanosensores también se pueden integrar potencialmente con la nanoelectrónica para agregar capacidad de procesamiento nativa al nanosensor. [4] : 4–10
Además de su sensibilidad y especificidad, los nanosensores ofrecen ventajas significativas en cuanto a costo y tiempos de respuesta, lo que los hace adecuados para aplicaciones de alto rendimiento. Los nanosensores proporcionan monitoreo en tiempo real en comparación con los métodos de detección tradicionales, como la cromatografía y la espectroscopia. Estos métodos tradicionales pueden tardar días o semanas en obtener resultados y, a menudo, requieren inversiones en costos de capital, así como tiempo para la preparación de la muestra. [5] [6] [7] [8]
Los nanomateriales unidimensionales, como los nanohilos y los nanotubos, son muy adecuados para su uso en nanosensores, en comparación con los dispositivos planos en masa o de película delgada . Pueden funcionar como transductores y como cables para transmitir la señal. Su gran área de superficie puede provocar grandes cambios en la señal al unirse a un analito. Su pequeño tamaño puede permitir una multiplexación extensa de unidades de sensor direccionables individualmente en un dispositivo pequeño. Su funcionamiento también es "libre de etiquetas" en el sentido de que no requiere etiquetas fluorescentes o radiactivas en los analitos. [4] : 12–26 El nanohilo de óxido de zinc se utiliza para aplicaciones de detección de gases, dado que exhibe una alta sensibilidad hacia bajas concentraciones de gas en condiciones ambientales y se puede fabricar fácilmente con un bajo costo. [9]
Los nanosensores enfrentan varios desafíos, entre ellos evitar la deriva y la suciedad , desarrollar métodos de calibración reproducibles, aplicar métodos de preconcentración y separación para lograr una concentración de analito adecuada que evite la saturación e integrar el nanosensor con otros elementos de un paquete de sensores de una manera confiable y fabricable. [4] : 4–10 Debido a que los nanosensores son una tecnología relativamente nueva, hay muchas preguntas sin respuesta con respecto a la nanotoxicología, lo que actualmente limita su aplicación en sistemas biológicos.
Las posibles aplicaciones de los nanosensores incluyen la medicina, la detección de contaminantes y patógenos, y el control de los procesos de fabricación y los sistemas de transporte. [4] : 4–10 Al medir los cambios en las propiedades físicas ( volumen , concentración , desplazamiento y velocidad , fuerzas gravitacionales , eléctricas y magnéticas , presión o temperatura ), los nanosensores pueden distinguir y reconocer ciertas células a nivel molecular para administrar medicamentos o controlar el desarrollo en lugares específicos del cuerpo. [10] El tipo de transducción de señales define el principal sistema de clasificación de los nanosensores. Algunos de los principales tipos de lecturas de los nanosensores incluyen ópticas, mecánicas, vibracionales o electromagnéticas. [11]
Como ejemplo de clasificación, los nanosensores que utilizan polímeros impresos molecularmente (MIP) se pueden dividir en tres categorías, que son sensores electroquímicos , piezoeléctricos o espectroscópicos . Los sensores electroquímicos inducen un cambio en las propiedades electroquímicas del material de detección, que incluye carga , conductividad y potencial eléctrico . Los sensores piezoeléctricos convierten la fuerza mecánica en fuerza eléctrica o viceversa. Esta fuerza luego se transduce en una señal. Los sensores espectroscópicos MIP se pueden dividir en tres subcategorías, que son sensores quimioluminiscentes , sensores de resonancia de plasmón de superficie y sensores de fluorescencia . Como sugiere el nombre, estos sensores producen señales basadas en luz en formas de quimioluminiscencia, resonancia y fluorescencia. Como se describe en los ejemplos, el tipo de cambio que detecta el sensor y el tipo de señal que induce dependen del tipo de sensor [12]
Existen múltiples mecanismos mediante los cuales un evento de reconocimiento puede transducirse en una señal medible; generalmente, estos aprovechan la sensibilidad del nanomaterial y otras propiedades únicas para detectar un analito unido selectivamente.
Los nanosensores electroquímicos se basan en detectar un cambio de resistencia en el nanomaterial al unirse un analito, debido a cambios en la dispersión o al agotamiento o acumulación de portadores de carga . Una posibilidad es utilizar nanocables como nanotubos de carbono , polímeros conductores o nanocables de óxido metálico como compuertas en transistores de efecto de campo , aunque hasta 2009 aún no se habían demostrado en condiciones del mundo real. [4] : 12–26 Los nanosensores químicos contienen un sistema de reconocimiento químico (receptor) y un transductor fisicoquímico, en el que el receptor interactúa con el analito para producir señales eléctricas. [13] En un caso, [14] tras la interacción del analito con el receptor, el transductor nanoporoso tuvo un cambio en la impedancia que se determinó como la señal del sensor. Otros ejemplos incluyen nanosensores electromagnéticos o plasmónicos , nanosensores espectroscópicos como la espectroscopia Raman de superficie mejorada , nanosensores magnetoelectrónicos o espintrónicos y nanosensores mecánicos. [4] : 12–26
Los nanosensores biológicos constan de un biorreceptor y un transductor. El método de transducción de elección actualmente es la fluorescencia debido a la alta sensibilidad y relativa facilidad de medición. [15] [16] La medición se puede lograr utilizando los siguientes métodos: unión de nanopartículas activas a proteínas activas dentro de la célula, utilizando mutagénesis dirigida al sitio para producir proteínas indicadoras, lo que permite mediciones en tiempo real, o creando un nanomaterial (por ejemplo, nanofibras) con sitios de unión para los biorreceptores. [15] Aunque los nanosensores electroquímicos se pueden utilizar para medir propiedades intracelulares , por lo general son menos selectivos para mediciones biológicas, ya que carecen de la alta especificidad de los biorreceptores (por ejemplo, anticuerpos, ADN). [17] [15]
Los dispositivos fotónicos también pueden utilizarse como nanosensores para cuantificar concentraciones de muestras clínicamente relevantes. Un principio de funcionamiento de estos sensores se basa en la modulación química del volumen de una película de hidrogel que incorpora una rejilla de Bragg . A medida que el hidrogel se hincha o se encoge tras la estimulación química, la rejilla de Bragg cambia de color y difracta la luz en diferentes longitudes de onda. La luz difractada puede correlacionarse con la concentración de un analito objetivo. [18]
Otro tipo de nanosensor es el que funciona a través de una base colorimétrica . En este caso, la presencia del analito provoca una reacción química o una alteración morfológica que provoca un cambio de color visible. Una de estas aplicaciones es que las nanopartículas de oro se pueden utilizar para la detección de metales pesados. [19] Muchos gases nocivos también se pueden detectar mediante un cambio colorimétrico, como por ejemplo a través del tubo Dräger disponible en el mercado. Estos proporcionan una alternativa a los voluminosos sistemas a escala de laboratorio, ya que se pueden miniaturizar para su uso en dispositivos de punto de muestra. Por ejemplo, muchos productos químicos están regulados por la Agencia de Protección Ambiental y requieren pruebas exhaustivas para garantizar que los niveles de contaminantes se encuentren dentro de los límites adecuados. Los nanosensores colorimétricos proporcionan un método para la determinación in situ de muchos contaminantes. [20] [21] [22]
El método de producción desempeña un papel central a la hora de determinar las características del nanosensor fabricado, ya que la función del nanosensor se puede realizar mediante el control de la superficie de las nanopartículas. Existen dos enfoques principales en la fabricación de nanosensores: los métodos descendentes, que comienzan con un patrón generado a mayor escala y luego se reduce a microescala. Los métodos ascendentes comienzan con átomos o moléculas que se van construyendo hasta formar nanoestructuras.
Se trata de empezar con un bloque más grande de algún material y tallarlo en la forma deseada. Estos dispositivos tallados, que se utilizan sobre todo en sistemas microelectromecánicos específicos utilizados como microsensores, generalmente solo alcanzan el tamaño micro , pero los más recientes han comenzado a incorporar componentes de tamaño nanométrico. [1] Uno de los métodos más comunes se denomina litografía por haz de electrones. Aunque es muy costosa, esta técnica forma de manera efectiva una distribución de gráficos circulares o elipsoidales en la superficie bidimensional. Otro método es la electrodeposición, que requiere elementos conductores para producir dispositivos miniaturizados. [23]
Este método consiste en utilizar un dispositivo de tensión para estirar el eje mayor de una fibra mientras se calienta, para lograr escalas de tamaño nanométrico. Este método se utiliza especialmente en fibra óptica para desarrollar nanosensores basados en fibra óptica. [17]
Se han descrito dos tipos diferentes de grabado químico. En el método de Turner, se graba una fibra en un punto mientras se coloca en el menisco entre ácido fluorhídrico y una capa orgánica . Se ha demostrado que esta técnica produce fibras con grandes ángulos de conicidad (lo que aumenta la luz que llega a la punta de la fibra) y diámetros de punta comparables al método de tracción. El segundo método es el grabado de tubos, que implica grabar una fibra óptica con una solución de un solo componente de fluoruro de hidrógeno . Se pule una fibra de sílice, rodeada de un revestimiento orgánico , y se coloca un extremo en un recipiente con ácido fluorhídrico. Luego, el ácido comienza a grabar la punta de la fibra sin destruir el revestimiento. A medida que se graba la fibra de sílice, el revestimiento de polímero actúa como una pared, creando microcorrientes en el ácido fluorhídrico que, junto con la acción capilar , hacen que la fibra se grabe en forma de cono con conos grandes y suaves. Este método muestra una susceptibilidad mucho menor a los parámetros ambientales que el método de Turner. [17]
Este tipo de métodos implican el ensamblaje de sensores a partir de componentes más pequeños, generalmente átomos o moléculas individuales. Esto se hace organizando los átomos en patrones específicos, lo que se ha logrado en pruebas de laboratorio mediante el uso de microscopios de fuerza atómica , pero aún es difícil de lograr en masa y no es económicamente viable.
Este método, también conocido como “crecimiento”, suele implicar un conjunto completo de componentes que se ensamblarían automáticamente para formar un producto terminado. Poder reproducir con precisión este efecto para un sensor deseado en un laboratorio implicaría que los científicos podrían fabricar nanosensores mucho más rápido y potencialmente de manera mucho más económica al dejar que numerosas moléculas se ensamblaran solas con poca o ninguna influencia externa, en lugar de tener que ensamblar manualmente cada sensor.
Aunque las técnicas de fabricación convencionales han demostrado ser eficientes, mejoras adicionales en el método de producción pueden llevar a la minimización de costos y a una mejora en el rendimiento. Los desafíos con los métodos de producción actuales incluyen la distribución, el tamaño y la forma desiguales de las nanopartículas, lo que conduce a una limitación en el rendimiento. En 2006, investigadores de Berlín patentaron su invención de un novedoso nanosensor de diagnóstico fabricado con litografía de nanoesferas (NSL), que permite un control preciso del tamaño y la forma de las nanopartículas y crea nanoislas. Las nanoislas metálicas produjeron un aumento en la transducción de señales y, por lo tanto, aumentaron la sensibilidad del sensor. Los resultados también mostraron que la sensibilidad y la especificación del nanosensor de diagnóstico dependen del tamaño de las nanopartículas, y que al disminuir el tamaño de las nanopartículas aumenta la sensibilidad. [23]
La densidad de corriente está influenciada por la distribución, el tamaño o la forma de las nanopartículas. Estas propiedades se pueden mejorar mediante la explotación de las fuerzas capilares . En una investigación reciente, se indujeron fuerzas capilares aplicando cinco microlitros de etanol y, como resultado, las nanopartículas individuales se fusionaron en islas más grandes (es decir, partículas de tamaño de 20 micrómetros) separadas por 10 micrómetros en promedio, mientras que las más pequeñas se disolvieron y absorbieron. Por otro lado, la aplicación del doble (es decir, 10 microlitros) de etanol ha dañado las nanocapas, mientras que la aplicación de una cantidad demasiado pequeña (es decir, dos microlitros) de etanol no ha logrado extenderse a través de ellas. [24]
Uno de los primeros ejemplos funcionales de un nanosensor sintético fue construido por investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia en 1999. [25] Consistía en unir una única partícula al extremo de un nanotubo de carbono y medir la frecuencia vibratoria del nanotubo con y sin la partícula. La discrepancia entre las dos frecuencias permitió a los investigadores medir la masa de la partícula unida. [1]
Desde entonces, se han dedicado cada vez más investigaciones a los nanosensores, y se han desarrollado nanosensores modernos para muchas aplicaciones. En la actualidad, las aplicaciones de los nanosensores en el mercado incluyen: atención médica, defensa y militar, y otras como alimentos, medio ambiente y agricultura. [26]
La nanociencia en su conjunto tiene muchas aplicaciones potenciales en el sector militar y de defensa, incluida la detección de sustancias químicas, la descontaminación y la ciencia forense. Algunos nanosensores en desarrollo para aplicaciones de defensa incluyen nanosensores para la detección de explosivos o gases tóxicos. Dichos nanosensores funcionan según el principio de que las moléculas de gas se pueden distinguir en función de su masa utilizando, por ejemplo, sensores piezoeléctricos. Si una molécula de gas se adsorbe en la superficie del detector, la frecuencia de resonancia del cristal cambia y esto se puede medir como un cambio en las propiedades eléctricas. Además, los transistores de efecto de campo, utilizados como potenciómetros , pueden detectar gases tóxicos si su compuerta se hace sensible a ellos. [27]
En una aplicación similar, los nanosensores pueden utilizarse en ropa y equipamiento militar y de aplicación de la ley. El Instituto de Nanociencia del Laboratorio de Investigación de la Armada ha estudiado los puntos cuánticos para su aplicación en nanofotónica y la identificación de materiales biológicos. Las nanopartículas recubiertas de polímeros y otras moléculas receptoras cambiarán de color cuando entren en contacto con analitos como gases tóxicos. [27] Esto alerta al usuario de que está en peligro. Otros proyectos implican la incorporación de sensores biométricos en la ropa para transmitir información sobre la salud y los signos vitales del usuario, [27] lo que sería útil para monitorear a los soldados en combate.
Sorprendentemente, algunos de los aspectos más desafiantes en la creación de nanosensores para uso militar y de defensa son de naturaleza política, más que técnica. Muchas agencias gubernamentales diferentes deben trabajar juntas para asignar presupuestos y compartir información y avances en las pruebas; esto puede ser difícil con instituciones tan grandes y complejas. Además, las visas y el estatus migratorio pueden convertirse en un problema para los investigadores extranjeros -como el tema es muy sensible, a veces puede requerirse la autorización del gobierno. [28] Finalmente, actualmente no existen regulaciones bien definidas o claras sobre las pruebas o aplicaciones de nanosensores en la industria de sensores, lo que contribuye a la dificultad de implementación.
Los nanosensores pueden mejorar diversas subáreas dentro de los sectores de la alimentación y el medio ambiente, como el procesamiento de alimentos, la agricultura, el control de la calidad del aire y del agua, y el envasado y el transporte. Debido a su sensibilidad, así como a su capacidad de ajuste y a la selectividad de unión resultante, los nanosensores son muy eficaces y pueden diseñarse para una amplia variedad de aplicaciones medioambientales. Estas aplicaciones de los nanosensores ayudan a realizar una evaluación cómoda, rápida y ultrasensible de muchos tipos de contaminantes medioambientales. [29]
Los sensores químicos son útiles para analizar olores de muestras de alimentos y detectar gases atmosféricos. [30] La "nariz electrónica" se desarrolló en 1988 para determinar la calidad y frescura de muestras de alimentos utilizando sensores tradicionales, pero más recientemente la película de detección se ha mejorado con nanomateriales. Una muestra se coloca en una cámara donde los compuestos volátiles se concentran en la fase gaseosa, por lo que el gas se bombea a través de la cámara para llevar el aroma al sensor que mide su huella digital única. La alta relación área superficial a volumen de los nanomateriales permite una mayor interacción con los analitos y el rápido tiempo de respuesta del nanosensor permite la separación de respuestas interferentes. [31] También se han construido sensores químicos utilizando nanotubos para detectar varias propiedades de moléculas gaseosas. Muchos sensores basados en nanotubos de carbono están diseñados como transistores de efecto de campo, aprovechando su sensibilidad. La conductividad eléctrica de estos nanotubos cambiará debido a la transferencia de carga y al dopaje químico por parte de otras moléculas, lo que permitirá su detección. Para mejorar su selectividad, muchos de estos implican un sistema por el cual los nanosensores se construyen para tener un bolsillo específico para otra molécula. Los nanotubos de carbono se han utilizado para detectar la ionización de moléculas gaseosas, mientras que los nanotubos hechos de titanio se han empleado para detectar concentraciones atmosféricas de hidrógeno a nivel molecular. [32] [33] Algunos de estos se han diseñado como transistores de efecto de campo, mientras que otros aprovechan las capacidades de detección óptica. La unión selectiva de analitos se detecta a través del cambio espectral o la modulación de fluorescencia. [34] De manera similar, Flood et al. han demostrado que la química supramolecular anfitrión-huésped ofrece detección cuantitativa utilizando luz dispersa Raman [35] así como SERS . [36]
Actualmente se están desarrollando otros tipos de nanosensores, incluidos los puntos cuánticos y las nanopartículas de oro , para detectar contaminantes y toxinas en el medio ambiente. Estos aprovechan la resonancia plasmónica de superficie localizada (LSPR) que surge a escala nanométrica, lo que da como resultado una absorción específica de la longitud de onda. [37] Este espectro LSPR es particularmente sensible, y su dependencia del tamaño de la nanopartícula y del medio ambiente se puede utilizar de diversas formas para diseñar sensores ópticos. Para aprovechar el cambio del espectro LSPR que se produce cuando las moléculas se unen a la nanopartícula, sus superficies se pueden funcionalizar para dictar qué moléculas se unirán y desencadenarán una respuesta. [38] Para aplicaciones ambientales, las superficies de los puntos cuánticos se pueden modificar con anticuerpos que se unen específicamente a microorganismos u otros contaminantes. La espectroscopia se puede utilizar entonces para observar y cuantificar este cambio de espectro, lo que permite una detección precisa, potencialmente del orden de las moléculas. [38] De manera similar, los nanosensores semiconductores fluorescentes pueden aprovechar la transferencia de energía de resonancia de fluorescencia (FRET) para lograr la detección óptica. Los puntos cuánticos se pueden utilizar como donantes y transferirán energía de excitación electrónica cuando se coloquen cerca de moléculas aceptoras, perdiendo así su fluorescencia. Estos puntos cuánticos se pueden funcionalizar para determinar qué moléculas se unirán, en qué fluorescencia se restaurará. Los sensores ópticos basados en nanopartículas de oro se pueden utilizar para detectar metales pesados con mucha precisión; por ejemplo, niveles de mercurio tan bajos como 0,49 nanómetros. Esta modalidad de detección aprovecha la FRET, en la que la presencia de metales inhibe la interacción entre puntos cuánticos y nanopartículas de oro, y apaga la respuesta FRET. [39] Otra implementación potencial aprovecha la dependencia del tamaño del espectro LSPR para lograr la detección de iones. En un estudio, Liu et al. funcionalizaron nanopartículas de oro con una enzima sensible al Pb 2+ para producir un sensor de plomo. Generalmente, las nanopartículas de oro se agregarían a medida que se acercaran entre sí, y el cambio de tamaño daría como resultado un cambio de color. Las interacciones entre la enzima y los iones Pb 2+ inhibirían esta agregación y, por tanto, se podría detectar la presencia de iones.
El principal desafío asociado con el uso de nanosensores en alimentos y el medio ambiente es determinar su toxicidad asociada y su efecto general sobre el medio ambiente. Actualmente, no hay suficiente conocimiento sobre cómo la implementación de nanosensores afectará al suelo, las plantas y los seres humanos a largo plazo. Esto es difícil de abordar en su totalidad porque la toxicidad de las nanopartículas depende en gran medida del tipo, tamaño y dosis de la partícula, así como de variables ambientales como el pH, la temperatura y la humedad. Para mitigar el riesgo potencial, se están realizando investigaciones para fabricar nanomateriales seguros y no tóxicos, como parte de un esfuerzo general hacia la nanotecnología verde. [40]
Los nanosensores poseen un gran potencial para la medicina diagnóstica, permitiendo la identificación temprana de enfermedades sin depender de síntomas observables. [41] Las implementaciones ideales de nanosensores buscan emular la respuesta de las células inmunes en el cuerpo, incorporando funcionalidades tanto de diagnóstico como de respuesta inmune, mientras transmiten datos para permitir el monitoreo de la entrada y la respuesta del sensor. Sin embargo, este modelo sigue siendo un objetivo a largo plazo, y la investigación se centra actualmente en las capacidades de diagnóstico inmediato de los nanosensores. La implementación intracelular de nanosensores sintetizados con polímeros biodegradables induce señales que permiten el monitoreo en tiempo real y, por lo tanto, allana el camino para el avance en la administración y el tratamiento de medicamentos. [42]
Un ejemplo de estos nanosensores es el uso de las propiedades de fluorescencia de los puntos cuánticos de seleniuro de cadmio como sensores para descubrir tumores dentro del cuerpo. Sin embargo, una desventaja de los puntos cuánticos de seleniuro de cadmio es que son altamente tóxicos para el cuerpo. Como resultado, los investigadores están trabajando en el desarrollo de puntos alternativos hechos de un material diferente, menos tóxico, que aún conserve algunas de las propiedades de fluorescencia. En particular, han estado investigando los beneficios particulares de los puntos cuánticos de sulfuro de cinc que, aunque no son tan fluorescentes como el seleniuro de cadmio, se pueden aumentar con otros metales, incluido el manganeso y varios elementos lantánidos . Además, estos puntos cuánticos más nuevos se vuelven más fluorescentes cuando se unen a sus células objetivo. [34]
Otra aplicación de los nanosensores es el uso de nanocables de silicio en las vías intravenosas para controlar la salud de los órganos. Los nanocables son sensibles para detectar trazas de biomarcadores que se difunden en la vía intravenosa a través de la sangre, lo que puede controlar la insuficiencia renal o de otros órganos. Estos nanocables permitirían la medición continua de biomarcadores, lo que ofrece algunas ventajas en términos de sensibilidad temporal en comparación con los ensayos de cuantificación de biomarcadores tradicionales, como el ELISA. [43]
Los nanosensores también se pueden utilizar para detectar la contaminación en implantes de órganos. El nanosensor se integra en el implante y detecta la contaminación en las células que lo rodean mediante una señal eléctrica enviada a un médico o proveedor de atención médica. El nanosensor puede detectar si las células están sanas, inflamatorias o contaminadas con bacterias. [44] Sin embargo, un inconveniente principal se encuentra en el uso a largo plazo del implante, donde el tejido crece sobre los sensores, lo que limita su capacidad de compresión. Esto impide la producción de cargas eléctricas, acortando así la vida útil de estos nanosensores, ya que utilizan el efecto piezoeléctrico para autoalimentarse.
De manera similar a los que se utilizan para medir los contaminantes atmosféricos, los nanosensores basados en partículas de oro se utilizan para realizar un diagnóstico temprano de varios tipos de cáncer mediante la detección de compuestos orgánicos volátiles (COV) en el aliento, ya que el crecimiento de tumores está asociado con la peroxidación de la membrana celular. [45] Otra aplicación relacionada con el cáncer, aunque todavía en la etapa de sondeo en ratones, es el uso de nanopartículas recubiertas de péptidos como sensores basados en la actividad para detectar el cáncer de pulmón. Las dos principales ventajas del uso de nanopartículas para detectar enfermedades es que permite la detección en etapa temprana, ya que puede detectar tumores del orden de milímetros. También proporciona una herramienta de diagnóstico rentable, fácil de usar, portátil y no invasiva. [45] [46]
Un esfuerzo reciente hacia el avance de la tecnología de nanosensores ha empleado la impronta molecular , que es una técnica utilizada para sintetizar matrices de polímeros que actúan como un receptor en el reconocimiento molecular. Análogo al modelo de cerradura y llave enzima-sustrato , la impronta molecular utiliza moléculas de plantilla con monómeros funcionales para formar matrices de polímeros con una forma específica correspondiente a sus moléculas de plantilla objetivo, aumentando así la selectividad y afinidad de las matrices. Esta técnica ha permitido que los nanosensores detecten especies químicas. En el campo de la biotecnología, los polímeros de impronta molecular (MIP) son receptores sintetizados que han demostrado ser alternativas prometedoras y rentables a los anticuerpos naturales, ya que están diseñados para tener alta selectividad y afinidad. Por ejemplo, un experimento con un sensor MI que contiene nanopuntas con nano-recubrimiento de polifenol no conductor (recubrimiento PPn) mostró la detección selectiva de la proteína E7 y, por lo tanto, demostró el uso potencial de estos nanosensores en la detección y diagnóstico del virus del papiloma humano, otros patógenos humanos y toxinas. [12] Como se muestra arriba, los nanosensores con técnica de impresión molecular son capaces de detectar selectivamente especies químicas ultrasensibles, ya que al modificar artificialmente las matrices de polímeros, la impresión molecular aumenta la afinidad y la selectividad. [12] Aunque los polímeros con impresión molecular brindan ventajas en el reconocimiento molecular selectivo de nanosensores, la técnica en sí es relativamente reciente y aún quedan desafíos como señales de atenuación, sistemas de detección que carecen de transductores efectivos y superficies que carecen de detección eficiente. Una mayor investigación y estudio en el campo de los polímeros con impresión molecular es crucial para el desarrollo de nanosensores altamente efectivos. [47]
Para desarrollar una atención sanitaria inteligente con nanosensores, es necesario establecer una red de nanosensores, a menudo denominada nanorredes, para superar las limitaciones de tamaño y potencia de los nanosensores individuales. [48] Las nanorredes no solo mitigan los desafíos existentes, sino que también proporcionan numerosas mejoras. La resolución a nivel celular de los nanosensores permitirá que los tratamientos eliminen los efectos secundarios y permitan el seguimiento y la notificación continuos de las condiciones de los pacientes.
Las nanorredes requieren más estudios, ya que los nanosensores son diferentes de los sensores tradicionales. El mecanismo más común de las redes de sensores son las comunicaciones electromagnéticas. Sin embargo, el paradigma actual no es aplicable a los nanodispositivos debido a su bajo alcance y potencia. La transducción de señales ópticas se ha sugerido como una alternativa a la telemetría electromagnética clásica y tiene aplicaciones de monitoreo en cuerpos humanos. Otros mecanismos sugeridos incluyen comunicaciones moleculares bioinspiradas, transporte activo cableado e inalámbrico en comunicaciones moleculares, transferencia de energía de Forster y más. Es crucial construir una nanorrede eficiente para que pueda aplicarse en campos como implantes médicos, redes de área corporal (BAN), Internet de las cosas nano (IoNT), administración de medicamentos y más. [49] Con una nanorrede adecuada, los nanodispositivos bioimplantables pueden proporcionar mayor precisión, resolución y seguridad en comparación con los implantes a macroescala. Las redes de área corporal (BAN) permiten que los sensores y actuadores recopilen datos físicos y fisiológicos del cuerpo humano para anticipar mejor cualquier enfermedad, lo que facilitará así el tratamiento. Las posibles aplicaciones de la BAN incluyen el control de enfermedades cardiovasculares, la gestión de la insulina, la visión y la audición artificiales y la gestión de la terapia hormonal. La Internet de las cosas bio-nano se refiere a redes de nanodispositivos a los que se puede acceder a través de Internet. El desarrollo de la IoBNT ha allanado el camino hacia nuevos tratamientos y técnicas de diagnóstico. [50] Las nanorredes también pueden ayudar a la administración de fármacos al aumentar la localización y el tiempo de circulación de los mismos. [48]
Los desafíos existentes con las aplicaciones mencionadas anteriormente incluyen la biocompatibilidad de los nanoimplantes, las limitaciones físicas que conducen a la falta de energía y almacenamiento de memoria, y la biocompatibilidad del diseño del transmisor y receptor de IoBNT. El concepto de nanored tiene numerosas áreas para mejoras: estas incluyen el desarrollo de nanomáquinas , problemas de pila de protocolos, técnicas de suministro de energía y más. [48]
Aún existen regulaciones estrictas para el desarrollo de estándares para nanosensores que se utilizarán en la industria médica, debido al conocimiento insuficiente de los efectos adversos de los nanosensores, así como de los posibles efectos citotóxicos de los nanosensores. [51] Además, puede haber un alto costo de las materias primas como el silicio, los nanocables y los nanotubos de carbono, lo que impide la comercialización y la fabricación de nanosensores que requieren una ampliación de escala para su implementación. Para mitigar el inconveniente del costo, los investigadores están estudiando la fabricación de nanosensores hechos de materiales más rentables. [26] También se necesita un alto grado de precisión para fabricar nanosensores de forma reproducible, debido a su pequeño tamaño y sensibilidad a diferentes técnicas de síntesis, lo que crea desafíos técnicos adicionales que deben superarse.
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