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Oro coloidal

Coloide de oro de tamaño variable
Suspensiones de nanopartículas de oro de distintos 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 es de color generalmente 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 una importante investigación, con muchas aplicaciones potenciales o prometidas en una amplia variedad de áreas, incluidas la microscopía electrónica , la electrónica , [4] la nanotecnología , la ciencia de los materiales , [5] y la biomedicina . [6] [7] [8] [9]

Las propiedades de las nanopartículas de oro coloidal, y por lo tanto sus posibles aplicaciones, dependen en gran medida de su tamaño y forma. [10] Por ejemplo, las partículas con 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 añadiendo una sal de oro (probablemente cloruro de oro) al vidrio fundido.

Utilizado desde la antigüedad como método para teñir vidrios , el oro coloidal se utilizó 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 reputación de ser un remedio curativo para diversas enfermedades. En 1618, Francis Anthony , filósofo y miembro de la profesión médica, publicó un libro titulado 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, Treatise of Aurum Potabile [ 15] , en el que se analizaban exclusivamente los usos médicos del oro coloidal.

En 1676, Johann Kunckel , un 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 supuso que el color rosa 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 un laboratorio del sótano de la Royal Institution , Faraday creó accidentalmente una solución de color rojo rubí mientras montaba piezas 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. Utilizó fósforo para reducir una solución de cloruro de oro. El oro coloidal que Faraday fabricó hace 150 años todavía es ópticamente activo. Durante mucho tiempo, la composición del oro "rubí" no estuvo clara. Varios químicos sospecharon que era un compuesto de oro y estaño , debido a su preparación. [20] [21] Faraday reconoció que el color se debía en realidad al tamaño en miniatura de las partículas de oro. Observó las propiedades de dispersión de 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 avanzados, como la microscopía de fuerza atómica y la microscopía electrónica , han contribuido en gran medida a la investigación de las nanopartículas. Debido a su síntesis comparativamente fácil y su alta estabilidad, se han estudiado diversas partículas de oro para sus usos prácticos. Ya se utilizan diferentes tipos de nanopartículas de oro en muchas industrias.

Propiedades físicas

Óptico

La variación de la sección transversal de dispersión de una nanopartícula de oro de 100 nm de radio en función de 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, negros y, finalmente, transparentes e incoloros (partículas más grandes), según el tamaño de la partícula, la forma, el índice de refracción local y el estado de agregación. Estos colores se producen debido a un fenómeno llamado resonancia plasmónica superficial localizada (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 dispersión dependen del tamaño, la composición de la forma y el entorno de las nanopartículas. Este fenómeno se puede cuantificar mediante el uso de la teoría de dispersión de Mie para nanopartículas esféricas. Las nanopartículas con diámetros de 30 a 100 nm se pueden detectar fácilmente con un microscopio, y las partículas con un tamaño de 40 nm incluso se pueden detectar 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 fuerte 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, los ligandos de las 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, la LSPR cambia a longitudes de onda más largas. [28] Además del entorno del 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 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

Marcaje con microscopio electrónico

El oro coloidal y sus diversos derivados han sido durante mucho tiempo los marcadores más utilizados para antígenos en la 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 micrografías electrónicas, lo que permite experimentos simultáneos de marcado múltiple. [37]

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

Sistema de administración de fármacos

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 del fármaco. [39] [40] La administración de fármacos mediada por nanopartículas es factible solo si la distribución del fármaco es inadecuada de otro modo. Estos casos incluyen la focalización del fármaco en inestables ( proteínas , ARNi , ADN ), la 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 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 portadores de fármacos como el paclitaxel . [42] La administración de fármacos hidrófobos 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 de superficie mejorada ) in vivo . Estas nanopartículas de oro están rodeadas de reporteros Raman, que proporcionan una emisión de luz que es 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 la circulación in vivo . Para atacar específicamente a las células tumorales, las partículas de oro polietilenglicol 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. Usando SERS, estas nanopartículas de oro pegiladas pueden detectar la ubicación del tumor. [43]

Las nanopartículas de oro se acumulan en los tumores debido a la permeabilidad de la vasculatura tumoral y pueden utilizarse como agentes de contraste para mejorar la obtención de imágenes en un sistema de tomografía óptica con 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 de oro esféricas 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]

Ataque al tumor mediante nanotransportadores multifuncionales. Las células cancerosas reducen la adhesión a las células vecinas y migran al estroma rico en vasos sanguíneos. Una vez en los vasos sanguíneos, las células pueden ingresar libremente al torrente sanguíneo. Una vez que el tumor está conectado directamente al sistema circulatorio principal, los nanotransportadores multifuncionales pueden interactuar directamente con las células cancerosas y atacar eficazmente los tumores.

Terapia génica

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

Nanopartículas de oro y siRNA multifuncionales con varias biomoléculas: PEG, péptidos de adhesión y penetración celular y siRNA. Se emplearon dos enfoques diferentes para conjugar el siRNA con la nanopartícula de oro: (1) Enfoque covalente : uso de siRNA tiolado para la unión del oro-tiol a la nanopartícula; (2) Enfoque iónico : interacción del siRNA 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 las nucleasas intracelulares y facilitar la funcionalización para una orientación selectiva. [45]

Agentes fototérmicos

Las nanobarras de oro se están investigando como agentes fototérmicos para aplicaciones in vivo. Las nanobarras de oro son nanopartículas de oro con forma de varilla cuyas relaciones de aspecto sintonizan la banda de resonancia plasmónica de superficie (SPR) desde la longitud de onda visible hasta la cercana al infrarrojo. La extinción total de la luz en la 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, las nanobarras de oro de diámetro pequeño se están utilizando como convertidores fototérmicos de luz cercana al infrarrojo debido a sus altas secciones transversales de absorción. [46] Dado que la luz cercana al infrarrojo se transmite fácilmente a través de la piel y el tejido humanos, estas nanobarras se pueden utilizar como componentes de ablación para el cáncer y otros objetivos. Se ha observado que, cuando se recubren con polímeros, 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 los órganos internos, 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 su tamaño está por encima del umbral de excreción renal . [48] [49] En 2019, se informó de la primera arquitectura ultrapequeña en nano plasmónica con absorción NIR, que combina conjuntamente: (i) una conversión fototérmica adecuada para tratamientos de hipertermia , (ii) la posibilidad de múltiples tratamientos fototérmicos y (iii) la excreción renal de los componentes básicos después de la acción terapéutica. [50]

Potenciador de dosis de radioterapia

Se ha mostrado un interés considerable en el uso de oro y otras nanopartículas que contienen átomos pesados ​​para aumentar la dosis administrada a los tumores. [51] Dado que las nanopartículas de oro son absorbidas por los tumores más que por el tejido sano cercano, la dosis se mejora 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). Disolución de H
2La adición de S 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 su pequeño tamaño, su elevada relación superficie-volumen y su elevada energía superficial, permiten la inmovilización de una amplia gama de biomoléculas. Las nanopartículas de oro, en particular, también podrían actuar como "cable electrónico" para transportar electrones y su efecto de amplificación de la luz electromagnética le permite funcionar como amplificador 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 lo 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 de superficie, una interacción entre las ondas de luz y los electrones conductores en el metal, cambia cuando otras sustancias se unen 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 el SPR de la nanopartícula de oro y, por lo tanto, permite una detección más sensible. La nanopartícula de oro también podría 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 I en el oro interactúan y dan como resultado una respuesta de energía más alta, 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 han utilizado para construir un sensor de ADN con una sensibilidad 1000 veces mayor que sin la nanopartícula de oro. [62] También se han construido sensores de humedad alterando el espaciamiento de los átomos entre las moléculas con el cambio de humedad; el cambio en el espaciamiento también daría como resultado un cambio en el LSPR de la nanopartícula de oro. [63]

Biosensor electroquímico

Los sensores electroquímicos convierten la información biológica en señales eléctricas que pueden detectarse. La conductividad y biocompatibilidad de las nanopartículas de oro le permiten actuar como un "cable de electrones". [54] Transfiere electrones entre el electrodo y el sitio activo de la enzima. [64] Esto se puede lograr de dos maneras: unir las nanopartículas de oro a la enzima o al electrodo. El electrodo monocapa de GNP-glucosa oxidasa se construyó utilizando estos dos métodos. [65] Las nanopartículas de oro permitieron una mayor libertad en la orientación de la enzima y, por lo tanto, una detección más sensible y estable. Las nanopartículas de oro también actúan como plataforma de inmovilización para 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 de las nanopartículas de oro le permiten unirse a una gran cantidad de proteínas sin alterar su actividad, lo que da como resultado un sensor más sensible. [66] [67] Además, las nanopartículas de oro también catalizan reacciones biológicas. [68] [69] Las nanopartículas de oro de menos de 2 nm han mostrado actividad catalítica para la oxidación del estireno. [70]

Biosensor inmunológico

Las nanopartículas de oro se han recubierto 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 sueros de pacientes. [72]

Películas delgadas

Las nanopartículas de oro recubiertas con ligandos orgánicos, como las moléculas de alcanotiol, pueden autoensamblarse en grandes monocapas (>cm2 ) . 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 surfactantes.

Las propiedades mecánicas de las monocapas de nanopartículas se han estudiado ampliamente. Para esferas de 5 nm recubiertas 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 las capas de ligando en partículas adyacentes. [74] Al fracturarse, las películas se agrietan perpendicularmente a la dirección de la deformación a 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, mayor que la 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 rotacionales de las partículas. [76] Por otro lado, se ha descubierto que la resistencia a la flexión se reduce en gran medida en las monocapas de nanopartículas que se apoyan en la interfaz aire/agua, posiblemente debido al apantallamiento de las interacciones de ligando en un entorno húmedo. [77]

Química de superficies

En muchos tipos diferentes de síntesis de oro coloidal, la interfaz de las nanopartículas puede mostrar un carácter muy diferente, que va desde una interfaz similar a una monocapa autoensamblada hasta un límite desordenado sin patrones repetitivos. [78] Más allá de la interfaz Au-Ligand, la conjugación de los ligandos interfaciales con varias fracciones funcionales (desde pequeñas moléculas orgánicas hasta polímeros, ADN y ARN) proporciona al oro coloidal gran parte de su vasta 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 nanopartículas de oro producidas a través del método de estilo Turkevich (o reducción de citrato) reaccionan fácilmente a través de reacciones de intercambio de ligando, debido a la unión relativamente débil entre los grupos carboxilo y las superficies de las nanopartículas. [79] Este intercambio de ligando 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 las interacciones entre los adsorbatos y las superficies de oro activas para reacciones de oxigenación específicas. [80] El intercambio de ligando también se puede utilizar para promover la transferencia de fase de las partículas coloidales. [78] El intercambio de ligando también es posible con las nanopartículas detenidas por tiol de alcano producidas a partir del método de síntesis de 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 a través de la conjugación de los ligandos con otras moléculas, aunque este método puede provocar que se rompa la estabilidad coloidal de las nanopartículas de Au. [83]

Eliminación de ligando

En muchos casos, como en diversas aplicaciones catalíticas de alta temperatura del Au, la eliminación de los ligandos de recubrimiento 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 nanopartícula de Au puede ser difícil debido a la tendencia de estos grupos desnudos a agregarse. La eliminación de ligandos se puede lograr parcialmente simplemente lavando todo el exceso de ligandos de recubrimiento, aunque este método es ineficaz para eliminar todo el ligando de recubrimiento. Más a menudo, la eliminación del ligando se logra mediante ablación a alta temperatura o con luz seguida de lavado. Alternativamente, los ligandos se pueden eliminar mediante grabado electroquímico . [85]

Estructura superficial y entorno químico

La estructura precisa de los ligandos en la superficie de las nanopartículas de oro coloidal afecta las propiedades de las partículas de oro coloidal. Las conformaciones de unión y el empaquetamiento de la superficie de los ligandos de recubrimiento en la superficie de las nanopartículas de oro coloidal tienden a diferir en gran medida de la adsorción del modelo de superficie a granel, en gran parte debido a la alta curvatura observada en las superficies de las nanopartículas. [78] Las interfaces tiolato-oro a escala nanométrica 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 significativo de Thiyl-Au(0). [86] [87] La ​​superficie citrato-oro, por otro lado, es 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 de metal de la superficie. [88]

Salud y seguridad

A medida que se investigan más las nanopartículas de oro (AuNPs) para la administración dirigida de fármacos en humanos, se debe considerar su toxicidad. En su mayor parte, se sugiere que las AuNPs son biocompatibles, [89] pero se deben determinar las concentraciones en las que se vuelven tóxicas, y si esas concentraciones caen 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 toman 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 del tejido (riñón, hígado, sangre) y las respuestas inflamatorias y oxidativas . [90] Los experimentos in vitro son más populares que los experimentos in vivo porque los experimentos in vitro son más simples de realizar que los experimentos in vivo . [90]

Toxicidad y peligros en la síntesis

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

Toxicidad debida a ligandos de recubrimiento

Algunos de los ligandos de recubrimiento asociados con las AuNP pueden ser tóxicos, mientras que otros no lo son. En las nanobarras de oro (AuNR), se ha demostrado que una fuerte citotoxicidad se asoció con las AuNR estabilizadas con CTAB a baja concentración, pero se cree que el CTAB libre fue el culpable de la toxicidad. [92] [93] Las modificaciones que recubren estas AuNR reducen esta toxicidad en las células de cáncer de colon humano (HT-29) al evitar que las moléculas de CTAB se desorban de las AuNR de regreso a la solución. [92] La toxicidad del ligando también se puede observar en las AuNP. En comparación con la toxicidad del 90% de HAuCl4 a la misma concentración, se demostró que las AuNP con extremos carboxilato no son tóxicas. [94] Las nanopartículas de oro grandes conjugadas con biotina, cisteína, citrato y glucosa no fueron tóxicas en células de leucemia humana ( K562 ) para concentraciones de hasta 0,25 M. [95] Además, se ha demostrado que las nanoesferas de oro con tapa de citrato (AuNS) son compatibles con la sangre humana y no causaron agregación plaquetaria ni una respuesta inmunitaria. [96] Sin embargo, se descubrió que las nanopartículas de oro con tapa de citrato de tamaños de 8-37 nm eran letalmente tóxicas para los ratones, causando vidas más cortas, enfermedad grave, pérdida de apetito y peso, decoloración del cabello y daño al hígado, bazo y pulmones; las nanopartículas de oro se acumularon en el bazo y el hígado después de viajar por una sección del sistema inmunológico. [97] Hay puntos de vista mixtos sobre las nanopartículas de oro modificadas con polietilenglicol (PEG). Se descubrió que estas nanopartículas de oro eran tóxicas en el hígado de ratón por inyección, causando muerte celular e inflamación menor. [98] Sin embargo, las AuNP conjugadas con copolímeros de PEG mostraron una toxicidad insignificante hacia las células de colon humanas ( Caco-2 ). [99] La toxicidad de las AuNP también depende de la carga general de los ligandos. En ciertas dosis, las AuNS que tienen ligandos cargados positivamente son tóxicas en células de riñón de mono (Cos-1), glóbulos rojos humanos y E. coli debido a la interacción de las AuNS con la membrana celular cargada negativamente; se ha descubierto que las AuNS con ligandos cargados negativamente no son tóxicas 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 las membranas celulares de mamíferos in vitro a un alto nivel, lo que es perjudicial para estas células. [100] La opacidad corneal en conejos se ha curado in vivo mediante el uso de nanopartículas de oro recubiertas con polietilenglicol que fueron transfectadas con un gen que promueve la cicatrización de heridas e inhibe la opacidad corneal.fibrosis . [101]

Toxicidad debido al tamaño de las nanopartículas

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

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

Síntesis

Diferencia de potencial en función de la distancia a 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 aglomeren, se añaden agentes estabilizadores. El citrato actúa como agente reductor y estabilizador coloidal.

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

Método Turkevich

Este método simple fue desarrollado por J. Turkevich et al. en 1951 [107] [108] y refinado por G. Frens en la década de 1970. [109] [110] Produce nanopartículas de oro esféricas modestamente monodispersas de alrededor de 10-20 nm de diámetro. Se pueden producir partículas más grandes, pero a costa de la monodispersión 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 procede a través de la formación de nanocables de oro transitorios . Estos nanocables de oro son responsables de la apariencia oscura de la solución de reacción antes de que se vuelva rojo rubí. [111]

Agentes de tapado

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

Método de Brust-Schiffrin

Este método fue descubierto por Brust y Schiffrin a principios de los años 1990, [115] y puede utilizarse 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 cloráurico 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 alrededor de 5-6 nm. [116] NaBH 4 es el agente reductor y TOAB es tanto el catalizador de transferencia de fase como el agente estabilizador.

El TOAB no se une a las nanopartículas de oro con mucha fuerza, 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 alcanotioles se pueden precipitar y luego redisolver. 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 de uso común para sintetizar partículas más pequeñas. [120] Parte del agente de transferencia de fase puede permanecer unido a las nanopartículas purificadas, esto puede afectar las 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 sobre su superficie. Asimismo, las nanopartículas de oro pueden actuar junto con la hidroquinona para catalizar la reducción del oro iónico sobre su superficie. La presencia de un estabilizador como el citrato da como resultado la deposición controlada de átomos de oro sobre las partículas y el crecimiento. Por lo general, las semillas de nanopartículas se producen utilizando el método del citrato. El método de la hidroquinona complementa al de Frens, [109] [110] ya que amplía el rango 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 mediante el ajuste de la relación de iones NaBH 4 -NaOH a iones HAuCl 4 -HCl dentro de la "zona dulce", junto con el calentamiento, permite un ajuste reproducible del diámetro entre 3 y 6 nm. Las partículas acuosas son coloidalmente estables debido a su alta carga proveniente del exceso de iones en solución. Estas partículas pueden recubrirse con varias funcionalidades hidrofílicas o mezclarse con ligandos hidrofóbicos para aplicaciones en solventes no polares. En solventes no polares, las nanopartículas permanecen altamente cargadas y se autoensamblan en gotitas 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 se sintetizan normalmente a altas temperaturas en disolventes orgánicos o utilizando reactivos tóxicos. Las bacterias las producen en condiciones mucho más suaves.

Método de Navarro et al.

En el caso de partículas mayores 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 las nanopartículas, 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 por sonolisis . El primer método de este tipo fue inventado por Baigent y Müller. [125] Este trabajo fue pionero en el uso de ultrasonidos para proporcionar la 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 ultrasonidos, 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 colapsantes y el agua a granel) y la morfología obtenida es la de nanocintas con un ancho de 30-50 nm y una longitud de varios micrómetros. Estas cintas son muy flexibles y pueden doblarse con ángulos mayores de 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 copolímeros en bloque

Sakai et al. [127] han desarrollado una metodología de síntesis económica, benigna para el medio ambiente y rápida para nanopartículas de oro utilizando copolímeros en bloque. En esta metodología de síntesis, el copolímero en bloque desempeña el doble papel de agente reductor y de agente estabilizador. La formación de nanopartículas de oro comprende tres pasos principales: reducción del ion de sal de oro por copolímeros en bloque en la solución y formación de cúmulos de oro, adsorción de copolímeros en bloque en cúmulos de oro y reducción adicional de iones de sal de oro en las superficies de estos cúmulos de oro para el crecimiento de partículas de oro en pasos y, finalmente, su estabilización por 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 mejorar el rendimiento de nanopartículas muchas veces a temperatura ambiente.

Aplicaciones

Síntesis de nanopartículas conjugadas con antibióticos

Las nanopartículas metálicas funcionalizadas con antibióticos se han estudiado ampliamente como un modo de tratar cepas bacterianas resistentes a múltiples fármacos. Por ejemplo, las nanopartículas de oro con protección de 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]

Véase también

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