Una nanocápsula es una cubierta a escala nanométrica hecha de un polímero no tóxico . Son sistemas vesiculares hechos de una membrana polimérica que encapsula un núcleo líquido interno a escala nanométrica. Las nanocápsulas tienen muchos usos, incluidas aplicaciones médicas prometedoras para la administración de fármacos, la mejora de los alimentos, los nutracéuticos y los materiales autocurativos. Los beneficios de los métodos de encapsulación son la protección de estas sustancias en entornos adversos, la liberación controlada y la orientación precisa. [1] Las nanocápsulas se pueden utilizar potencialmente como nanorobots o nanobots guiados por resonancia magnética , aunque aún quedan desafíos. [2]
Nanopartícula hueca compuesta por una capa sólida que rodea un espacio formador de núcleo
disponible para atrapar sustancias. [3]
El tamaño típico de la nanocápsula utilizada para diversas aplicaciones varía entre 10 y 1000 nm. Sin embargo, dependiendo de la preparación y el uso de la nanocápsula, el tamaño será más específico. [4]
La estructura de la nanocápsula consiste en un sistema nanovesicular que se forma en una disposición de núcleo-capa. La capa de una nanocápsula típica está hecha de una membrana o recubrimiento polimérico. El tipo de polímeros utilizados es de poliéster biodegradable, ya que las nanocápsulas se utilizan a menudo en sistemas biológicos. La poli-e-caprolactona (PCL), la poli(lactida) (PLA) y la poli(lactida-co-glicolida) (PLGA) son polímeros típicos utilizados en la formación de nanocápsulas. [5] Otros polímeros incluyen poli(ácido metacrílico) tiolado y poli(N-vinilpirrolidona). [6] Como los polímeros sintéticos han demostrado ser más puros y reproducibles en comparación con los polímeros naturales, a menudo se prefieren para la construcción de nanocápsulas. Sin embargo, algunos polímeros naturales como el quitosano , la gelatina , el alginato de sodio y la albúmina se utilizan en algunas nanocápsulas de administración de fármacos. [4] Otras cubiertas de nanocápsulas incluyen liposomas , [7] junto con polisacáridos y sacáridos . Los polisacáridos y sacáridos se utilizan debido a su no toxicidad y biodegradabilidad . Son atractivos para su uso ya que se parecen a las membranas biológicas. [8]
El núcleo de una nanocápsula está compuesto por un surfactante oleoso que se selecciona específicamente para coordinarse con el fármaco seleccionado dentro de la membrana polimérica. El aceite específico utilizado debe ser altamente soluble con el fármaco y no tóxico cuando se utiliza en un entorno biológico. La emulsión de aceite-fármaco debe tener baja solubilidad con la membrana polimérica para garantizar que el fármaco se transporte por todo el sistema correctamente y se libere en el momento y lugar adecuados. Cuando se obtiene la emulsión adecuada, el fármaco debe dispersarse uniformemente por toda la cavidad interna de la membrana polimérica. [4]
El método de encapsulación depende de los requisitos de cada fármaco o sustancia. Estos procesos dependen de las propiedades fisicoquímicas del material del núcleo, del material de la pared y del tamaño requerido. [1] Las formas más comunes de producir nanocápsulas son la nanoprecipitación, [9] la emulsión-difusión y la evaporación del disolvente.
En el método de nanoprecipitación, también denominado método de desplazamiento de disolventes, las nanocápsulas se forman creando una suspensión coloidal entre dos fases separadas. La fase orgánica consta de una solución y una mezcla de disolventes orgánicos. La fase acuosa consta de una mezcla de no disolventes que forma una película superficial. La fase orgánica se inyecta lentamente en la fase acuosa, que luego se agita para formar la suspensión coloidal. Una vez que se forma la suspensión coloidal, se agita hasta que comienzan a formarse las nanocápsulas. El tamaño y la forma de la nanocápsula dependen de la velocidad de inyección junto con la velocidad de agitación. [5]
Otra forma habitual de preparar nanocápsulas es el método de difusión por emulsión. Este método consta de tres fases: orgánica, acuosa y de dilución. En este método, la fase orgánica se añade a la fase acuosa en condiciones de alta agitación, lo que forma una emulsión. Durante este proceso, se añade agua a la emulsión, lo que hace que el disolvente se difunda. El resultado de esta difusión por emulsión es la formación de nanocápsulas. [5]
La evaporación de disolventes es otro método eficaz para preparar nanocápsulas. En este proceso, se forman emulsiones simples o dobles a partir de disolventes y se utilizan para formular una suspensión de nanopartículas. Se utiliza la homogeneización a alta velocidad o la ultrasonicación para formar partículas de tamaño pequeño en la suspensión de nanopartículas. Una vez que la suspensión es estable, los disolventes se evaporan utilizando agitación magnética continua a temperatura ambiente o reduciendo la presión ambiental. [4]
La siguiente tabla muestra cómo las nanocápsulas presentan diferentes características según el método por el cual fueron preparadas. Los tipos de nanocápsulas varían según el tamaño, la concentración del fármaco y el tiempo de liberación de la sustancia activa. [ cita requerida ]
Las nanocápsulas tienden a agregarse y volverse inestables, por lo que las sustancias contenidas en ellas pueden filtrarse. Para controlar la inestabilidad, las nanocápsulas se pueden secar mediante secado por aspersión o secado por congelación (liofilización [10] ). [1]
Secado por aspersión: las soluciones se rocían en un medio de secado. Este método se utiliza más ampliamente en la industria alimentaria y se utiliza para encapsular muchos productos alimenticios, como sabores, minerales, colorantes y vitaminas. Este método hace que las nanocápsulas sean más estables y aumenta la vida útil de los alimentos. [1]
Liofilización: este proceso implica la deshidratación de materiales sensibles al calor. A diferencia del secado por aspersión, el agua se elimina mediante el proceso de sublimación sin cambiar la estructura ni la forma de las nanopartículas. La liofilización implica cuatro etapas: congelación, secado primario, secado secundario y almacenamiento. Debido a las múltiples etapas involucradas, se considera que este método demanda más energía y tiempo. [1]
La relación de aspecto afecta la capacidad de la nanocápsula para penetrar en las células tumorales. Las relaciones de aspecto bajas (cápsulas esféricas) tienden a penetrar en las células con mayor facilidad que las relaciones de aspecto altas (cápsulas con forma de bastón). [6]
La estructura de tamaño nanométrico de las nanocápsulas permite su penetración a través de las membranas basales, lo que las convierte en portadoras eficaces de medicamentos en sistemas biológicos. El procesamiento específico de las nanocápsulas les otorga propiedades únicas en cuanto a la forma en que liberan los medicamentos en determinadas situaciones. En general, existen tres mecanismos de liberación fisicoquímicos que se utilizan para liberar el medicamento o fármaco de la cubierta polimérica de la nanocápsula. [4]
Luz infrarroja cercana: la liberación del fármaco se desencadena por el calor. La tecnología infrarroja puede ser absorbida profundamente por el cuerpo y convertirse en calor. El material sensible al calor, en particular una cubierta de polímero que se hincha al calentarse, se colapsa. La acción de desinflarse es lo que libera el fármaco. [7]
Campos magnéticos: Se incrustan barras magnéticas de escala milimétrica en alcohol polivinílico. El campo magnético dentro de las barras se alterna, lo que da como resultado el cambio de forma y el colapso final de las nanocápsulas. El cambio en la estructura desencadena entonces la liberación del fármaco. [7]
Ultrasonido: Otra opción para la liberación de fármacos es mediante ultrasonido, que es una "onda de presión longitudinal". [7] El ultrasonido puede ser de baja frecuencia, o LFUS, (entre ~20 y ~100 kHz) o de alta frecuencia, HFUS, (>1 MHz). La administración transdérmica ( sonoforesis ) se mejora mediante LFUS, lo que permite que se libere aún más el fármaco. Dado que la onda de HFUS es más alta, se ha demostrado el éxito de la administración de fármacos mediante la forma de burbujas. Las burbujas dentro de la cápsula se forman y colapsan debido a las temperaturas más altas de la onda. [7]
Otras vías de administración son la oral, que es la más activa, la nasal, la transdérmica y la pulmonar. La oral es la más común y la más difícil. Las exigencias de una liberación constante persisten, aunque se están realizando avances para que los fármacos se bioadhieran al tracto intestinal. También se está considerando la bioadhesión para la administración nasal, con el fin de prolongar la vida del fármaco dentro de la nariz. Los fármacos también pueden transferirse a través de la piel (transdérmica). Los inhaladores también son de interés, ya que, por ejemplo, los fármacos contra el asma están compuestos de macromoléculas. Actualmente, los sistemas de inhalación no son deseables para los pacientes, y se espera que en algún momento haya avances en este sistema de administración. [7]
Se están creando cápsulas de polímeros solubles en agua para administrar una proteína, la apoptina, [11] a las células cancerosas. La proteína penetra en el núcleo de las células cancerosas sin afectar a las células sanas, a diferencia de otras terapias convencionales como las terapias genéticas y la quimioterapia. [12] Las cápsulas tienen un tamaño de 100 nm. [12]
También se está investigando la focalización activa de las células cancerosas. Mediante la focalización activa, las nanocápsulas forman ligandos que se unen a las células malignas para su administración celular. Este método es especialmente beneficioso para aquellos fármacos que no son tan permeables a través de la membrana celular y, en los casos en que los tejidos están enfermos, las nanopartículas pueden unirse más fácilmente a las células malignas. [7]
La nanoencapsulación en alimentos implica el cambio de texturas, sabores, coloraciones y estabilidad en la vida útil . [1]
Los nutracéuticos (de nutriente + fármaco ) son sustancias que se colocan en los alimentos para mejorar la nutrición. La mayor biodisponibilidad de estas sustancias es relativa al tamaño del nanotransportador. Cuanto más pequeño sea el nanotransportador, mejores serán las propiedades de administración y la solubilidad de los nutracéuticos; el nanotransportador puede ingresar al torrente sanguíneo más fácilmente si es más pequeño. [1]
Para la encapsulación de nutracéuticos se utilizan polímeros o lípidos (biodegradables de forma natural). Entre los tipos de polímeros utilizados se encuentran el colágeno, la gelatina y la albúmina. [1]
Una investigación relativamente nueva consiste en encapsular enzimas digestivas dentro de una cubierta de polímero no tóxica. Se ha demostrado en ratones de laboratorio que la nanocubierta llena de enzimas absorbe alcohol etílico del torrente sanguíneo, lo que da como resultado una reducción de los niveles de alcohol en sangre. Se ha llegado a la conclusión de que las partículas actúan como orgánulos, lo que sugiere otros beneficios para las terapias enzimáticas. Este descubrimiento está dando pie a otros estudios, como los métodos de encapsulación para la caída del cabello. [13]
En el caso de materiales como componentes de microelectrónica , recubrimientos poliméricos y adhesivos, las nanocápsulas pueden reducir los daños causados por cargas elevadas. La curación de grietas en estos materiales se alivia dispersando nanocápsulas en el polímero. Las sustancias curativas incluyen diciclopentadieno (DCPD), que se prepara en el sitio dentro del material mediante sonicación. El material nanoencapsulado se emulsiona primero dentro del material anfitrión creando un epoxi autorreparador de aceite en agua. A continuación, el material emulsionado se agita dentro del material anfitrión para formar partículas que luego se unen al material anfitrión. [14]
Hasta 2016 [actualizar], se desconocen los efectos de los materiales de tamaño nanométrico en la salud humana y el medio ambiente. Solo mediante evaluaciones de riesgo químico y toxicidad a lo largo del tiempo se podrán confirmar los efectos. Las medidas de prueba son actualmente insuficientes y la aprobación del uso de nanopartículas, especialmente en alimentos, es ambigua. [1]