Los nanosensores son dispositivos a nanoescala que miden cantidades físicas y las convierten en señales que pueden detectarse y analizarse. Hoy en día se proponen varias formas de fabricar nanosensores; estos incluyen litografía de arriba hacia abajo, ensamblaje de abajo hacia arriba y autoensamblaje molecular . [1] Existen diferentes tipos de nanosensores en el mercado y en desarrollo para diversas aplicaciones, sobre todo en las industrias de defensa, medio ambiente y atención médica. Estos sensores comparten el mismo flujo de trabajo básico: una unión selectiva de un analito, generación de señales a partir de la interacción del nanosensor con el bioelemento y procesamiento de la señal en métricas útiles.
Los sensores basados en nanomateriales tienen varias ventajas en cuanto a sensibilidad y especificidad sobre los sensores fabricados con materiales tradicionales, debido a las características de los nanomateriales que no están presentes en el material a granel y que surgen en la nanoescala. [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 deben a la alta relación superficie-volumen de los nanomateriales, así como a nuevas propiedades físicas de los nanomateriales que pueden usarse como base para la detección, incluida la nanofotónica . Los nanosensores también pueden integrarse potencialmente con la nanoelectrónica para agregar capacidad de procesamiento nativa al nanosensor. [4] : 4-10
Además de su sensibilidad y especificidad, los nanosensores ofrecen importantes ventajas en coste y tiempos de respuesta, lo que los hace adecuados para aplicaciones de alto rendimiento. Los nanosensores brindan 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 una inversión en costos de capital, así como tiempo para la preparación de las muestras. [5] [6] [7] [8]
Los nanomateriales unidimensionales, como los nanocables y los nanotubos, son muy adecuados para su uso en nanosensores, en comparación con los dispositivos planos de película delgada o a granel. Pueden funcionar tanto como transductores como como cables para transmitir la señal. Su elevada superficie puede provocar grandes cambios de señal tras la unión de un analito. Su pequeño tamaño puede permitir una amplia multiplexación de unidades de sensores direccionables individualmente en un dispositivo pequeño. Su funcionamiento también es "libre de etiquetas" en el sentido de que no requieren etiquetas fluorescentes o radiactivas en los analitos. [4] : 12–26 El nanocables 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 a bajo costo. [9]
Hay varios desafíos para los nanosensores, que incluyen evitar la deriva y la contaminación , 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 seguimiento de procesos de fabricación y sistemas de transporte. [4] : 4–10 Al medir 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 monitorear 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 nanosensores incluyen ópticas, mecánicas, vibratorias o electromagnéticas. [11]
Como ejemplo de clasificación, los nanosensores que utilizan polímeros de impresión molecular (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 sensor, que incluye carga , conductividad y potencial eléctrico . Los sensores piezoeléctricos convierten la fuerza mecánica en fuerza eléctrica o viceversa. Esta fuerza luego se transforma en una señal. Los sensores espectroscópicos MIP se pueden dividir en tres subcategorías, que son sensores quimioluminiscentes , sensores de resonancia de plasmones 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 mensurable; generalmente, estos aprovechan la sensibilidad de los nanomateriales 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 puertas 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 elegido actualmente es la fluorescencia debido a su alta sensibilidad y relativa facilidad de medición. [15] [16] La medición se puede lograr mediante el uso de los siguientes métodos: uniendo nanopartículas activas a proteínas activas dentro de la célula, usando mutagénesis dirigida al sitio para producir proteínas indicadoras, permitiendo 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 , normalmente 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 se pueden utilizar como nanosensores para cuantificar concentraciones de muestras clínicamente relevantes. Un principio de funcionamiento de estos sensores se basa en la modulación química de un volumen de película de hidrogel que incorpora una rejilla de Bragg . A medida que el hidrogel se hincha o se contrae tras la estimulación química, la rejilla de Bragg cambia de color y difracta la luz en diferentes longitudes de onda. La luz difractada se puede correlacionar con la concentración de un analito objetivo. [18]
Otro tipo de nanosensor es el que funciona a través de una base colorimétrica . Aquí, la presencia del analito provoca una reacción química o una alteración morfológica para que se produzca un cambio de color visible. Una de esas aplicaciones es que las nanopartículas de oro se pueden utilizar para la detección de metales pesados. [19] Muchos gases nocivos también pueden detectarse mediante un cambio colorimétrico, como a través del tubo Dräger disponible comercialmente. Estos proporcionan una alternativa a los voluminosos sistemas a escala de laboratorio, ya que pueden miniaturizarse para usarse 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 estén dentro de los límites apropiados. Los nanosensores colorimétricos proporcionan un método para la determinación in situ de muchos contaminantes. [20] [21] [22]
El método de producción juega un papel central en la determinación de las características del nanosensor fabricado, ya que la función del nanosensor se puede realizar mediante el control de la superficie de las nanopartículas. Hay dos enfoques principales en la fabricación de nanosensores: métodos de arriba hacia abajo, que comienzan con un patrón generado a mayor escala y luego reducido a microescala. Los métodos ascendentes comienzan con átomos o moléculas que se acumulan hasta formar nanoestructuras.
Implica comenzar con un bloque más grande de algún material y tallar la forma deseada. Estos dispositivos tallados, utilizados especialmente en sistemas microelectromecánicos específicos utilizados como microsensores, generalmente sólo alcanzan el tamaño micro , pero los más recientes han comenzado a incorporar componentes de tamaño nanométrico. [1] Uno de los métodos más comunes se llama litografía por haz de electrones. Aunque es muy costosa, esta técnica forma efectivamente 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 tensor para estirar el eje mayor de una fibra mientras se calienta, hasta conseguir escalas de tamaño nanométrico. Este método se utiliza especialmente en fibra óptica para desarrollar nanosensores basados en fibra óptica. [17]
Se han informado dos tipos diferentes de grabado químico. En el método Turner, una fibra se graba hasta un punto mientras se coloca en el menisco entre ácido fluorhídrico y una capa superior orgánica . Se ha demostrado que esta técnica produce fibras con grandes ángulos cónicos (aumentando así 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 consiste en grabar una fibra óptica con una solución monocomponente 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 la fibra de sílice se elimina, 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 puntas grandes y suaves. Este método muestra mucha menos susceptibilidad a los parámetros ambientales que el método de Turner. [17]
Este tipo de métodos implica ensamblar los sensores a partir de componentes más pequeños, generalmente átomos o moléculas individuales. Esto se hace ordenando los átomos en patrones específicos, lo que se ha logrado en pruebas de laboratorio mediante el uso de microscopía de fuerza atómica , pero aún es difícil de lograr en masa y no es económicamente viable.
También conocido como "crecimiento", este método suele implicar un conjunto ya completo de componentes que se ensamblarían automáticamente en un producto terminado. Ser capaz de reproducir con precisión este efecto para un sensor deseado en un laboratorio implicaría que los científicos podrían fabricar nanosensores mucho más rápido y potencialmente mucho más barato al permitir que numerosas moléculas se ensamblaran 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 conducir a la minimización de costos y a una mejora del 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 tanto, una mayor 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 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 pueden mejorarse aprovechando las fuerzas capilares . En investigaciones recientes, se indujeron fuerzas capilares aplicando cinco microlitros de etanol y, como resultado, las nanopartículas individuales se fusionaron en islas más grandes (es decir, de 20 micrómetros de tamaño), partículas separadas por 10 micrómetros en promedio, mientras que las más pequeñas se disolvieron y absorbido. Por otro lado, aplicar el doble (es decir, 10 microlitros) de etanol ha dañado las nanocapas, mientras que una aplicación 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] Implicaba unir una sola partícula al extremo de un nanotubo de carbono y medir la frecuencia de vibración del nanotubo tanto con como con sin la partícula. La discrepancia entre las dos frecuencias permitió a los investigadores medir la masa de la partícula adherida. [1]
Desde entonces, se ha investigado cada vez más el tema de los nanosensores, y se han desarrollado nanosensores modernos para muchas aplicaciones. Actualmente, las aplicaciones de los nanosensores en el mercado incluyen: salud, defensa y militar, y otras como alimentación, medio ambiente y agricultura. [26]
La nanociencia en su conjunto tiene muchas aplicaciones potenciales en el sector militar y de defensa, incluida la detección química, la descontaminación y la ciencia forense. Algunos nanosensores en desarrollo para aplicaciones de defensa incluyen nanosensores para la detección de explosivos o gases tóxicos. Estos 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 se adsorbe una molécula de gas en la superficie del detector, la frecuencia de resonancia del cristal cambia y esto puede medirse como un cambio en las propiedades eléctricas. Además, los transistores de efecto de campo, utilizados como potenciómetros , pueden detectar gases tóxicos si su puerta se vuelve sensible a ellos. [27]
En una aplicación similar, los nanosensores se pueden utilizar en ropa y equipos militares y policiales. El Instituto de Nanociencia del Laboratorio de Investigación de la Marina ha estudiado puntos cuánticos para su aplicación en nanofotónica y en 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 que está en peligro. Otros proyectos implican incorporar 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 progreso en las pruebas; Esto puede resultar difícil con instituciones tan grandes y complejas. Además, los visados y el estatus migratorio pueden convertirse en un problema para los investigadores extranjeros; como el tema es muy delicado, a veces puede ser necesaria una autorización gubernamental. [28] Por último, 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 varias subáreas dentro de los sectores alimentario y ambiental, incluido el procesamiento de alimentos, la agricultura, el monitoreo de la calidad del aire y el agua, y el embalaje y el transporte. Debido a su sensibilidad, así como a su capacidad de sintonización y selectividad de unión resultante, los nanosensores son muy efectivos y pueden diseñarse para una amplia variedad de aplicaciones ambientales. Estas aplicaciones de nanosensores ayudan a realizar una evaluación cómoda, rápida y ultrasensible de muchos tipos de contaminantes ambientales. [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 sensora se ha mejorado con nanomateriales. Se coloca una muestra en una cámara donde los compuestos volátiles se concentran en la fase gaseosa, donde luego se bombea el gas a través de la cámara para llevar el aroma al sensor que mide su huella digital única. La alta relación superficie-volumen de los nanomateriales permite una mayor interacción con los analitos y el rápido tiempo de respuesta del nanosensor permite la separación de respuestas que interfieren. [31] También se han construido sensores químicos utilizando nanotubos para detectar diversas propiedades de las 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 de otras moléculas, lo que permitirá su detección. Para mejorar su selectividad, muchos de ellos implican un sistema mediante el cual se construyen nanosensores para que tengan 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 ellos han sido diseñados como transistores de efecto de campo, mientras que otros aprovechan las capacidades de detección óptica. La unión selectiva del analito se detecta mediante desplazamiento espectral o modulación de fluorescencia. [34] De manera similar, Flood et al. han demostrado que la química supramolecular huésped-huésped ofrece detección cuantitativa utilizando luz dispersada Raman [35], así como SERS . [36]
Actualmente se están desarrollando otros tipos de nanosensores, incluidos puntos cuánticos y nanopartículas de oro , para detectar contaminantes y toxinas en el medio ambiente. Estos aprovechan la resonancia de plasmón superficial localizada (LSPR) que surge a nanoescala, lo que da como resultado una absorción específica de longitud de onda. [37] Este espectro LSPR es particularmente sensible y su dependencia del tamaño de las nanopartículas y el entorno se puede utilizar de varias maneras para diseñar sensores ópticos. Para aprovechar el cambio del espectro LSPR que se produce cuando las moléculas se unen a la nanopartícula, sus superficies pueden funcionalizarse para determinar qué moléculas se unirán y desencadenarán una respuesta. [38] Para aplicaciones ambientales, las superficies de puntos cuánticos se pueden modificar con anticuerpos que se unen específicamente a microorganismos u otros contaminantes. Luego se puede utilizar la espectroscopia 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 por 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 y sobre qué se restablecerá la fluorescencia. 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 FRET, en el que la presencia de metales inhibe la interacción entre puntos cuánticos y nanopartículas de oro, y apaga la respuesta FRET. [39] Otra posible implementación aprovecha la dependencia del tamaño del espectro LSPR para lograr la detección de iones. En un estudio, Liu et al. Nanopartículas de oro funcionalizadas con una enzima sensible a Pb 2+ para producir un sensor de plomo. Generalmente, las nanopartículas de oro se agregarían a medida que se acercaran unas a otras, 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, podría detectarse la presencia de iones.
El principal desafío asociado con el uso de nanosensores en los alimentos y el medio ambiente es determinar su toxicidad asociada y su efecto general sobre el medio ambiente. Actualmente, no se sabe lo suficiente sobre cómo afectará la implementación de nanosensores al suelo, a las plantas y a los seres humanos a largo plazo. Esto es difícil de abordar por completo 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 de diagnóstico, ya que permiten 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 de diagnóstico y 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 actualmente la investigación se centra 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 avances en la administración y el tratamiento de fármacos. [42]
Un ejemplo de estos nanosensores implica 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 de seleniuro de cadmio es que son muy tóxicos para el cuerpo. Como resultado, los investigadores están trabajando en el desarrollo de puntos alternativos hechos de un material diferente y menos tóxico, conservando al mismo tiempo algunas de las propiedades de fluorescencia. En particular, han estado investigando los beneficios particulares de los puntos cuánticos de sulfuro de zinc que, aunque no son tan fluorescentes como el seleniuro de cadmio, pueden complementarse con otros metales, incluidos el manganeso y varios elementos lantánidos . Además, estos nuevos puntos cuánticos se vuelven más fluorescentes cuando se unen a sus células objetivo. [34]
Otra aplicación de los nanosensores implica el uso de nanocables de silicio en líneas 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 y que pueden controlar la insuficiencia renal u orgánica. Estos nanocables permitirían la medición continua de biomarcadores, lo que proporciona algunos beneficios en términos de sensibilidad temporal sobre los ensayos tradicionales de cuantificación de biomarcadores como ELISA. [43]
Los nanosensores también se pueden utilizar para detectar contaminación en implantes de órganos. El nanosensor está integrado en el implante y detecta la contaminación en las células que rodean el implante a través de una señal eléctrica enviada a un médico o proveedor de atención médica. El nanosensor puede detectar si las células están sanas, inflamadas o contaminadas con bacterias. [44] Sin embargo, un inconveniente principal se encuentra en el uso a largo plazo del implante, donde el tejido crece encima de los sensores, lo que limita su capacidad de comprimir. Esto impide la producción de cargas eléctricas, acortando así la vida útil de estos nanosensores, ya que utilizan el efecto piezoeléctrico para autoenergizarse.
De manera similar a los utilizados para medir los contaminantes atmosféricos, los nanosensores basados en partículas de oro se utilizan para dar un diagnóstico temprano de varios tipos de cáncer mediante la detección de compuestos orgánicos volátiles (COV) en el aliento, ya que el crecimiento tumoral está asociado con la peroxidación de la membrana celular. [45] Otra aplicación relacionada con el cáncer, aunque todavía en etapa de investigación con ratones, es el uso de nanopartículas recubiertas de péptidos como sensores basados en actividad para detectar el cáncer de pulmón. Las dos principales ventajas del uso de nanopartículas para detectar enfermedades es que permite la detección temprana, ya que puede detectar tumores del orden de milímetros. También proporciona una herramienta de diagnóstico no invasiva, portátil, fácil de usar y rentable. [45] [46]
Un esfuerzo reciente hacia el avance de la tecnología de nanosensores ha empleado la impresión molecular , que es una técnica utilizada para sintetizar matrices poliméricas que actúan como receptores en el reconocimiento molecular. De manera análoga al modelo de llave y cerradura de sustrato enzima , la impresión molecular utiliza moléculas plantilla con monómeros funcionales para formar matrices poliméricas con una forma específica correspondiente a sus moléculas plantilla objetivo, aumentando así la selectividad y afinidad de las matrices. Esta técnica ha permitido a los nanosensores detectar especies químicas. En el campo de la biotecnología, los polímeros de impresión 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 nanorecubrimiento de polifenol no conductor (recubrimiento de PPn) mostró una 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 en el sentido de que, al modificar artificialmente las matrices poliméricas, la impresión molecular aumenta la afinidad y la selectividad. [12] Aunque los polímeros impresos molecularmente brindan ventajas en el reconocimiento molecular selectivo de nanosensores, la técnica en sí es relativamente reciente y aún quedan desafíos como la atenuación de señales, sistemas de detección que carecen de transductores efectivos y superficies que carecen de una detección eficiente. Es crucial realizar más investigaciones e investigaciones en el campo de los polímeros impresos molecularmente 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 nanored, para superar las limitaciones de tamaño y potencia de los nanosensores individuales. [48] Las nanorredes no sólo 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 permitirán un seguimiento e informes continuos de las condiciones de los pacientes.
Las nanorredes requieren más estudios en el sentido de que los nanosensores son diferentes de los sensores tradicionales. El mecanismo más común de las redes de sensores es a través de 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 por cable e inalámbrico en comunicaciones moleculares, transferencia de energía de Forster y más. Es crucial construir una nanored eficiente para que pueda aplicarse en campos como los implantes médicos, las redes de áreas corporales (BAN), el Internet de las nanocosas (IoNT), la administración de medicamentos y más. [49] Con una nanored experta, los nanodispositivos bioimplantables pueden proporcionar mayor precisión, resolución y seguridad en comparación con los implantes a macroescala. Las redes de área corporal (BAN) permiten a sensores y actuadores recopilar datos físicos y fisiológicos del cuerpo humano para anticipar mejor cualquier enfermedad, lo que facilitará así el tratamiento. Las posibles aplicaciones de BAN incluyen el control de enfermedades cardiovasculares, el control de la insulina, la visión y audición artificiales y el control de la terapia hormonal. Internet of Bio-Nano Things se refiere a redes de nanodispositivos a los que se puede acceder a través de Internet. El desarrollo de IoBNT ha allanado el camino hacia nuevos tratamientos y técnicas de diagnóstico. [50] Las nanorredes también pueden ayudar a la administración de medicamentos al aumentar la localización y el tiempo de circulación de los medicamentos. [48]
Los desafíos existentes con las aplicaciones antes mencionadas 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 de mejora: estas incluyen el desarrollo de nanomáquinas , problemas de pila de protocolos, técnicas de suministro de energía y más. [48]
Todavía existen regulaciones estrictas para el desarrollo de estándares para los 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 materias primas como el silicio, los nanocables y los nanotubos de carbono, lo que impide la comercialización y fabricación de nanosensores que requieren una ampliación para su implementación. Para mitigar el inconveniente del coste, los investigadores están estudiando la posibilidad de fabricar nanosensores fabricados con 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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