Diseño de nanovehículos de polietilenglicol en forma de escobilla para atravesar el epitelio de las vías respiratorias humanas

  

 

La administración de medicamentos por vía pulmonar es crucial en el tratamiento de enfermedades respiratorias; sin embargo, la superficie pulmonar se encuentra recubierta por moco (un hidrogel viscoso, elástico y pegajoso) que atrapa partículas y patógenos inhalados. El moco está separado del epitelio pulmonar por una capa periciliar, que proporciona un ambiente favorable para el movimiento de los cilios y la lubricación de la superficie celular. Junto con los objetos atrapados, el moco es transportado fuera del pulmón por el movimiento coordinado de los cilios. Aunque es esencial para mantener la salud respiratoria, este proceso de limpieza mucociliar también impide la administración y retención eficiente de fármacos dentro de las vías respiratorias.

Un grupo de investigadores de la Universidad de Virginia desarrolló un  nanovehículo de polietilenglicol (PEG) en forma de escobilla de laboratorio, denominado PEG-BB, cuya estructura consiste en un esqueleto lineal densamente ramificado con aproximadamente 1,000 cadenas de PEG de bajo peso molecular. Estos nanovehículos con diámetro hidrodinámico de ~40 nm han demostrado ser adecuados para  penetrar el epitelio de las vías respiratorias humanas mediante la endocitosis. 

Se evaluó  la captación de PEG-BB en células epiteliales bronquiales humanas (HBECs) y fibroblastos NIH-3T3, utilizando microscopía confocal.  Se encontró que el PEG-BB se internaliza rápidamente desde ambos lados de la capa epitelial. Además, se observó que los nanovehículos se retienen eficazmente en las células, lo que sugiere su potencial como portadores de fármacos de liberación sostenida.

Estos resultados no solo mejoran la comprensión de las interacciones entre nanopartículas y células, sino que también abren nuevas vías para el desarrollo de tratamientos más efectivos en enfermedades respiratorias. Los autores planean realizar estudios in vitro e in vivo en modelos murinos para explorar su aplicación clínica.

Para mayores detalles consultar:ACS Nano

Sensor ultrasensible de NO2 a temperatura ambiente basado en WS2 modificado con un co-catalizador de Fe-Ni

 

Para asegurar la protección de la salud, es muy importante poder detectar gases tóxicos con rapidez y alta sensibilidad a temperatura ambiente. En particular el dióxido de nitrógeno (NO2) es un gas corrosivo que amenaza tanto la ecología del medio ambiente como a la salud humana. Se ha determinado que cuando la concentración de NO2 en la atmósfera excede 40 a 60 ppb*  resulta dañino para la salud. Hasta ahora, los materiales para construir sensores han mostrado una respuesta pobre a la temperatura ambiente.

La investigación de los dicalcogenuros de metales de transición (TMD por sus siglas del inglés transition metal dicalcogenides) ha generado mucho interés en el campo de los sensores de gases, sobre todo porque pueden operar a temperatura ambiente y tienen potencial hacia un menor consumo de energía. En particular, el WS2 se presenta como un candidato ideal para la detección de gases a temperatura ambiente porque exhibe una alta movilidad electrónica, eficiente respuesta fotoeléctrica, excepcional estabilidad térmica y resistencia a la oxidación. Se ha reportado que el rendimiento de los TDM se mejora considerablemente con la adición de metales como Pt. Además, si se modifican con compuestos bimetálicos se observa una reducción en la energía de activación de las reacciones del sensor con el gas por el proceso co-catalítico, lo que disminuye la temperatura de operación y aumenta los tiempos de respuesta y recuperación. 

En este trabajo, investigadores de China propusieron un método de síntesis directa para la preparación de un sensor de gas basado en WS2 co-dopado con Fe y Ni. Los resultados demuestran que los sensores basados en la heteroestructura, Fe-Ni@WS2, exhiben una respuesta al NO2 significativamente mayor, a temperatura ambiente, comparada con la respuesta de sensores a base de WS2 puro. El composito Fe-Ni@WS2 se sintetizó aplicando el método hidrotermal de un solo paso. La morfología, estructura y las propiedades fisicoquímicas de los materiales fueron caracterizadas por diferentes técnicas analíticas como SEM, TEM, XRD y XPS entre otras.

Los resultados de esta investigación indican un enfoque eficaz para el diseño racional de sitios activos en el proceso de fabricación de sensores de gas de alto rendimiento basados en TMD modificados con compuestos bimetálicos.

*ppb = 1 parte por billón estadounidense, o sea, 1/109 0.001 ppm

Más información en: Applied Surface Science

Catalizadores de capas atómicas de aleaciones metálicas de alta entropía con arreglos atómicos cuadrados

 

Los primeros estudios sobre aleaciones de alta entropía (HEAs, del inglés high entropy alloys) se reportaron en 2004, estableciéndose como materiales con alto potencial en una amplia gama de aplicaciones. En los últimos años, se han desarrollado nanocristales o nanoestructuras de HEA monofásicos, sus derivados intermetálicos y sus correspondientes óxidos para diversas aplicaciones catalíticas, y han demostrado una alta actividad, selectividad y durabilidad. Como opción principal se consideraron la serie de catalizadores de HEA a escala nanométrica compuestos principalmente de metales del grupo del platino (PGM, del inglés platinum-group metals) como Pt, Pd, Rh, Ru, Ir y Os. Sin embargo, tales elementos PGM son escasos y muy caros, por lo que resulta extremadamente importante minimizar su demanda.

Investigadores de Taiwán, sintetizaron catalizadores metálicos nanométricos de HEA con estructura núcleo-coraza (core-shell) constituidos por núcleos de nanocubos de Pd (con 16.8 nm de lado) cubiertos por capas atómicas subnanométricas quinarias de tres elementos del grupo del hierro (IGM, del inglés iron-group metals) y dos elementos del PGM. Desarrollaron una familia de diez catalizadores, denotados como Pd@IGM-PGM-HEA, con composiciones quinarias distintas de las corazas IGM-PGM-HEA constituidas por los elementos IGM Fe, Co, y Ni, aleados con los dos elementos PGM escogidos entre Pt, Pd, Rh, Ru e Ir. El arreglo cuadrado de los átomos de las corazas HEAs, con facetas {100}, es controlado con precisión por las semillas cúbicas de Pd.

Los catalizadores se probaron en reacciones electrocatalíticas para explorar su rendimiento en la reacción de producción de hidrógeno molecular H2 (HER, del inglés hydrogen evolution reaction) y la reacción de oxidación de hidrógeno (HOR, del inglés hydrogen oxidation reaction). Comparado con los otros catalizadores Pd@IGM-PGM-HEA de la familia y catalizadores comerciales de Pt/C, el catalizador Pd@PtRuFeCoNi presentó una actividad catalítica y durabilidad superior en las reacciones HER y HOR. 

Empleando la espectroscopia de absorción de rayos X de sincrotrón para la observación in situ de las reacciones HER y HOR, y mediante simulaciones utilizando la teoría del funcional de la densidad, los investigadores confirmaron el efecto sinérgico llamado “efecto cóctel” que surge de la composición multi-metálica. Este efecto optimiza la energía libre de adsorción de hidrógeno y contribuye a la notable actividad catalítica observada en las capas atómicas de PtRuFeCoNi. Por otra parte, mediante el uso de la microscopía electrónica de transmisión de barrido de alta resolución (HAADF-STEM) in situ observaron una transformación de fase metaestable de las capas atómicas de PtRuFeCoNi durante el proceso de recocido. Demostraron que el ordenamiento de los átomos transita de una mezcla aleatoria a los 25 °C a estados intermetálicos ordenados entre 300 °C y 400 °C y, finalmente, a los 500 °C se observan fases separadas.

Este trabajo no solo establece un paradigma para el desarrollo de nanocristales de IGM-PGM-HEA con facetas controladas, sino que también promueve conocimientos fundamentales sobre su mecanismo catalítico y estabilidad térmica.

Más información en: Science

Remoción de CO2 directamente del aire mediante adsorbentes cargados

 

En la actualidad, la mayor parte de la energía que consumimos proviene de los combustibles fósiles. Debido a esto, se libera una gran cantidad de gases de efecto invernadero hacia la atmósfera. Uno de los principales retos de la sociedad es reducir la emanación de estos gases contaminantes hacia el ambiente y así revertir el cambio climático que atenta contra todos los seres vivos de nuestro planeta.

 Desde hace años, la comunidad científica se ha dado a la tarea de buscar mecanismos por los cuales se pueda reducir la contaminación ambiental. Una forma de hacer frente a esta problemática es empleando  catalizadores, los cuales son capaces de atrapar y convertir a los gases contaminantes -dióxido de carbono (CO2), por ejemplo- en subproductos de carbono con valor agregado que pueden ser reutilizados en diferentes procesos industriales.

Recientemente un grupo de investigadores de América, Europa y Asia desarrollaron un adsorbente eléctricamente cargado formado a partir de carbón poroso conductor capaz de remover CO2 directamente del aire. El proceso de síntesis de este adsorbente es similar al proceso de carga de una batería: el carbón poroso  se activa con aniones (grupos OH-) durante el proceso de carga. Gracias a este proceso, los poros del material se saturan de grupos hidroxilo los cuales serán los responsables de capturar al CO2 y posteriormente de generar especies carbonatadas (carbonatos y bicarbonatos). Este material puede ser regenerado y reutilizado después de calentarlo a temperaturas cercanas a los 100°C.

Este tipo de materiales sin duda son una excelente alternativa para mitigar el cambio climático pues  son baratos además de que pueden ser regenerados y reutilizados sin un consumo excesivo de energía.

Mas detalles en Nature

Discriminación y captura de bacteriófagos individuales mediante una nanopinza óptica

  

  

 El uso inapropiado de antibióticos y la falta de medicamentos que actúen a través de mecanismos novedosos han dificultado el manejo de infecciones. Esta problemática  constituye una amenaza para la salud humana y, a medida que las cepas bacterianas superan a los medicamentos en los que hemos confiado durante décadas, una posible solución podría encontrarse en los bacteriófagos: virus que atacan a las bacterias.

Este enfoque, denominado terapia con fagos, ha recibido mucha atención como alternativa viable a los antibióticos; sin embargo, los resultados de ensayos clínicos demuestran la necesidad de desarrollar terapias personalizadas que requieren de una selección rápida y eficiente de un fago específico contenido en una biblioteca que puede incluir más de 100 fagos distintos. 

Un grupo de científicos desarrolló una técnica conocida como “nanopinzas” ópticas mediante la cual se pueden atrapar y manipular bacterias y viriones individuales. Estas nanopinzas utilizan un rayo láser altamente enfocado para sostener y manipular objetos microscópicos  o submicroscópicos. El rayo láser crea un gradiente de fuerzas que atrae partículas hacia un punto focal de alta intensidad manteniéndolas en su lugar sin contacto físico. Las nanopinzas fueron integradas en un chip formado por un cristal fotónico de silicio en cuyas cavidades se producen fuertes interacciones electromagnéticas que interactúan con una entidad biológica específica. Lo anterior les permitió controlar y adquirir información sobre las bacterias y viriones capturados. 

La capacidad de manipular y estudiar viriones individuales en tiempo real  tienen implicaciones relevantes más allá de la terapia con fagos y abre nuevas oportunidades en la investigación microbiológica pues constituye una herramienta poderosa para pruebas y experimentación rápidas.

Para mayores detalles consultar: 

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