Nanocapa

Una nanocapa , o más bien un plasmón de nanocapa , es un tipo de nanopartícula esférica que consiste en un núcleo dieléctrico recubierto por una fina capa metálica (generalmente oro ). ^{[ 1 ]} Estas nanocapas contienen una cuasipartícula llamada plasmón , que es una excitación colectiva u oscilación de plasma cuántico donde los electrones oscilan simultáneamente con respecto a todos los iones.

La oscilación simultánea puede denominarse hibridación de plasmones, donde la sintonización de la oscilación está asociada con la mezcla de la capa interna y externa, las cuales se hibridan para dar una energía menor o mayor. Esta energía menor se acopla fuertemente a la luz incidente, mientras que la energía mayor es anti-enlazante y se combina débilmente con la luz incidente. La interacción de hibridación es más fuerte para capas de capa más delgadas; por lo tanto, el espesor de la capa y el radio total de la partícula determinan con qué longitud de onda de luz se acopla. ^{[ 2 ]} Las nanocapas pueden variar en un amplio rango del espectro de luz que abarca las regiones visible e infrarroja cercana. La interacción de la luz y las nanopartículas afecta la ubicación de las cargas, lo que afecta la fuerza de acoplamiento. La luz incidente polarizada paralelamente al sustrato da una polarización s (Figura 1b), por lo que las cargas están más lejos de la superficie del sustrato, lo que da una interacción más fuerte entre la capa y el núcleo. De lo contrario, se forma una polarización p, lo que da una energía de plasmón más desplazada, lo que causa una interacción y un acoplamiento más débiles.

En química, biología sintética y ciencia de los materiales, el término "nanocáscara" también se utiliza en la nanoencapsulación de células individuales (SCNE) , en la que células vivas individuales se encapsulan dentro de cáscaras nanométricas compuestas de materiales externos, creando estructuras nanobiohíbridas de "célula en cáscara".

El descubrimiento de la nanocápsula fue realizado por la profesora Naomi J. Halas y su equipo en la Universidad Rice en 2003. Cuando ella y su equipo descubrieron las nanocápsulas, inicialmente no estaban seguros del potencial que estas tenían. "Nos preguntábamos: '¿Para qué podría servir?'", dijo Halas a CNN. Después de muchas sugerencias, la terapia contra el cáncer surgió de colaboraciones continuas con bioingenieros que buscaban diferentes tipos de aplicaciones biomédicas. ^{[ 3 ]} "Una de nuestras visiones", afirmó Halas, "nada menos que el diagnóstico y tratamiento del cáncer en una sola visita". ^{[ 4 ]} En 2003, Halas fue galardonada con el premio al Mejor Descubrimiento de 2003 por Nanotechnology Now . ^{[ 4 ]}

Un método de vanguardia para la síntesis de nanocápsulas de oro es el uso de espumas compuestas microfluídicas. Este método tiene el potencial de reemplazar el método litográfico estándar para la síntesis de nanocápsulas plasmónicas. El proceso de producción que se describe a continuación fue un experimento realizado por Suhanya Duraiswamy y Saif A. Khan del Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular de Singapur. Si bien este método fue experimental, representa el futuro de la síntesis de nanocápsulas.

Los materiales necesarios para la producción de las nanocápsulas son los siguientes: ortosilicato de tetraetilo, hidróxido de amonio, hidrocloruro de hidroxilamina, tris(3-aminopropil)tris(hidroximetil)tetracloroaurato(III) trihidratado, cloruro de tetrakis(hidroximetil)fosfonio, hidróxido de sodio , carbonato de potasio, etanol, agua ultrapura y material de vidrio lavado con agua regia y enjuagado a fondo con agua. ^{[ 5 ]} )

El primer paso en la síntesis de nanocápsulas mediante este método consiste en la creación del dispositivo para que tenga lugar la reacción. Se fabricaron patrones de dispositivos microfluídicos sobre obleas de silicio mediante fotolitografía estándar utilizando fotorresina negativa SU-8 2050. Posteriormente, los dispositivos se moldearon en poli(dimetilsiloxano) (PDMS) mediante la técnica de litografía blanda.(40) Brevemente, el PDMS se moldeó sobre los moldes maestros de SU-8 a 70  °C durante 4 h, se despegó, se cortó y se limpió. Se perforaron orificios de entrada y salida (1/16 pulg. de diámetro exterior) en el dispositivo. Los microcanales se unieron irreversiblemente a un portaobjetos de vidrio previamente recubierto con una fina capa de PDMS tras un breve tratamiento con plasma de aire de 35 s. Los microcanales tienen sección transversal rectangular y miden 300 μm de ancho, 155 μm de profundidad y 0,45 m de largo. ^{[ 5 ]}

La producción de las nanopartículas implica bombear aceite de silicona, una mezcla de partículas de sílice con semillas de oro, una solución de recubrimiento de oro y una solución reductora al dispositivo microfluídico, mientras se suministra gas nitrógeno desde un cilindro. ^{[ 5 ]} Posteriormente, la solución de recubrimiento se deja envejecer en un entorno controlado durante más de 24 horas. Tras el proceso de envejecimiento, el fluido se recoge del dispositivo microfluídico y se coloca en una centrífuga. El líquido resultante presenta una capa de aceite en la superficie y una solución debajo que contiene las nanocápsulas.

La razón por la que este método es revolucionario es que el tamaño y el grosor relativo de la nanocapa de oro se pueden controlar modificando el tiempo de reacción y la concentración de la solución de recubrimiento. De este modo, los investigadores pueden adaptar las partículas a sus necesidades específicas, ya sea para aplicaciones en óptica o en el tratamiento del cáncer.

Las nanopartículas con cubierta de oro, que son nanopartículas esféricas con núcleos de sílice y/o liposomas ^{[ 6 ]} y cubiertas de oro, se utilizan en la terapia del cáncer y en la mejora de la bioimagen. Las sondas teranósticas , capaces de detectar y tratar el cáncer en un solo tratamiento, son nanopartículas que poseen sitios de unión en su cubierta que les permiten adherirse a una ubicación deseada (típicamente células cancerosas) y luego pueden visualizarse mediante imágenes de doble modalidad (una estrategia de imagen que utiliza rayos X e imágenes de radionúclidos ) y mediante fluorescencia de infrarrojo cercano. ^{[ 7 ]} La ​​razón por la que se utilizan las nanopartículas de oro es debido a sus vívidas propiedades ópticas, controladas por su tamaño, geometría y sus plasmones de superficie. Las nanopartículas de oro (como las AuNP) tienen la ventaja de ser biocompatibles y la flexibilidad de incorporar múltiples moléculas diferentes y materiales fundamentales, unidos a su cubierta (prácticamente cualquier cosa que normalmente se pueda unir al oro se puede unir a la nanocubierta de oro, lo que puede utilizarse para ayudar a identificar y tratar el cáncer). El tratamiento del cáncer es posible únicamente gracias a la dispersión y absorción que se produce en la plasmónica . Durante la dispersión, las nanopartículas recubiertas de oro se vuelven visibles para los procesos de imagen sintonizados a la longitud de onda correcta, que depende del tamaño y la geometría de las partículas. Durante la absorción, se produce la ablación fototérmica , que calienta las nanopartículas y su entorno inmediato a temperaturas capaces de destruir las células cancerosas. Esto se logra con un daño mínimo a las células del cuerpo gracias al uso de la "ventana del agua" (el rango espectral entre 800 y 1300  nm). ^{[ 1 ]} Dado que el cuerpo humano está compuesto principalmente de agua, esto optimiza la luz utilizada en relación con los efectos producidos.

Estas nanocápsulas de oro se introducen en los tumores mediante fagocitosis , proceso en el que los fagocitos las engullen a través de la membrana celular para formar un fagosoma interno, o macrófago . Posteriormente, se introducen en una célula, donde se suelen utilizar enzimas para metabolizarlas y expulsarlas. Estas nanocápsulas no se metabolizan, por lo que, para que sean efectivas, solo necesitan estar dentro de las células tumorales . La muerte celular fotoinducida (como se describió anteriormente) se utiliza para eliminar las células tumorales. Este esquema se muestra en la Figura 2.

Se han logrado administrar con éxito terapias basadas en nanopartículas a tumores aprovechando el efecto de permeabilidad y retención mejoradas, una propiedad que permite que las nanoestructuras sean absorbidas pasivamente por los tumores sin la ayuda de anticuerpos.[4] La administración de nanocápsulas a las regiones importantes de los tumores puede ser muy difícil. Es aquí donde la mayoría de las nanocápsulas intentan aprovechar el reclutamiento natural de monocitos por parte del tumor para su administración, como se observa en la figura anterior. Este sistema de administración se denomina "caballo de Troya". ^{[ 8 ]}

Este proceso funciona tan bien porque los tumores están compuestos en un 75% por macrófagos, y una vez que los monocitos ingresan al tumor, se diferencian en macrófagos, los cuales también son necesarios para mantener las nanopartículas . Una vez que las nanocápsulas se encuentran en el centro necrótico, se utiliza iluminación infrarroja cercana para destruir los macrófagos asociados al tumor.

Además, estas nanopartículas pueden liberar oligonucleótidos de ADN antisentido al ser fotoactivadas. Estos oligonucleótidos se utilizan junto con tratamientos de ablación fototérmica para realizar terapia génica. Esto se logra porque los complejos de nanopartículas se introducen en las células y luego liberan ADN de su superficie mediante un proceso inducido por la luz. Esto permite la manipulación interna de la célula y proporciona un medio para monitorizar el retorno de un grupo de células al equilibrio. ^{[ 9 ]}

Otro ejemplo de plasmónica de nanocápsulas en el tratamiento del cáncer consiste en colocar fármacos dentro de la nanopartícula y usarla como vehículo para administrar fármacos tóxicos solo a los sitios cancerosos. ^{[ 10 ]} Esto se logra recubriendo el exterior de una nanopartícula con óxido de hierro (lo que permite un fácil seguimiento con una máquina de resonancia magnética ), luego, una vez que el área del tumor está recubierta con las nanopartículas cargadas con el fármaco, las nanopartículas pueden activarse usando ondas de luz resonantes para liberar el fármaco.

• halas.rice.edu