NUCLEARES
DIVISIÓN ACADÉMICA DE TECNOLOGÍA AMBIENTAL Y NANOTECNOLOGÍA
SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE NANOPARTÍCULAS DE PLATA INCORPORADAS EN
HIDROXIAPATITA INFORME FINAL DE ESTADÍA
PARA OBTENER EL TÍTULO DE
TÉCNICO SUPERIOR UNIVERSITARIO EN NANOTECNOLOGÍA ÁREA
MATERIALES
P R E S E N T A:
PLATA ARRIOLA ESTEFANY RUBI
Asesor externo: Dra. Claudia Elizabeth Gutiérrez Wing, Gerencia de Ciencias Aplicadas, ININ Asesor interno: Mtro. Manuel Medina Mendoza, Universidad Tecnológica Fidel Velázquez
Octubre, 2017
Agradecimientos:
Agradezco al Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares por darme la oportunidad de realizar este trabajo como alumna becaria y brindarme una
excelente experiencia trabajando en sus instalaciones.
A la Dra. Claudia Elizabeth Gutiérrez Wing por apoyarme en la realización de este trabajo y por aceptar mi pasantía.
Al Dr. Demetrio Mendoza por su guía y supervisión en la realización de este trabajo.
Al Dr. Gerardo Villa por el tiempo dedicado para la síntesis de Nanopartículas de plata.
Al Dr. Daniel Luna y su equipo de trabajo en el banco de tejidos por apoyarme en la colaboración de las pruebas microbianas.
Al Ingeniero Jorge Pérez por su tiempo y sus grandes enseñanzas en el equipo de Microscopia Electrónica de Barrido.
Al excelente personal que conocí durante mi estancia en el Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares que siempre me brindaron su ayuda y amistad.
Al Maestro Manuel Medina por permitirme ser una de sus alumnos, por su asesoría y además por brindarme su apoyo en todo momento.
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Índice:
Resumen 5
Abstract 6
Introducción: 7
Objetivo: 8
Objetivos específicos: 8
Justificación: 8
Viabilidad del proyecto: 9
Consecuencias del proyecto: 9
Capítulo I: Antecedentes del proyecto: 10
Nanopartículas de plata: 10
Hidroxiapatita: 10
Hidroxiapatita e incorporación en las nanoparticulas de plata: 10
Extracción de hidroxiapatita: 11
Capítulo II. Generalidades de la empresa. 12
¿Quiénes son? 12
Historia: 12
Misión: 13
Visión: 13
Organigrama: 13
Capítulo III: Marco teórico: 14
Generalidades 14
-Características y propiedades de los nanomateriales: 14
Propiedades de los nanomateriales. 14
Características de los nanometriales: 14
-¿Dónde se aplican? 14
-¿Por qué se utilizó la Hidroxiapatita? 15
-¿Qué es la Biocompatibilidad? 15
-¿Cuál es el comportamiento de la Hidroxiapatita como biomaterial? 15
Aspecto Físico: _ 15
Aspecto Químico: _ 16
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-¿Por qué se decidió trabajar con nanopartículas de plata? 16
Síntesis. ¿Cómo se obtiene actualmente las Nanopartículas de plata? 17
Capítulo V: caracterización 18
Microscopia electrónica de barrido (Scanning Electron Microscopy SEM): 18
Espectroscopia por dispersión de energía de rayos X (EDS) 18
Difracción de rayos X (DRX) 19
Capítulo VI: Aplicaciones de la Nanotecnología: 20
Productos textiles antimicrobianos: 20
Nanoparticulas de plata contra el SIDA: 20
Capítulo VI: Metodología experimental (Síntesis): 22
Síntesis de las NPAg 22
Obtención y lavado de las escamas de pescado 22
Obtención del sistema hidroxiapatita-nanopartículas de plata (Hap:NPAg) 22
Caracterización por MET 23
Caracterización por espectroscopia UV-Vis 23
Caracterización por microscopia electrónica de barrida 23
Caracterización por difracción de rayos X 23
Capitulo VII: Resultados 24
Capitulo VIII: Conclusiones 29
Referencias 30
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Índice de abreviaturas
Ácido polimetacrilico PMAA
Agua H2O
Etanol Et(OH)
Hidroxiapatita Hap
Hidroxido de sodio NaOH
Nanoparticulas de plata NpAg
Nitrato de Plata AgNO3
Polietilenglicol PEG
Polimetilmetacrilato PMMA
Polivinilpirrolidona PVP
Difracción de rayos X DRX Espectroscopía por dispersión de
energía de rayos X
EDS
Microscopía electrónica de Barrido
SEM
Microscopía electrónica de Transmisión
TEM
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Resumen
En este trabajo se presenta la metodología para preparar un nano-biomaterial en el que se aprovechan las propiedades antibacteriales de las nanopartículas de plata y las características biocompatibles de la hidroxiapatita para desarrollar un biomaterial con más propiedades. En primera instancia se sintetizaron las nanopartículas plata (NPAg) y se determino su respuesta su respuesta óptica en suspensión. Enseguida, para la obtención de Hap, se adquirió un lote de escamas de pescado (material de desecho) y después de un proceso de ataque químico y de lavado fue sometido a un tratamiento térmico a 400 ⁰C. Los procesos de ataque químico, lavado y tratamiento térmico fueron realizados para eliminar los posibles contaminantes, la fase orgánica de las escamas. Finalmente las escamas fueron sometidas a un tratamiento térmico a 900 ⁰C para inducir el crecimiento y cristalización de la Hap.
Las NPAg y la hidroxiapatita se caracterizaron por microscopia electrónica de barrido y transmisión, espectroscopia por dispersión de energía de rayos X y difracción de rayos X para conocer las características finales de los productos obtenidos.
Posteriormente se realizó la incorporación (impregnación clásica) de las nanopartículas plata sobre la superficie de la hidroxiapatita para de esta manera obtener un biomaterial con propiedades antibacteriales. Para lo cual, se prepararon varias suspenciones a diferentes concentraciones de NPAg para observar cual concentración es la más adecuada en la que haya impregnación, pero no saturación de Nanoparticulas sobre la superficie de la Hidroxiapatita. El nuevo nanobiomaterial se analizó con Microscopia electrónica de barrido (MEB) y de transmisión.
Los resultados mostraron que es posible obtener hidroxiapatita de alta pureza a partir de materiales de desecho, y que al incorporarle nanopartículas de plata, además de sus propiedades de biocompatibilidad, se le adicionan propiedades bactericidas. Cabe agregar que la Hap tiene otras variadas aplicaciones, tales como atrapador de metales pesados, como material luminiscente, como sensor de radiación ionizante, etc. Por lo que a través de este simple y económico método de síntesis se abren muchas posibilidades para el uso sustantivo de materiales de desecho.
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Abstract:
In this paper we present the methodology to prepare a nanobiomaterial in which the antibacterial properties of silver nanoparticles and the biocompatible characteristics of hydroxyapatite are used to develop a biomaterial with more properties. In the first instance, the silver nanoparticles (NPAg) were synthesized.
Then, in order to obtain Hap, a lot of fish scales (waste material) was acquired and after a chemical attack and washing process it was subjected to a thermal treatment at 400 ° C; The processes of chemical attack, washing and treatment were carried out to eliminate possible contaminants, the organic phase of the scales. Finally, the scales were thermally treated at 900 ° C to induce the growth and crystallization of Hap.
The NPAg and hydroxyapatite were characterized by scanning and transmission electron microscopy, X-ray energy dispersion spectroscopy and X-ray diffraction to determine the final characteristics of the products obtained.
The classic impregnation of the silver nanoparticles on the surface of the hydroxyapatite was applied to obtain a biological material with antibacterial properties. For which, several suspensions were prepared at different concentrations of NPAg to see which concentration was the most suitable in which there is impregnation, but not saturation of Nanoparticles on the surface of Hydroxyapatite. The new nanobiomaterial was analyzed by scanning electron microscopy (SEM) and transmission.
The results showed that it is possible to obtain high purity hydroxyapatite from waste materials and that by incorporating silver nanoparticles, in addition to its biocompatibility properties, they will add bactericidal properties. It should be added that the Hap has other varied applications, such as a heavy metal trap, as a luminescent material, as an ionizing radiation sensor, etc. Through this simple and economical method of synthesis many possibilities for the substantive use of waste materials open up.
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Introducción:
Los huesos son un sistema complejo compuesto de hidroxiapatita y fibrillas de colágeno tipo I. La Hap es el 70% de los huesos, mientras que el colágeno constituye el 20% y el agua alrededor del 10%. (SV., 2016)
La hidroxiapatita sintética, (Ca10(PO4)6 (OH)2) es un material muy prometedor para injertos, reconstrucción de hueso etc. debido a su composición y estructura química similar a la fase mineral del hueso.
Cada año más de 2,2 millones de personas en todo el mundo requieren cirugía de injerto óseo para reparar grandes defectos óseos de tamaño crítico derivados de accidentes, traumatismos o enfermedades (como resección tumoral). La curación de tales defectos constituye un problema común y significativo en cirugía.
Por lo tanto, la demanda de nuevas tecnologías para la fabricación de implantes aumenta. (Neovius E, 2010)
Los biomateriales compuestos de HA han sido ampliamente investigados para construir hueso artificial como injertos hechos puramente de HA o solamente como recubrimiento superficial por HA. Sin embargo, aparte de su bioactividad y biocompatibilidad, su resistencia mecánica y estructura porosa son también importante cuando se implantan en el cuerpo humano. Además, se sabe que al implantarlo en el cuerpo humano requiere de cuidados intensivos ya que la mayoría de la población a la que se le ha implantado algún injerto, este se puede llegar a infectar con algún agente bacteriano, es por eso que en el presente trabajo se decidió utilizar Nanoparticulas de plata por su grandes propiedades ópticas, eléctricas, térmicas y bactericidas.
En este trabajo se pretende aprovechar las propiedades bactericidas de las NpAg e incorporarlas a la hidroxiapatita (HAP). Con esto se espera obtener un material nanoestructurado con características de biocompatibilidad y propiedades bactericidas, ampliando así su campo de aplicación.
Así mismo, se ha planteado implementar el uso de residuos industriales ya que esto representa una potencial disminución en los costos de manufactura en biomateriales con la ventaja adicional del reciclaje, ayudando a la reducción de polución por residuos.
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Objetivo:
Síntetizar y caracterizar de un sistema nanoestructurado Hap:NPAg para aplicaciones biomédicas.
Objetivos específicos:
Síntetizar y caracterizar nanopartículas de plata.
Obtener y Caracterizar hidroxiapatita.
Incorporar a las NPAg en la Hap para obtener el sistema nanoestructurado Hap:NPAg.
Realizar la caracterización morfológica y elemental del sistema nanoestructurado Hap:NPAg
Justificación:
En el México la probabilidad de accidentes es enorme, donde las personas pierden extremidades y su calidad de vida disminuye. La necesidad actual de implantes duraderos y sustitutos óseos caracterizados por biocompatibilidad, bioactividad y propiedades mecánicas, sin el rechazo inmunológico es un gran desafío para los científicos. Estas estructuras de sustitución ósea deben prepararse para pacientes individuales con todos los detalles controlados en el nivel nanométrico.
Se han desarrollado biomateriales para ser utilizados en el reemplazo de tejidos óseos dañados en el cuerpo humano. En el caso de defectos óseos, ya sea por alguna herida o por enfermedad, la hidroxiapatita sintética (Ca10(PO4)6 (OH)2), se ha presentado como una buena opción, pues esta es el mayor componente inorgánico del hueso y se considera el material más atractivo para implante óseo, debido a su similitud tanto en composición como en características biológicas con el hueso natural. Del mismo modo, es de gran interés los sistemas antibacteriales ya que es muy frecuente que en los implantes se den casos de infección, provocando grandes problemas de recuperación en los pacientes. En este sentido, las nanopartículas de plata han mostrado importantes propiedades bactericidas, por lo que combinar las características biocompatibles de la hidroxiapatita sintética y las antibacteriales de las nanopartículas de plata permitirá desarrollar un nuevo biomaterial con mejores propiedades.
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Viabilidad del proyecto:
En el ININ se tiene la siguiente infraestructura, suficiente para garantizar la viabilidad del proyecto:
Laboratorio de Síntesis de nanopartículas con lo necesario para realizar la síntesis de las nanopartículas de plata.
Equipo de ultrasonido.
Mufla.
Laboratorio de Microscopía Electrónica de Barrido con un microscopio electrónico de barrido de bajo vacío Jeol JSM5900-LV con sonda para espectroscopia por dispersión de energía de rayos X (EDX) marca Oxford.
Laboratorio de Microscopia electrónica de transmisión. Con un microscopio Jeol JEM2010, con resolución de 1.9 Ǻ y EDS para análisis químico elemental.
Laboratorio de Difracción de rayos X con un equipo Bruker, modelo D8 o Discover.
Consecuencias del proyecto:
Este trabajo tendrá un gran impacto en las áreas de Nanociencia y Nanotecnología. En este estudio se sintetizaron nanopartículas de plata por un método de reducción química asistido por microondas y también se sintetizó Hidroxiapatita de alta pureza. A partir de estos dos materiales, se desarrolló un nuevo material combinando las propiedades antibacteriales de las las NPAg y las propiedades biocompatibles de la hidroxiapatita. Este nuevo nanosistema fue estudiado para conocer las características morfológicas y químicas para posteriormente sugerirlo como un biomaterial aplicable en la restauración del tejido óseo en pacientes, beneficiándose el área médica.
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Capítulo I: Antecedentes del proyecto:
Nanopartículas de plata:
Actualmente, con el auge de la Nanotecnología se han desarrollado ciertos nanomateriales, en particular nanopartículas (NPs) metálicas, que presentan un marcado efecto microbicida sobre una amplia variedad de microorganismos, tales como virus, bacterias y hongos.
Entre las NPs que han demostrado tener propiedades microbicidas las más importantes son las de plata, óxido de zinc, cobre u óxidos de hierro. Tal como se mencionó antes, las NPs metálicas, que han resultado más promisorias como agente bactericida son las NPs Ag debido a que la capacidad microbicida del Ag es conocida desde hace siglos. (G. Grass, 2011)
Las nanopartículas derivadas de este metal incluso presentan nuevas funciones y propiedades, tal como modificaciones en su luminiscencia, su conductividad o su actividad catalítica. Sus novedosas aplicaciones incluyen gasas antimicrobianas para las quemaduras (Tredget, 1998), filtros para el agua (Jain, 2005), entre otros.
Hidroxiapatita:
Debido a su similitud con la fase mineral del hueso, la hidroxiapatita sintética (Hap) con fórmula química (Ca10(PO4)6 (OH)2),, ha sido ampliamente estudiada y utilizada en el campo de la medicina como biomaterial; pues sus excelentes características de biocompatibilidad promueven su aceptación y adecuada osteointegración en el medio biológico.
Puede ser obtenida a partir de esqueletos de animales o bien de manera sintética por medio de diferentes rutas de síntesis química; y de manera específica, el método sol-gel, co-precipitación asistida por agitación ultrasónica y cristalización hidrotérmica. (S. Dorozhkin, 2009)
Hidroxiapatita e incorporación en las nanoparticulas de plata:
Los biomateriales inorgánicos basados en ortofosfato de calcio tienen una amplia gama de aplicaciones en medicina, específicamente en la restauración del tejido óseo. Entre ellos, la hidroxiapatita es el más prometedor debido a su composición y estructura química similar a la fase mineral del hueso. Esta cerámica bioactiva se ha utilizado durante mucho tiempo para la reconstrucción de fracturas óseas, así como para el recubrimiento ortopédico, implantes maxilofaciales y dentales.
(S. Dorozhkin, 2009).
Sin embargo, uno de los mayores problemas actuales en el campo biomédico es la infecciones que surgen de los biomateriales sintéticos recién implantados, ya que estos proporcionan sitios para la adhesión bacteriana potencial. A menudo
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causan dolor intenso, pérdida de tejido óseo y requieren la eliminación de los implantes, aumentando consecuentemente la morbilidad. Así mismo superar las limitaciones de los antibióticos utilizados en los tratamientos de estas infecciones que podrían conducir a bacterias, se dedica una atención especial en el control de la liberación de agentes antimicrobianos alternativos, tales como cobre, zinc y plata, todos presentan una amplia actividad y baja resistencia bacteriana.
Varios estudios indican la inclusión intencional de elementos en biomateriales para obtener efectos antimicrobianos en diversos biomateriales, y la plata ha sido la más común debido a su fuerte actividad antibacteriana. Además, la reactividad de la plata es aún más eficiente cuando las partículas tienen tamaño nanométrico debido a su alta relación superficie-volumen que permite un mejor contacto con los microorganismos. (Acevedo-Dávila, López-Cuevas, Vargas-Gutiérrez, Rendón-Ángeles, & Méndez-Nonell, 2007). Aunado a eso, NPAg son menos tóxicas a bajas concentraciones.
Extracción de hidroxiapatita:
Uno de los componentes en las escamas de pescado es el fosfato de calcio, principal precursor de la hidroxiapatita, la cual ha sido ampliamente utilizada en el desarrollo de biocompositos destinados a la regeneración de huesos ya que presenta excelente biocompatibilidad, lo que permite una adecuada osteointegración y la aceptación en un medio biológico.
Existen pocos informes que describen las características y composición química de los huesos de tilapia, de espinas y escamas de pescado y de que puede ser precursor para la formación de hidroxiapatita. Sin embargo, hay muchos estudios sobre la generación de Hap a partir de huesos de bovinos y porcinos. Aquí nos propusimos producir Hap a partir de escamas de pescado de la especie tilapia, para posteriormente utilizarla como un biomaterial.
Cabe también decir que, la Hap ha sido uno de los más prometedores biomateriales para promover la regeneración del tejido óseo, debido a su composición y estructura química similar a la fase mineral del hueso. Sin embargo, uno de los mayores problemas actuales en el campo biomédico son las infecciones que surgen de los biomateriales sintéticos recién implantados, ya que estos proporcionan sitios para la adhesión bacteriana potencial. (Huan &
Hsiao, 2011). Este proyecto también tuvo como objetivo desarrollar un nanomaterial compuesto en el que su aprovecharan las propiedades antibacteriales de las NPAg y características biocompatibles de la Hap.
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Capítulo II. Generalidades de la empresa.
¿Quiénes son?
El Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares (ININ) es un organismo público descentralizado del gobierno federal, cuyo objetivo es realizar investigación y desarrollo tecnológico en el campo de la ciencia y tecnología nucleares, y en temas afines, así como promover los usos pacíficos de la energía nuclear y difundir los avances alcanzados para vincularlos al desarrollo económico, social, científico y tecnológico de México.
Cuenta con una comunidad multidisciplinaria de más de 700 personas dedicadas a la investigación, desarrollo tecnológico e innovación en ciencias y tecnologías nucleares. Labor que realiza en el ámbito de energía, salud, ambiente, arte, industria y seguridad. Sus fortalezas se derivan del conocimiento y experiencia de la industria nuclear en donde predominan las mejores prácticas, la administración del riesgo, y el conocimiento de la tecnología para encontrar soluciones a problemas reales del país. (ININ)
Historia:
El Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares (ININ) es una institución del estado mexicano, dependiente de la Secretaría de Energía (México).
Fue fundado el 1 de enero de 1956 bajo el nombre de Comisión Nacional de Energía Nuclear (CNEN). Se encuentra ubicado en el km. 36.5 de la Carretera México-Toluca s/n, La Marquesa, municipio de Ocoyoacac, estado de México.
En 1972, la CNEN cambió su nombre a Instituto Nacional de Energía Nuclear y en 1979 con la emisión de la Ley Nuclear (reglamentaria del artículo 27 constitucional sobre la materia), la institución se transformó para crear la Comisión Nacional de Seguridad Nuclear y Salvaguardias, el Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares, Uranio Mexicano (ya desaparecida) y la Comisión Nacional de Energía Atómica (que nunca entró en función).
El ININ realiza investigación y desarrollo en el área de la ciencia y tecnología nucleares y proporciona servicios especializados y productos a la industria en general y a la rama médica en particular.
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Figura 1 Fotografía tomada el año 1956 de la primera piedra de construcción del ININ
Misión:
Coadyuvar al logro de una economía nacional competitiva, eficiente y generadora de empleos, a la sustentabilidad del ambiente y a la seguridad energética, mediante investigación y desarrollo de excelencia en ciencia y tecnología nucleares. (ININ)
Visión:
Ser el recurso científico y tecnológico más prominente del Sector Energía, con reconocimiento internacional en el desarrollo de la energía nuclear y sus aplicaciones. (ININ)
Organigrama:
Directora general: Dra. Lydia Concepción Paredes Gutiérrez Director de investigación científica: Dr. Federico Puente Espel Director de investigación tecnológica: Dr. Pedro Ávila Pérez Director de servicios tecnológicos: Ing. José Walter Rangel Urrea Titular de órgano interno de control: Mtra. María de los Ángeles Medina Avendaño
Director de administración: Mtro. Hernán Rico Núñez
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Generalidades
La nanotecnología puede entenderse como una nueva rama de la ciencia, que tiene como objetivo diseñar y desarrollar materiales cuyas dimensiones están limitadas en la escala de los nanómetros; es decir, no solo controla el tamaño, sino también busca su aplicación en situaciones específicas. En consecuencia, los Nanomateriales pueden entenderse como los materiales, que se caracterizan por medir 100nm o menos en alguna de sus direcciones, ya que las propiedades de los materiales pueden modificarse al reducirse su tamaño a escala nanometrica.
-Características y propiedades de los nanomateriales:
Propiedades de los nanomateriales.
Entre las dimensiones en una escala atómica y las dimensiones normales, la materia condensada puede exhibir algunas características específicas notables que pueden ser perceptiblemente diferentes de las características físicas de los materiales a granel. Algunas características conocidas de los nanomateriales se relacionan con diversos factores: por ejemplo: la fracción de átomos superficiales es mayor que la fracción de átomos internos, gran energía superficial, confinamiento espacial, e imperfecciones reducidas. (Rodríguez)-
Características de los nanometriales:
Como se ha mencionado en secciones anteriores, convencionalmente se han definido como materiales con al menos una dimensión en el intervalo de 1 a 100nm.
-¿Dónde se aplican?
Los países primermundistas han dedicado una cantidad favorable de su presupuesto para el desarrollo de la nanotecnología. La investigación y el desarrollo tecnológico a nivel nanométrico, molecular o macromolecular, en el rango de 1 – 100 nanómetros, les ha permitido desarrollar nanomateriales con nuevas e interesante propiedades que están resolviendo diversos problemas en medicina, energía, electrónica, medio ambiente, etc. Los resultados hasta ahora obtenidos hacen suponer que los nanomateriales tendrán un fuerte impacto en el desarrollo de la sociedad.
Convencidos de la importancia de los materiales nanoestructurados, parte del objetivo de éste trabajo fue caracterizar y sintetizar nanopartículas de plata para la incorporación de la hidroxiapatita.
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-¿Por qué se utilizó la Hidroxiapatita?
Se seleccionó la hidroxiapatita (Hap), ya que es considerada desde hace varias décadas como un excelente biomaterial para la reparación de alguna parte afectada de la estructura ósea del cuerpo humano (Naray-Szabo, 1992). La Hap, que es un componente mineral importante de los huesos y dientes de los vertebrados, es un material que sintéticamente puede ser obtenida en el laboratorio. (Smith Deanne, 2000)
Se han realizado extensos intentos para desarrollar un método simple y eficaz para formar revestimientos de implantes que poseen la biocompatibilidad, bioactividad y una buena resistencia mecánica (Zapanta Legeros R. , 1995).
-¿Qué es la Biocompatibilidad?
La Biocompatibilidad se refiere a un material diseñado para actuar en sistemas biológicos con el fin de tratar o sustituir algún tejido, órgano o función del cuerpo.
Éste se entiende como una respuesta aceptable por parte del tejido biológico hacia materiales estudiados. (W., 2001)
-¿Cuál es el comportamiento de la Hidroxiapatita como biomaterial?
La Hap es un cerámico biocompatible que ha incursionado en la biomedicina como restaurador; sin embargo, los resultados indican que se debe realizar más estudios para conocer cuáles son las características que este biocerámico debe tener (composición química, cristalinidad, hábito de crecimiento, etc.) para dilucidar cuáles son los mejores mecanismos de obtención y combinación con otros elementos dentro del cuerpo humano. (Lavernia, (1991))
Además se deben considerar otros aspectos físicos y químicos importantes del comportamiento de la Hap en su aplicación como biomaterial, tales como resistencia, dureza, porosidad, disolución, adhesividad, etc. No se debe dejar de lado la versatilidad ósea o la intención de su utilización, ya que el medio donde se va a colocar presenta características específicas, considerando que no es lo mismo la utilización como relleno, como soporte o como sustituto. (Karsenty, 1999)
-Aspecto físico y químico de la Hidroxiapatita:
Aspecto Físico: Color: Blanco
Sistema cristalino: Hexagonal
Habito cristalino: Cristales prismáticos hexagonales
Resistencia mecánica depende de su tamaño depende del tamaño del grano, su distribución, porosidad y otros defectos microestructurales. (D. Shi, 2001)
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y el pH fisiológico (37 °C y un pH alrededor de 7), (Rivera-Muñoz, Curiel, &
Rodríguez). La estabilidad térmica de la HAP es cercana a los 1000 ºC. La incorporación de grupos carbonato en la estructura de la HAP provoca un aumento en su reactividad, permitiendo una rápida disolución en medios ácidos y una menor estabilidad térmica, levemente superior a los 500 °C. Esta sustitución es considerada una manera potencial de incrementar la similitud de este material con respecto a la apatita biológica incrementando su bioactividad y biocompatibilidad. (Acevedo-Dávila, López-Cuevas, Vargas-Gutiérrez, Rendón- Ángeles, & Méndez-Nonell, 2007)
-Síntesis. ¿Cómo se obtiene actualmente la Hidroxiapatita?
El método de obtención de la hidroxiapatita para ser utilizada como sustituto óseo, debe ofrecer un producto de alta pureza, rendimiento, rapidez y bajo costo, y contar con propiedades como bioactividad, biocompatibilidad, osteoconductividad y unión directa al hueso.
Está puede ser obtenida de manera sintética por medio de diferentes rutas de síntesis química; y de manera específica, el método sol-gel, co-precipitación asistida por agitación ultrasónica y cristalización hidrotérmica; cada método definirá las características estructurales y morfológicas de la hidroxiapatita.
En este trabajo se sintetizó Hap mediante la preparación de una solución 5g de Hidroxido de Sodio (NaOH), disuelta en 100ml de agua destilada en la que agregaron con 20 escamas de pescado para luego calcinar el sistema a temperaturas superiores a 900°C por dos horas. Este tipo de síntesis es indicada para la formación de Hap pura.
-¿Por qué se decidió trabajar con nanopartículas de plata?
La búsqueda por nuevos tratamientos para las infecciones causadas por las bacterias, se incrementan día con día. Se decidió trabajar con nanopartículas de plata ya que estas surgen como un prometedor agente antibacterial el cual fue utilizado en este trabajo con el objetivo de disminuir y/o eliminar dichas bacterias procedentes de infecciones después de trasplantar algún injerto al tejido óseo ó dental.
-¿Qué es lo que hace tan especial a las nanopartículas de plata a escala nanométrica?
Las investigaciones dirigidas a la búsqueda de otras alternativas para el tratamiento de las infecciones causadas por bacterias y virus resistentes se incrementan cada día. Dentro de la gama de compuestos cuya actividad bactericida se está investigando, las nanopartículas de plata surgen como un prometedor agente antibacteriano que podría ser utilizado para enfrentarnos a esta y otras bacterias resistentes a los antibióticos.
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En diversos estudios se han observado las propiedades antimicrobianas de las nanopartículas de plata tanto en virus como en bacterias. Se ha determinado que las nanopartículas de plata tienen efecto en bacterias como Escherichia coli, Vibrio cholera, y Pseudomonas aeruginosa (Morones, 2005); (Sondi, 2004).
Gram positivas como Bacillus subtilis (Yoon, 2008). Staphylococcus aureus (Shrivastava, 2007) y Enterococcus faecalis (Panacek, 2006)
Síntesis. ¿Cómo se obtiene actualmente las Nanopartículas de plata?
Las diferentes rutas de síntesis de NP conducen a tamaños variables, morfología, e incluso estabilidad. En general, estos métodos se pueden clasificar como:
reducción química, electroquímica, -radiación, ablación láser, fotoquímica, sonoquímica y sputtering.
En este trabajo se recurrio al método de síntesis por reducción química asistida por microondas.
La reducción química es el método más frecuente de síntesis de nanopartículas de plata, utilizando para ello sal de plata, reductores y un estabilizante o agentes de terminación para controlar su crecimiento. El nitrato de plata es frecuentemente utilizado para las NPAg, debido a su bajo costo y estabilidad química comparada con otras sales disponibles. Los estabilizantes incluyen surfactantes y ligandos o polímeros que contienen grupos funcionales como polivinilpirrolidona, polietilenglicol, ácido polimetacrílico, polimetilmetacrilato y otros.
Al combinar este método de síntesis junto con el método de síntesis asistido por microondas, no solo podemos controlar su tamaño, sino también reducir el tiempo de la reacción de horas a minutos, reducir las reacciones secundarias y mejorar su reproducibilidad. Por lo tanto ya se está utilizando esta tecnología de vanguardia, para la rápida optimización de procesos y sobre todo para síntesis más eficientes.
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Microscopia electrónica de barrido (Scanning Electron Microscopy SEM):
El SEM es un microscopio que utiliza electrones en lugar de fotones de luz para formar imágenes (micrografías), de una región predeterminada de un material.
Sus componentes son similares al microscopio óptico, pero en lugar de lentes de vidrio, son electromagnéticos.
Las lentes se utilizan para enfocar el haz de electrones sobre la superficie de la muestra. Diferente al microscopio óptico, que ilumina toda la muestra, el haz de electrones explora áreas muy pequeñas de la muestra a la vez para crear la imagen.
El SEM tiene varias ventajas sobre los microscopios de luz convencionales. Por ejemplo, las imágenes generadas por el SEM tienen una gran profundidad de campo que permite que una parte considerable de la muestra a permanecer enfocado en comparación a un microscopio óptico, de los cuales sólo el plano focal está en foco agudo. También, el SEM tiene una resolución mucho más alta e incluso puede resolver características alrededor de 4 nm. Además, el hecho de que las lentes son electromagnéticas permite variar los campos de visión, con variadas amplificaciones de la imagen; por ejemplo, el rango de aumentos en el SEM puede variar desde X10 a X300000.
Otra ventaja del SEM surge de la interacción entre el haz de electrones y la muestra. Cuando el instrumento se encuentra en modo de retrodispersión, la interacción puede ser usada para identificar la composición elemental de la muestra. Por esta razón, el SEM en modo de retrodispersión es utilizado para identificar la composición elemental de cualquier material. Estas características permiten que el SEM pueda obtener imágenes sorprendentes con gran claridad.
(Poinern, 2015)
Espectroscopia por dispersión de energía de rayos X (EDS)
La técnica EDS permite identificar y cuantificar los elementos presentes en la muestra, mediante un microanálisis de regiones tan pequeñas como 1µm por lado. Este sistema utiliza un dispositivo semiconductor mantenido al alto vacío a temperatura de nitrógeno líquido. EDS separa los rayos X característicos producidos por la interacción del haz de electrones del microscopio sobre los electrones de los elementos de la muestra, esta interacción electrón-electrón produce ionizaciones de los átomos constituyentes de las muestras, dejando capas electrónicas con ausencia de un electrón, que al volver a llenarse esa capa se emite un rayo X con energía característica del átomo emisor.
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Difracción de rayos X (DRX)
Es una herramienta útil en la caracterización de materiales cristalinos. Esta técnica aporta un panorama general sobre la composición de materiales cristalinos, ya que permite corroborar la presencia de la fase o compuesto deseado, si existe mezcla de fases, si se tiene la presencia de diferentes compuestos en el material, además de ayudarnos a determinar las estructuras presentes, siempre y cuando se estén estudiando materiales con estructuras de tipo cristalino. Es por esto que se considera un método primario en la caracterización de materiales cristalinos. Toda sustancia cristalina difracta los rayos X produciendo un patrón de difracción único, que constituye la huella de su estructura atómica y molecular. La intensidad y la posición de las reflexiones brindan la información básica requerida en el análisis de la estructura del cristal.
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Productos textiles antimicrobianos:
La plata ha sido historicamente utilizada para eliminar bacterias y evitar los efectos derivados de las mismas, ya sea la putrefacción de alimentos (conocido ya en la antigua Grecia), la infección de heridas o el olor proveniente de la sudoración. Uno de los mecanismos de actuación antimicrobiana de la plata consiste en la generación de iones de plata cuando esta entra en contacto con agua, por ejemplo durante la transpiración.
Mediante la introducción de nanoparticulas de plata en fibras ya sea sintéticas o naturales se consigue una potenciación de la actividad iónica gracias a la mayor cantidad de iones de plata que son liberados como consecuencia de la mayor área superficial expuesta. Debido a esto, se alcanza una mayor eficiencia que mediante el uso de partículas de plata convencionales, ya que permite aumentar extraordinariamente el número de iones de plata liberados reduciendo a su vez el peso de plata necesario en las fibras. El resultado es un efecto rápido de las propiedades antimicrobianos ò anti-olor que pueden ser utilizados en prendas de hospitales que requieran de una alta esterilización o para la prevención de olor procedente de la sudoración en ropa deportiva. (José María Alameda Maestro)
Nanoparticulas de plata contra el SIDA:
En un innovador estudio, el “Journal of Nanotechnology” ha publicado un artículo en el que se observa que las nanopartículas de plata destruyen el HIV – 1 y virtualmente cualquier otro virus. El estudio fue llevado a cabo por investigadores de las universidades de Texas y México, y es el primer estudio médico que explora los beneficios de las nanopartículas de plata para este fin. Basados en el desarrollo de un tratamiento in vitro que inhibe el ingreso del Virus de Inmunodeficiencia Humana (VIH) a las células a través del uso de nanopartículas de plata, científicos del “International Institute of Integrative Medicine de Houston”
y de la “Escuela de Medicina de la Universidad de Texas”, han logrado aminorar las cargas de VIH en humanos. Los investigadores se basaron en los conocimientos desarrollados por un equipo multinacional encabezado por el científico mexicano José Yacamán, en donde se propone el uso de nanopartículas de plata para impedir que las lipoproteínas gp120 ingresen en las células CD4 o linfocitos, responsables del sistema inmunológico de los humanos.
De acuerdo con un programa piloto realizado, las cargas virales de los pacientes seropositivos adscritos al estudio, disminuyeron luego de someterse por 15 y 30 días a un tratamiento oral con solución de nanopartículas de plata. El especialista en inmunología dijo que su grupo de investigación demostró que las nanopartículas interactúan con el virus del sida y lo desactivan, lo cual se probó en laboratorios de la Universidad Autónoma de Nuevo León con partículas producidas en la Universidad de Texas. En los estudios in vitro, las
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nanopartículas de plata menores de 10 nanómetros viajan por el tejido y se adhieren a la superficie del VIH que mide unos 100 nanómetros bloqueando las lipoproteínas gp120, lo que le impide ingresar en la célula y, de esta manera, es desechado por el mismo organismo. Para los investigadores, este tipo de estudios que también han demostrado inhibir algunos otros virus y bacterias, podrían revolucionar los métodos y tratamiento contra el sida. (Jose Yacaman)
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Capítulo VI: Metodología experimental (Síntesis):
Síntesis de las NPAg
Para el PVP-40, se tomó un vaso de precipitado de 5ml, en el cual se pesó 0.1250g de soluto, posteriormente se disolvió con 25ml de OH y se aforó en un matraz volumétrico de 25ml.
Por otra parte para el precursor, se utilizó un vaso de precipitado de 5ml, se pesó 0.1250g de AgNO3, del mismo modo se disolvió en H2O, de esta manera se aforo en un matraz volumétrico de 25ml.
Se colocó 2ml de cada solución incluyendo 2ml más de OH en un vial de 10, para llevarlas a un reactor de microondas.
Primero se agregaron 2ml de OH con 2ml de la solución de PVP, posteriormente se llevó a agitación mecánica por el equipo VORTEX hasta tener una agitación homogénea, al finalizar la agitación se agregan 2ml de solución de AgNO3 de igual manera se lleva a agitación mecánica por VORTEX.
Al finalizar este procedimiento se cierra el vial y es colocado al equipo.
Obtención y lavado de las escamas de pescado
Las escamas de pescado fueron obtenidas a través de desechos de un establecimiento mercantil, conteniendo diversas especies. Estas fueron sometidas a un pre-lavado para eliminar todos los residuos ajenos a ellas.
Posteriormente se preparó una solución de NaOH (Hidróxido de sodio), 1 N, utilizando agua destilada.
En volúmenes de 100 ml de esta solución, se agregaron alrededor de 20 escamas y se pusieron en un equipo de ultrasonido durante 5 minutos.
Finalmente, las escamas se lavaron varias veces, con agua destilada, hasta eliminar todos los residuos de NaOH. Finalmente, las escamas fueron tratadas térmicamente a 400 y 900 ⁰C durante 2 horas.
Obtención del sistema hidroxiapatita-nanopartículas de plata (Hap:NPAg)
Posteriormente, para incorporar a las nanopatículas de plata en la superficie de la Hidroxiapatita se agregó 1.5ml de una suspensión de nanopartículas de plata (NPAg) con una concentración de 0.5% respecto a las suspensión original, a 0.1g de Hidroxiapatita. Enseguida se colocó en agitación mecánica vigorosa (escala 9 en el equipo VORTEX durante 1 min, después el sistema se refrigero durante 24hrs. Posteriormente el sistema se mantuvo a una temperatura de 50°C, para evaporar el disolvente sobrante. El sistema Nanopartículas de plata incorporadas en la superficie de la hidroxiapatita (Hap:NpAg) se guardó en un microvial y se etiquetó.
Otra muestra con una concentración de 5 % (respecto a la suspensión original) de nanopartículas de plata (NPAg) en 1.5 ml de disolvente (agua-etanol) y 0.1 gr de Hidroxiapatita, también fue preparada.
Al finalizar los sistemas de Hap:NPAg se almacenaron en viales para
posteriormente caracterizarlas.
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Caracterización
Caracterización por TEM
Las muestras de NPAg, Hap y Hap:NPAg fueron analizadas con microscopia electrónica de transmisión para conocer su morfología y tamaño.
En este caso, cada muestra se dispersión en etanol y tomo una gota que se depositó en rejillas de cobre de 200 mesh. Se utilizó un equipo Jeol JEM 2010, con un voltaje de aceleración de 200 KV.
Caracterización por microscopia electrónica de barrido
Esta técnica se utilizó para conocer las características microestructurales y composición químico-elemental de la hidroxiapatita y del sistema nanoestructurado Hap:NPAg. En este caso, las muestras se colocaron en portamuestras de aluminio y se observaron en el modo de bajo vacío, en un microscopio Jeol JSM5900-LV, con un voltaje de operación de 20 KV y una señal de electrones retrodispersos.
Caracterización por difracción de rayos X
Este equipo se utilizó para identificar la fase de hidroxiapatita y su grado de cristalinidad. Para lo cual, se utilizó un difractómetro Bruker D8 Discover. Los difractogramas se obtuvieron en un intervalo de 20⁰ a 60⁰ en 2-theta.
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Capítulo VII: Resultados
Figura 2: Micrografías obtenidas del TEM; Tamaño y distribución de las NPAg
| P á g i n a En la figura 2 se presentan las micrografías donde se aprecia el tamaño y forma de nanopartículas de plata. A partir de esta técnica se analizo una muestra de 198 NPAg para determinar su tamaño. Se aprecia que las NPAg sintetizadas cuentan con los siguientes datos estadísticos: con un tamaño promedio de 17.32 nm, una mediana de 13.878nm y una moda de 6.44nm en un intervalo de 3 a 54 nm, y una desviación estándar de 11.121nm. Una característica importante es que la mayoría presentan caras facetadas. En la figura 1 se muestra la micrografía donde se muestra el tamaño y distribución de las Nanopartículas de plata.
A continuación se muestran las micrografías correspondientes a la hidroxiapatita con un tratamiento térmico de 900 °C. Estas micrografías fueron tomadas en diferentes zonas y en todas se puede apreciar partículas de diferente forma y tamaño, en algunos casos, todavía conservando la morfología original de las escamas. Adjunto a las micrografías siguientes se presenta el espectro de energías obtenido por EDS, en el que se identifican los elementos presentes; siendo carbono ( C), oxígeno (O), fósforo (P) y calcio (Ca) los elementos identificados y que están de acuerdo con la composición química de la Hap.
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Figura 3. Micrografias de MEB de las hidroxiapatita tratada térmicamente a 900 ⁰C. A la derecha se presenta en espectro de energía de rayos X característicos, indicando los elementos presentes.
En la figura 4 se presenta el difractograma de rayos para la Hap antes del tratamiento térmico, para la Hap tratada a 400 ⁰C y para la muestra tratada a 900⁰C. La muestra sin tratamiento térmico se puede observar que no exhibe fases asociadas con la Hidroxiapatita. Respecto a la muestra tratada a 400°C se aprecian los picos característicos de la Hidroxiapatita, sin embargo el grado de cristalinidad no es alto, de hecho, hay picos de difracción sin una completa definición. El difractograma de la muestra tratada a 900°C indica que la única fase cristalina presente es la asociada con la estructura hexagonal de Hap, con un alto grado de cristalinidad.
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Figura 4. Difractograma de rayos-X de las escamas de pescado, sin tratamiento térmico, tratada a 400 ⁰C y a 900 ⁰C.
El análisis por microscopia electrónica de transmisión del nanobiomaterial Hap:NPAg es mostrado en las siguientes micrografias (Figura 5). En estas imágenes se observan partículas de hasta 250 nanómetros de alguno de sus lados, la mayoria de ellos con superficies planas. También se aprecian partículas con un contraste obscuro, con tendencia esférica de 30 nm de diámetro o menos;
estas nanopartículas están soportadas sobre la superficie de las partículas más grandes. De acuerdo al análisis por EDS, las partículas nanométricas (menor de 30 nm) corresponden a las nanopartículas de Ag, en tanto que las partículas de mayo tamaño corresponden a la Hap. Específicamente en la ultima micrografia de esta serie es posible apreciar la interreción entre las NPAg y la superficie de la Hap.
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Figura 5. Micrografías de MET del nanobiomaterial Hap:NPAg en las que se puede apreciar como las NPAg se incorporan en la superficie de la Hap.
Y finalmente se muestran las micrografías correspondientes al sistema HAp:NPAg. Las imágenes fueron tomadas en diferentes zonas de la muestra y en todas se puede apreciar que en efecto las nanopartículas de NPAg están impregnadas en la Hidroxiapatita y estas están en un tamaño nanometrico.
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Figura 6. Micrografías del MEB donde se puede apreciar el sistema de HAP:NPAg que efectivamente las NPAg fueron incorporadas a la Hidroxiapatita.
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Capítulo VIII: Conclusiones
Los resultados indican que es posible sintetizar nanoparticulas de plata con alta pureza y estabilidad, las cuales pueden ser utilizadas en el área médica. También los resultados mostraron que es posible obtener hidroxiapatita de alta purezaa muy bajo costo ya que estas fueron obtenidasa partir de materiales de desecho.
Y que al incorporarle nanopartículas de plata, además de sus propiedades de biocompatibilidad, se le adicionan propiedades bactericidas.
Se debe mencionar que como una de las perspectivas a desarrollar es que el nanobiomaterial gestionado anteriormente debe ser sometido a diferentes pruebas antes de ser considerado biocompatible. Primero se debe continuar los estudios sobre las propiedades antibacteriales de este sistema ya que aunque se realizaron algunos ensayos preliminares con resultados positivos, es necesario hacerlo repetitivo. Posteriormente, será necesario realizar las pruebas de biocomptabilidad de tal manera que no haya riesgo al ser aplicado en casos reales.
Cabe destacar que una de las ventajas de la Hap es que cuenta con variadas aplicaciones, tales como atrapador de metales pesados, como material luminiscente, como sensor de radiación ionizante, etc. Por lo que a través de este simple y económico método de síntesis se abren muchas posibilidades para el uso sustantivo de materiales de desecho.
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