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Resumen En 1959[1], uno de los principales físicos, Richard Feynman, asombró a sus colegas con el comentario "Por lo que puedo ver, los principios de la física, no hablan en contra de la posibilidad de manejar las cosas átomo por átomo". La mayoría de los científicos de ese tiempo dudaban de que fuera posible manipular realmente los átomos. Actualmente la nanotecnología está desarrollando componentes a escala atómica o molecular que resulta en mejor desempeño en función de los materiales usados en componentes, como discos duros para computadoras, recubrimientos especiales que mejoran la resistencia al desgaste o incrementan la absorción de luz o que inhiben el crecimiento de consorcios bacterianos, actuando como materiales antibacteriales debido al efecto oligodinámico de las nanopartículas. Las aplicaciones son muy variadas en la industria, lo cual genera ganancias de decenas de millones de dólares al año [2]. Pero surge una pregunta ¿Cuál será el impacto de esta tecnología en el sector transporte? [3].
Antecedentes Si se pudiera describir en pocas palabras el significado de la "nanotecnología", podría decirse que es una ciencia revolucionaria encargada de la construcción de dispositivos y materiales a nivel de átomos y moléculas, así como la explotación de propiedades y fenómenos novedosos que suceden a esa escala. Esta rama de la ciencia recibe su nombre del "nanómetro", la unidad de medida que representa una mil millonésima parte de un metro, o aproximadamente diez veces el tamaño de un átomo individual. Para ponerlo en perspectiva, diez nanómetros son mil veces más pequeños que el diámetro de un cabello humano; hay tantos nanómetros en una pulgada como pulgadas en 400 millas. El término "nanotecnología" generalmente se refiere al trabajo realizado a una escala por debajo de los 100 nanómetros, esto se representa en la Figura 1.
Figura 1. Interrelación entre el mundo micro y nano [4]
Mientras que en 1959 los investigadores se mostraban escépticos sobre la viabilidad de manipular átomos, hoy en día tecnologías como los microscopios de efecto túnel, permiten a los científicos "ver" átomos individuales y moverlos a voluntad. Asimismo, han creado moléculas de clase única como los llamados fullerenos (Buckyballs) Figura 2, que constan de 60 átomos de carbono dispuestos en una red en forma de bola que es de los materiales más resistentes conocidos. Los científicos también han formado tales átomos de carbono entrelazados en tubos huecos extremadamente fuertes (Buckytubes), como se muestra en la Figura 2. Entre otros ejemplos se encuentran los de un transistor con una de estas moléculas, dispositivos de almacenamiento de información con bits de datos de sólo 50 nanómetros de diámetro y una molécula que gira y actúa como una "nano rueda". La obtención de los materiales, previamente descritos, se han utilizado tanto en cuestiones de ingeniería como en aplicaciones biológicas y microbiológicas (funcionalizados), tales como desarrollo de biosensores, transportadores y liberadores de fármacos, así como agentes antibacteriales que se detallan más adelante.
Figura 2. Representación de los nanomateriales de acuerdo con su tamaño y su aplicación microbiológica en medicina [5,6]
La nanotecnología en la actualidad Los investigadores que trabajan en el campo de la nanotecnología consideran que la explotación de propiedades, fenómenos y procesos nuevos y mejorados, a escala entre átomos, moléculas y materiales a granel entre 0,1 y 100 nanómetros, se deben al comportamiento de las cosas hechas a nanoescala (en comparación con moléculas aisladas o estructuras más grandes). Esta tecnología implica el control directo de materiales y dispositivos a nivel de átomos y moléculas. En términos generales, comprende: · El diseño de "bloques de construcción" de ingeniería atómica. · El ensamble de bloques de construcción en nuevos materiales "nanoestructurados" con características específicas. · Ensamble de materiales "nanoestructurados" en dispositivos útiles. Existen dos enfoques generales para construir cosas a nanoescala. La primera es grabar, cincelar o esculpir tales características en una estructura existente más grande, utilizando técnicas como microscopía de efecto túnel o de fuerza atómica o litografía (el proceso que ahora se usa para fabricar chips de computadora). Los engranes de tamaño nanométrico y los circuitos integrados más pequeños son solo algunos de los objetos que se fabrican utilizando este enfoque, que se denomina "de arriba hacia abajo" (from top to bottom). El segundo método, y el más revolucionario, es el enfoque "de abajo hacia arriba" (bottom up): este enfoque consiste en construir cosas a partir de los átomos y moléculas. Un avance reciente de la aplicación de este ensamble es el transistor de un solo electrón. En los últimos años, la nanotecnología ha dado lugar a productos como magnetoresistores multicapa para las memorias de computadoras [7]; frenos magnéticos y motores; recubrimientos nanoestructurados para almacenamiento de datos; nanopartículas para suministrar fármacos, nanopartículas antibacteriales, colorantes en impresión; materiales nanoestructurados (nanocompuestos y metales nanofásicos); y, en el sector salud, se crearán sondas que diagnostiquen enfermedades sin dañar los tejidos.
La nanotecnología en el transporte La nanotecnología está revolucionando todas las áreas de la tecnología, incluyendo el sector transporte. Algunas de las aplicaciones de la nanotecnología, en el transporte incluyen: · Materiales que reemplacen los componentes metálicos en los automóviles reduciendo las emisiones de dióxido de carbono aproximadamente en cinco mil millones de kilogramos al año. · Sustitución del negro del humo de los neumáticos por nanopartículas de arcillas y polímeros inorgánicos, dando lugar a neumáticos respetuosos con el medio ambiente y resistentes al desgaste. · Nanorecubrimientos para lograr superficies antibacterianas, dureza, baja fricción y mejor protección contra la corrosión. · Nanoestructuras basadas en carbono que sirven como "esponjas de hidrógeno" en las pilas de combustible [8,9] · Vehículos no tripulados tanto civiles como militares. · Capacidad de comunicación avanzada que evita la necesidad de viajar. · Sensores que monitorean e informan continuamente sobre la condición y el desempeño de la infraestructura, vehículos y operadores. · Materiales personalizados para vehículos e infraestructura Los ocupantes tanto de vehículos particulares como del transporte público, interactúan principalmente con los aditamentos del interior de estos: asientos, puertas, tablero de instrumentos, bolsas de aire, cinturones de seguridad, alfombras, aire acondicionado, manijas, cristales, etc. Por ende, estos son sitios comunes donde los microorganismos (bacterias, hongos, virus y levaduras) se pueden alojar y desarrollar, causando enfermedades. Lograr que el interior de un autotransporte esté totalmente libre de microorganismos, implica [10] una ardua labor y una responsabilidad compartida entre autoridades, permisionarios y usuarios para evitar la propagación de estos y prevenir enfermedades. Para mitigar la proliferación de bacterias se han empleado diversos compuestos antimicrobianos tales como oxidantes (aldehídos, halógenos), formadores de radicales (isotiazonas, peroxocompuestos), quitosano y amonio. Sin embargo, la mayoría de estos agentes, tienen efectos secundarios y son de naturaleza tóxica por lo que no se recomienda su uso prolongado [11]. Al respecto, varias investigaciones buscan agentes antimicrobianos adecuados para higienizar el interior del transporte, realizando ensayos microbiológicos que determinan los tipos de bacterias y su patogenicidad. A su vez, la nanotecnología investiga el tipo, tamaño y forma de las partículas que inhiben el desarrollo y propagación de microorganismos que causan enfermedades en el transporte. Por tanto, ambas áreas conjuntan sus esfuerzos para lograr nuevos materiales que minimicen la propagación de bacterias sin efectos secundarios para los usuarios.
Uso de las nanopartículas (NPs) como agentes antimicrobianos En este contexto, las principales aplicaciones de la nanotecnología en el campo de la microbiología, se han hecho a través de las nanopartículas (NPs) que tienen aplicaciones en áreas muy diversas tales como la industria automovilística y aeroespacial: detectores de hielo en las aeronaves, neumáticos de mayor durabilidad, materiales resistentes y ligeros, nanoprocesadores, catalizadores multifuncionales y, por supuesto, materiales antimicrobianos y biosensores.[12,13]. La Figura 3, describe la interrelación entre los nanomateriales y su relación con la nanomedicina y la microbiología.
Figura 3. Las aplicaciones de la nanotecnología y microbiología en el ámbito del transporte [5]
El objetivo de la nanotecnología y la microbiología en el sector transporte, es promover y proveer un nanomaterial desarrollado a nivel molecular capaz de disminuir los sitios de cultivo infecciosos y toxicológicos y el 99.9% de microorganismos perjudiciales para la salud, (por ejemplo, Staphylococcus y la Escherichia colí). La aplicación de estos materiales ayudaría a reducir el número de personas que pierden la vida (103 000 vidas al año) a causa de una infección. Esto con base al número reportado por el RID - Comittee Reduce Infection Deaths (USA),
Las NPs presentan mecanismos de acción antimicrobiana diferente a los antibióticos tradicionales, proporcionando así una nueva alternativa ante la creciente resistencia de los microorganismos. Las NPs que han demostrado tener propiedades antimicrobianas son: cobre, plata, zinc, y sus óxidos, así como el dióxido de titanio [14]. Se han realizado estudios que reportan que las NPs destruyen los microorganismos por tres mecanismos:
· Estrés oxidativo · Liberación de iones metálicos · Mecanismos no oxidativos.
Las NPs por su tamaño logran atravesar la membrana celular y llegar al medio intracelular bacteriano, donde generan un gran desbalance oxidativo elevando los niveles de especies reactivas al oxígeno (ROS por sus siglas en inglés) que degradan los componentes esenciales de las células bacterianas, responsables del mantenimiento de las funciones fisiológicas y morfológicas de las mismas. Aunado a esto, generan daño a nivel membrana y ADN causando así la muerte de las bacterias [15]. En el segundo mecanismo, los iones metálicos son liberados de las NPs y absorbidos a través de la membrana, donde se altera el pH, generando interacción con algunos de los grupos funcionales químicos que inducen daño en la actividad enzimática, cambios en la estructura celular y luego daños fisiológicos [16]. Por último, los mecanismos no oxidativos se relacionan con la cantidad de ROS asociados con las proteínas, que no se ven aumentados pero que sí provocan una disminución en el metabolismo energético de aminoácidos, carbohidratos y nucleótidos (Figura 4). [17]
Figura 4. Mecanismos de interacción entre NPs y bacterias
El caso particular de NPs de plata [18,19] se ha descubierto que actúan frente a numerosas especies de bacterias de interés clínico: Escherichia coli, Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermidis, Enterococcus faecalis, Vibrio cholerae, Salmonella enterica, Salmonella typhimurium, Klebsiella pneumoniae, Enterococcus resistente a vancomicina, S. aureus resistente a meticilina [20-22]. Aunque también, se ha explorado el uso de otros materiales con carácter antimicrobiano como el Estaño (Sn), Aluminio (Al) y sus óxidos, además de los ya mencionados, que con el tamaño y forma de partícula adecuada podrían ser empleados en los interiores de los autos, autobuses, aviones y ferrocarriles, ayudando a disminuir la carga microbiana y por ende la transmisión de enfermedades.
El sector transporte es fundamental en la industria nacional, tanto en la fabricación de vehículos como autobuses, sin dejar de lado el sector aeronáutico y ferroviario, así como los componentes de cada uno de estos sectores. Debido a la demanda constante en la innovación de nuevos productos que satisfagan las expectativas y necesidades del mercado, las empresas han invertido en investigación y desarrollo para alcanzar vehículos más seguros, respetuosos con el medio ambiente, con materiales antimicrobianos de tamaño nanométrico (por ejemplo, textiles y polímeros con incorporación de nanopartículas con carácter antimicrobianos), etc., todo esto sin descuidar la estética y el confort.
Para alcanzar los objetivos, la nanotecnología ha ganado fuerza en este sector y se espera siga evolucionando, abriendo camino a nuevos productos que den respuesta a las demandas del mercado de autotransporte, aún cuando la incorporación de nanomateriales en las piezas de vehículos y autobuses se encuentra en desarrollo, por lo que su costo aún es elevado y, su uso, se ha restringido a vehículos de lujo.
El uso de la nanotecnología en beneficio de la sociedad podría apreciarse en el incremento de la seguridad al transportar personas; por ejemplo, la visibilidad de los vehículos podría verse mejorada incorporando nanomateriales al parabrisas frontal y trasero (lunas), espejos retrovisores que en condiciones meteorológicas adversas, evitarían el empañamiento de los espejos y parabrisas, así como el reflejo de la luz; en cuestiones de salud, el uso de textiles y polímeros con NPs antibacteriales; el incremento en el rendimiento y eficiencia de los motores disminuyendo la contaminación. Cabe señalar que, las innovaciones antes mencionadas, impactan de manera directa en el confort y salud de los usuarios tanto de vehículos privados como del transporte público, (Figura 5).
Figura 5. Nanomateriales empleados y en estudio para su aplicación en el sector transporte en estudio [23]
Conclusiones
Las NPs se emplean en áreas muy diversas. En el campo de la microbiología destaca el empleo de las NPs como agentes antimicrobianos. El mecanismo de acción antimicrobiano no se ha elucidado del todo, aunque casi todas las hipótesis apuntan a que es debido a la producción de especies reactivas de oxígeno cuyo exceso no es compensado por las células y se produce la muerte celular.
La nanociencia y nanotecnología son dos términos que engloban conocimientos comunes de disciplinas científicas tradicionales. Estas disciplinas tienen en común la dimensión nanométrica de los objetos estudiados, a los cuales se les conoce con el nombre de nanopartículas (NPs).
En la literatura científica se describe un amplio número de microorganismos que sintetizan NPs. La biosíntesis de NPs por microorganismos se ha descrito en bacterias, hongos, levaduras e incluso en virus. Un amplio porcentaje de los microorganismos descritos sintetizan NPs metálicas.
Además de su aplicación en clínica, las NPs pueden ser empleadas para el tratamiento de aguas, evitando el crecimiento de microorganismos en puntos de uso doméstico. También se emplean en la industria alimentaria, concretamente en el empaquetado de alimentos, evitando el desarrollo de microorganismos.
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PÉREZ José Trinidad
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