Ana Celia Martínez Valdés*
Elia Martha Múzquiz Ramos
Jorge Carlos Ríos Hurtado
Juan Carlos Ballesteros Pacheco
Rubén André Santillana Marín
Departamento de Materiales Cerámicos. Facultad de Ciencias Químicas
UAdeC ana_martinez@uadec.edu.mx
anac_martinezv@hotmail.com
Resumen
En los últimos años ha habido un notable interés científico en la síntesis de nanopartículas magnéticas. Esto se debe al potencial uso de estos nanomateriales en aplicaciones biomédicas, como lo es la hipertermia magnética. La hipertermia es un tratamiento utilizado en terapias para cáncer, justificada por la vulnerabilidad a altas temperaturas de las células cancerígenas. Este documento se enfoca en el estado del arte de las ferritas de manganeso-zinc y sus propiedades magnéticas adecuadas para su utilización en aplicaciones biomédicas.
Palabras clave: biomaterial, nanopartículas magnéticas, hipertermia magnética, ferritas de Mn-Zn.
Introducción
La síntesis de nanopartículas magnéticas ha ganado interés debido a su potencial uso en una gran variedad de aplicaciones como ferrofluidos, amortiguadores, sensores, etc (Upadhyay, Parekh, Belova, & Rao, 2007). Ya que estos materiales pueden alcanzar tamaños menores a 10 nm son ampliamente convenientes para aplicaciones biomédicas, particularmente hipertermia magnética (Pemartin, Solans, Alvarez-Quintana, & Sanchez-Dominguez, 2014). La hipertermia es un tratamiento de calor utilizado en terapias de cáncer, justificada por la vulnerabilidad a altas temperaturas de las células cancerígenas (Hejase, Hayek, Qadri, & Haik, 2012).
De los diferentes materiales magnéticos, las ferritas Zn- sustituidas son atractivas debido a que dicha sustitución altera sus propiedades en un rango relativamente amplio (Waqas, Qureshi, Subhan, & Shahzad, 2012). Dichas nanopartículas fueron anteriormente producidas por procesos cerámicos que implican reacciones en estado sólido a altas temperaturas entre los óxidos/carbonatos constituyentes. Las partículas obtenidas por dichos procesos son considerablemente grandes y en una distribución de tamaño no uniforme. Debido al rápido desarrollo de la nanotecnología y a las propiedades únicas de las ferritas Mn-Zn, se han propuesto diferentes métodos para preparar estas nanopartículas. El método de co-precipitación, el procesamiento de precipitación hidrotermal, la síntesis sol-gel y enfoques de microemulsiones son generalmente usados para sintetizar los nanomateriales Mn-Zn (Houshiar, Zebhi, Razi, Alidoust, & Askari, 2014).
Con el fin de formar un material compuesto de mayor utilidad, materiales como óxidos metálicos y ferritas magnéticas han sido soportados en diferentes matrices, entre ellas el carbón activado. Este documento pretende informar el estado del arte y propiedades magnéticas de las ferritas de manganeso-zinc adecuadas para su utilización en hipertermia magnética.
Antecedentes
Biomaterial
Un biomaterial es un dispositivo utilizado para el remplazo de parte de un sistema vivo o para funcionar en contacto íntimo con tejido vivo. El rendimiento de este dispositivo depende del efecto del entorno del cuerpo en el material y el efecto del material en el cuerpo. Algunos factores importantes para la elaboración exitosa de un biomaterial son el diseño, las propiedades del material y la biocompatibilidad, esto último refiriéndose a la aceptancia del implante artificial en el cuerpo (Park & Bronzino, 2002).
Cualquier implante sintético actual no es completamente biocompatible y siempre causará una reacción extraña en el cuerpo; respuesta inflamatoria, encapsulación fibrosa, etc. Debido a esto, se han desarrollado nuevas estrategias sintéticas que permitan la elaboración de implantes a escala nanométrica, esto último para optimizar la interacción entre el tejido y el implante a un nivel de nanoescala (Vallet-Regı & Arcos, 2010).
Un nano-objeto es un objeto físico diferente apreciablemente en las propiedades del correspondiente material a granel y teniendo al menos 1 nm de dimensión (no más de 100 nm). Los nanomateriales son esos materiales cuyas características son dirigidas por los nano-objetos que contienen (Faraji, Yamini, & Razaee, 2010).
La multidisciplinaria área de la nanobiotecnología involucra principalmente nanotecnología, tecnología de materiales, biotecnología, biomedicina, y otras ciencias aliadas. La nanobiotecnología ofrece una gran variedad de aplicaciones, de las cuales las más interesantes son las relacionadas con el cuidado de la salud, siendo médicamente importantes ya que ofrecen la promesa de posibles curas efectivas alternativas. Sin embargo, los desafíos incluyen la síntesis de los materiales adecuados para obtener las propiedades deseadas. La preparación incluye trabajar en preciso control con dimensiones pequeñas y comprensión de las complejas interacciones de las biomoléculas con el material de interés.
Las interacciones entre materiales inorgánicos, principalmente involucrando cerámicos del tipo ferrita, y biomoléculas a nivel molecular, aunque complejas, no son desconocidas (Theerdhala et al., 2010).
Gracias a sus propiedades eléctricas y magnéticas, las ferritas son materiales extensivamente estudiados. Estos materiales tienen una gran variedad de aplicaciones en la industria eléctrica y electrónica, energía sustentable, etc., aunque recientemente ha surgido interés en diferentes campos como lo es la ciencia biomédica (Padella et al., 2005).
Propiedades Magnéticas
El magnetismo y los materiales magnéticos han sido utilizados por varias décadas en muchas aplicaciones médicas modernas, y muchas más aplicaciones están siendo desarrolladas en parte debido a la disponibilidad de electromagnetos, magnetos superconductores y magnetos permanentes. Avances en la síntesis y caracterización de partículas magnéticas, especialmente partículas nanomagnéticas han contribuído en el uso de biomateriales magnéticos (Ramanujan, 2009).
Las propiedades magnéticas de las nanopartículas son determinadas por varios factores, la clave de éstos incluyendo composición química, el tipo y grado de defectuosidad de la estructura cristalina, la forma y tamaño de partícula, morfología, la interacción de la partícula con la matriz circundante y partículas vecinas. Cambiando el tamaño, forma, composición y estructura de la nanopartícula, uno puede controlar en cierta medida las características magnéticas del material basado en ellas. Desafortunadamente, estos factores no siempre pueden ser controlados durante la síntesis de nanopartículas casi iguales en tamaño y composición química, por lo tanto, las propiedades de los nanomateriales del mismo tipo pueden ser notablemente diferentes (Park & Bronzino, 2002).
El magnetismo es una propiedad de la respuesta de un material en un campo magnético. Mientras que algunos elementos son fuertemente magnéticos (Fe, Ni, Co, etc.), otros son débilmente magnéticos (Mg, Li, Mo, etc) (Santhosh & Ulrih, 2013).
Los tipos de magnetismo incluyen diamagnetismo, paramagnetismo y ferromagnetismo; en adición, el antiferromagnetismo y ferrimagnetismo son considerados subclases del ferromagnetismo.
Todos los materiales exhiben al menos uno de esos tipos, y el comportamiento depende de la respuesta de los electrones y dipolos magnéticos atómicos a la aplicación de un campo magnético externo.
En la Figura 1 se esquematizan los comportamientos magnéticos de un material antes (I), durante (II) y después (III) de la aplicación de un campo magnético externo (Robinson, 1973).
Los materiales de óxido de hierro contienen múltiples dominios y expresan un fuerte comportamiento ferromagnético. Además, cuando su tamaño es reducido (<20 nm) éstos materiales tienden a contener un solo dominio. En tal estado muestran propiedades ferromagnéticas o paramagnéticas, las cuales dependen de la presencia o ausencia de las fuerzas electromagnéticas. Este fenómeno es conocido como superparamagnetismo, un comportamiento que puede ser observado en nanopartículas de óxido de hierro debajo de un tamaño específico (Santhosh & Ulrih, 2013).
Así como los paramagnetos, los materiales superparamagnéticos presentan cero remanencia, es decir, en ausencia de un campo magnético externo aplicado su magnetización media es igual a cero. Como resultado, estas partículas muestran una mejor dispersabilidad en solución ya que no tienden a interactuar magnéticamente entre ellas y formar agregados. Sin embargo, su susceptibilidad magnética es mucho más alta que la de los paramagnetos, y al igual que los ferrimagnéticos alcanzan una magnetización de saturación pero sin exhibir una curva de histéresis magnética.
La Figura 2 muestra una comparación entre magnetizaciones típicas para materiales paramagnéticos, superparamagnéticos y ferrimagnéticos (Borlido, Azevedo, Roque, & Aires-Barros, 2013).
Gracias a sus propiedades magnéticas únicas, biocompatibilidad y fácil modificación de su superficie, las nanopartículas magnéticas han recibido gran atención en diagnósticos clínicos y en terapias de enfermedades.
Hipertermia Magnética
La hipertermia magnética es una prometedora propuesta terapéutica para tratamientos de cáncer gracias a la habilidad de estas naopartículas magnéticas de generar calor cuando son expuestas a un campo magnético de corriente alterna (Xie et al., 2014).
La hipertermia magnética se basa en abastecer de calor a las células cancerígenas usando nanopartículas magnéticas y un campo magnético alternado. Las nanopartículas magnéticas pueden ser inyectadas en la región del tumor directamente o via intravenosa por medio de una suspensión coloidal. Al alternar el campo magnético las nanopartículas magnéticas se calientan, las cuales al alcanzar una temperatura de 42-46 °C generan suficiente calor para la destrucción de las células enfermas (Zubarev, Iskakova, & Abu-Bakr, 2015).
Ferritas de manganeso-zinc
La ferrita de Mn-Zn está establecida con una estructura de tipo espinela. Los dos tipos de extremos en la distribución de cationes son espinela “normal” (Y)[Z]2O4, donde Y y Z son diferentes tipos de cationes y los paréntesis y corchetes se refieren a cationes ocupando los sitios A tetrahédricos y sitios B octahédricos respectivamente (Sakurai, Sasaki, Okube, Ohara, & Toyoda, 2008).
Co-precipitación es la precipitación simultánea de un componente normalmente soluble con un macrocomponente de la misma solución mediante la formación de cristales mezclados, por adsorción, oclusión o atrapamiento mecánico (Knozinger & Weitkamp, 1999).
El uso del proceso de co-precipitación para sintetizar ferritas de Mn-Zn homogéneas, finas y reproducibles con una estrecha distribución de tamaños a relativamente bajas temperaturas ha atraído mucha atención en los últimos años. Arulmurugan y colaboradores reportan la síntesis de nanopartículas de Mn-Zn mediante este método para su uso en ferrofluidos. Empleando ese mismo método Segal y colaboradores, y Jeyadevan y colaboradores obtuvieron también nanopartículas de Mn-Zn con excelentes propiedades (Meng et al., 2012).
Conclusiones
A pesar que se han reportado varios métodos de síntesis y propiedades magnéticas adecuadas en ferritas de manganeso-zinc para aplicaciones en terapias de hipertermia magnética, es necesario seguir investigando y buscar una manera de mejorar dichos materiales para su óptima utilización en aplicaciones biomédicas.
Agradecimientos
Ana Celia Martínez Valdés agradece el CONACYT (becario 712201) y a la maestría en Ciencia y Tecnología de Materiales de la Facultad de Ciencias Químicas de la Universidad Autónoma de Coahuila por el apoyo otorgado en este proyecto.
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