¿Alguna vez habías escuchado la palabra ‘nanomateriales’? Si este no fuera el caso, es muy probable que si hayas escuchado la palabra nanotecnología. Sabemos que la nanotecnología es aquella que, a través de la manipulación de la materia a escala nanométrica (1 nm = 1X10^-9 m), desarrolla nuevas herramientas, materiales y dispositivos; aprovechando las propiedades únicas que presenta la materia en dicha escala.

Pero entonces. ¿Qué son los nanomateriales?

Se les conoce como nanomateriales a aquellos materiales que tienen al menos una de sus dimensiones dentro del rango de 1-100 nm. Estos suelen tener un sin fin de aplicaciones en distintas industrias tales como la electrónica, biomédica, textil, aeroespacial, alimentaria, química, óptica y medio ambiental; de ahí el hecho de que sean de relevancia científica. Ahora bien, los nanomateriales pueden obtenerse a través de métodos físicos, químicos y biológicos, dentro de los cuales, los métodos biológicos representan todas aquellas rutas que comprenden la denominada síntesis verde.

Esta última resulta prometedora para la producción de nanomateriales ya que, a diferencia de los demás métodos de síntesis, esta técnica resulta económica y amigable con el medio ambiente, al no necesitar de químicos peligrosos para la obtención de los materiales. Sumado a ello, las condiciones de síntesis requeridas generalmente son más sencillas, debido a que no se utilizan valores altos de temperatura, pH, presión, etc.

Rutas de Síntesis Verde de Nanomateriales

Dentro de las rutas de síntesis que comprenden la síntesis verde, se encuentran la producción de nanomateriales a partir de levadura, biomoléculas, bacterias, virus, hongos y plantas. Pero. ¿De dónde parten cada una de estas rutas?

En el caso de la síntesis realizada a partir de plantas, se hace uso de extractos de hoja, semilla, raíz y tallo de la planta para emplearlos como agentes estabilizantes o reductores. A su vez, también se puede optar por dejar que la planta absorba los precursores para que, a través de su metabolismo, lleve a cabo el proceso de síntesis. Para la síntesis mediada por biomoléculas, se suelen utilizar aminoácidos, proteínas, ácidos nucleicos, polifenoles y péptidos.

Por otra parte, para la obtención de nanomateriales mediante el uso de levaduras, se suele trabajar con diversas especies tales como Candida glabrata, Saccharomyces cerevisiae y Schizosaccharomyces pombe, por mencionar algunas. Para el caso de la síntesis mediada por hongos, se puede mencionar el uso de Fusarium oxysporum, Aspergillus clavatus, Curvularia lunata, Fusarium solani, Cladosporium cladosporioides, entre otros.

Para síntesis mediadas por bacterias, se ha reportado la utilización de Bacillus cereus, Clostridium thermoaceticum, Desulfovibrio vulgaris, Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa, etc.

Por último, se pueden obtener nanomateriales empleando distintos virus como lo son el virus del mosaico del tabaco (Tobacco Mosaic virus o TMV), el virus del mosaico del pepino (Cucumber Mosaic Virus), el virus del moteado clorótico del caupí (Cowpea chlorotic mottle virus o CCMV), por mencionar algunos.

Al trabajar con algunas de estas rutas, es importante conocer ciertas características específicas del organismo empleado, tales como la concentración de contenido fitoquímico, actividad enzimática, vías bioquímicas, entre otras.

Un inconveniente en la Síntesis Verde

La síntesis verde ofrece una amplia gama de posibilidades para la obtención de nanomateriales de interés para aplicaciones médicas. Muchos de estos nanomateriales presentan propiedades antimicrobianas, antioxidantes y catalíticas, además de una excelente biocompatibilidad. Sin embargo, a pesar de ser un método que cuenta con distintas ventajas, cabe destacar que presenta una desventaja considerable. A diferencia de los métodos físicos y químicos, en esta técnica no se logra tener mucho control de los nanomateriales sintetizados, por lo que, en condiciones generales de síntesis, estos son normalmente irregulares en forma y tamaño. Al igual que en el resto de los métodos de producción de nanomateriales, existen factores que afectan este proceso de síntesis tales como la temperatura, pH y presión del medio de reacción, así como también el tiempo de incubación de las nanopartículas.

Un ejemplo de la vida real como caso de estudio

Ahora que conocemos un poco más todo lo que implica sintetizar nanomateriales a partir de estos métodos, podemos analizar el siguiente caso de la literatura para tener una idea más clara acerca del proceso y sus resultados.  

Existe una inmensa variedad de plantas en todo el mundo, todas y cada una de ellas con distintas propiedades. Sin embargo, cuando se decide sintetizar nanomateriales a partir de plantas, muchos optan por utilizar aquellas que representan un problema ambiental al ser consideradas plaga. Dentro de estas, se encuentran Eichhornia crassipes (lirio acuático), Carpobrotus edulis (uña de gato) y Azolla caroliniana (helecho de agua).  Con esto en mente, analicemos el siguiente trabajo:

De acuerdo con lo reportado por Juan C. Martínez et al. (2022), se utilizó el extracto de la planta Eichhornia crassipes para sintetizar nanopartículas de plata (Ag). La obtención de estas fue posible gracias a la presencia en altas concentraciones de quercetina en el extracto de la planta. Esto, gracias a la liberación de hidrógeno ocasionada por los grupos OH de la molécula, ya que atribuyen que el hidrógeno libre es el responsable de la reducción de los iones de plata a su estado metálico.

La evolución de las nanopartículas durante el proceso de síntesis se analizó partiendo de distintas temperaturas (75, 80, 85, 90 y 95 °C) e intervalos de tiempo (0, 30, 60, 120 y 180 minutos). De acuerdo con los resultados de la microscopía electrónica de transmisión (TEM por sus siglas en inglés), se analizó la influencia del tiempo y la temperatura en los tamaños de las nanopartículas obtenidas. Estos mismos se encontraban dentro del rango de 7-34 nm. De igual forma, se pudo observar la morfología de las partículas, las cuales mostraban formas irregulares en todas las temperaturas y tiempos de reacción (Figuras 1 y 2).

A través de los estudios de espectroscopía de fotoelectrones emitidos por rayos X (XPS por sus siglas en inglés) y la difracción de rayos X, se encontró que había mayor concentración de plata metálica (Ag⁰) en las muestras que se sintetizaron a una temperatura de 95°C (Figuras 3 y 4). Gracias a una serie de pruebas microbiológicas, se pudo demostrar que las nanopartículas podían ser utilizadas como inhibidores del crecimiento de Escherichia coli, por lo que pueden ser aplicadas en sistemas de control antimicrobiano.

Por un futuro más verde: prescindiendo de Substancias Nocivas

Como pudimos ver, este enfoque verde en la producción de nanomateriales tiene un futuro prometedor para sus aplicaciones en distintas áreas. Está claro que será cada vez más utilizado, ya que representa una alternativa prometedora para la nanotecnología sostenible. Esto, gracias a que como se mencionó anteriormente, esta ruta puede prescindir del uso de distintos químicos tales como agentes reductores (borohidruro de sodio, hidroxilamina, etc.), surfactantes (dodecilsulfato sódico), o disolventes (etilenglicol). Además, las condiciones de reacción requeridas son menos exigentes, por lo que no se requieren altas temperaturas. Esto aporta a que no se generen subproductos peligrosos, ni mucho menos se necesitan equipos costosos o especiales.

Referencias

• Martínez‐espinosa JC, Ramírez‐morales MA, Carrera‐cerritos R. Silver Nanoparticles Synthesized Using Eichhornia crassipes Extract from Yuriria Lagoon, and the Perspective for Application as Antimicrobial Agent. Crystals. 2022;12(6).
  
• Figuras 1-4: Tomadas del trabajo Juan C. Martínez et al. (2022) bajo la licencia Creative Commons 4.0.