Nanopartículas que mejoran nuestra calidad de vida: Primera parte

Los amplios conocimientos del Dr Roberto Zysler y su equipo de investigación nos ayudan a entender el diminuto mundo de los  materiales nanoestructurados magnéticos en la forma de nanopartículas.

¿Cómo es eso? Poniendo énfasis en las nociones básicas sobre los límites del superparamagnetismo y cuáles pueden ser las aplicaciones de las nanopartículas en la medicina, junto a una breve historia de la teoría del magnetismo.

Pasado y presente de los materiales nanoestructurados magnéticos

“En 1600, bajo el reinado de Elizabeth I, cuando en Londres se podían apreciar las obras de Shakespeare y la peste bubónica ocasionaba desmanes en la población citadina, un médico y físico inglés, William Gilbert, publicó un tratado de magnetismo conocido como De Magnete.

En sus seis tomos escritos en latín, se describían aspectos sobre el fenómeno magnético y se enunciaba la hipótesis de que el centro de la Tierra era un gran imán. Este centro genera un ‘campo magnético’ que es capaz de orientar la aguja imantada de una brújula.

No sabemos cuán motivados estaban los estudios de William Gilbert por aplicaciones tecnológicas, pero concretamente dio una explicación cabal al funcionamiento del compás para la navegación. Si bien chinos, árabes y el mismo Colón lo habían utilizado anteriormente, la razón de su funcionamiento y por qué su aguja no apuntaba hacia el norte geográfico no tenían todavía una respuesta clara.

Las consecuencias de sus estudios sistemáticos, los primeros que podríamos llamar científicos en el área de magnetismo, permitirían años más tarde que los marinos se internasen mar adentro con mayor tranquilidad y poder seguir, por ejemplo, una ruta sin perder el rumbo por inclemencias del tiempo y sin la necesidad de ver las estrellas para orientarse. Este avance tecnológico le sirvió a Inglaterra para iniciar una etapa de navegación transatlántica que le permitió la conquista de América del Norte con sus consecuentes beneficios económicos. También sabemos que las investigaciones de Gilbert, médico y físico londinense, sirvieron de base para los trabajos de otros gigantes como Newton, Halley, Gauss y Oersted” (1).

En nuestro siglo XXI los estudios sobre el magnetismo junto con los avances de la microscopía electrónica y microscopía de sonda (fuerza atómica, fuerza magnética, etc.), permiten alcanzar el análisis de materiales diminutos a escala nanométrica, es decir, materia invisible a la simple vista de nuestros ojos, ya  que se trata de mediciones a nivel atómico.

Hagámonos una idea de esta dimensión, considerando que el diámetro de un cabello humano mide 10.000 nanómetros (nm), y en los estudios de nanomateriales estamos hablando, por ejemplo,  de tan solo 20nm.

En estos trabajos de física de materiales cuando se llega a tamaños tan pequeños los materiales que ya conocíamos adquieren nuevas propiedades y también se observan materiales nuevos. Estos pueden ser los casos de los materiales nanoestructurados en la forma de nanopartículas y los nanohilos, que desarrolla el equipo del Dr. Zysler.

Las nanopartículas y el superparamagnetismo

Las exploraciones en nanomagnetismo han tenido mucho desarrollo desde hace algunas décadas. Estamos acostumbrados a convivir con artefactos que están basados en nanomagnetismo. Por ejemplo los discos rígidos de las computadoras, donde se trata de grabar en lugares cada vez más pequeños. Y eso llega naturalmente a un límite de tamaño mínimo posible, demarcación conocida como el límite superparamagnético.

¿Qué son los materiales nanoestructurados en la forma de nanopartículas? ¿Qué problemática presentan a la hora de su desarrollo?

Cuando se quiere grabar en espacios cada vez más pequeños, se llega a un límite final que es el átomo; físicamente uno no puede guardar información en un átomo porque un átomo per se no tiene propiedades ferromagnéticas, y esto se debe a que, por cuestiones cuánticas, el átomo no puede mantener una sola orientación espacial. Para poder guardar información debe haber una colección de átomos que se ordenen magnéticamente entre sí.

En la realidad, aun existe un límite físico que impone un tamaño mínimo que tiene que ver con los fenómenos magnéticos en nanopartículas denominado superparamagnetismo.

El superparamagnetismo se da cuando el momento magnético, por efectos térmicos, empieza a fluctuar espontáneamente. Esto limita el tamaño mínimo posible del bit grabable en un disco rígido de computadora. Es decir que, cuando reducimos el bit hasta un tamaño muy pequeño - 10nm - en ese momento se espera que empiecen a  aparecer fenómenos de fluctuación espontánea del momento magnético por efectos térmicos y se perdería la información almacenada.

Entonces se pierde la posibilidad de grabar magnéticamente un bit. Por ejemplo, en un disco rígido lo que se quiere es almacenar la información por un tiempo prolongado. Lo que se busca es que la información no se pierda con el tiempo pero cuando uno reduce el tamaño o aumenta la temperatura el proceso del superparamagnetismo juega en contra. Es el efecto térmico que hace que la información a la larga se vaya perdiendo. 

Uno quiere reducir el tamaño del bit de información, para tener más espacio, pero choca con un límite natural de la fluctuación espontánea del momento magnético. Así, diseñamos nanopartículas desafiando los problemas del superparamagnetismo.

¿Dónde podemos encontrar ejemplos de aplicaciones de nanopartículas?

Una de las aplicaciones de nanopartículas tiene que ver con la tomografía de resonancia magnética nuclear utilizada en los estudios sobre tejidos blandos de los cuerpos. Por ejemplo, se inyecta en el organismo humano una suspensión de nanopartículas magnéticas que le cambia el tiempo de relajación a los tejidos, entonces hay más contraste en los tejidos blandos y esto permite estudiar el caso de un tumor con más resolución de contraste.

En otra investigación que estamos haciendo sobre nanopartículas para aplicaciones médicas, partimos del hecho de que cuando la temperatura de una célula eleva por sobre de los cuarenta y cinco grados centígrados, las proteínas que tiene la membrana sufren y se despolarizan, entonces las membrana celular se  rompe y la célula se muere. Esto puede ocurrir cuando tenemos fiebre muy alta, por ejemplo.

Entonces, si inyectáramos nanopartículas en el tejido y desde afuera controlamos que esas nanopartículas vibren y trasmitan calor a las células, podemos así matar células malignas o tumorales. Si lográramos fijar esas nanopartículas en un tumor con un campo magnético externo, aplicado desde afuera del cuerpo, es posible elevar la temperatura del tejido de manera muy localizada y conseguir la muerte celular de ese tumor.