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Estrategias actuales para la síntesis de nanopartículas de metales nobles

Resumen

Los metales nobles han jugado un papel integral en la historia de la humanidad durante siglos; sin embargo, su integración con los avances recientes en nanotecnología y ciencias de los materiales ha brindado nuevas oportunidades de investigación tanto en la academia como en la industria, lo que ha dado lugar a una nueva gama de aplicaciones avanzadas, incluidas las médicas. Las nanopartículas de metales nobles (NMNP) han sido de gran importancia en el campo de la biomedicina durante las últimas décadas debido a su importancia en la atención médica y el diagnóstico personalizados. En particular, las nanopartículas de platino, oro y plata han logrado el lugar más dominante en la lista, gracias a una gama muy diversa de aplicaciones industriales, incluidas las biomédicas, como agentes antimicrobianos y antivirales, diagnósticos, portadores de fármacos y sondas de imagen. En particular, su resistencia superior a condiciones extremas de corrosión y oxidación es muy apreciada. En particular, en las últimas dos décadas ha habido un tremendo avance en el desarrollo de nuevas estrategias de métodos de síntesis de NMNP más rentables y robustos que proporcionan materiales con propiedades fisicoquímicas, ópticas y térmicas altamente ajustables y funcionalidades bioquímicas. Como resultado, se han desarrollado nuevos NMNP híbridos avanzados con polímero, grafeno, nanotubos de carbono, puntos cuánticos y sistemas núcleo-capa con características fisicoquímicas aún más mejoradas que han dado lugar a aplicaciones diagnósticas y terapéuticas excepcionales. En esta revisión, nuestro objetivo es resumir los avances actuales en la síntesis de NMNP (Au, Ag y Pt).

Introducción

Los metales nobles se han utilizado durante mucho tiempo, se remontan a la primera civilización egipcia, y siempre se han considerado un signo de poder y riqueza superiores. Como resultado, se pueden ver en la historia en forma de obras de arte caras, monedas, joyas, etc. [1]. Por lo general, estos metales tienden a ser más caros que otros debido a su disponibilidad en la corteza terrestre [2, 3]. Debido a su naturaleza robusta, resistencia a condiciones extremas de corrosión y oxidación, se han utilizado ampliamente en la industria aeroespacial, automotriz, química, energética, eléctrica y electrónica y, lo que es más importante, en la atención médica (desde equipos quirúrgicos hasta potenciadores de contraste en imágenes) [4 , 5].

Durante las últimas dos décadas, la nanotecnología ha demostrado ser la tecnología del futuro más prometedora y ofrece innumerables posibilidades. El apoyo multidisciplinario de los sectores académico e industrial lo ha convertido en el campo de más rápida expansión, con resultados muy prometedores [6, 7, 8]. Actualmente, el salto tecnológico en la síntesis y el control de metales a nivel de nanoescala ha brindado inmensas oportunidades de investigación para avanzar en la atención médica, el diagnóstico y las terapias personalizadas [9,10,11]. Las nanopartículas metálicas (MNP) han resultado ser las más comúnmente y ampliamente estudiadas debido a sus impresionantes propiedades fisicoquímicas y su gran relación superficie / volumen en comparación con su material a granel (metal). En cuanto a las aplicaciones biomédicas, los NMNP se convirtieron en una elección natural debido a su resistencia a los entornos hostiles. Se han aplicado en ensayos de diagnóstico de alta sensibilidad, como potenciadores de la ablación térmica en radioterapia y como vehículos de administración de fármacos y genes [3, 12, 13].

La reciente fusión de la nanotecnología con las ciencias de los materiales ha dado lugar al desarrollo de nuevos materiales nanocompuestos con propiedades térmicas, catalíticas, eléctricas, ópticas y mecánicas muy mejoradas en comparación con los componentes individuales. En particular, los compuestos hechos de NMNP han ganado un gran interés en la investigación debido a sus impresionantes propiedades fisicoquímicas que juegan un papel vital en la modificación de los bloques de construcción a nanoescala y dan como resultado amplias aplicaciones en catálisis (principalmente electrocatálisis), óptica, nanomedicina y protección ambiental [ 14,15,16,17]. Los metales nobles en estado coloidal han sido objeto de intensos estudios, principalmente debido a su eficacia en la terapéutica y el diagnóstico [2, 18]. Del mismo modo, las mejoras en la síntesis de materiales como el óxido de grafeno y el óxido de grafeno reducido [14, 19, 20], los puntos cuánticos [21,22,23] y los nanotubos de carbono [24,25,26] han contribuido a que sean más factibles y eficaces. métodos para la formación de NMNC.

Debido al pequeño tamaño de Au, PtNP y NMNP, su gran relación de superficie a volumen y su capacidad para ayudar en procesos de alta transferencia de electrones, son candidatos ideales para aplicaciones como sensores electroquímicos [27, 28, 29]. Las propiedades ópticas de los NMNP han servido como tema de muchos estudios, especialmente los de Ag y AuNP. Estos NP son capaces de responder de manera diferente a diferentes longitudes de onda de luz (dispersión extensa de la región visible a la región del infrarrojo cercano con Au), por lo que se aplican como potenciadores de señal en espectroscopía Raman mejorada en superficie (SERS), resonancia de plasmón de superficie localizada. y otra espectroscopia de dispersión por resonancia [30,31,32,33]. Debido a las propiedades ópticas ampliamente sintonizables y la biocompatibilidad de las AuNP, se han aplicado en la terapia fototérmica y en la formación de imágenes in vivo (formación de imágenes fotoacústicas) de tumores [34,35,36]. Recientemente, los AgNP también han exhibido su potencial en la terapia fototérmica, donde generalmente se aplican como compuestos o sistemas núcleo-capa de Ag (con nanotubos de carbono / óxido de grafeno reducidos) [37,38,39]. La biocompatibilidad de los NMNP con células y tejidos ha abierto una amplia aplicabilidad en el diagnóstico [14]. Los biosensores de NMNP y NMNC (especialmente el grafeno) han desempeñado un papel clave en la mejora de la precisión y la especificidad que proporcionan una ventaja sobre los métodos de diagnóstico biomolecular existentes [40, 41]. Generalmente, Au y PtNP se emplean en el desarrollo de nuevos biosensores y sondas debido a su capacidad para adsorber las biomoléculas junto con su conductividad y estabilidad supremas [42,43,44,45]. Como resultado, los propios NMNP o en forma de NMNC se aplican como inmunosensores [46], biomoléculas para la detección [47] y nanosensas (para obtener imágenes de células in vivo, rastrear y estudiar la patogénesis de la progresión de la enfermedad) [2, 6, 48 ]. A pesar de todas estas ventajas de los NMNP y NMNC, todavía ha habido muchas preguntas y debates sobre su perfil de seguridad en el cuerpo humano [49,50,51].

En esta revisión, proporcionamos una encuesta sobre las metodologías de síntesis de los NMNP (Ag, Au y Pt) y los NMNC (con Ag, Au y Pt) junto con sus desarrollos actuales en aplicaciones biomédicas como terapias y diagnósticos, incluido el sinergismo exhibido por los NMNC con los NMNP en términos de rendimiento mejorado, que es un tema candente actual en la investigación de materiales.

Tendencias actuales en la síntesis de NMNPs

Métodos de síntesis de NMNP

La preparación de NP sigue básicamente dos enfoques diferentes, (1) de arriba hacia abajo (método destructivo) y (2) de abajo hacia arriba (método constructivo) (Fig. 1).

Representación esquemática de los enfoques de arriba hacia abajo (imágenes con fondo verde) y de abajo hacia arriba (imágenes con fondo amarillo pálido) de la síntesis de nanopartículas, la imagen se adaptó y se volvió a dibujar de [52,53,54,55,56,57, 58, 59, 60]

Los procesos de arriba hacia abajo implican romper materiales a granel en partículas más pequeñas de nano-dimensiones utilizando varios métodos físicos y químicos. Por el contrario, en el enfoque de abajo hacia arriba, los NP se producen por el autoensamblaje de los átomos, las moléculas o los grupos. Los enfoques de arriba hacia abajo implican procesos controlados externamente de cortar, fresar y dar forma a los materiales en el orden y la forma deseados. Varios métodos físicos, como la pirólisis [61, 62], la nanolitografía [63, 64], la termólisis [65] y los métodos inducidos por radiación [66,67,68] pertenecen a esta categoría. Sin embargo, este enfoque viene con una limitación importante, que es la estructura superficial imperfecta de los MNP resultantes, que afecta sustancialmente sus propiedades físicas y químicas [1]. Además, este método requiere una enorme cantidad de energía para mantener las condiciones de alta presión y alta temperatura durante el procedimiento sintético, lo que encarece el proceso.

En los métodos ascendentes, las NP se ensamblan a partir de los átomos, grupos y moléculas correspondientes mediante procedimientos químicos y biológicos. El enfoque de abajo hacia arriba ha resultado ser ventajoso, ya que proporciona un control mucho mejor sobre la formación del producto final con un tamaño, forma (parámetros físicos) y composición química más homogéneos. Además, este enfoque en general es menos costoso. El enfoque ascendente es comúnmente un procedimiento de síntesis química húmeda, como la síntesis química [69, 70], electroquímica [71,72,73], sonoquímica [74, 75] y verde [76, 77]. En el enfoque de abajo hacia arriba, la purificación de las partículas sintetizadas de su mezcla de reacción (productos químicos tóxicos, disolventes orgánicos y reactivos) es un desafío importante que arroja dudas sobre sus aplicaciones biomédicas, a excepción de los métodos de síntesis ecológicos.

Enfoques de arriba hacia abajo

Sputtering

La pulverización es uno de los protocolos de síntesis más utilizados que incluye la deposición de NP como una capa delgada generada por la colisión de iones sobre el sustrato y seguida de un recocido. Este método también se conoce como método de deposición física de vapor (PVD) [78, 79]. La eficacia de este método depende principalmente de factores como el grosor de la capa, el tipo de sustrato, la duración del recocido y la temperatura, que influyen directamente en el tamaño y la forma de las NP [55, 80, 81].

Micropatrón

El micropatrón, una técnica popular empleada en biosensores, microarrays, ingeniería de tejidos y estudios celulares [82], también se utiliza en la síntesis de MNP. En general, esta técnica es equivalente a un proceso de impresión en el que un material se corta o se le da la forma y el tamaño requeridos, ya sea con un haz de luz o de electrones para la síntesis de matrices nanoestructuradas a partir de un precursor apropiado. Este es un método sin vacío a baja temperatura que utiliza fotolitografía para la síntesis de MNP, empleando la sinterización láser de tinta MNP [83, 84]. Además de la fotolitografía, se han desarrollado numerosas técnicas de litografía como el escaneado, la nanoimpresión blanda, la litografía coloidal, la nanoesfera y la litografía de haz E [2, 57, 85, 86].

Fresado

La molienda se representa generalmente como la cara pública de los procesos de arriba hacia abajo, ya que implica la ruptura directa de materiales a granel en micro / nanoestructuras. En el fresado mecánico, la energía cinética de los rodillos / bolas se transfiere al material a granel, lo que da como resultado la reducción del tamaño de grano [87]. Parámetros como el tipo de molino, la atmósfera de molienda, los medios de molienda, la intensidad, el tiempo y la temperatura juegan un papel crucial en el control de la forma y el tamaño de los NP [88, 89]. Se han desarrollado diferentes técnicas para superar estas limitaciones, incluidos los molinos vibratorios, los molinos de tambor, los molinos vibratorios, los molinos de atrición y los molinos planetarios.

Ablación con láser

La ablación láser es uno de los métodos que se considera un sustituto adecuado de los métodos químicos convencionales debido a sus rápidos tiempos de procesamiento, proporcionando un mejor control del tamaño y forma de las partículas y altos rendimientos con mejor estabilidad a largo plazo [78, 90 , 91,92]. En un proceso de ablación con láser, se irradia una superficie sólida (generalmente una placa de metal puro) con un rayo láser, lo que produce una columna de plasma de bajo flujo, que finalmente se evapora o sublima para formar NP [93]. A un flujo más alto, los materiales se convierten en plasma. La falta de requisitos para eliminar el exceso de reactivos, así como la posibilidad de síntesis de nanopartículas metálicas en disolventes tanto acuosos como orgánicos, ha permitido la implementación del método de ablación láser en aplicaciones biomédicas como la conjugación in situ de biomoléculas con MNP, lo cual ha sido probado. para ser más eficaz que las técnicas estándar [54, 94, 95].

Pirólisis

La descomposición térmica es otra técnica importante que se utiliza habitualmente por separado o en combinación con otros métodos físicos para la síntesis de MNP [78]. Es un proceso de descomposición química endotérmica que usa calor para romper los enlaces químicos del compuesto, lo que resulta en la descomposición del precursor, forzándolo a una reacción química que produce NP junto con otros subproductos en forma de cenizas. Mediante un procesamiento adicional de la ceniza sólida obtenida, se recuperan los NP. La pirólisis se utiliza con frecuencia para la preparación de MNP nobles [56, 96, 97]. El consumo excesivo de energía es uno de los inconvenientes más importantes de este método.

Deposición de vapor químico

Este método también se conoce como método de deposición al vacío, donde el reactivo gaseoso se deposita como una película delgada sobre un sustrato junto con una combinación de otras moléculas de gas que promueven el sobrecalentamiento del sustrato. Durante la reacción, el sustrato entra en contacto con los gases combinados, lo que lleva a la reducción de los iones [78]. El producto de esta reacción suele tener la forma de una película de la que es necesario raspar los NP. El método produce nanopartículas altamente puras, uniformes y no porosas; como resultado, este método se ha vuelto muy importante en la industria de la electrónica y los semiconductores. A pesar de estas enormes ventajas, este método adolece de algunas desventajas importantes:El requisito de equipo especial para fabricar las películas y cámaras para la reacción, y el hecho de que los subproductos gaseosos de esta reacción son extremadamente tóxicos [98].

Enfoques de abajo hacia arriba

Reducción de iones metálicos en solución

Este enfoque implica la reducción de iones metálicos de sus sales iónicas mediante el uso de varios agentes reductores químicos en presencia de un agente estabilizador bajo parámetros de reacción favorables (pH, temperatura, etc.). Este procedimiento es el método más común y confiable de todos los enfoques ascendentes debido a su gran simplicidad [2, 99]. Hay disponible una lista extensa de una serie de agentes reductores para este proceso que incluye citrato de sodio de uso común [10, 100], ácido tánico [99], borohidrato de sodio [101], hidrazina, hidrógeno, hidruro de litio y aluminio, y los alcoholes también pueden ser utilizado [2, 60]. De manera similar, cuando se trata de agentes estabilizantes, hay muchas opciones, y generalmente se dividen en dos categorías (1) de bajo peso molecular (p. Ej., Citrato, SDS, quitosano, etc.) y (2) de alto peso molecular. (por ejemplo, almidón, interpolación, PVP, PEG, DISPERBYK, etc.). Los estabilizadores de bajo peso molecular (generalmente detergentes cargados) tienen la tendencia a alterar la carga superficial de las partículas sintetizadas y mantener la fuerza repulsiva entre ellas, evitando la agregación; este tipo de estabilizador generalmente no protege bien contra los factores de estrés ambiental (especialmente los cambios en la temperatura de almacenamiento y la exposición a la luz). Los estabilizadores de alto peso molecular generalmente envuelven las partículas y las protegen de las tensiones ambientales. Se ha demostrado que son más eficaces que los estabilizadores de bajo peso molecular. A pesar de sus ventajas, sus aplicaciones biológicas y propiedades catalíticas son cuestionables debido a la gruesa capa de agente estabilizador sobre las partículas que evita su disolución [102, 103]. En términos de homogeneidad en el tamaño y la forma de las partículas, el claro ganador es la reducción basada en productos químicos. Esto se debe a que la reducción se puede regular fácilmente cambiando los parámetros de reacción (pH y la relación entre el agente reductor y estabilizador). Tyagi y su equipo produjeron AuNPs [104] utilizando el método de reducción de citrato a temperatura ambiente, a pH 3 con proporciones molares 2:1 y 5:1 de citrato a AuCl 3 de, produciendo partículas con un tamaño promedio de 28 y 25 nm, respectivamente. A este pH, la reacción fue mucho más rápida que a otros valores de pH. También demostraron que se formaron AuNP de diferentes formas, como prismas, varillas y esferas, a valores de pH que iban de 3 a 6 (con una relación molar de 2:1 de citrato a AuCl 3 ). En otro estudio de Agnihotri y colaboradores [105], quienes aplicaron un método de reducción de citrato similar para la síntesis de AgNPs, obtuvieron partículas con un tamaño promedio de 5 nm a la concentración más alta de citrato de sodio (4.28 × 10 –3 mol dm −3 ). Su tamaño aumentó a concentraciones elevadas de citrato (a 100 nm a 1,77 × 10 –2 mol dm −3 ). Otro estudio de Hou et al. [106] describió la síntesis de nanopartículas de Pt monodispersas y altamente estables en forma de hidrosoles para aplicaciones electrocatalíticas.

Microemulsión

La fabricación de NP metálicas a partir de microemulsiones se está convirtiendo en un tema de gran interés, y también ha surgido como un método eficaz que proporciona un mejor control sobre los aspectos físicos de las nanopartículas sintetizadas como el tamaño y la forma. En general, las microemulsiones son simplemente mezclas de dos líquidos inmiscibles en presencia de un tensioactivo. Estos sistemas generalmente tienen una tensión interfacial ultrabaja, un área interfacial grande y estabilidad termodinámica [107]. La primera síntesis de PNNM basada en microemulsión fue descrita por el equipo de Muñoz-Flores et al. [58, 108, 109] que sintetizaron NP de platino, paladio y rodio. En la síntesis de NP a base de microemulsión, se preparan dos microemulsiones separadas, una que contiene la sal iónica y otra que contiene el agente reductor producido en un entorno anfifílico. La colisión entre las emulsiones conduce a la mezcla de los reactivos y reduce los iones de la sal a átomos neutros, que luego forman nanopartículas [2]. Los sistemas de agua en aceite se emplean generalmente para la síntesis de nanopartículas metálicas, y como las nanopartículas producidas por este método se derivan en forma de emulsiones, generalmente son termodinámicamente estables. Dependiendo de la necesidad, este proceso también podría adaptarse para sintetizar un tipo específico de nanopartícula alterando la proporción de tensioactivo a aceite. Esto permite controlar el tamaño y la forma de las partículas [110].

Métodos electroquímicos

Los procesos electroquímicos se emplean comúnmente para la síntesis de NMNP y nanocomposites, que se utilizan principalmente por sus propiedades catalíticas y se han utilizado recientemente en aplicaciones biomédicas como biosensores [111]. El método electroquímico fue introducido por primera vez en 1994 por Reetz y Helbig, quienes disolvieron una hoja de metal puro del ánodo para lograr la deposición de sal metálica en el cátodo de una celda electroquímica en presencia de un electrolito para producir nanopartículas [2, 112] . La eficacia de este método depende de varios parámetros como la naturaleza del agente reductor, la pureza del metal y el estabilizador, la elección del electrolito, la relación de concentración y la temperatura, que impactan directamente en los parámetros físicos de las NP [53]. En la actualidad, se prefiere la síntesis de nanocomposites (especialmente aquellos con grafeno) mediante métodos electroquímicos a la síntesis de NP [113].

Métodos de síntesis inducidos por radiación

Este método emplea radiación ionizante (especialmente radiación gamma e incluye rayos X y luz ultravioleta) para la síntesis de nanopartículas metálicas. Se ha demostrado que es muy eficaz en comparación con los métodos convencionales de síntesis de NP, ya que proporciona nanopartículas metálicas totalmente reducidas y muy puras (libres de subproductos). El tema se ha tratado muy bien en varias revisiones [59, 66, 114, 115]. En este proceso, una solución acuosa de agente reductor y estabilizador se expone a radiólisis mediada por radiación, que conduce a la formación de NP. Durante la exposición a la radiación, las moléculas de agua se rompen, produciendo productos transitorios que actúan como agentes oxidantes o reductores fuertes y reducen los iones metálicos a átomos metálicos neutros, que se nuclean aún más para formar NP. Las técnicas de rayos X de sincrotrón permitieron el seguimiento de las trayectorias de crecimiento de las NP coloidales en tiempo real [116]. Los parámetros físicos críticos para la síntesis de NP incluyen la dosis de radiación, el pH del sistema y el tipo de disolvente utilizado en la síntesis [117]. Recientemente, la síntesis inducida por radiación se utilizó para la producción de AgNP estabilizados con Tween 80 para aplicaciones antibacterianas [118].

Métodos de síntesis verde inducidos por microondas

En general, la síntesis asistida por microondas también se conoce como síntesis en un recipiente e implica la síntesis de NP a partir de sales y soluciones tensioactivas. Es un método muy fiable, rápido y sencillo que permite controlar la morfología de los NP sintetizados [2]. Este método funciona según el principio de interacción dipolar (las moléculas tienden a alinearse y oscilar al paso del campo eléctrico oscilante de las microondas, la colisión y la fricción entre ellas causa calor) y la conducción iónica (el campo eléctrico genera movimiento iónico a medida que las moléculas lo intentan). orientarse al campo que cambia rápidamente, causando un sobrecalentamiento instantáneo) produciendo un efecto de calentamiento que da como resultado la reducción de iones metálicos a NPs [119, 120]. El tiempo de irradiación de microondas y la concentración del reactivo determinan principalmente los parámetros morfológicos de las NP. Recientemente, las propiedades físicas como la monodispersidad y el tamaño de grano de las NP de magnetita superparamagnética preparadas mediante síntesis asistida por microondas se controlaron mediante la inyección de humato-polianión en diferentes etapas de la síntesis [121]. La descarga eléctrica inducida por microondas también se utilizó para la síntesis de nanopartículas de Cu, Ni y Zn a partir de partículas metálicas en ausencia de disolventes o tensioactivos [122].

Métodos de síntesis verde

El uso excesivo de productos químicos en la síntesis química casi ha puesto en peligro el futuro de las aplicaciones biológicas de los PNNM. Esto dio lugar a la exploración de otros métodos ecológicos con un uso mínimo de productos químicos. Los métodos sintéticos ecológicos que emplean extractos de plantas, microorganismos y biopolímeros han demostrado ser candidatos potentes para reemplazar los métodos químicos de síntesis de NP (Fig. 2) [123]. Gracias a metodologías más simples y ecológicas, ha habido un aumento exponencial de publicaciones en las últimas dos décadas [52, 124, 125].

Representación esquemática de métodos de síntesis ecológicos

Síntesis de biosistemas de NMNPS

La búsqueda del desarrollo de métodos rentables desde el punto de vista económico y medioambiental ha llevado a la exploración de microorganismos como candidatos potenciales para la síntesis de nanopartículas [126, 127]. Los sistemas biológicos son excelentes ejemplos de organizaciones jerárquicas de átomos y moléculas, que atraen a los investigadores a utilizar microorganismos como posibles fábricas de células para la preparación de nanomateriales. Tanto las especies procarióticas (bacterias) como las eucarióticas (algas, hongos y plantas) se utilizan para la síntesis verde de NP [123].

Síntesis de nanopartículas basada en bacterias

Las bacterias que han estado expuestas repetidamente a entornos ricos en metales a menudo han desarrollado resistencia a estas condiciones extremas [128]. Por lo tanto, los procariotas se han convertido en una opción natural para producir nanomateriales. Pseudomonas stutzeri AG259, una bacteria acumuladora de metales aislada de una mina de plata, fue utilizada por Klaus et al. [129] para crear nanocristales intracelulares de plata metálica de hasta 200 nm de tamaño. La síntesis extracelular de NP fue informada por primera vez por Shahverdi y colaboradores [130], donde los AgNP se producían mediante la reducción de Ag + acuoso iones a través de varios sobrenadantes de cultivos de bacterias Gram-negativas, es decir, Enterobacter cloacae , Escherichia coli y neumonía por Klebsiella . La tasa de síntesis fue mucho más rápida que la síntesis intracelular, lo que resultó en la síntesis de Ag-NP dentro de los 5 minutos de que los iones Ag + encontraran el filtrado celular. Enzimas reductasa extracelulares producidas por los microorganismos, a saber Bacillus licheniformis y Bacillus clausii , reduce los iones de plata a plata neutra, lo que da como resultado partículas de tamaño nanométrico. El ensayo de proteínas de estos microorganismos reveló que la enzima reductasa dependiente de NADH juega un papel vital en la biorreducción de iones de plata a nanopartículas de plata. La enzima reductasa obtiene sus electrones de la oxidación de NADH a NAD +. Durante la oxidación, la enzima también se oxida al mismo tiempo, lo que resulta en la reducción de iones de plata a AgNP. En algunos casos, se ha observado que la reductasa dependiente de nitrato también puede participar en la biorreducción [131,132,133]. Además, varias cepas bacterianas (tanto gramnegativas como grampositivas), a saber A. calcoaceticus, B. amyloliquefaciens, B. flexus, B. megaterium y S. aureus , también se han utilizado para la biosíntesis extra e intracelular de AgNP [123]. De manera similar, los AuNP y PtNP también se preparan mediante la acumulación y reducción de sales de oro y platino por parte de bacterias. B. licheniformis, B. megaterium , Delftia sp KCM-006., Shewanella sp ., Stenotrophomonas maltophilia y Lactobacillus sp . son algunos ejemplos de bacterias que se han utilizado para producir nanomateriales de oro [134, 135]. Además, la bacteria Shewanella sp . y Acinetobacter calcoaceticus Se utilizaron PUCM 1011 para la preparación de PtNP [136, 137]. Aunque la síntesis mediada por bacterias es prometedora en términos de su naturaleza verde y control sobre la forma y el tamaño de las partículas (principalmente en la síntesis extracelular), adolece de desventajas como dificultades de manipulación y bajos rendimientos.

Síntesis basada en hongos

En los últimos años, la síntesis de NMNP con microorganismos eucariotas ha surgido como una mejor alternativa a los procariotas debido a su alta capacidad de absorción intracelular de metales, capacidad para sintetizar NP con diferentes composiciones químicas, capacidad para producir una gran cantidad de enzimas por unidad de biomasa y fácil manejo de la biomasa. a escala de laboratorio [131].

En general, los hongos tienen el potencial de sintetizar NP metálicas debido a su capacidad de bioacumulación de metales, su tolerancia, alta capacidad de unión y absorción intracelular como las bacterias [127]. Los hongos utilizan métodos tanto intracelulares como extracelulares para la síntesis de NP, y la síntesis extracelular es el mecanismo de síntesis más comúnmente informado debido a su capacidad para producir una gran cantidad de enzimas extracelulares que convierten Ag + iones a nanopartículas de plata [138,139,140]. En síntesis intracelular, Ag + Los iones son adsorbidos a la superficie celular por la interacción electrostática entre los grupos carboxilato cargados negativamente en las enzimas y el Ag + cargado positivamente iones. Ag + Los iones son posteriormente reducidos por las enzimas presentes en la pared celular para formar AgNP, en este proceso las NP se forman en la superficie del micelio, no en solución. En 2001, la preparación intracelular de AuNP con Verticillium sp fue informado por primera vez por Mukherjee et al. [141], donde Au 3+ Los iones de tetracloroaurato se redujeron dentro de las células fúngicas, lo que resultó en la formación de partículas dentro del rango de tamaño de 20 nm. Vahabi y compañeros de trabajo [142] emplearon a Trichoderma reesei para la síntesis de AgNPs, donde el medio con biomasa fue inoculado con AgNO 3 y se incubó durante un período de 72 h, lo que resultó en la formación de AgNP en el rango de tamaño de 5 a 50 nm. Del mismo modo, otro estudio del equipo de Vigneshwaran et al. [138] demostró la síntesis intracelular de AgNP de Aspergillus flavus e informó que las enzimas de la pared celular eran las principales responsables de la reducción y las proteínas de la estabilización. A pesar de todas estas ventajas, como una síntesis más rápida y un mejor control del tamaño y la forma de las partículas sintetizadas, los procesos intracelulares adolecen de una enorme desventaja en cuanto a la recuperación del producto, lo que hace que el proceso sea difícil y caro, ya que los NP se unen a la célula. Como resultado, se prefiere la síntesis extracelular. En la síntesis extracelular, se utiliza caldo / suspensión libre de células en el proceso de síntesis que resulta ser más ecológico y rentable. En 2016, el equipo de Balakumaran et al. [143] utilizó una suspensión libre de células de Aspergillus terreus para la síntesis tanto de Au como de AgNP, lo que da como resultado nanopartículas esféricas en el rango de tamaño de 8 a 20 nm y de 10 a 50 nm para Ag y AuNP, respectivamente. La evaluación FTIR de las partículas confirmó la unión de proteínas con las NP.

Síntesis basada en algas

La síntesis de NPs mediada por algas utiliza cuatro métodos diferentes:(1) las células de algas enteras se recolectan de sus medios de cultivo en una fase dada de crecimiento usando centrifugación y luego se dispersan directamente en una solución acuosa de la sal metálica; (2) extracto acuoso exento de células elaborado a partir de células liofilizadas o recién cosechadas; (3) un filtrado de extracto acuoso o sobrenadante de algas molidas, frescas o secas; y (4) un filtrado acuoso de un caldo de algas. La síntesis mediada por extractos es el mecanismo de síntesis basado en algas más comúnmente reportado [131, 144]. The accumulation of elemental gold in the form of AuNPs (9–20 nm) was noted with a dried cell suspension of Chlorella vulgaris by Hosea et al., who also reported an increase in the concentration of gold with time, proving the ability of the algal cells to uptake and reduce the gold ions from tetrachloroauric acid [145]. Velgosova and coworkers [146] reported on the synthesis of highly stable AgNPs from Parachlorella kessleri , a green algae aqueous extract, where the synthesized particles were in the size range of about 20 nm and exhibited excellent stability over a year. Other Algal sp, such as Pithophora oedogonia , Sargassum wightii and Plectonema boryanum , have been used successfully to construct Ag, Au and PtNPs, respectively [147,148,149].

Plant-Based Synthesis

Plant- and plant extract-mediated synthesis has been the most commonly reported synthesis methodology [123, 135, 150]. This type of synthesis is designated phytosynthesis. The major advantage of this synthesis method is easy product recovery. In 2003, the team of Gardea-Torresdey et al. was the first to illustrate the synthesis of metal nanoparticles (AgNPs) using a living plant system with alfalfa sprouts (Medicago sativa ) in an agar medium. The roots possess the tendency to absorb the Ag from the medium and transport it along the shoot of the system in the same oxidation state, in the shoot the Ag atoms are further arranged to form AgNPs. Similarly, another study employed the alfalfa plant secretome to reduce Au + a Au 0 , which also followed a similar procedure to produce AuNPs [151]. Plant-extract-mediated synthesis uses a plant component (leaves, stems, roots, shoots, flowers, barks and seeds) extract for the synthesis of NPs, the major advantage of this method is the ability of the extract to serve as both the reducing and stabilizing agent [152]. This method has been proved to be the most cost efficient and user friendly method to produce nanoparticles with long-term stability. In 2016, the team of Balashanmugam et al. demonstrated the phytogenic synthesis of AgNPs from Cassia roxburghii aqueous leaf extract. The synthesized AgNPs were in the size range of about 35 nm and exhibited excellent stability over a year. This method also facilitated the synthesis of both individual and bimetallic particles. Neem (Azadirachta indica ) leaf extract was successfully used by Shankar et al. [153] to prepare silver, gold and bimetallic Au/Ag core–shell NPs. Similar plant extracts (bark, leaf, fruit and gum) have been used by several researchers to produce a variety of NMNPs [153,154,155]. Currently, light-induced nanoparticles are in the spotlight, as this procedure facilitates faster synthesis during the exposure of the mixture to sunlight. Kumar et al. [156] used Erigeron Bonariensis aqueous leaf extract for the synthesis of silver nanoparticles that yielded spherical and oval-shaped AgNPs with a size range of 13 nm (TEM size). The crucial parameters to be considered in this synthesis are the light exposure time and the concentration of the plant extract in the reaction system.

Conclusion

Several physical, chemical as well as biological methods have been developed for the synthesis of NPs. All these processes are widely used based on the utility and applicability of the nanoproducts. However, each of the existing protocols suffers from certain drawbacks and also most of these processes cannot be scaled up for large-scale production. Thus, the development of alternative processes to fabricate NPs with controlled and tunable properties is still an open challenge.

Disponibilidad de datos y materiales

No aplica.

Abreviaturas

NM:

Noble metals

NP:

Nanopartículas

NMNPs:

Noble metal nanoparticles

AuNPs:

Nanopartículas de oro

AgNPs:

Silver nanoparticles

PtNPs:

Platinum nanoparticles

NMNCs:

Noble metal composites

PVD:

Deposición física de vapor

SDS:

Sodium dodecyl sulfate

PVP:

Polyvinylpyrrolidon

PEG:

Polietilenglicol

AuCl3 :

Gold chloride

NADH:

Nicotinamide adenine dinucleotide

TEM:

Microscopía electrónica de transmisión


Nanomateriales

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