Enfoques Avanzados para la Síntesis de Nanopartículas de Metales Nobles

Resumen

Los metales nobles han desempeñado un papel fundamental en la historia humana durante siglos; sin embargo, su integración con los avances recientes en nanotecnología y ciencia de materiales ha abierto nuevas oportunidades de investigación tanto en el ámbito académico como industrial, resultando en una nueva gama de aplicaciones avanzadas, incluidas las médicas. Las nanopartículas de metales nobles (NMNPs) han cobrado gran importancia en biomedicina en las últimas décadas debido a su relevancia en la atención médica personalizada y el diagnóstico. En particular, las nanopartículas de platino, oro y plata ocupan el lugar más destacado, gracias a su amplia gama de aplicaciones industriales, incluidas las biomédicas como agentes antimicrobianos y antivirales, diagnósticos, vehículos de fármacos y sondas de imagen. Su superior resistencia a condiciones extremas de corrosión y oxidación es especialmente valorada. En las últimas dos décadas se ha producido un tremendo avance en el desarrollo de nuevas estrategias de síntesis de NMNPs más rentables y robustas, que proporcionan materiales con propiedades físico-químicas, ópticas, térmicas y funcionalidades bioquímicas altamente ajustables. Como resultado, se han desarrollado nuevos NMNPs híbridos avanzados con polímeros, grafeno, nanotubos de carbono, puntos cuánticos y sistemas núcleo-cáscara, con características físico-químicas aún más mejoradas, lo que ha llevado a aplicaciones diagnósticas y terapéuticas excepcionales. En esta revisión, se resumen los avances actuales en la síntesis de NMNPs (Au, Ag y Pt).

Introducción

Los metales nobles se utilizan desde hace mucho tiempo, desde la primera civilización egipcia, y siempre se han considerado un signo de poder y riqueza superiores. Por ello, aparecen en la historia en forma de costosas obras de arte, monedas, joyas, etc. [1]. Estos metales tienden a ser más caros que otros debido a su disponibilidad en la corteza terrestre [2, 3]. Gracias a su naturaleza robusta y resistencia a condiciones extremas de corrosión y oxidación, se han empleado ampliamente en las industrias aeroespacial, automotriz, química, energética, eléctrica y electrónica, y, lo que es más importante, en la atención sanitaria (desde equipos quirúrgicos hasta agentes de contraste en imagenología) [4, 5].

En las últimas dos décadas, la nanotecnología ha demostrado ser la tecnología futura más prometedora, ofreciendo innumerables posibilidades. El apoyo multidisciplinar de los sectores académico e industrial la ha convertido en el campo de expansión más rápida, con resultados altamente prometedores [6-8]. Actualmente, el salto tecnológico en la síntesis y control de metales a nanoescala ha brindado inmensas oportunidades de investigación para avanzar en la atención médica personalizada, el diagnóstico y las terapias [9-11]. Las nanopartículas metálicas (MNPs) han resultado ser las más estudiadas común y ampliamente debido a sus impresionantes propiedades físico-químicas y su gran relación superficie-volumen en comparación con su material a granel (metal). En cuanto a aplicaciones biomédicas, las NMNPs se convirtieron en una opción natural debido a su resistencia a entornos hostiles. Se han aplicado en ensayos diagnósticos de alta sensibilidad, como potenciadores de ablación térmica en radioterapia, y como vehículos de administración de fármacos y genes [3, 12, 13].

La reciente fusión de la nanotecnología con la ciencia de materiales ha resultado en el desarrollo de nuevos materiales nanocompuestos con propiedades térmicas, catalíticas, eléctricas, ópticas y mecánicas altamente mejoradas en comparación con los componentes individuales. Destacan los compuestos hechos de NMNPs, que han ganado gran interés investigativo debido a sus impresionantes propiedades físico-químicas, que desempeñan un papel vital en la modificación de los bloques de construcción a nanoescala y resultan en amplias aplicaciones en catálisis (principalmente electrocatálisis), óptica, nanomedicina y protección ambiental [14-17]. Los metales nobles en estado coloidal han sido objeto de estudios intensivos, principalmente debido a su eficacia en terapéutica y diagnóstico [2, 18]. De manera similar, las mejoras en la síntesis de materiales como óxido de grafeno y óxido de grafeno reducido [14, 19, 20], puntos cuánticos [21-23] y nanotubos de carbono [24-26] han contribuido a métodos más factibles y efectivos para la formación de compuestos de metales nobles (NMNCs).

Debido al pequeño tamaño de AuNPs y PtNPs, su gran relación superficie-volumen y capacidad para asistir en procesos de transferencia de electrones de alta eficiencia, son candidatos ideales para aplicaciones como sensores electroquímicos [27-29]. Las propiedades ópticas de las NMNPs han servido como tema para muchos estudios, especialmente AgNPs y AuNPs. Estas NPs pueden responder de manera diferente a distintas longitudes de onda de luz (dispersión extensa desde la región visible hasta el infrarrojo cercano con Au), por lo que se aplican como potenciadores de señal en espectroscopía Raman de superficie mejorada (SERS), resonancia de plasmones de superficie localizada y otras espectroscopías de dispersión por resonancia [30-33]. Debido a sus propiedades ópticas extensamente ajustables y biocompatibilidad, las AuNPs se han aplicado en terapia fototérmica e imagenología in vivo (imagenología fotoacústica) de tumores [34-36]. Recientemente, las AgNPs también han exhibido su potencial en terapia fototérmica, donde generalmente se aplican como sistemas núcleo-cáscara de Ag o compuestos (con óxido de grafeno reducido/nanotubos de carbono) [37-39]. La biocompatibilidad de las NMNPs con células y tejidos ha abierto una amplia aplicabilidad en diagnóstico [14]. Los biosensores de NMNPs y NMNCs (especialmente grafeno) han desempeñado un papel clave en mejoras de precisión y especificidad que proporcionan una ventaja sobre los métodos de diagnóstico biomolecular existentes [40, 41]. Generalmente, AuNPs y PtNPs se emplean en el desarrollo de nuevos biosensores y sondas debido a su capacidad para adsorber biomoléculas junto con su conductividad y estabilidad supremas [42-45]. Como resultado, las propias NMNPs o en forma de NMNCs se aplican como inmunosensores [46], biomoléculas para detección [47] y nanodispositivos (para imagenología, seguimiento y estudio de la patogénesis de la progresión de enfermedades in vivo) [2, 6, 48]. A pesar de todas estas ventajas, aún persisten muchas preguntas y debates sobre su perfil de seguridad en el cuerpo humano [49-51].

En esta revisión, se presenta un estudio sobre las metodologías de síntesis de NMNPs (Ag, Au y Pt) y NMNCs (con Ag, Au y Pt) junto con sus desarrollos actuales en aplicaciones biomédicas como terapéuticos y diagnósticos, incluyendo la sinergia exhibida por NMNCs con NMNPs en términos de rendimiento mejorado, un tema candente en la investigación de materiales.

Tendencias Actuales en la Síntesis de NMNPs

Métodos de Síntesis de NMNPs

La preparación de NPs básicamente sigue dos enfoques diferentes: (1) arriba-abajo (método destructivo) y (2) abajo-arriba (método constructivo) (Fig. 1).

Los procesos arriba-abajo implican la fragmentación de materiales a granel en partículas más pequeñas de nano-dimensiones utilizando diversos métodos físicos y químicos. En contraste, en el enfoque abajo-arriba, las NPs se producen por autoensamblaje de átomos, moléculas o clusters. Los enfoques arriba-abajo involucran procesos controlados externamente de corte, fresado y conformado de materiales en el orden y forma deseados. Varios métodos físicos, como pirólisis [61, 62], nanolitografía [63, 64], termólisis [65] y métodos inducidos por radiación [66-68] pertenecen a esta categoría. Sin embargo, este enfoque presenta una limitación importante: la estructura superficial imperfecta de las MNPs resultantes, que afecta sustancialmente sus propiedades físicas y químicas [1]. Además, este método requiere una enorme cantidad de energía para mantener condiciones de alta presión y temperatura durante el procedimiento sintético, lo que hace que el proceso sea costoso.

En los métodos abajo-arriba, las NPs se ensamblan a partir de los átomos, clusters y moléculas correspondientes utilizando procedimientos químicos y biológicos. El enfoque abajo-arriba ha resultado ventajoso, ya que proporciona un control mucho mejor sobre la formación del producto final con tamaño, forma (parámetros físicos) y composición química más homogéneos. Además, este enfoque en general es menos costoso. El enfoque abajo-arriba es comúnmente un procedimiento de síntesis químico-húmedo, como reducción química [69, 70], electroquímica [71-73], sonquímica [74, 75] y síntesis verde [76, 77]. En el enfoque abajo-arriba, la purificación de las partículas sintetizadas de su mezcla de reacción (químicos tóxicos, solventes orgánicos y reactivos) es un desafío importante que pone en duda sus aplicaciones biomédicas, excepto para los métodos de síntesis verde.

Enfoques Arriba-Abajo

Pulverización Catódica (Sputtering)

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

Micropatronado

El micropatronado, una técnica popular empleada en biosensores, microarreglos, ingeniería de tejidos y estudios celulares [82], también se usa en la síntesis de MNPs. En general, esta técnica equivale a un proceso de impresión en el que un material se corta o forma en la forma y tamaño requeridos ya sea con un haz de luz o electrones para la síntesis de arreglos nanoestructurados a partir de un precursor adecuado. Es un método de baja temperatura y no al vacío que utiliza fotolitografía para la síntesis de MNPs, empleando el sinterizado láser de tinta de MNP [83, 84]. Además de la fotolitografía, se han desarrollado numerosas técnicas de litografía como escaneo, nanoimpresión blanda, coloidal, nanoesfera y litografía de haz de electrones [2, 57, 85, 86].

Fresado (Milling)

El fresado se representa generalmente como la cara pública de los procesos arriba-abajo, ya que implica la rotura 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 resulta en la reducción del tamaño de grano [87]. Parámetros como el tipo de molino, atmósfera de fresado, medio de fresado, intensidad, tiempo y temperatura juegan un papel crucial en el control de la forma y tamaño de las NPs [88, 89]. Se han desarrollado diferentes técnicas para superar estas limitaciones, incluyendo molinos de agitación, molinos giratorios, molinos vibratorios, molinos de atrición y molinos planetarios.

Ablación Láser

La ablación láser es uno de los métodos considerados como un reemplazo adecuado para los métodos químicos convencionales debido a sus tiempos de procesamiento rápidos, proporcionando un mejor control sobre el tamaño y forma de las partículas y altos rendimientos con mejor estabilidad a largo plazo [78, 90-92]. En un proceso de ablación láser, una superficie sólida (generalmente una placa de metal puro) se irradia con un haz láser, lo que conduce a una pluma de plasma de bajo flujo, que finalmente se evapora o sublima para formar NPs [93]. A un flujo más alto, los materiales se convierten en plasma. La falta de requerimiento para eliminar reactivos en exceso, así como la posibilidad de síntesis de nanopartículas metálicas en solventes acuosos y orgánicos, ha permitido la implementación del método de ablación láser en aplicaciones biomédicas como la conjugación in situ de biomoléculas con MNPs, que ha demostrado ser más efectiva que las técnicas estándar [54, 94, 95].

Pirólisis

La descomposición térmica es otra técnica importante comúnmente usada por separado o en combinación con otros métodos físicos para la síntesis de MNPs [78]. Es un proceso de descomposición química endotérmica que usa calor para romper los enlaces químicos del compuesto, resultando en la descomposición del precursor, forzándolo a una reacción química que produce NPs junto con otros subproductos en forma de ceniza. A través del procesamiento adicional de la ceniza sólida obtenida, se recuperan las NPs. La pirólisis se usa frecuentemente para la preparación de MNPs nobles [56, 96, 97]. El consumo excesivo de energía es uno de los inconvenientes más importantes de este método.

Deposición Química de Vapor

Este método también se conoce como deposición al vacío, donde el reactante 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 conduce a la reducción de los iones [78]. El producto de esta reacción suele ser en forma de película de la cual las NPs deben ser raspadas. El método produce nanopartículas altamente puras, uniformes y no porosas; como resultado, este método se ha vuelto muy importante en la industria electrónica y de semiconductores. A pesar de estas enormes ventajas, este método sufre algunas desventajas importantes: la necesidad de equipo especial para hacer las películas y cámaras para la reacción, y el hecho de que los subproductos gaseosos de esta reacción son extremadamente tóxicos [98].

Enfoques Abajo-Arriba

Reducción de Iones Metálicos en Solución

Este enfoque implica la reducción de iones metálicos de sus sales iónicas utilizando diversos 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 abajo-arriba debido a su simplicidad [2, 99]. Existe una lista extensa de agentes reductores disponibles para este proceso que incluye citrato de sodio [10, 100], ácido tánico [99], borohidruro de sodio [101], hidracina, hidrógeno, hidruro de litio y aluminio, y alcoholes [2, 60]. De manera similar, en cuanto a agentes estabilizadores hay muchas opciones, y generalmente se dividen en dos categorías: (1) bajo peso molecular (ej. citrato, SDS, quitosano, etc.) y (2) alto peso molecular (ej. almidón, tween, PVP, PEG, DISPERBYK, etc.). Los estabilizadores de bajo peso molecular (generalmente detergentes cargados) tienden a alterar la carga superficial de las partículas sintetizadas y mantener la fuerza repulsiva entre ellas, previniendo la agregación; este tipo de estabilizador generalmente no protege bien contra factores de estrés ambiental (especialmente cambios en temperatura de almacenamiento y exposición a luz). Los estabilizadores de alto peso molecular generalmente envuelven las partículas y las protegen de tensiones ambientales. Se ha demostrado que son más eficientes que los 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 impide su disolución [102, 103]. En términos de homogeneidad en tamaño y forma de partícula, el claro ganador es la reducción basada en química. Esto es porque la reducción puede regularse fácilmente cambiando los parámetros de reacción (pH y la relación entre el agente reductor y el estabilizador). Tyagi y su equipo produjeron AuNPs [104] usando el método de reducción con citrato a temperatura ambiente, a pH 3 con relaciones molares 2:1 y 5:1 de citrato a AuCl₃, produciendo partículas con tamaño promedio de 28 y 25 nm, respectivamente. A este pH, la reacción fue mucho más rápida que a otros valores de pH. También mostraron que AuNPs de diferentes formas como prismas, varillas y esferas se formaron a valores de pH entre 3 y 6 (con relación molar 2:1 de citrato a AuCl₃). En otro estudio de Agnihotri y colaboradores [105], que aplicaron un método similar de reducción con citrato para la síntesis de AgNPs, obtuvieron partículas con 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 (hasta 100 nm a 1.77 × 10⁻² mol dm⁻³). Otro estudio de Hou et al. [106] describió la síntesis de nanopartículas de Pt altamente estables y monodispersas en forma de hidrosoles para aplicaciones electrocatalíticas.

Microemulsión

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

Métodos Electroquímicos

Los procesos electroquímicos se emplean comúnmente para la síntesis de NMNPs y nanocompuestos, que se usan principalmente por sus propiedades catalíticas y recientemente en aplicaciones biomédicas como biosensores [111]. El método electroquímico se introdujo por primera vez en 1994 por Reetz y Helbig, quienes disolvieron una lámina 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 efectividad de este método depende de varios parámetros como la naturaleza del agente reductor, la pureza del metal y el estabilizador, elección del electrolito, relación de concentración y temperatura, que impactan directamente los parámetros físicos de las NPs [53]. Actualmente, la síntesis de nanocompuestos (especialmente los de grafeno) usando métodos electroquímicos es preferida a la síntesis de NPs [113].

Métodos de Síntesis Inducidos por Radiación

Este método emplea radiación ionizante (especialmente radiación gamma e incluye rayos X y luz UV) para la síntesis de nanopartículas metálicas. Se ha demostrado que es altamente eficiente en comparación con los métodos convencionales de síntesis de NPs, ya que proporciona nanopartículas metálicas totalmente reducidas, altamente puras (libres de subproductos). El tema ha sido cubierto 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, lo que conduce a la formación de NPs. Durante la exposición a radiación, las moléculas de agua se rompen, produciendo productos transitorios que actúan como fuertes agentes oxidantes o reductores y reducen iones metálicos a átomos metálicos neutros, que posteriormente nuclean para formar NPs. Las técnicas de rayos X de sincrotrón permitieron monitorear las trayectorias de crecimiento de NPs coloidales en tiempo real [116]. Los parámetros físicos críticos para la síntesis de NPs incluyen la dosis de radiación, pH del sistema y el tipo de solvente usado en la síntesis [117]. Recientemente, la síntesis inducida por radiación se usó para la producción de AgNPs estabilizadas con tween 80 para aplicaciones antibacterianas [118].

Métodos de Síntesis Verde Inducidos por Microondas

Generalmente, la síntesis asistida por microondas también se conoce como síntesis en una olla y envolucra la síntesis de NPs a partir de sales y soluciones de surfactante. Es un método altamente confiable, rápido y fácil que soporta control sobre la morfología de las NPs sintetizadas [2]. Este método funciona sobre el principio de interacción dipolar (las moléculas tienden a alinearse y oscilar en paso con el campo eléctrico oscilante de las microondas, la colisión y fricción entre ellas causa calor) y conducción iónica (El campo eléctrico genera movimiento iónico ya que las moléculas intentan orientarse al campo que cambia rápidamente, causando sobrecalentamiento instantáneo) produciendo un efecto de calentamiento que resulta en la reducción de iones metálicos a NPs [119, 120]. El tiempo de irradiación de microondas y la concentración del reactante determinan principalmente los parámetros morfológicos de las NPs. Recientemente, propiedades físicas como monodispersidad y tamaño de grano de NPs de magnetita superparamagnética preparadas por síntesis asistida por microondas fueron controladas por la inyección de humato-poliación en diferentes etapas de la síntesis [121]. La descarga eléctrica inducida por microondas se usó también para la síntesis de nanopartículas de Cu, Ni y Zn a partir de partículas metálicas en ausencia de solventes o surfactantes [122].

Métodos de Síntesis Verde

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

Síntesis Biosistémica de NMNPs

La búsqueda del desarrollo de métodos económicamente y ambientalmente benignos 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 para usar microorganismos como potenciales fábricas celulares para la preparación de nanomateriales. Se utilizan tanto especies procarióticas (bacterias) como eucarióticas (algas, hongos y plantas) para la síntesis verde de NPs [123].

Síntesis de Nanopartículas Basada en Bacterias

Las bacterias que han sido expuestas repetidamente a ambientes ricos en metales a menudo han desarrollado resistencia a estas condiciones extremas [128]. Así, 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 NPs fue reportada por primera vez por Shahverdi y colaboradores [130], donde se produjeron AgNPs por la reducción de iones Ag⁺ acuosos a través de diversos sobrenadantes de cultivos de bacterias Gram-negativas, es decir, Enterobacter cloacae, Escherichia coli y Klebsiella pneumoniae. La tasa de síntesis fue mucho más rápida que la síntesis intracelular, resultando en síntesis de AgNPs dentro de 5 minutos del encuentro de iones Ag⁺ con el filtrado celular. Enzimas reductasas extracelulares producidas por los microorganismos, Bacillus licheniformis y Bacillus clausii, reducen los iones de plata a plata neutra, resultando en partículas nanométricas. 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, resultando en la reducción de iones de plata a AgNPs. En algunos casos, se ha observado que la reductasa dependiente de nitrato también puede participar en la biorreducción [131-133]. Además, varias cepas bacterianas (Gram-negativas y Gram-positivas), como A. calcoaceticus, B. amyloliquefaciens, B. flexus, B. megaterium y S. aureus, también se han usado para la biosíntesis extra e intracelular de AgNPs [123]. De manera similar, AuNPs y PtNPs también se preparan por la acumulación y reducción de sales de oro y platino por bacterias. B. licheniformis, B. megaterium, Delftia sp KCM-006., Shewanella sp., Stenotrophomonas maltophilia y Lactobacillus sp. son algunos ejemplos de bacterias usadas para producir nanomateriales de oro [134, 135]. Además, las bacterias Shewanella sp. y Acinetobacter calcoaceticus PUCM 1011 fueron utilizadas para la preparación de PtNPs [136, 137]. Aunque la síntesis mediada por bacterias es prometedora en términos de su naturaleza verde y control sobre la forma y tamaño de la partícula (principalmente en síntesis extracelular), sufre desventajas como dificultades de manejo y bajos rendimientos.

Síntesis Basada en Hongos

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

En general, los hongos tienen el potencial de sintetizar NPs metálicas debido a su capacidad de bioacumulación de metales, su tolerancia, alta capacidad de unión y absorción intracelular como las bacterias [127]. Los hongos usan métodos intracelulares y extracelulares para la síntesis de NPs, y la síntesis extracelular es el mecanismo más comúnmente reportado debido a su capacidad para producir gran cantidad de enzimas extracelulares que convierten iones Ag⁺ en partículas de plata a nanoescala [138-140]. En la síntesis intracelular, los iones Ag⁺ se adsorben a la superficie celular por la interacción electrostática entre grupos carboxilato cargados negativamente en enzimas e iones Ag⁺ cargados positivamente. Los iones Ag⁺ son luego reducidos por las enzimas presentes en la pared celular para formar AgNPs, en este proceso las NPs se forman en la superficie de micelios, no en solución. En 2001, la preparación intracelular de AuNPs usando Verticillium sp fue reportada por primera vez por Mukherjee et al. [141], donde iones Au³⁺ de tetracoloroaurato fueron reducidos dentro de las células fúngicas, resultando en la formación de partículas en el rango de tamaño de 20 nm. Vahabi y colaboradores [142] emplearon Trichoderma reesei para síntesis de AgNPs, donde el medio con biomasa fue inoculado con AgNO₃ e incubado por 72 h, resultando en formación de AgNPs en rango de 5-50 nm. Similarmente, otro estudio del equipo de Vigneshwaran et al. [138] demostró la síntesis intracelular de AgNPs de Aspergillus flavus y reportó que las enzimas en la pared celular eran principalmente responsables de la reducción, y las proteínas responsables de la estabilización. A pesar de todas estas ventajas como síntesis más rápida y mejor control sobre tamaño y forma, los procesos intracelulares sufren una gran desventaja en términos de recuperación del producto que hace el proceso difícil y costoso, ya que las NPs se unen a la célula. Como resultado, se prefiere la síntesis extracelular. En la síntesis extracelular, caldo/suspensión libre de células se usa en el proceso de síntesis que resulta más ecológico y rentable. En 2016, el equipo de Balakumaran et al. [143] usó una suspensión libre de células de Aspergillus terreus para la síntesis de AuNPs y AgNPs, resultando en nanopartículas esféricas en rango de 8-20 nm y 10-50 nm para AgNPs y AuNPs, respectivamente. La evaluación FTIR de las partículas confirmó la unión de proteínas con las NPs.

Síntesis Basada en Algas

La síntesis de NPs mediada por algas utiliza cuatro métodos diferentes: (1) células algales completas se cosechan de su medio de cultivo en una fase de crecimiento dada usando centrifugación y luego se dispersan directamente en una solución acuosa de la sal metálica; (2) extracto acuoso libre de células hecho de células recién cosechadas o liofilizadas; (3) un filtrado de extracto acuoso o sobrenadante de algas frescas o secas molidas; y (4) un filtrado acuoso de un caldo algal. La síntesis mediada por extracto es el mecanismo de síntesis basado en algas más comúnmente reportado [131, 144]. La acumulación de oro elemental en forma de AuNPs (9-20 nm) fue notada con una suspensión de células secas de Chlorella vulgaris por Hosea et al., quienes también reportaron un aumento en la concentración de oro con el tiempo, probando la capacidad de las células algales para absorber y reducir iones de oro del ácido tetracoloroáurico [145]. Velgosova y colaboradores [146] reportaron la síntesis de AgNPs altamente estables de Parachlorella kessleri, un extracto acuoso de alga verde, donde las partículas sintetizadas estaban en rango de unos 20 nm y exhibieron excelente estabilidad por más de un año. Otras especies algales, como Pithophora oedogonia, Sargassum wightii y Plectonema boryanum, se han usado exitosamente para construir AgNPs, AuNPs y PtNPs, respectivamente [147-149].

Síntesis Basada en Plantas

La síntesis mediada por plantas y extractos de plantas ha sido la metodología de síntesis más comúnmente reportada [123, 135, 150]. Este tipo de síntesis se designa fitosíntesis. La principal ventaja de este método de síntesis es la fácil recuperación del producto. En 2003, el equipo de Gardea-Torresdey et al. fue el primero en ilustrar la síntesis de nanopartículas metálicas (AgNPs) usando un sistema de planta viva con brotes de alfalfa (Medicago sativa) en medio de agar. Las raíces poseen la tendencia a absorber el Ag del medio y transportarlo a lo largo del tallo del sistema en el mismo estado de oxidación, en el tallo los átomos de Ag se arreglan para formar AgNPs. Similarmente, otro estudio empleó el secretoma de la planta de alfalfa para reducir Au⁺ a Au⁰, que también siguió un procedimiento similar para producir AuNPs [151]. La síntesis mediada por extracto de planta usa un componente de planta (hojas, tallos, raíces, brotes, flores, cortezas y semillas) para la síntesis de NPs, la principal ventaja de este método es la capacidad del extracto para servir como agente reductor y estabilizador [152]. Este método ha demostrado ser el más eficiente en costos y amigable para producir nanopartículas con estabilidad a largo plazo. En 2016, el equipo de Balashanmugam et al. demostró la síntesis fitogénica de AgNPs de extracto acuoso de hoja de Cassia roxburghii. Los AgNPs sintetizados estaban en rango de unos 35 nm y exhibieron excelente estabilidad por más de un año. Este método también facilitó la síntesis de partículas individuales y bimetálicas. El extracto de hoja de neem (Azadirachta indica) fue usado exitosamente por Shankar et al. [153] para preparar plata, oro y NPs bimetálicos Au/Ag núcleo-cáscara. Extractos de plantas similares (corteza, hoja, fruta y goma) han sido usados por varios investigadores para producir una variedad de NMNPs [153-155]. Actualmente, las nanopartículas inducidas por luz están en el centro de atención, ya que este procedimiento facilita síntesis más rápida durante la exposición de la mezcla a la luz solar. Kumar et al. [156] usaron extracto acuoso de hoja de Erigeron Bonariensis para la síntesis de nanopartículas de plata que produjeron AgNPs esféricas y ovaladas con rango de tamaño de 13 nm (tamaño TEM). Los parámetros cruciales a considerar en esta síntesis son el tiempo de exposición a la luz y la concentración del extracto de planta en el sistema de reacción.

Conclusiones

Se han desarrollado varios métodos físicos, químicos y biológicos para la síntesis de NPs. Todos estos procesos se usan ampliamente basándose en la utilidad y aplicabilidad de los nanoproductos. Sin embargo, cada uno de los protocolos existentes sufre ciertos inconvenientes y la mayoría de estos procesos no pueden escalarse para producción a gran escala. Por lo tanto, el desarrollo de procesos alternativos para fabricar NPs con propiedades controladas y ajustables sigue siendo un desafío abierto.

Disponibilidad de Datos y Materiales

No aplicable.

Abreviaturas

NM:

Metales nobles

NPs:

Nanopartículas

NMNPs:

Nanopartículas de metales nobles

AuNPs:

Nanopartículas de oro

AgNPs:

Nanopartículas de plata

PtNPs:

Nanopartículas de platino

NMNCs:

Compuestos de metales nobles

PVD:

Deposición física de vapor

SDS:

Dodecilsulfato de sodio

PVP:

Polivinilpirrolidona

PEG:

Polietilenglicol

AuCl₃:

Cloruro de oro

NADH:

Dinucleótido de nicotinamida y adenina

TEM:

Microscopía electrónica de transmisión