Piezocatálisis mejorada por nanocables de fosfato de calcio

Piezocatálisis mejorada por nanocables de fosfato de calcio


Los materiales piezocatalíticos ofrecen una amplia gama de aplicaciones en terapias inalámbricas. En un estudio publicado en la revista Interfaces y materiales aplicados de ACSSe demostró que la geometría anisotrópica y la incorporación de nanopartículas de oro (Au NP) mejoran la capacidad piezocatalítica del fosfato de calcio (Ca3(CORREOS4)2) nanomaterial por un factor de diez, y el comportamiento fue consistente con el de la conocida forma a granel/NP de titanato de bario (BaTiO3).

nanomateriales

Estudio: Piezocatálisis mejorada por nanocables de fosfato de calcio a través de la conjugación de nanopartículas de oro. Crédito: Yurchanka Siarhei/Shutterstock.com

El potencial de los nanomateriales piezoeléctricos

Las nanopartículas piezoeléctricas se están desarrollando como un material inteligente novedoso con potencial para la recolección de energía, la restauración ecológica y soluciones biomédicas mejoradas. En particular, el uso de nanopartículas piezoeléctricas en estudios biomédicos ha suscitado un gran interés.

Estas nanopartículas pueden generar energía química a partir de energía mecánica y desencadenar reacciones electrolíticas en la superficie utilizando vibraciones de baja frecuencia, como el ultrasonido. Esta propiedad tiene tremendas aplicaciones biomédicas debido a su naturaleza no invasiva y su capacidad para penetrar tejidos profundos.

El principal obstáculo en el camino hacia los nanomateriales piezoeléctricos

Debido a que el ultrasonido tiene una aplicabilidad médica más amplia, que va desde el diagnóstico de enfermedades basado en ultrasonido hasta el tratamiento, la terapia piezocatalítica inducida por ultrasonido se puede utilizar para una variedad de aplicaciones biológicas. Las sustancias piezoeléctricas convencionales de alto rendimiento están hechas de plomo citostático (por ejemplo, titanato de plomo y circonio) y no son adecuadas para actividades biomédicas.

La búsqueda de materiales alternativos a nanoescala como ZnO, nanotubos BN, MoS2y BaTiO3 por lo tanto ha sostenido. Sin embargo, la piezocatálisis de estos materiales a nanoescala identificados se reduce significativamente en comparación con las sustancias a base de plomo de grado industrial. Como resultado, el enfoque permanece en desarrollar mejores NP piezocatalíticos.

Los materiales piezoeléctricos se convierten en nanopartículas acuosas con aplicaciones comprobadas para la estimulación remota de células nerviosas, tratamiento de células/cáncer, manejo del destino de las células madre neurales, diferenciación celular, aplicaciones de blanqueamiento dental y degradación de fibrillas de amiloide (Aβ).

¿Cómo mejorar el rendimiento piezocatalítico?

La eficacia de una NP piezocatalítica disminuye con el diámetro de las nanopartículas, pero se puede aumentar mediante la fabricación de compuestos con materiales 2D altamente conductores (p. ej., nanoplacas de BN) o la conjugación con NP metálicas; o formar compuestos poliméricos.

En particular, unir NP de metal a materiales piezoeléctricos mejora el rendimiento de la piezocatálisis de dos maneras distintas. Siempre que el piezopotencial se forma por acción ultrasónica, el metal NP unido a la superficie de la sustancia piezoeléctrica produce una división efectiva de huecos y electrones.

La incorporación de NP de metal en la sustancia piezoeléctrica provoca un mayor desajuste de las cargas en la superficie a lo largo de todo el eje del polo, lo que mejora las propiedades piezoeléctricas.

Fosfato de calcio para aplicaciones biomédicas

Fosfato de calcio (aprox.3(CORREOS4)2) es un biomaterial popular cuyas nanopartículas se utilizan para la regeneración de huesos y cartílagos y otros fines médicos. Tanto in vivo como in vitro, se ha demostrado que las nanoestructuras de hidroxiapatita polarizada promueven la formación de apatita similar al hueso.

El responsable de estas propiedades es su efecto piezoeléctrico, que convierte una entrada externa en una señal biológicamente identificable para controlar el proceso de formación y reabsorción.

La polarización eléctrica tiene un impacto significativo en la biomineralización de las especies vivas, y las señales piezoeléctricas pueden afectar la composición del colágeno o estar directamente relacionadas con la actividad celular.

Conclusiones clave del estudio

En este estudio, el equipo demostró que la arquitectura anisotrópica de nanocables de Ca3(CORREOS4)2además de recubrir su superficie con NP de oro, puede mejorar significativamente las capacidades piezocatalíticas.

Ca coloidal3(CORREOS4)2 Se fabricaron nanocables y nanobarras con diferentes relaciones de aspecto y sus conjugados con NP de oro y se estudiaron sus propiedades piezoeléctricas utilizando imágenes de fuerza de respuesta piezoeléctrica.

Se descubrió que la arquitectura anisotrópica de nanocables de Ca3(CORREOS4)2 puede mejorar el efecto piezoeléctrico 2 veces en comparación con las arquitecturas nanoesféricas, y que la incorporación de nanopartículas de oro puede mejorarlo 10 veces, con un valor piezoeléctrico sostenido de 72 pm/V, que es comparable al punto de referencia tetragonal BaTiO3. Se ha demostrado que esta capacidad piezoeléctrica mejorada mejora diez veces los procesos piezocatalíticos.

Los compuestos a nanoescala acuosos y solubles en agua se sintetizaron y convirtieron en bioconjugados acuosos de tamaño nanométrico para el etiquetado específico de células tumorales, acompañados de un tratamiento remoto de células basado en ultrasonidos a través de la producción de especies reactivas de oxígeno (ROS) subcelulares.

perspectivas de futuro

La técnica que se muestra aquí se puede desarrollar para crear estructuras basadas en Ca3(CORREOS4)2 para una variedad de propósitos biomédicos.

Los NP acuosos funcionales están diseñados específicamente para el etiquetado y la orientación celular acompañados de un tratamiento celular basado en sonicación a través de la producción de ROS subcelular. Se espera que este descubrimiento se utilice para desarrollar y mejorar la capacidad piezocatalítica actualmente insuficiente de nanoestructuras biomédicamente relevantes, así como para otras aplicaciones biológicas.

fuente

Dolai J, Biswas A, Ray R y Jana NR (2022). Piezocatálisis mejorada por nanocables de fosfato de calcio a través de la conjugación de nanopartículas de oro. Interfaces y materiales aplicados de ACS. Disponible en: https://doi.org/10.1021/acsami.2c05036

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