2015
Juan José Herrera D.
Universidad de Celaya
18-11-2015
Bioinstrumentación, Biosensores y
BioMicro/Nanotecnología
Desarrollo de Liderazgo
12011229 Juan José Herrera Derramadero
Contenido
Introducción........................................
Desarrollo de Liderazgo
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Introducción
La ingeniería biomédica es el resultado de la ...
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Bioinstrumentación
La Bioinstrumentación se encarga de empl...
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Los principales bloques que componen un sistema de instrume...
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simple puede amplificar, filtrar y adaptar la impedancia de...
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magnitudes medidas y principios de transducción, es decir, ...
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analógicos, si bien en muchas aplicaciones se prefieren los...
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inmovilizada que transforma el analito en un producto que e...
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 Catalizadores biológicos (enzimas). Las enzimas pueden se...
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Transductores empleados en Biosensores
El transductor prove...
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Electroquímicos
o Potenciométricos
o Amperométricos
o Semic...
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anisotrópicos dieléctricos, por ejemplo cuarzo, cuando se a...
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Tipos de Biosensores
Los Biosensores pueden clasificarse de...
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Biosensores microbianos
Los sensores microbianos surgen de ...
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Bionanotecnología
La nanotecnología es un nuevo planteamien...
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medicamentos, productos y servicios que utilizamos en nuest...
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y genere ventajas competitivas, tanto para las grandes como...
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cancerígenas sino que también las células sanas, causando d...
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Referencias
 VÁZQUEZ Muñoz, Roberto "La Bionanotecnología ...
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 Club Planta,(2013) “Que es la biotecnología” [en línea], ...
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Nanotecnologia, biosensores, bioinstrumentacion

Biomedica
Published on: Mar 3, 2016
Published in: Health & Medicine      
Source: www.slideshare.net


Transcripts - Nanotecnologia, biosensores, bioinstrumentacion

  • 1. 2015 Juan José Herrera D. Universidad de Celaya 18-11-2015 Bioinstrumentación, Biosensores y BioMicro/Nanotecnología
  • 2. Desarrollo de Liderazgo 12011229 Juan José Herrera Derramadero Contenido Introducción........................................................................................................................................ 2 Bioinstrumentación............................................................................................................................ 3 Características de la Bioinstrumentación........................................................................................ 5 Clasificación de la instrumentación biomédica............................................................................... 6 Modos de funcionamiento alternativos.......................................................................................... 7 Modo de adquisición directo-indirecto....................................................................................... 7 Modo de adquisición continuo-muestreado............................................................................... 7 Modo de adquisición analógico y digital..................................................................................... 7 Biosensores......................................................................................................................................... 8 El Bioreceptor.................................................................................................................................. 9 Tipos de bioreceptores................................................................................................................ 9 Transductores empleados en Biosensores.................................................................................... 11 Electroquímicos......................................................................................................................... 12 Termométricos.......................................................................................................................... 12 Piezoeléctricos........................................................................................................................... 12 Fotométricos ............................................................................................................................. 13 Tipos de Biosensores..................................................................................................................... 14 Biosensores de enzima.............................................................................................................. 14 Inmunosensores........................................................................................................................ 14 Biosensores microbianos .......................................................................................................... 15 Bionanotecnología............................................................................................................................ 16 Nuevos Desarrollos. ...................................................................................................................... 18 Nanomotor magnético en sangre humana............................................................................... 18 Nanochip dentro de células vivas para medir presión intracelular .......................................... 19 Mejoran el tratamiento de Quimioterapia aplicando Nanotecnología .................................... 19 Anticuerpos artificiales basados en Nanotecnología................................................................ 20 Referencias ....................................................................................................................................... 21
  • 3. Desarrollo de Liderazgo 12011229 Juan José Herrera Derramadero Introducción La ingeniería biomédica es el resultado de la aplicación de los principios y técnicas de la ingeniería al campo de la medicina. Se dedica fundamentalmente al diseño y construcción de productos sanitarios y tecnologías sanitarias tales como los equipos médicos, las prótesis, dispositivos médicos, dispositivos de diagnóstico (imagenología médica) y de terapia. También interviene en la gestión o administración de los recursos técnicos ligados a un sistema de hospitales. Combina la experiencia de la ingeniería con las necesidades médicas para obtener beneficios en el cuidado de la salud. La ingeniería biomédica es una disciplina de vanguardia dentro de las ingenierías especializada en resolver problemas inherentes a los seres humanos a través distintas ramas tales como: la biomecánica, la bioóptica, los Biosensores, las imágenes médicas, la bioinformática, los órganos artificiales, el procesamiento de señales, la telemedicina, la ingeniería clínica y la ingeniería de rehabilitación. Su posibilidad de dar respuestas y de crecimiento está íntimamente ligada al sostenido desarrollo de sus ciencias-tecnologías de base, la biotecnología y la nanotecnología. Es así como encontramos desarrollos de vanguardia: nanotelescopios implantables en un ojo para tratar la degeneración macular; nanorobot de AND autónomos con capacidad de trasportar distintas moléculas y variar su estructura para entregarlas en la superficie de células cancerosas con la posibilidad de ordenarles su autodestrucción; nanotubos de carbono para desarrollar células cardíacas tendientes a regenerar el tejido muscular dañado por un infarto; nanopartículas con un biopolímero sintético antimicrobiano biodegradable para destruir bacterias resistentes, etc. La integración de la biotecnología y la nanotecnología denominada nano biotecnología modela e impulsa a la bioingeniería y a la ingeniería biomédica.
  • 4. Desarrollo de Liderazgo 12011229 Juan José Herrera Derramadero Bioinstrumentación La Bioinstrumentación se encarga de emplear elementos propios de la electrónica y la instrumentación para el diseño e implementación de sistemas con el fin de medir variables fisiológicas o biológicas en relación con el cuerpo humano. Una vez adquiridas esas señales se realiza un acondicionamiento de éstas ya sea por medios analógicos o digitales con el fin de encontrar patrones relevantes que contribuyan a un mejor diagnóstico y tratamiento de enfermedades y por ende a la elección de un mejor tratamiento por parte del personal médico de las instituciones prestadoras de servicios de salud. El flujo principal de información va del hombre al equipo. Los elementos mostrados por líneas discontinuas no son esenciales. La principal diferencia entre los sistemas de instrumentación biomédica y cualquier otro sistema de instrumentación convencional radica en que la fuente de las señales suelen ser seres vivos o energía aplicada a estos seres o tejidos vivos.
  • 5. Desarrollo de Liderazgo 12011229 Juan José Herrera Derramadero Los principales bloques que componen un sistema de instrumentación biomédica son:  MEDIDA Es la magnitud física, propiedad o condición que el sistema mide. La accesibilidad a la medida es un parámetro a tener en cuenta ya que esta puede ser interna puede medirse en la superficie del cuerpo puede emanar del cuerpo o puede salir o derivarse de una muestra de tejido del cuerpo. Las medidas médicas más importantes pueden agruparse en las siguientes categorías: biopotenciales, presión, flujo, dimensiones, desplazamiento, impedancia, temperatura y concentraciones químicas. Estas medidas pueden localizarse en un órgano concreto o por toda la estructura anatómica.  SENSOR Normalmente el término “transductor” se emplea para definir a aquellos dispositivos que convierten una forma de energía en otra. El término “sensor” se emplea para los dispositivos que convierten una medida física en una señal eléctrica. El sensor sólo debería responder a la forma de energía presente en la medida que se desea realizar y excluir las demás. Además debe poseer una interfaz con el tejido o sistema vivo de forma que no interfiera en éste, debe de minimizar la energía extraída y ser lo menos invasivo posible. Muchos sensores constan de elementos sensores primarios como diafragmas, que convierte la presión en desplazamientos. Un elemento de conversión se encarga posteriormente de convertir esta magnitud en señales eléctricas como puede ser una galga que convierte el desplazamiento en tensión. Algunas veces, las características del sensor pueden ajustarse para adaptarse a un amplio rango de sensores primarios. Otras veces se necesitan alimentaciones externas para alimentar estos sensores y obtener datos de salida de los mismos.  ACONDICIONAMIENTO DE LA SEÑAL Normalmente, la señal obtenida del sensor no puede aplicarse directamente al “display” o dispositivo de salida (pantalla, papel, etc.). Un acondicionador
  • 6. Desarrollo de Liderazgo 12011229 Juan José Herrera Derramadero simple puede amplificar, filtrar y adaptar la impedancia del sensor a la pantalla. A menudo, las señales de salida de los sensores se digitalizan y se procesan utilizando ordenadores o sistemas basados en microcontroladores. Por ejemplo, para compensar los errores de medida debidos a posibles ruidos aleatorios puede realizarse un promediado de esta señal.  DISPOSITIVO DE SALIDA El resultado del proceso de medida puede mostrarse de diferentes formas, pero es conveniente que estos resultados se muestren de la forma más sencilla y cómoda de interpretar por parte del operador humano. En función del tipo de medida y cómo el operador humano va a utilizarla, los resultados pueden representarse por medio gráficos o datos numéricos, de forma continua o discreta, de manera temporal o permanente. Aunque la mayoría de los dispositivos de salida dan una información visual, existen equipos que pueden generar otro tipo de informaciones (pitidos, diferentes sonidos, etc.).  ELEMENTOS AUXILIARES Existen diferentes elementos auxiliares que pueden implementar en el equipo de medida. Puede utilizarse una señal de calibrado para calibrar los resultados. Puede introducirse realimentaciones de las señales de salida para controlar diferentes aspectos del equipo o ajustar diferentes parámetros del sensor. El control y el sistema de realimentación pueden ser automático Características de la Bioinstrumentación. La fuente de las señales medidas con la instrumentación biomédica son los tejidos vivos o energía aplicada a éstos. Esta circunstancia condiciona los métodos de medida aplicables y los sensores o transductores a utilizar. Para ello deben cumplirse los siguientes requisitos: 1. La acción de medir no debe alterar la magnitud medida. Dicha alteración puede producirse como resultado de una interacción física (directa),
  • 7. Desarrollo de Liderazgo 12011229 Juan José Herrera Derramadero bioquímica, fisiológica o psicológica. Lo ideal sería que las medidas se realizasen de una forma no invasiva y sin contacto pero esto no es posible en todos los casos. Además, el mero conocimiento de que se está realizando una medida puede provocar reacciones en el paciente que distorsionan completamente los resultados. 2. Hay que garantizar la seguridad del paciente. La acción de medir no debe poner en peligro innecesariamente la vida del paciente. Ante la inaccesibilidad de muchas medidas se recurre a medidas indirectas en las cuales se censa otra magnitud relacionada con la deseada (por ejemplo, para medir la presión sanguínea suele censarse la variación de volumen de un miembro cuando los atraviesa la sangre utilizando técnicas de pletismógrafia). Si la variable medida es el resultado de aporte de energía al tejido vivo, hay que respetar los límites aceptados como seguros (radiografía). La seguridad también exige que los sensores sean de fácil esterilización o de “usar y tirar “y no posean recubrimientos agresivos que puedan provocar reacciones al entrar en contacto con el paciente. 3. Considerando el entorno de trabajo donde se van a ubicar los equipos, éstos deben ser robustos, fiables y de fácil calibración. Clasificación de la instrumentación biomédica. El estudio de la instrumentación biomédica puede realizarse al menos desde cuatro puntos de vista. Las técnicas utilizadas para obtener la media biomédica pueden clasificarse en función de la magnitud que se censa, como puede ser la presión, flujo o temperatura. Una ventaja de este tipo de clasificación es que pueden compararse fácilmente diferentes métodos de medir un determinado parámetro. Una segunda clasificación se basa en el principio de transducción, tales como resistivo, inductivo, capacitivo, ultrasonidos o electroquímicos. Las técnicas de medida pueden estudiarse separadamente para cada sistema fisiológico: sistema cardiovascular, respiratorio, nervioso, etc. De esta forma, pueden aislarse diferentes parámetros para cada área específica. Pero normalmente se solapan diferentes
  • 8. Desarrollo de Liderazgo 12011229 Juan José Herrera Derramadero magnitudes medidas y principios de transducción, es decir, puede medirse la misma magnitud o parámetro en varios sistemas fisiológicos. Modos de funcionamiento alternativos. Modo de adquisición directo-indirecto. A menudo, la medida de la magnitud deseada puede obtenerse directamente por el sensor puesto que ésta es accesible .Este modo de adquisición se denomina modo directo. Cuando la medida no es accesible, se utiliza el modo indirecto que se basa en obtener medidas relacionadas con la deseada. Como ejemplo de medida directa puede citarse el registro del electrocardiograma por medio de electrodos superficiales y como medida indirecta el volumen de sangre por minuto que bombea el corazón. Modo de adquisición continuo-muestreado. Algunas medidas, como por ejemplo, la temperatura corporal o la concentración de iones, varían lentamente en el tiempo, de forma que pueden adquirirse o muestrearse a intervalos grandes de tiempo. Otras magnitudes o medidas, como el electrocardiograma o flujo sanguíneo requieren una monitorización continua. Por lo tanto, la frecuencia de la señal que se desea medir, el objetivo de la medida, el estado del paciente influyen en el diseño del sistema de adquisición de datos. Modo de adquisición analógico y digital. Las señales que transportan la información medida pueden ser analógicas (señal continua que puede tomar cualquier valor dentro de un rango) o digitales (sólo puede tomar un numero finito de valores dentro del rango). Normalmente los sensores funcionan en modo analógico aunque también existe el modo digital. Las ventajas del modo digital incluyen mayor precisión, repetibilidad, fiabilidad e inmunidad a ruidos. Los dispositivos de salida digitales se van imponiendo a los
  • 9. Desarrollo de Liderazgo 12011229 Juan José Herrera Derramadero analógicos, si bien en muchas aplicaciones se prefieren los analógicos cuando hay que determinar si la variable medida está dentro de unos límites y ésta varía rápidamente como el latido del corazón. Biosensores. Un Biosensor puede ser definido como un aparato de medida integrado por tres componentes: una molécula bioactiva, capaz de reconocer y reaccionar específicamente con la sustancia que se pretende analizar; un transductor físico- químico, íntimamente conectado con la molécula bioactiva y capaz de general una señal que puede ser amplificada cuando hay una interacción específica con el analito; y finalmente un aparato electrónico que amplifica y procesa la señal. El sistema biológico ha sido integrado con el instrumental electrónico e informático adecuado, que permite el procesamiento matemático automático de las señales, el calibrado de las curvas patrón y a la interpolación de las muestras. Aspectos Innovadores: Los Biosensores engloban las ventajas de las reacciones biológicas presentes en la naturaleza con el gran poder de detección y procesamiento de señales de la electrónica moderna. Por esta razón poseen:  Sensibilidad específica, rapidez y bajo coste, en comparación con las técnicas convencionales de análisis (cromatografía, serología, conteo de bacterias, etc.)  La determinación de una muestra se realiza en aproximadamente 2 minutos y puede ser llevada a cabo por personal no cualificado.  Fácil manejo y precio competitivo.  Alta sensibilidad y bajo límite de detección. El Biosensor está en contacto directo con la muestra a través del bioreceptor, que le confiere la selectividad a través de un sitio selectivo que identifica al analito y lo transforma de alguna manera. Generalmente el bioreceptor es una enzima
  • 10. Desarrollo de Liderazgo 12011229 Juan José Herrera Derramadero inmovilizada que transforma el analito en un producto que es detectable por el transductor. Estos cambios que se producen al identificar al analito pueden ser: variaciones de temperatura, de masa, constante dieléctrica, potencial de media celda, de conductividad iónica, de turbidez de la muestra, entre otros. Por lo tanto, dependiendo de esta modificación bioquímica que se produzca se escoge el transductor. El transductor debe dar una señal óptima, sensible, fácil de monitorear y con el mínimo de ruido. El transductor puede ser electroquímico, termométrico, fotométrico o piezoeléctrico y de acuerdo al tipo de bioreceptor con el que se combina pueden formarse múltiples tipos de Biosensores. Los sensores se han convertido en "sentidos ultra perfeccionados" que llegan a lugares a los que nosotros no tenemos acceso, captan imágenes y movimientos con una resolución inimaginable para el ojo humano, y detectan estímulos que nosotros no percibimos, como las ondas electromagnéticas o los ultrasonidos. La información que aportan ha cobrado un valor extraordinario en todos los ámbitos de la actividad humana, desde la Alimentación y la Medicina hasta la Seguridad Nuclear o la búsqueda de vida en otros planetas. El Bioreceptor El bioreceptor es crucial pues produce el efecto físico-químico que será detectado por el transductor. Esto involucra procesos como biocatálisis, acoplamientos inmunológicos o quimio recepción Tipos de bioreceptores Los bioreceptores más empleados son:
  • 11. Desarrollo de Liderazgo 12011229 Juan José Herrera Derramadero  Catalizadores biológicos (enzimas). Las enzimas pueden ser extraídas de una o más fuentes biológicas (in situ) para aplicaciones específicas y pueden usarse solas o con sus cofactores. Las enzimas que se consiguen comercialmente presentan las siguientes ventajas: se reproducen por lotes, tiempo de vida y características conocidas, disponibilidad inmediata. Las desventajas de las enzimas purificadas son que no son siempre estables y necesitan la presencia de sus cofactores para operar en forma apropiada. En algunos casos se necesitan cadenas enzimáticas para realizar las transformaciones, lo que debe asegurarse la operación óptima del Biosensor en forma global.  Microorganismos. Son entidades estructurales que poseen todas las enzimas necesarias y sus cofactores en un ambiente optimizado por la naturaleza. Pueden reproducir y compensar pérdidas en la actividad enzimática con el tiempo.  Tejidos y organelas. El tejido tiene la ventaja de la cohesión, y tiene una estructura que es lo suficientemente robusta para adherirse a un transductor sin necesidad de recurrir a técnicas de inmovilización de proteínas. Pueden usarse:  Tejidos de animales y vegetales: estos tejidos son fuentes naturales de material enzimático por lo cual pueden construirse Biosensores muy estables.  Organelas: se pueden encontrar biocatalizadores en lisosomas, cloroplastos, mitocondrias y microsomas.  Inmunorreceptores. Debido a la reacción antígeno-anticuerpo se produce una débil variación del potencial que puede detectarse, pero deben utilizarse distintos procesos para mejorar la respuesta del transductor.  Quimiorreceptores. Se emplean los receptores celulares específicos de membranas celulares que se excitan químicamente para producir cambios conformacionales.
  • 12. Desarrollo de Liderazgo 12011229 Juan José Herrera Derramadero Transductores empleados en Biosensores El transductor provee la evidencia de que ha ocurrido una reacción en el bioreceptor. La elección del transductor depende del tipo de reacción, y las sustancias liberadas o consumidas. Generalmente, la elección apropiada del transductor es el modelo comercial que existe para el método de detección requerido. Hay un gran número de electrodos disponibles para detección electroquímica, por ejemplo, electrodos sensibles a pH, a aniones o cationes, y a gases (pO2, pCO2, pNH3). El componente sensible puede comprarse independientemente y luego adherirlo al Biosensor. La elección del transductor también depende la aplicación deseada del Biosensor. Si va a ser usado en ambientes biológicos, debe satisfacer criterios de biocompatibilidad, especialmente con respecto a la deposición de proteínas, lípidos o células sobre su superficie. Si va a ser utilizado in vivo, debe ser de tamaño reducido, y con forma adecuada para no dañar excesivamente los tejidos. Además deben tenerse en cuenta las características tóxicas, metálicas, o componentes poliméricos cuando se va a implantar por largo tiempo. La interferencia química puede afectar la transducción, por lo que también debe tenerse en cuenta en el momento de la elección del transductor. El transductor debe aprovechar óptimamente las modificaciones fisicoquímicas que resulten de las reacciones biológicas. Por ejemplo, si una reacción provoca una variación de la entalpía, se produce un incremento muy débil de la temperatura y por lo tanto un termistor es un transductor térmico más adecuado que una termocuplas. El mismo transductor puede usarse en modos de operación diferentes, que se eligen de acuerdo al objetivo deseado. Por ejemplo, una fibra óptica puede usarse como un transductor extrínseco, con un componente biorreactivo inmovilizado en su punta, o como un transductor intrínseco explotando la interacción entre las inmunoproteínas de su superficie y las ondas evanescentes de la superficie. Los transductores pueden ser:
  • 13. Desarrollo de Liderazgo 12011229 Juan José Herrera Derramadero Electroquímicos o Potenciométricos o Amperométricos o Semiconductores Termométricos Un sensor enzimático térmico, o entalpimétrico, mide la concentración de un sustrato usando la variación de entalpía de una reacción enzimática. Existen distintos métodos para medir temperatura (óptica, mecánica, eléctrica) pero los eléctricos son los más usados para la construcción de Biosensores térmicos debido a que la señal eléctrica puede obtenerse directamente de la variación de la temperatura. Pueden usarse termistores o termocuplas para la medición de temperatura. Las termocuplas simples no son lo suficientemente sensibles para detectar las variaciones de entalpía de las reacciones enzimáticas. Los termistores y termopilas sí pueden detectar pequeñas variaciones de temperatura. Los termistores son mezclas de óxidos metálicos con semiconductores cristalinos. La alta resistividad de estos materiales les confiere una rápida respuesta temporal gracias a su pequeño tamaño y capacidad calorífica reducida. La resistencia de un termistor es función de la temperatura, lo cual se ocupa como principio para la transducción. Las termopilas se construyen alternando uniones termoeléctricas y se usan para construir Biosensores. Generan señales pasivas lo que las hace particularmente aptas para mediciones en soluciones fluidas. Piezoeléctricos Las mediciones piezoeléctricas usan la aparición de una polarización eléctrica, o una variación en la polarización existente, en materiales
  • 14. Desarrollo de Liderazgo 12011229 Juan José Herrera Derramadero anisotrópicos dieléctricos, por ejemplo cuarzo, cuando se aplica una fuerza en la dirección apropiada. Este efecto piezoeléctrico es reversible. Un sensor piezoeléctrico mide la masa depositada en la superficie de un cristal piezoeléctrico, detectando la variación en la frecuencia de resonancia característica (FRC) del cristal. Intuitivamente, al aumentar el peso del cristal su FRC disminuye, esto es análogo a las cuerdas de una guitarra, que cuanto más gruesa es, resuena a una menor frecuencia. Un sensor piezoeléctrico consiste en un cristal de cuarzo, electrodos metálicos y el receptor que brinda la selectividad. Fotométricos Se basan en la medición de la variación de las propiedades ópticas de un medio o un receptor inmovilizado. La luz puede atravesar, reflejarse o emitirse del material analizado. Las fibras ópticas pueden usarse para construir Biosensores. La luz entre una muestra y una fuente o detector se transporta a lo largo del interior de las fibras siguiendo los principios de reflexión total. La luz se propaga a lo largo de la fibra en diferentes modos, de acuerdo a un ángulo de incidencia dado. La reflexión total en una fibra nunca es perfecta y por lo tanto algo de radiación electromagnética penetra la cubierta de la fibra. Esto se llama ondas evanescentes, y pueden usarse para detectar variaciones de las propiedades ópticas de películas químicas y biológicas que se colocan alrededor de la fibra. Comúnmente el material (reactivo) que cambia sus propiedades ópticas (absorción, fluorescencia, y luminiscencia) es inmovilizado en la punta o alrededor de una fibra óptica.
  • 15. Desarrollo de Liderazgo 12011229 Juan José Herrera Derramadero Tipos de Biosensores Los Biosensores pueden clasificarse de acuerdo al tipo de bioreceptor o del transductor usado. En este caso están clasificados por tipo de bioreceptor porque este componente es quien determina la acción primaria del Biosensor. Biosensores de enzima Un Biosensor de enzima es la combinación de un transductor y una capa delgada enzimática, que se usa normalmente para medir concentración de un sustrato. La reacción enzimática transforma el sustrato en un producto de reacción que el transductor puede detectar. La concentración de una sustancia se mide según cómo afecte su presencia a la velocidad de reacción enzimática. Inmunosensores Los sensores inmunológicos o Biosensores reconocen el acoplamiento entre un antígeno y un anticuerpo. Los Inmunosensores tienen un gran potencial en medicina debido a la especificidad de las reacciones inmunológicas. Estos Biosensores se usan para medir drogas como theophylline, y para determinar la hormona HCG para el diagnóstico de embarazo, alfafetoproteína para la identificación de cáncer, y el antígeno de superficie de hepatitis B. Estos Biosensores no pueden usarse in vivo porque la amplificación enzimática involucrada requiere la adición de un sustrato para la operación del sensor. Además, la formación del complejo anticuerpo-antígeno es lenta y requiere un gran número de pasos. La definición de Inmunosensores corresponde a un Biosensor ideal. Sin embargo, en la práctica la mayor parte de los dispositivos no cumplen alguno de los requisitos.
  • 16. Desarrollo de Liderazgo 12011229 Juan José Herrera Derramadero Biosensores microbianos Los sensores microbianos surgen de la combinación de un microorganismo con un transductor capaz de detectar el metabolito involucrado. Los microorganismos poseen sistemas enzimáticos que son los que dan la selectividad. Los microorganismos se inmovilizan generalmente en geles o usando membranas de diálisis. Los electrodos potenciométricos y Amperométricos son útiles porque tienen una membrana hidrofóbica en la cual se insertan los microorganismos (entre esta membrana y la membrana de diálisis). Las ventajas que presentan frente a los electrodos de enzimas aisladas son: - Los sensores microbianos son menos sensibles a inhibirse por solutos y más tolerantes en ambientes de pH. - Tienen mayor tiempo de vida que los electrodos de enzimas. - Más baratos (porque la enzima no necesita aislarse). - Mantienen las enzimas en su ambiente natural evitando los problemas de regeneración de cofactores. Por otro lado la construcción de estos Biosensores presenta algunos problemas: - Son inapropiados para mediciones in vivo y, en ambientes biológicos complejos. - El gran número de enzimas presente en los microorganismos puede hacer bastante difícil las interpretaciones analíticas. - El crecimiento microbacterial incrementa el tiempo de respuesta del sensor porque varía con el espesor de la capa activa y el coeficiente de difusión del sustrato, el cual cambia durante la operación del Biosensor. Estos Biosensores pueden clasificarse como Biosensores de medición de respiración o de metabolitos
  • 17. Desarrollo de Liderazgo 12011229 Juan José Herrera Derramadero Bionanotecnología La nanotecnología es un nuevo planteamiento centrado en la comprensión y el dominio de las propiedades de la materia a escala nanométrica: un nanómetro (la mil millonésima parte de un metro) viene a ser la longitud de una pequeña molécula. A esta escala, la materia ofrece propiedades diferentes y, muchas veces, sorprendentes, de tal manera que las fronteras entre las disciplinas científicas y técnicas establecidas a menudo se difuminan. De ahí el fuerte carácter interdisciplinario inherente a la nanotecnología. La nanotecnología es un área multidisciplinaria relativamente nueva. Integra elementos de las ciencias biológicas (particularmente de ingeniería genética), con las nanociencias y la nanotecnología. Además, incluye áreas tan diferentes como la informática, la medicina, química, ingeniería, etc. básicamente, la Bionanotecnología consiste en:  La modificación de los sistemas biológicos (desde biomoléculas hasta organismos enteros), utilizando nanomateriales.  La síntesis o modificación de las nanoestructuras, utilizando sistemas biológicos. Dentro de la Bionanotecnología, las células desempeñan un papel fundamental porque es la unidad funcional y estructural de la vida. Los nanomateriales tienen un efecto directo en las células e incluso, las células pueden sintetizar (producir), directa o indirectamente, diferentes nanomateriales. La Bionanotecnología es importante porque nos proporciona los elementos necesarios para modificar la naturaleza, en sus diferentes niveles; para satisfacer las necesidades de la humanidad. En nuestra época, es de vital importancia desarrollar nuevas estrategias de uso y cuidado de nuestros recursos, debido a que somos muchas personas. Además, vivimos en un mundo con espacio y recursos cada vez más limitados, lo que se refleja en la cantidad y calidad de alimentos,
  • 18. Desarrollo de Liderazgo 12011229 Juan José Herrera Derramadero medicamentos, productos y servicios que utilizamos en nuestra vida diaria. Gracias a los avances de la ciencia y de la tecnología, tenemos la oportunidad de optimizar el manejo de la naturaleza, al mismo tiempo que logramos que los productos generados sean más amigables con el ambiente y con el ser humano. A pesar de que la Bionanotecnología tiene una aplicación potencial en diversas actividades importantes para nosotros, los ejes de investigación principales se orientan en tres grandes áreas: alimentos, salud y energía Con frecuencia se dice que la nanotecnología es potencialmente “disruptiva” o “revolucionaria” por sus efectos en los métodos de producción industrial. Se trata de una tecnología que ofrece posibles soluciones a muchos problemas actuales mediante materiales, componentes y sistemas más pequeños, más ligeros, más rápidos y con mejores prestaciones. Lo que permite generar nuevas oportunidades de creación de riqueza y empleo. También se considera que la nanotecnología puede hacer una aportación esencial a la solución de problemas medioambientales de carácter mundial por el desarrollo de productos y procesos más ajustados a usos específicos, el ahorro de recursos, y la disminución de emisiones y residuos. Actualmente, se están haciendo enormes progresos en la carrera nanotecnológica mundial. En Europa se empezó ya a invertir en programas de nanotecnología a partir del período que va de mediados a finales de la década de los 90. Lo que ha permitido crear una fuerte base de conocimientos, y ahora hay que asegurar que la industria y la sociedad europeas recojan los frutos de esta labor mediante el desarrollo de nuevos productos y procesos. La nanotecnología es el tema de una reciente Comunicación de la Comisión. En ella, se propone no sólo impulsar la investigación en nanociencias y nanotecnologías sino, además, tener en cuenta varias otras dinámicas interdependientes:  No hay que descuidar otros factores de competitividad, como una metrología, una reglamentación y unos derechos de propiedad intelectual adecuados, a fin de preparar el camino para que la innovación industrial sea una realidad
  • 19. Desarrollo de Liderazgo 12011229 Juan José Herrera Derramadero y genere ventajas competitivas, tanto para las grandes como para las pequeñas y medianas empresas.  Son de gran importancia también las actividades relacionadas con la educación y la formación; en particular, existe un margen para mejorar la actitud empresarial de los investigadores, así como la buena disposición de los ingenieros de producción respecto al cambio. Por otra parte, la realización de una verdadera investigación interdisciplinaria en el área de la nanotecnología requiere nuevos planteamientos de educación y formación aplicables tanto a la investigación como a la industria.  Los aspectos sociales (como la información y la comunicación al público, las cuestiones sanitarias y medioambientales, y la evaluación del riesgo) son otros tantos factores clave para asegurar el desarrollo responsable de la nanotecnología y la satisfacción de las expectativas de los ciudadanos. La confianza del público e inversores en la nanotecnología será crucial para su desarrollo a largo plazo y para su aplicación de manera fructífera. Nuevos Desarrollos. Nanomotor magnético en sangre humana La idea de pequeños nanorobots viajando a través de fluidos biológicos como la sangre, es uno de los desafíos más fascinantes de la nanotecnología, principalmente por sus potenciales aplicaciones en el área biomédica, en una investigación reciente, un grupo de investigadores indios, han logrado desarrollar por primera vez un nanomotor, capaz de viajar a través de sangre humana controlado magnéticamente desde el exterior, investigaciones anteriores solo habían logrado propulsar un nanomotor en agua desionizada o suero, o bien en sangre, pero en presencia de Peróxido de Hidrógeno o hidrazina (utilizados como combustible) que resultan tóxicos para un ser vivo, este nanomotor es no invasivo y no requiere combustible, su diseño tiene forma de hélice construida a partir de SiO2 y recubierta por un material magnético, estas hélices tuvieron que generar
  • 20. Desarrollo de Liderazgo 12011229 Juan José Herrera Derramadero un empuje lo suficientemente grande para superar la fuerza de arrastre generada por las células sanguíneas. Estos nanomotores podrían tener interesantes aplicaciones en nanomedicina, como por ejemplo, el transporte de fármacos específicos para el cáncer hacia las proximidades del tejido canceroso, con el fin de liberarlos y destruir en forma selectiva las células cancerígenas. A continuación un vídeo en donde se visualiza el nanomotor viajando a través de una muestra de sangre humana diluida. Nanochip dentro de células vivas para medir presión intracelular El estudio de células individuales, es de gran importancia en biomedicina, ya que existen muchos procesos y propiedades a nivel bioquímico, electroquímico, mecánico y térmico, que pueden ser seguidos en tiempo real, recientemente en una publicación en la revista Nature Nanotechnology, investigadores españoles han logrado por primera vez introducir un chip electrónico con sensores dentro de una célula viva, en este caso para medir la presión intracelular. El diseño del chip intracelular comprende un sensor mecánico rodeado por 2 membranas separadas por un espacio vacío, estas membranas actúan como espejos de reflexión paralelos, que constituye un resonador de Fabry-Perot, de forma tal que la presión externa desvía las membranas y los cambios de intervalo que a su vez, modifican la intensidad de la luz reflejada en el centro de las membranas. Es importante destacar que estos chips intracelulares no producen daños en las membranas celulares preservando la integridad de estas, manteniéndose las células sanas y viables capaces de funcionar normalmente. A continuación un vídeo en donde se muestra una célula con un chip intracelular en su interior, en donde se aprecia como ésta se divide en forma normal. Mejoran el tratamiento de Quimioterapia aplicando Nanotecnología La Quimioterapia es un tratamiento ampliamente utilizado para tratar el cáncer, que se basa en la administración de fármacos que interfieren en el ciclo celular, impidiendo su división y destruyendo las células cancerosas. El problema que tiene, es la falta de especificidad, ya que no solo se ven afectadas las células
  • 21. Desarrollo de Liderazgo 12011229 Juan José Herrera Derramadero cancerígenas sino que también las células sanas, causando diversos efectos secundarios no deseados. A raíz de esto, investigadores europeos han publicado un artículo en la revista Nature Chemistry, en donde describen el desarrollo de microesferas que encapsulan a un catalizador de Paladio, el cuál activaría el fármaco solo dentro de la célula cancerígena, sin afectar al resto de las células, evitando así todos los efectos secundarios inherentes a este tratamiento. Anticuerpos artificiales basados en Nanotecnología Los Anticuerpos son Proteínas que tienen como función el detectar y neutralizar agentes extraños al organismo, como por ejemplo Bacterias, virus, y otros microorganismos, Esta función la logran uniéndose a determinadas zonas del agente extraño por lo general una proteína, la que recibe el nombre de Antígeno, esta unión se da por una complementariedad espacial de una determinada zona del anticuerpo llamada región variable con el antígeno. Un equipo de Investigadores de Estados Unidos y Japón, han logrado sintetizar una nanopartícula hecha de un polímero sintético, que posee la especificidad y selectividad de un Anticuerpo natural, incluso funciona dentro del torrente sanguíneo en un animal vivo, este avance podría tener aplicaciones en terapias con anticuerpos, antídotos para toxinas, purificación de proteínas, etc... Además es muy interesante el hecho de que una estructura hecha en forma artificial no proteica pueda remplazar en función a una estructura biológica proteica, este es un ejemplo más de como la Nanotecnología está entrando fuerte en al campo de la Biotecnología y Medicina.
  • 22. Desarrollo de Liderazgo 12011229 Juan José Herrera Derramadero Referencias  VÁZQUEZ Muñoz, Roberto "La Bionanotecnología y su divulgación científica en México” Revista Digital Universitaria [en línea]. (2013), [Consultada: 14 de noviembre de 2015] Disponible en Internet: http://www.revista.unam.mx/vol.14/num3/art22/index.html  Robertson Sally P. (2014), “¿Cuáles son los Biosensores?”, News Medical LIFE SCIENCES & MEDICINE, Recuperado de: http://www.news- medical.net/health/What-are-Biosensors-(Spanish).aspx  Centro de investigación e innovación en bioingeniería [En línea]. “Biosensores”, Enero 2006, [Consultada: 14 de noviembre de 2015], Disponible en internet: http://www.upv.es/crib/docs/ficha_ci2b_biosensores.pdf  Alaniz R. Jessica “Bioinstrumentación y sensores biomédicos” [En Línea] Octubre 2015, [Consultada: 14 de noviembre de 2015], Disponible en internet: https://prezi.com/pgc8d8xblkti/bioinstrumentacion-y-sensores- biomedicos/  Nanotecnología, (2015). “Que es Nanotecnología?” [en línea] Avances en Nanotecnología. [Consultado: 14 Nov. 2015]. Disponible en internet: http://www.nanotecnologia.cl/que-es-nanotecnologia  Nanotecnología, (2015). “Avances en Nanotecnología” [en línea] Avances en Nanotecnología. [Consultado: 14 Nov. 2015]. Disponible en internet: http://www.nanotecnologia.cl/tag/nanobiotecnologia/  Biocompu, (2015) “Nanotecnología” [En Línea], Bionanotecnología. [Consultado: 14 de noviembre de 2015], Disponible en internet: https://biocompu.wikispaces.com/Bionanotecnolog%C3%ADa  Segovia, Emilio. Aplicaciones médicas de la Bionanotecnología [en línea] 2009, [Consulta: 14 de noviembre de 2015] Disponible en: http://redalyc.org/articulo.oa?id=199520297012
  • 23. Desarrollo de Liderazgo 12011229 Juan José Herrera Derramadero  Club Planta,(2013) “Que es la biotecnología” [en línea], [ Consulta 14 de noviembre de 2015], Disponible en internet: http://www.profesiones.com.mx/que_es_la_bionanotecnologia.htm  Euro residentes, (2014), “Bionanotecnología, Nanobiotecnología”, [en línea], [Consulta: 14 de Noviembre de 2015], Disponible en internet: http://www.euroresidentes.com/futuro/nanotecnologia/diccionario/bionanote cnologia.htm  Comisión europea, (2012), “Innovaciones para el mundo del mañana” [En Línea] [Consulta: 14 de noviembre de 2015] Disponible en internet: https://ec.europa.eu/research/industrial_technologies/pdf/nano- brochure/nano_brochure_es.pdf

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