Introducción
⌅A finales del siglo XX y principios de XXI se han sintetizados nuevos alótropos del carbono con propiedades excepcionales. Constituyen un conjunto de nanoestructuras que son paradigma de como la reducción de tamaño hasta el nivel nano determina el confinamiento cuántico generando propiedades radicalmente nuevas. Dichas propiedades han encontrado múltiples aplicaciones en los más diversos sectores, incluyendo la Ciencia y la Tecnología Nuclear.
Sin embargo, la elaboración de nanoestructuras de carbono en grandes volúmenes, con calidad adecuada y costos razonables aún no está solventada. Por ello se han explorado diferentes métodos de manufactura. Uno de las más promisorios resulta la descarga de arco entre electrodos de grafito en gases, que produce nanoestructuras de alta cristalinidad, pero con contaminantes y subproductos indeseables. Recientemente se instrumentó en fase líquida para soslayar el empleo de sistemas de vacío y gases que encarecen la tecnología y dificultan su escalado. El grupo de Nanociencia del Centro de Aplicaciones Tecnológicas y Desarrollo Nuclear ha desarrollado en la última década una línea de investigación orientada a descubrir los mecanismos de formación de las nanoestructuras en la descarga de arco sumergida (DAS) para aminorar la generación de contaminantes y optimizar las propiedades de las nanoestructuras sintetizadas.
La relación calidad / escala de producción hace de las nanoestructuras de carbono sintetizadas por DAS candidatos promisorios para las aplicaciones biomédicas.
En el presente trabajo se brinda una panorámica de los progresos obtenidos en el desarrollo la tecnología DAS y la implementación de métodos para la evaluación de la seguridad en el uso in vitro de nanoestructuras sintetizadas por este método.
Materiales y métodos
⌅Se estudiaron los factores que incidían en la formación de contaminantes, prestándosele especial atención a la estabilidad de la descarga. Dichos estudios permitieron esclarecer las ventajas e inconvenientes de los métodos de estabilización reportados en la literatura [1[1] HERNANDEZ TABARES L, DARIAS GONZÁLEZ JG, CHAO MUJICA FJ, DESDÍN GARCIA LF, et. al. Stabilization methods in the submerged arc discharge synthesis of carbon nanostructures. Journal of Nanomaterials. 2021; (9-10): 1-12.]. Sobre la base de este conocimiento se diseñó y construyó una instalación de Descarga de Arco Sumergida (DAS) que combina un sistema de micro posicionamiento de los electrodos controlado por retroalimentación de la corriente de la descarga, con un sistema de estabilización eléctrica y un sistema multiparamétrico que permite registrar de manera correlacionada 5 parámetros [2[2] HERNÁNDEZ TABARES L, CARRILLO BARROSO E, DARIAS GONZÁLEZ JG, DESDÍN GARCÍA LF, et. al. Arc current control for a carbon nanoparticle. Revista Cubana de Física. 2011; 28 (1): 1E76-1E79. E/RCF-28-1E. -4[4] HERNÁNDEZ TABARES L, DARIAS GONZÁLEZ JG, DESDÍN GARCÍA L.F, et. al. Automated system for the synthesis of nanostructures via arc-discharge in liquids. Advances in Natural Sciences: Nanoscience and Nanotechnology. 2018; 9(3): 035002. ]. Este último sistema permitió implementar métodos de diagnóstico del proceso de síntesis basados en la espectroscopia óptica [5[5] DARIAS GONZÁLEZ JG, HERNÁNDEZ TABARES L, LEDO PEREDA LM, DESDÍN GARCÍA LF, et. al. Note: Limitations of the optoelectronic control for carbon nanoparticles synthesis via arc-discharge in solution. Review of Scientific Instruments. 2014; 85(3): 036107-036107-3. ] y la acústica [6[6] CHAO MUJICA FJ, GARCIA HERNÁNDEZ L, DARIAS GONZÁLEZ JG, DESDÍN GARCÍA LF, et. al. Carbon quantum dots by submerged arc discharge in water: synthesis, characterization, and mechanism of formation. Journal of Applied Physics. 2021; 129(16): 163301. ].
Se desarrollaron métodos de purificación de nanoestructuras basados en la oxidación y la extracción líquido - líquido [7[7] CHAO MUJICA FJ, DARIAS GONZÁLEZ JG, GARCÍA HERNÁNDEZ L, DESDÍN GARCÍA LF, et. al. Arc discharge carbon nanoonions purification by liquid-liquid extraction. Anales de la Academia de Ciencias de Cuba. 2019; 9(2): 1-10. ]. Las nanoestructuras obtenidas fueron caracterizadas empleando las siguientes técnicas: TEM, SEM, AFM, EDX, microscopia fluorescente, isotermas de adsorción de N2 (BET), DRX, XPS, DLS, TGA, espectroscopias Raman y UV - Visible, magnetometría, mediciones de conductividad y fluorimetría.
La demostración de la seguridad del uso in vitro de Nanocebollas de Carbono con vistas a sus posibles aplicaciones biomédicas fue realizada empleando el ensayo con azul de tripano, TEM y la Cromatografía Liquida/Espectrometría de Masas en tándem [8[8] GARCÍA HERNÁNDEZ L, CHAO MUJICA FJ, MUSACCHIO JA, DESDIN GARCÍA LF, et. al. Proteomic analysis in cells treated with pristine carbon nano-onions and its subcellular localization. Adv. Nat. Sci.: Nanosci. Nanotechnol. 2019; 10 (3): 035011. ].
Fueron diseñados e implementados procedimientos de Nanoseguridad para la síntesis y purificación de las nanoestructuras producidas [9[9] SOGUERO GONZÁLEZ D, CASTILLO ÁLVAREZ J, DESDÍN GARCÍA LF. Sistema de seguridad para elaborar nanopartículas de carbono a escala de laboratorio. Revista de Salud Ambiental. 2012; 12 (1): 46-51.,10[10] DESDÍN GARCÍA LF, GARCÍA HERNÁNDEZ L, DÍAZ CURBELO A, DARIAS GONZALEZ JG, et. al. Nanoseguridad. La Habana: Editorial Científico-Técnica, 2014. ISBN 978-959-05-0711-3.].
Resultados y discusión
⌅Se investigaron experimentalmente los métodos de control de la estabilidad de la DAS revelando sus limitaciones [1[1] HERNANDEZ TABARES L, DARIAS GONZÁLEZ JG, CHAO MUJICA FJ, DESDÍN GARCIA LF, et. al. Stabilization methods in the submerged arc discharge synthesis of carbon nanostructures. Journal of Nanomaterials. 2021; (9-10): 1-12.]. Estas explican las discrepancias en los valores reportados de consumo de precursores y pureza de los productos. Sin embargo, las características de los electrodos y el esquema electromecánico implementado también aportan en determinada medida a estas divergencias. No obstante, el factor determinante es el método de estabilización adoptado.
La instalación construida permitió sintetizar nanotubos de pared múltiple (MWCNTs) y nanocebollas de carbono (CNOs) [11[11] DARIAS GONZÁLEZ JG, HERNÁNDEZ TABARES L, CODORNIU PUJALS D, DESDÍN GARCIA L, et. al. Carbon nanostructures obtained by underwater arc discharge of graphite electrodes: synthesis and characterization. Proceedings of the XV Workshop on Nuclear Physics and IX International Symposium on Nuclear and Related Techniques WONP-NURT’2015. CEADEN. February 9-13, 2015. Havana, Cuba. ISBN 978-959-300-069-7. ArXiv preprint, arXiv: 1502.04062 Cornell University. -14[14] BARRIOS COSSIO JJ, ACEVEDO PEÑA P, HERNÁNDEZ GORDILLO A, et. al. In Situ Aniline-Polymerized Interfaces on GO−PVA Nanoplatforms as Bifunctional Supercapacitors and pH-Universal ORR Electrodes. ACS Appl. Energy Mater. 2020; 3(5): 4727−4737. ]. Como los MWCNTs son el producto que se obtiene con el mayor rendimiento en la DAS se estudiaron detalladamente sus posibles aplicaciones, enfatizándose en la catálisis de compuestos orgánicos [15[15] CORCHO VALDÉS AL, CALZADILLA MAYA J, DESDÍN GARCÍA LF, ANTUCH CUBILLAS M. Carbon nanotubes in organic catalysis. In: Carbon composite catalysts. Preparation, structural and morphological property and applications. Springer Singapore, 2022. p. 223-266. ]. Se reporta por primera vez la síntesis de GO y CQDs por DAS y se demostró que estos últimos constituyen un promisorio fluorósforo para investigaciones biomédicas [6[6] CHAO MUJICA FJ, GARCIA HERNÁNDEZ L, DARIAS GONZÁLEZ JG, DESDÍN GARCÍA LF, et. al. Carbon quantum dots by submerged arc discharge in water: synthesis, characterization, and mechanism of formation. Journal of Applied Physics. 2021; 129(16): 163301. , 16[16] DESDÍN GARCÍA LF, CHAO MUJICA FJ, DARIAS GONZÁLEZ JG, HERNÁNDEZ TABARES L, et. al. Método de producción de puntos cuánticos de carbono y óxido de grafeno por descarga de arco sumergida. Certificado No. 24548. Oficina Cubana de la Propiedad Industrial. Boletín Oficial. 2021; (396): 5. Resolución 1831/2021. ].
Se demostró que la DAS transcurre en una sucesión de periodos de estabilidad e inestabilidad como consecuencia del efecto z - pinch [17[17] HERNÁNDEZ TABARES L, CHAO MUJICA FJ, DARIAS GONZÁLEZ J. G., DESDÍN GARCÍA LF, et. al. Multiparametric diagnostic in the synthesis of carbon nanostructures via submerged arc discharge: Stability, nucleation and yield. Journal of Applied Physics. 2019; 126(18): 183301. ]. En los periodos de estabilidad se forman los MWCNTs y los CNOs, mientras que en los periodos de inestabilidad se manifiesta un proceso de estrés térmico que conduce a la exfoliación de plaquetas de grafeno que en presencia de altas temperaturas y radicales muy reactivos da lugar a la formación de GO y CQDs. Como resultado de los estudios realizados se elaboró un modelo que explica los mecanismos de formación de las nanoestructuras y los contaminantes. El modelo considera la existencia de tres zonas que se diferencian por sus temperaturas, homogeneidad del campo eléctrico y entorno químico en las cuales se desarrolla el proceso de formación de las nanoestructuras. La primera zona de la descarga, la más interna, en ella la temperatura es tan alta que no se produce ningún proceso de nucleación. Mientras que en la segunda se forman los MWCNTs en la zona de mayor homogeneidad del campo eléctrico y en su parte periférica se originan estructuras cuasi-esféricas (CNOs). La formación de GO y CQDs se produce en la zona más externa, en la frontera con la superficie del agua, en esa región está presente una capa de vapor de agua a altas temperaturas en la cual se produce la funcionalización de los grafenos exfoliados en los periodos de inestabilidad.
A la comprensión de estos mecanismos contribuyó significativamente el desarrollo de métodos opto-electrónicos y acústicos de diagnóstico, así como la simulación del funcionamiento de la instalación [5[5] DARIAS GONZÁLEZ JG, HERNÁNDEZ TABARES L, LEDO PEREDA LM, DESDÍN GARCÍA LF, et. al. Note: Limitations of the optoelectronic control for carbon nanoparticles synthesis via arc-discharge in solution. Review of Scientific Instruments. 2014; 85(3): 036107-036107-3. , 17[17] HERNÁNDEZ TABARES L, CHAO MUJICA FJ, DARIAS GONZÁLEZ J. G., DESDÍN GARCÍA LF, et. al. Multiparametric diagnostic in the synthesis of carbon nanostructures via submerged arc discharge: Stability, nucleation and yield. Journal of Applied Physics. 2019; 126(18): 183301. ], lo que permitió identificar y comprender la influencia del diseño electro-mecánico de la instalación en la generación de contaminantes y otros procesos como la emisión de chorros de vapores de carbono emitidos en los procesos de constricción del canal de la descarga. En las mediciones de espectroscopia óptica se observaron las bandas de Swann comprobándose que la mayor emisión corresponde a los clústeres tipo C2. La frecuencia de emisión de los chorros fueron descritos empleando un modelo de resonador sin cuello tipo Helmholtz y se identificaron los procesos de vibraciones y su papel en la erosión del ánodo [17[17] HERNÁNDEZ TABARES L, CHAO MUJICA FJ, DARIAS GONZÁLEZ J. G., DESDÍN GARCÍA LF, et. al. Multiparametric diagnostic in the synthesis of carbon nanostructures via submerged arc discharge: Stability, nucleation and yield. Journal of Applied Physics. 2019; 126(18): 183301. ].
Como las nanoestructuras sintetizadas son promisorias para las aplicaciones biomédicas en paralelo a las investigaciones físico - químicas se efectuó el análisis de las visiones y normativas sobre los aspectos regulatorios en la nanomedicina, la nanotoxicología y las herramientas empleadas para evaluar la seguridad de su uso in vitro como primer paso [18[18] PÉREZ GUEVARA OL, DESDÍN GARCÍA LF, GARCÍA HERNÁNDEZ L. Una aproximación a los aspectos regulatorios en las nanotecnologías. Anuario Científico CECMED. 2021; 19: 101-114. ]. Entre los elementos claves en esas visiones y pautas se destacan la importancia que le conceden al esclarecimiento de la biocompatibilidad, la evaluación de la nanotoxicidad y a la determinación de la capacidad de estas nanoestructuras para penetrar en las células.
Dado que las CNOs obtenidos a partir del método DAS han sido propuestos para una nueva terapia antitumoral se estudió su seguridad in vitro. El análisis de proteómica reveló que las CNOs no causan respuesta inflamatoria (proteínas pro -inflamatorias) a las concentraciones estudiadas (de interés biomédico) [8[8] GARCÍA HERNÁNDEZ L, CHAO MUJICA FJ, MUSACCHIO JA, DESDIN GARCÍA LF, et. al. Proteomic analysis in cells treated with pristine carbon nano-onions and its subcellular localization. Adv. Nat. Sci.: Nanosci. Nanotechnol. 2019; 10 (3): 035011. ,19[19] GARCÍA HERNÁNDEZ L, SALMEN ESPINDOLA F, DESDIN GARCÍA LF. “Omics” studies on carbon nanoparticles effects. Biosci. J. 2015; 31(4): 1260-1269. ] y que reprimen la expresión de determinados genes asociados a enfermedades malignas. El ensayo de Rojo Neutro es un método estándar para el estudio de la toxicología de sustancias en estado micro y macroscópico. Sin embargo, los resultados obtenidos indicaron que el ensayo de rojo neutro brinda información errónea al evaluar la toxicidad de las CNOs. Ello motivo un estudio complementario que demostró que las CNOs resultan muy prometedoras en aquellas aplicaciones en que se requieran nanoestructuras que interactúen fuertemente con compuestos que contengan grupos aromáticos [20[20] LÓPEZ YC, CHAO MUJICA FJ, DESDÍN GARCÍA LF, GARCÍA HERNÁNDEZ L, et. al. Neutral red dye adsorption on carbon nanoonions: viability assay interference and adduct characterisation Adv. Nat. Sci.: Nanosci. Nanotechnol. 2022; 13(4): 045001. ]. Una de tales aplicaciones, por ejemplo, pudiera ser la purificación de aguas residuales de la industria farmacéutica.
Conclusiones
⌅Los métodos de estabilización de la DAS fueron analizados y se determinó la estrategia más efectiva para este propósito. Sobre la base de este enfoque se construyó una instalación avanzada para la síntesis de nanoestructuras de carbono que permite la obtención de MWCNTs, CNOs, GO y CQDs a una escala y con la calidad necesaria para abordar investigaciones biomédicas. La composición química, la estructura y la morfología de las estructuras sintetizadas fueron determinadas de forma exhaustiva. Se implementaron métodos de diagnóstico opto - electrónico y acústicos que permitieron explorar los mecanismos de formación de las nanoestructuras y los contaminantes. Estos permiten un mejor diseño de las instalaciones de síntesis y constituyen herramientas para controlar el funcionamiento de estas. Se asimilaron e implementaron métodos para la evaluación de la seguridad en el uso in vitro de nanoestructuras de carbono. Todos los trabajos con las nanoestructuras se efectuaron acorde a procedimientos de nanoseguridad desarrollados en el grupo para nanomateriales de carbono.