NANOTECNOLOGÍA SQCM 2011
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UNIVERSIDAD AUTONOMA DE MEXICOFACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES- CUAUTITLAN
XX Congreso Nacional de Química Cosmética
“Implicaciones de la nanotecnología en formas cosméticas”
Dr. David Quintanar Guerrero
Junio del 2011
Indice
I. Antecedentes de la Nanotecnología
II. Generalidades de la Nanotecnología
III. Estado actual de la Nanotecnología
III.1. Nanomedicina dérmica
III.2. Sistemas nanoparticulados
III.2.1. Definiciones
III.2.2. Desarrollos cosméticos
III.2.2. Líneas de investigación
IV. Conceptualización futura de nanosistemas
I. Antecedentes de la Nanotecnología
El concepto de la bala mágica
... “Desarrollar diminutas partículas capaces de acarrear moléculas activas a sitios específicos en el cuerpo, donde el efecto es requerido”
Erlich, P., Collected studies on immunity, Willey & sons, 1906, p. 442.
La concepción fundamental de la Nanotecnología(Una invitación a introducirse a un nuevo campo de la física)
...”manipular y controlar la construcción de cosas átomo por átomo no es un intento de violar alguna ley; es algo que en principio puede hacerse; pero en la práctica no se ha logrado porque somos demasiado grandes”Richard P. Feynman
Proceed. American Physical Society (Cal Tech), There’s Plenty of Room at the Bottom, 1959.
Primer artículo sobre ingeniería molecular(Un acercamiento al desarrollo de capacidades
generales para la manipulación molecular)
... “El hecho de evidenciar maquinaria molecular en sistemas vivos demuestra la factibilidad de hacer ingeniería molecular para producir maquinas moleculares complejas y artificiales”
Microscopía efecto tunel (STM)
Microscopía de efecto tunel (STM)
H. Rörher y G. Binning(premio Nobel 1986)
Inscripción de la marca IBM con35 átomos de xenón (Centro deInvestigación de Almaden, 1990).
Microscopía de fuerza atómica (AFM)
<~10 nm diametro
Resolución lateral: 0.1 nmResolución vertical: 0.02 nm
II. Generalidades de la Nanotecnología
Algunas cifras La inversión mundial en nanotecnología asciende a 6 billones de
dólares en el 2005.
El mercado global de nanoproductos podría alcanzar un trillón de dólares para el 2015.
Se estimó un gasto de 82 billones de dólares para el desarrollo de DDS incluyendo cosmecéuticos en el 2007.
De 90 artículos científicos publicados en 1979 hemos pasado a 37,000 en el 2004.
De 15 patentes americanas en 1980 hemos pasado a 1,000 en el 2004.
El precio de un producto nanotecnológico multiplica su precio por 1000
Nano-
NanomedicinaNanobiosistemasNanocapilaresNanocápsulasNanocompuestosNanocomponentesNanocristalesNanodispositivosNanoesferaNanoestructurasNanoelectrodosNanoescalaNanofaseNanofabricaciónNanomáquinasNanopartículasNanotecnologíaNanojuntasNanomotores, etc.
Una billonésima parte de un metro
El prefijo nano-
Un cabello humano50,000 nm
10810710610510410310210110010-1
10 Centímetros
10-2
1 Centímetro
10-3
1 Milímetro
10-4
100 micrones
10-5
10 micrones
10-6
1 micrón
10-8
100 Amgstrons
10-9
10 Amgstrons
10-10
1 Amgstron
10-12
1 Picómetro
10-14
10 Fentómetros
10-7
1.000 Amgstrons
Nanodispositivos:Nanotubos
DendrimerosNanopartículasPseudolatexes,
Nanoestructuras, etc.
Nanómetros
Nanotecnología
“Disciplina que estudia el diseño y la manufactura de entidades coloidales con dimensiones nanométricas, cuerpos cuyo funcionamiento es explicado por su estructura ó
superfície submicrónica y máquinas con movimiento de precisión submicrónica”.
Coombs, R. H. & Robinson, D. W., Nanotechnology in medicine and biosciences, OPA, Netherlands (1996).
“El desarrollo y uso de dispositivos que tienen tamaño de pocos nanómetros.”
physics.about.com.
“El arte de manipular materiales sobre una escala atómica o molecular especialmente para construir dispositivos microscçopicos”.
Miriam Webster Dictionary
Ensamblaje de nanoestructuras
Atomos y moléculas
Nanopartículas
Bloques (nanoestructuras)
Materiales de altaárea y superficie
Estructurasfuncionales
Dispersiones y recubrimientos
Dispositivos útiles
Materiales “macro”
Dispositivos útiles
“top down”Proceso monolítico a
nivel submicrónico
“bottom up”Ensamblaje a partir de
diminutas estructuras
III. Estado actual de la Nanotecnología
Filtro prototipo con agujeros de 35 m de diámetro cortados en una membrana polimérica de 150 m de espesor.
Nanolitografía
SEM de células amnióticas humanas creciendo sobre una pieza de polietilentereptalato. Note como la célula adapta su forma a la nanoestructura.
Agujeros cuadrados (50 m) micromaquinados sobre un cabello humano.
Información alfanumérica directamente impresa en un cabello humano usando un haz de iones galio a una energía de 50 keV.
Proteína Hemoglutinina Ferritinina-anticuerpo-estreptavidina
Vacancia de un átomo de yodo (2.5 nm)
Adenovirus (80 X 80 nm)Doble hélice del DNA (155 nm)
III.2. Sistemas nanoparticulados cosméticos
Nanoemulsiones
Nanoemulsión óMiniemulsión o
Emulsión ultrafina oEmulsión submicrónica
Homogenización a alta presión
Ventajas de nanoemulsiones
• Atractivas organolépticamente.
• Excelentes propiedades sensoriales.
• Rápida penetración.
• Mayor penetrabilidad (poder hidratante).
• Acarreo de activos cosméticos
×
Wissing, S. et. Al. Int. J. of Pharm., 254(2003) 65-68
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
0 100 200 300 400 500 600 700 800
Distancia (mm)
Ca
nti
da
d d
e O
MC
(m
cg
)
NE (200 nm)
E
Penetrabilidad cutánea de OMC en piel humana por la tácnica de tape stripping
Olvera-Martínez B.I., et al., Int. J. Pharm. 94 (2005) 1552-1559.
Nanofraccionación de principios activos (nanocristales)
Incremento del área superficial
Incrementa la velocidad de disolución
Incrementa la bioactividad en la piel
Más rápido comienzo de la acción dérmica
Disminuye la dosis necesaria
Decrece la variabilidad del dermoefecto
Nanomateriales ultrafinos o nicrofinos (p. ej. ZnO y TiO2) como protectores solares físicos
TiO2 (~200 nm)
Formación de películas transparentes
1 2Diámetro de la partícula (μm)
Efi
cien
cia
de d
ispe
rsió
n al
vis
ible
Tra
nspa
rent
e
Efectiva dispersiónUVB y UVA (290-370 nm)
10-1000 nm
10-1000 nm
Nanocápsula
Definición Las nanopartículas son sistemas coloidales sólidos, generalmente
formados de materiales macromoleculares (biodegradables ó no) o lipídicos, en los que una substancia activa puede ser incorporada, adsorbida ó unida químicamente a la partícula
Nanoesfera
Quintanar-Guerrero, D; Allémann, Eric, Fessi, Hattem; Doelker, Eric. Preparation techniques and mechanisms
of formation of biodegradable nanoparticles from preformed polymers (1998), 24 (12), 1113-1128.
MATERIALES :PolímerosProteinasLípidos
Métodos de preparación
Quintanar-Guerrero, D; Tamayo-Esquivel, David; Ganem-Quintanar, Adriana; Allémann, Eric; Doelker, Eric. Adaptation and optimization of the emulsification-diffusion technique to prepare lipidic nanospheres (2005), 26 (2), 211-218.
Método de emulsificación-difusión
Mecanismo de formación de nanopatículas por E-D
Quintanar-Guerrero, D., et al., 1997. Colloid Polym. Sci. 275, 640–647.
Difusión
región desupersaturation
Nanopartículas
polímero
Tamaño de partícula Potencial zeta
Microscopio Electrónico de Barrido
Calorimetría Diferencial de Barrido
Caracterización
Vectorización de activos cosméticos
Nanopartículas lipídicas sólidas (SLN)
Efecto oclusivoF = 100 (A-B)/A
A y B son pérdida de agua con y sin muestra respectivamente
Müller, R. H. et al., Adv. Drug Del. Rev., Suppl. 1 (2002) S131-S155
Fac
tor
de
oclu
sión
tiempo (h)
Oclusividad de SLN de 200 nm vs. Micropartículas de 4 μm en función del tiempo.
Oclusividad de una crema comercial vs la misma con 4 % p/p de SLN en función del tiempo.
6 h24 h48 h
Crema Crema + SLN
Fac
tor
de
oclu
sión
Mecanismo de oclusión de las SLN
4 μm
Poros capilares
FUSIÓN
200 nm
H2O H2O
PIEL
Poros amplios
Vectorización periodontal
Periodonto sano Periodontitis
Saco
Piñon-Segundo, E.; Ganem-Quintanar, A.; Alonso-Pérez, V.; Quintanar-Guerrero, D. Preparation and characte- rization of triclosan nanoparticles for periodental treatment. International Journal of Pharmaceutics (2005), 294 (1-2), 217-232.
200 250 300 350 400
l
Efecto fotoprotector químico (OMC)
Sin NP Con NP
Olvera-Martínez, B.; Cazares-Delgadillo, J.; Calderilla-Fajardo, S. B.; Villalobos-García, E.; Ganem-Quintanar, A.; Quintanar-Guerrero, D. Journal of Pharmaceutical Sciences (2005), 94 (7), 1552-1559.
Microagujas
Modalidades cosméticas
Transfersomas
IV. Conceptualización futura de nanosistemas
Perspectiva
Grandes avances han sido logrados en la comprensión y diseño de estructuras con funcionamiento submicrónico. Las futuras aplicaciones ofrecen un tremendo potencial en ciencia, ingeniería, medicina y cosmética. Resulta evidente y urgente la incorporación de la nanotecnología como área emergente en nuestros países afín de evitar un rezago tecnológico de importantes implicaciones.
Maestría y Doctorado enCiencias Químicas
(Tecnología Farmacéutica)
http://www.cuautitlan.unam.mx/sitios/lab_tec_farmacia/o
http://www.cuautitlan.unam.mx/(link: Posgrados-------Maestría y Doctorado en Cs. Químicas)
Colaborades
MC Alonso Pérez VicenteQFB Ayala Bravo Hilda Adriana
pQFB Briones Crescencio GaddielQFB Calderilla Fajardo Silvia Berenice
cDr Cázares Delgadillo YenifferQFB Chávez Monroy Fabiola
C Dr Díaz Torres RobertopMC Domínguez Delgado Clara Luisa
Dr Escobar Chávez José JuanpQFB Fuentes Pérez Alejandro
pQFB Galicia Tornell Edgar SalvadorQFB García Rodríguez José Raúl
Dra Ganem Rondero AdrianapMC Gómez Leyva GerardopQFB Gómez Peláez Marisol
QFB González Sánchez Luis AntonioQFB Gutiérrez Escamilla CésarcDr López Cervantes MiriampMC Mendoza Muñoz Nestor
cDr Mendoza Romero LuiscDr Nava Arzaluz María Guadalupe
pMC Noriega Peláez Eddy KeyQFB Olvera Martínez BlancacDr Piñón Segundo Elizabeth
pDr Rodríguez Cruz Isabel MarlenQFB San Martín Méndez Alma Laura
pQFB Suárez Buendía ArmandoMC Tamayo Esquivel David
pMC Urbán Morlán María ZaidaDr Villalobos García Rafael
QFB Zorraquín Cornejo Briza NadyrpDr Zambrano Zaragoza María de la Luz