Valencià:
Un equip format per investigadors i investigadores dels Departaments de Química Física i Analítica (Juan Andrés Bort); Química Inorgànica i Orgànica (Eloísa Cordoncillo i Héctor Beltrán) i Física (Gladys Mínguez) de la Universitat Jaume I de Castelló en col·laboració amb l'amb el Centre de Desenvolupament de Materials Funcionals (CDMF), Centre de Recerca, Innovació i Difusió (CEPID) de la FAPESP amb seu en la Universitat Federal de São Carlos (UFSCar), al Brasil, dirigit pel professor Elson Longo, han desenvolupat un nou material amb propietats antifúngiques i antitumorals.
El compost s'ha obtingut a partir d'una mostra d'un òxid mixt de wolframi i plata (α-Ag2WO4) irradiat amb electrons i amb feixos de làsers amb polsos a una escala de femtosegons (milbillonèsimes de segons) en la qual ocorren les reaccions químiques, amb intercanvis d'electrons entre àtoms i molècules, i els resultats de les quals s'han publicat en un article en la revista la revista Scientific Reports del grup Nature en 2019.
L'ús cada vegada major de semiconductors ha desencadenat una onada de desenvolupament de nous materials amb una àmplia gamma d'aplicacions tecnològiques. En particular, una de les famílies de semiconductors que més ha cridat l'atenció dels investigadors en l'àrea de Ciència de Materials és la dels òxids mixtos que contenen wolframi en la seva composició.
Dins d'aquesta família, l'òxid mixt de wolframi i plata és un material inorgànic amb aplicacions en fotocatalitzadors i fotointerruptors, o com a alternativa als semiconductors convencionals de banda ampla. Aquest compost i els seus polimorfs ha sigut el focus de diferents estudis teòrics i experimentals des de fa més de cinc anys, dins d'un ampli projecte de recerca entre l'UJI i el CDMF-CEPID.
«La plata és un element químic que a escala nano és capaç d'augmentar les propietats bactericides respecte a l'òxid mixt de wolframi i plata sense irradiar. El notable ha estat que després de la irradiació amb electrons i/o làser de femtosegon, i la producció dels filaments de plata, el compost modificat va passar a exhibir una acció antibactericida fins a 32 vegades més eficaç que l'anterior a la irradiació», ha explicat el professor Longo.
L'acció antifúngica de l'òxid mixt irradiat també s'ha verificat en plaques de Petri amb cultius del fong candida albicans, que causa la infecció anomenada candidiasis. Com ja es coneixia la quantitat mínima de l'òxid mixt de wolframi i plata capaç d'eliminar un cultiu d'aquest fong, l'equip investigador va aplicar la mateixa quantitat del compost modificat sobre el cultiu. El resultat que es va observar va ser anàleg. Després van disminuir a la meitat el volum de la substància i van repetir l'experiment, eliminant novament els fongs.
Per a verificar l'acció antitumoral del compost es van utilitzar cèl·lules tumorals de carcinoma de bufeta en rates exposades durant 24 hores a diferents concentracions del compost. Els resultats van mostrar una disminució significativa de la viabilitat cel·lular, i el millor resultat es va obtenir amb la concentració de 11,58 µg ml, en la qual es va observar una disminució del 80% en la viabilitat de les cèl·lules del carcinoma de bufeta.
Després de constatar les propietats antifúngiques i antitumorals del nou compost, els investigadors de l'UJI i CDMF-CEPID han estudiat la seva seguretat en un eventual ús en pacients humans. Es van analitzar quatre concentracions del compost irradiat de l'òxid mixt de wolframi i plata, que se situaven en la franja d'excel·lent activitat fungicida (de 3,9 μg/ ml a 31,2 μg/ ml), en llinatges cel·lulars de fibroblastos gingivals humans. Després de 24 hores d'incubació, es van avaluar els efectes dels compostos sobre la viabilitat cel·lular, sobre la proliferació cel·lular i sobre la morfologia cel·lular mitjançant l'assaig fluorimètric quantitatiu i amb microscòpia confocal làser d'escombratge, respectivament. «Els resultats van demostrar que no va haver-hi una pèrdua estadísticament significativa de la viabilitat cel·lular per a aquestes concentracions, la qual cosa revela que el compost no revesteix riscos per a la salut», ha comentat l'equip investigador.
DUALITAT ONA-PARTÍCULA
Aquesta recerca pot considerar-se com un exemple clar de recerca fonamental, ja que ha confirmat i demostrat tant teòrica com experimentalment una de les bases de la mecànica quàntica, la dualitat ona-partícula. Es tracta d'una propietat fonamental de la matèria descrita pel físic francès Louis-Victor De Broglie l'any 1924 i mereixedora d'un Nobel de Física en 1929, segons la qual els electrons poden comportar-se com a partícules o com a ones depenent de l'experiment.
«Durant nou dècades aquesta dualitat ha estat observada en nombrosos experiments científics, però encara no s'havia demostrat en termes experimentals mitjançant l'ús de feixos de partícules [en aquest cas, electrons] i feixos d'ones [làsers] per a l'obtenció d'alteracions idèntiques en compostos materials», explica el professor Longo i «quan ens adonem que la irradiació amb electrons feia que sorgissin els filaments de nanopartícules de plata en el wolframato de plata, decidim investigar si no podria obtenir-se aquest mateix resultat aplicant feixos de làser en lloc de la irradiació d'electrons i comprovem experimentalment la dualitat ona-partícula que De Broglie va proposar fa 95 anys» conclou Longo.
La literatura científica actual mostra que existeix una utilització cada vegada major punt de les tècniques de microscòpia avançades, que involucren irradiació d'electrons, com de làsers de femtosegons en el processament de materials per a l'obtenció de nous compostos amb propietats altament atraients i que aporten avanços tecnològics. «Durant el procés d'irradiació amb electrons i làser, s'introdueix un desordre electrònic i estructural en l'òxid mixt de wolframi i plata, que compleix un important paper en la nucleación i en el creixement de filaments de plata» explica el professor Andrés
En principi, la segregació dels àtoms de plata a causa de la irradiació de làsers en femtosegons ocorreria de manera anàloga, però es produeix de forma més ràpida, pel fet que un pols de làser de femtosegons és capaç de subministrar una potència màxima en un lapse de temps summament curt. «A causa de la diferent velocitat de segregació, es va predir teòricament que la morfologia obtinguda de les nanopartícules de plata tendiria a ser diferent sota la radiació de feix d'electrons que l'obtinguda quan s'irradia la mostra amb radiació làser de femtosegons», han comentat els autors.
Aquest fet s'ha confirmat experimentalment. En fer incidir feixos de làsers de femtosegons en la superfície de l'òxid mixt s'ha verificat anàlogament la formació de filaments de nanopartícules de plata amb diferent morfologia, i «així aconseguim obtenir el mateix resultat que s'havia obtingut mitjançant la irradiació amb electrons, la qual cosa demostra en la pràctica la dualitat ona-partícula», indica Andrés.
A més els tres primers articles publicats en els anys 2013 i 2014 en les revistes Scientific Reports i Journal of Physical Chemistry C han estat citats més de 280 vegades. D'altra banda, l'articulo «Formation of Ag nanoparticles under electron beam irradiation: Atomistic origins from first-principles calculations», en la revista International Journal of Quantum Chemistry, ha estat un de l'articles més descarregats en la revistes de l'àrea de Química de l'editorial Wiley l'any 2018. Fruit també d'aquesta col·laboració internacional ha estat l'aprovació d'una patent internacional de «Materials basats en nanopartícules de plata amb alta activitat antimicrobiana» (BR 10 2019 015473).
Les recerques han estat finançades per la Fundação d'Amparo à Perquisició do Estat de São Paulo -FAPESP, FINEP-, Conselho Nacional de Desenvolvimento Cientifico e Tecnològic - CNPq i CAPIS, Universitat Jaume I de Castelló, Generalitat Valenciana, i Ministeri de Economia i Competitivitat d'Espanya.
Referència: MACEDO, Nadia G., et al. Tailoring the bactericidal activity of Ag nanoparticles/α-Ag2WO4 composite induced by electron beam and femtosecond laser irradiation: Integration of experiment and computational modeling. ACS Applied Bio Materials, 2019, vol. 2, no 2, p. 824-837

Notícia publicada a Facebook | Twitter | LinkedIn | Instagram

Español:
Un equipo formado por investigadores e investigadoras de los Departamentos de Química Física y Analítica (Juan Andrés Bort); Química Inorgánica y Orgánica (Eloísa Cordoncillo y Héctor Beltrán) y Física (Gladys Mínguez) de la Universitat Jaume I de Castellón en colaboración con el con el Centro de Desarrollo de Materiales Funcionales (CDMF), Centro de Investigación, Innovación y Difusión (CEPID) de la FAPESP con sede en la Universidad Federal de São Carlos (UFSCar), en Brasil, dirigido por el profesor Elson Longo,  han desarrollado un nuevo material con propiedades antifúngicas y antitumorales.
El compuesto se ha obtenido a partir de una muestra de un óxido mixto de wolframio y plata (α-Ag2WO4) irradiado con electrones y con haces de láseres con pulsos a una escala de femtosegundos (milbillonésimas de segundos) en la cual ocurren las reacciones químicas, con intercambios de electrones entre átomos y moléculas, y cuyos resultados se han publicado en un artículo en la revista la revista Scientific Reports del grupo Nature en 2019.
El uso cada vez mayor de semiconductores ha desencadenado una oleada de desarrollo de nuevos materiales con una amplia gama de aplicaciones tecnológicas. En particular, una de las familias de semiconductores que más ha llamado la atención de los investigadores en el área de Ciencia de Materiales es la de los óxidos mixtos que contienen wolframio en su composición.
Dentro de esta familia, el óxido mixto de wolframio y plata es un material inorgánico con aplicaciones en fotocatalizadores y fotointerruptores, o como alternativa a los semiconductores convencionales de banda ancha. Este compuesto y sus polimorfos ha sido el foco de diferentes estudios teóricos y experimentales desde hace más de cinco años, dentro de un amplio proyecto de investigación entre la UJI y el CDMF-CEPID.
«La plata es un elemento químico que a escala nano es capaz de aumentar las propiedades bactericidas con respecto al óxido mixto de wolframio y plata sin irradiar. Lo notable ha sido que tras la irradiación con electrones y/o laser de femtosegundo, y la producción de los filamentos de plata, el compuesto modificado pasó a exhibir una acción antibactericida hasta 32 veces más eficaz que la anterior a la irradiación», ha explicado el profesor Longo.
La acción antifúngica del óxido mixto irradiado también se ha verificado en placas de Petri con cultivos del hongo candida albicans, que causa la infección llamada candidiasis. Como ya se conocía la cantidad mínima del óxido mixto de wolframio y plata capaz de eliminar un cultivo de ese hongo, el equipo investigador aplicó la misma cantidad del compuesto modificado sobre el cultivo. El resultado que se observó fue análogo. Luego disminuyeron a la mitad el volumen de la sustancia y repitieron el experimento, eliminando nuevamente los hongos.
Para verificar la acción antitumoral del compuesto se utilizaron células tumorales de carcinoma de vejiga en ratas expuestas durante 24 horas a distintas concentraciones del compuesto. Los resultados mostraron una disminución significativa de la viabilidad celular, y el mejor resultado se obtuvo con la concentración de 11,58 µg ml, en la cual se observó una disminución del 80% en la viabilidad de las células del carcinoma de vejiga.
Tras constatar las propiedades antifúngicas y antitumorales del nuevo compuesto, los investigadores de la UJI y CDMF-CEPID han estudiado su seguridad en un eventual uso en pacientes humanos. Se analizaron cuatro concentraciones del compuesto irradiado del óxido mixto de wolframio y plata, que se ubicaban en la franja de excelente actividad fungicida (de 3,9 μg/ ml a 31,2 μg/ ml), en linajes celulares de fibroblastos gingivales humanos. Después de 24 horas de incubación, se evaluaron los efectos de los compuestos sobre la viabilidad celular, sobre la proliferación celular y sobre la morfología celular mediante el ensayo fluorimétrico cuantitativo y con microscopía confocal láser de barrido, respectivamente. «Los resultados demostraron que no hubo una pérdida estadísticamente significativa de la viabilidad celular para esas concentraciones, lo cual revela que el compuesto no reviste riesgos para la salud», ha comentado el equipo investigador.
DUALIDAD ONDA-PARTÍCULA
Esta investigación puede considerarse como un ejemplo claro de investigación fundamental, ya que ha confirmado y demostrado tanto teórica como experimentalmente una de las bases de la mecánica cuántica, la dualidad onda-partícula. Se trata de una propiedad fundamental de la materia descrita por el físico francés Louis-Victor de Broglie en el año 1924 y merecedora de un Nobel de Física en 1929, según la cual los electrones pueden comportarse como partículas o como ondas dependiendo del experimento.
«Durante nueve décadas esa dualidad ha sido observada en numerosos experimentos científicos, pero aún no se había demostrado en términos experimentales mediante el empleo de haces de partículas [en este caso, electrones] y haces de ondas [láseres] para la obtención de alteraciones idénticas en compuestos materiales», explica el profesor Longo y «cuando nos percatamos que la irradiación con electrones hacía que surgieran los filamentos de nanopartículas de plata en el wolframato de plata, decidimos investigar si no podría obtenerse ese mismo resultado aplicando haces de láser en lugar de la irradiación de electrones y comprobamos experimentalmente la dualidad onda-partícula que De Broglie propuso hace 95 años» concluye Longo.
La literatura científica actual muestra que existe una utilización cada vez mayor tanto de las técnicas de microscopía avanzadas, que involucran irradiación de electrones, como de láseres de femtosegundos en el procesamiento de materiales para la obtención de nuevos compuestos con propiedades altamente atrayentes y que aportan avances tecnológicos. «Durante el proceso de irradiación con electrones y láser, se introduce un desorden electrónico y estructural en el  óxido mixto de wolframio y plata, que cumple un importante papel en la nucleación y en el crecimiento de filamentos de plata» explica el profesor Andrés.
En principio, la segregación de los átomos de plata debido a la irradiación de láseres en femtosegundos ocurriría de modo análogo, pero se produce de forma más rápida, debido a que un pulso de láser de femtosegundos es capaz de suministrar una potencia máxima en un lapso de tiempo sumamente corto. «Debido a la diferente velocidad de segregación, se predijo teóricamente que la morfología obtenida de las nanopartículas de plata tendería a ser distinta bajo la radiación de haz de electrones que la obtenida cuando se irradia la muestra con radiación láser de femtosegundos», han comentado los autores.
Este hecho se ha confirmado experimentalmente. Al hacer incidir  haces de láseres de femtosegundos en la superficie del óxido mixto se ha verificado análogamente la formación de filamentos de nanopartículas de plata con diferente morfología, y «así logramos obtener el mismo resultado que se había obtenido mediante la irradiación con electrones, lo que demuestra en la práctica la dualidad onda-partícula», indica Andrés.
Además los tres primeros artículos publicados en los años 2013 y 2014 en las revistas Scientific Reports y Journal of Physical Chemistry C han sido citados más de 280 veces. Por otra parte, el articulo «Formation of Ag nanoparticles under electron beam irradiation: Atomistic origins from first-principles calculations», en la revista International Journal of Quantum Chemistry, ha sido uno de la artículos más descargados en la revistas del área de Química de la editorial Wiley en el año 2018. Fruto también de esta colaboración internacional  ha sido la aprobación de una patente internacional de «Materiales basados en nanopartículas de plata con alta actividad antimicrobiana» (BR 10 2019 015473).
Las investigaciones han sido financiadas por la Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo -FAPESP, FINEP-, Conselho Nacional de Desenvolvimento Cientifico e Tecnológico - CNPq y CAPES, Universitat Jaume I de Castellón, Generalitat Valenciana, y Ministerio de Economia y Competitividad de España.
Referencia: MACEDO, Nadia G., et al. Tailoring the bactericidal activity of Ag nanoparticles/α-Ag2WO4 composite induced by electron beam and femtosecond laser irradiation: Integration of experiment and computational modeling. ACS Applied Bio Materials, 2019, vol. 2, no 2, p. 824-837

Noticia publicada en  Facebook | Twitter | LinkedIn | Instagram