GUÍA TIPSNanotecnología

Lewis, K. Meana, A. Montero, R.Colegio Corazón de María (Gijón)

0. Introducción

TIPS es la sigla en inglés de Teaching InnovativePractices in STEM (Enseñando prácticasinnovadoras en CTIM), un proyecto KA219financiado por Erasmus +, en el que cuatroescuelas europeas de Bélgica, Francia, Italia yEspaña han trabajado juntos durante dos años(2015-2017) compartiendo sus mejores prácticasen CTIM (Ciencias, Tecnología, Ingeniería YMatemáticas). Más información sobre el proyectoy las actividades que se realizaron durante suduración se puede encontrar en la web.Este trabajo se realiza bajo los términos ycondiciones de la Attribution-Noncommercial 3.0Unported (CC BY-NC 3.0).El objetivo de esta Guía TIPS es compartir unabuena práctica de un proyecto europeo STEMentre los profesores, dándoles los medios paraelevar el interés de sus estudiantes hacia materiasCTIM y por lo tanto apoyar el logro decompetencias por el alumnado. En esta guía noscentraremos en la nanotecnología y mostraremosuno de los experimentos del proyecto nanOpinion que el CODEMA coordinó en España.

1. Resumen

En este experimento ilustraremos mediante unmodelo simple cómo se crea un sistemaminiaturizado de administración de fármacos ycómo se puede controlar la liberación delfármaco contenido. El sistema de administraciónde fármacos se crea mediante un método deencapsulación de autoensamblaje, utilizando unpolímero natural (alginato) y un colorantealimentario, que en el modelo representa elfármaco. A través del experimento losestudiantes aprenderán cómo la liberación del"fármaco" depende de una serie de variables,

como el tipo de fármaco encapsulado (esto semuestra cambiando el colorante alimentario) y elmedio donde se liberan las nanocápsulas.En general, el experimento es una manerasencilla de discutir las muchas variablesinvolucradas en el desarrollo de sistemas deentrega de fármacos a nanoescala.

2. Materiales y métodos

Materiales y soluciones:Los elementos a continuación se indicanasumiendo que los estudiantes trabajarán enparejas. Cada pareja debe obtener:

• 1 bandeja de cubitos de hielo(preferiblemente transparente, unabandeja de cubitos de hielo normal de 14o 16 pocillos está bien)

• 5 pipetas de plástico desechables (opipetas de vidrio)

• 6 viales de vidrio con tapa con unvolumen de 2-5 ml (o cualquier otrorecipiente pequeño de vidrio o plásticoque contenga este volumen, por ejemploun tubo de ensayo)

• 50 ml de cloruro de calcio 0,3 M (desolución madre)

• 10 ml de alginato sódico (sin colorantealimentario)

• 10 ml de alginato sódico con coloranterojo

• 10 ml de alginato sódico con coloranteazul

• 50 ml de agua destilada• 50 ml de leche entera• 1 pinza• 1 vaso mediano vacío (para lavado)

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• 1 barra de vidrio para mezclar (o unacucharadita)

• Toalla de papel• Guantes• Protección para los ojos

Antes de iniciar el experimento en clase, losprofesores deben preparar las siguientessoluciones:

• Solución de cloruro de calcio (0,3 M):22,05 gr en 500 ml en agua destilada

• Solución de alginato sódico: disolver 6 gren 300 mL de agua caliente del grifo.Nota: Agregar el alginato lentamente yaque podrían formarse grumos, agitar lasolución mientras se prepara. Si seforman grumos, no se preocupe, pero nolos use para hacer las cuentas. Dividaaproximadamente la cantidad en 3 vasosde precipitados (aproximadamente 100ml cada uno) y añada el tinte alimentarioa dos (4 gotitas).

PRUEBA 1: Autoensamblaje de un sistema deadministración de fármacosEn la primera parte del experimento losestudiantes aprenderán una forma simple dehacer "cápsulas" que en la segunda parte delexperimento se usan como "portadores defármacos". Las cápsulas se forman a través de unproceso de reticulación que se produceespontáneamente al mezclar sal de alginato ycloruro de calcio. Se forma una estructuraesférica regular (en este documento llamada"perla"), por lo tanto este es un ejemplo simplede autoensamblaje.ProcedimientoNOTA: Para crear las perlas de calcio-alginatonecesitará un recipiente de plástico que puedecontener unos 5 ml. Se sugiere utilizar unabandeja de cubitos de hielo ya que está formadapor diferentes "pozos" que pueden ser usados como reactores.Se añade una solución de sal de alginato a unasolución de CaCl2 usando una pipeta, gota a gota,desde una distancia de aproximadamente 15 cm.Los estudiantes necesitarán sólo unas gotitas, por

lo que puede darse un vaso pequeño con algunasolución (sin colorante alimentario). Cuando lagota cae en la solución de CaCl2, se formainmediatamente una perla blanca opaca. Lasperlas se forman por autoensamblaje: los ionesde calcio son "atrapados" dentro de la sal dealginato y forman una estructura estable.Se les pide a los estudiantes que repitan laprueba usando agua del grifo en lugar de CaCl2 ycomo actividad adicional (opcional) pueden tratarde hacerlos en leche.NOTA: Dado que la leche es blanca y opaca, sesugiere probar esta prueba usando la solución dealginato rojo. Los estudiantes observarán que lasperlas no se forman, y esto puede llevar a unadiscusión sobre por qué sucede esto (la leche noes una solución de calcio, etc.)

PRUEBA 2: Un modelo de un sistema deliberación de "fármaco"En esta segunda parte del experimento, losestudiantes crearán un modelo de un sistema deadministración de fármacos, donde la cápsulaestá hecha de alginato cálcico y la "droga" sesimula con un colorante alimentario. En estaparte del experimento se debe dar a cada par deestudiantes un pequeño vaso con una solución dealginato rojo y otro vaso con una solución azul dealginato (no es importante cuánto se les da,necesitarán sólo unas gotas, 5 ml en cada vaso esmás que suficiente).En un primer momento, los estudiantesprepararán algunas perlas rojas de alginatocálcico.Los estudiantes luego comparán el efecto desumergir las perlas en el agua y en la leche, paradiferentes momentos. En este experimento laleche se utiliza para simular un fluido biológico(contiene proteínas, minerales, moléculas degrasa), por lo tanto, un medio mucho máscomplejo que el agua.Se sugiere animar a los estudiantes a pensar enlos posibles efectos que esto podría tener antesde ejecutar la prueba, qué variables podrían serimportantes (tiempo, temperatura, pH, etc.).Después de escribir su hipótesis, los estudiantes

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deben ejecutar la prueba, y escribir susobservaciones.Los estudiantes observarán que el colorante rojoes estable dentro de la perla, no se observaliberación después de tiempos relativamentecortos. Sin embargo, si las perlas se dejan enagua durante la noche, se observa algunaliberación.

Figura 1. Las perlas no se forman en leche

Para estimar (visualmente) la cantidad liberada,se sugiere eliminar el tensioactivo del vial,colocarlo en un nuevo vial y compararlo con uncontrol (que contiene sólo agua).Las perlas dejadas en la leche también liberancolorante, y la comparación de las perlasextraídas del agua con las extraídas de la lechemuestra una clara diferencia. (Figura 2)

Figura 2.: Perlas de alginato rojas tras una nochesumergidas en CaCl2 (izquierda); agua (en medio) yleche (derecha).

PRUEBA 3: Influencia del fármacoLa importancia del tipo de "fármaco" atrapado enla cápsula se investiga en esta prueba, donde losestudiantes comparan lo que sucede cuando seusa un tinte alimentario diferente (coloranteazul). Al igual que con la prueba 2, se anima alalumnado a pensar qué efecto podría tener eluso de un tinte alimentario con un "color"diferente.

A continuación, preparan algunas cuentas azulesde calcio-alginato y luego repiten la mismaprueba de difusión en agua y en leche.

Figura 3. Perlas con colorante azul.

Debe tenerse en cuenta que el colorante azul sedifunde muy rápidamente de las perlas dealginato de calcio, después de 15 minutos seobserva una diferencia clara en comparación conlas rojas. Se anima a los estudiantes a reflexionarsobre por qué sucede esto y deben llegar a laconclusión de que la estructura química delcolorante y su interacción (o falta de) con elpolímero de alginato de calcio debe ser diferente(las variables son carga, pKa de los gruposfuncionales, conformación, puentes de hidrógeno...).

Figura 4. Perlas de alginato azules tras una nochesumergidas en CaCl2 (derecha); agua (en medio) yleche (izquierda).

3. Resultados y evaluaciónEl alginato de sodio es un polímero obtenido dealgas marinas. Tiene una estructura lineal conmuchos grupos carboxilo que sobresalen (un"grupo carboxilo" es una combinación de átomosde carbono y dos átomos de oxígeno que llevanuna sola carga negativa). Cuando una solución dealginato de sodio se combina con una solución decloruro de calcio, los iones de calcio (Ca2+, conuna carga positiva doble) son capaces de "puen-tear" dos hebras de alginato diferentes. Se ob-tiene un polímero reticulado que tiene una con-sistencia similar a un gel (Figura 5).

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Figura 5. (Arriba) Estructura del alginato; (abajo)representación esquemática del polímero de alginato.

Las perlas se forman inmediatamente en CaCl2; Laforma de la perla es esférica a menos que lagotita se libere demasiado cerca de la solución deCaCl2.Para apreciar este proceso, los estudiantespueden intentar hacer las cuentas en solucionesalternativas al CaCl2 que probablemente esperancontener algunos iones Ca2+, por ejemplo el aguadel grifo y la leche. En ambos casos, las perlas nose forman. Se sugiere leche porque losestudiantes tendrán el conocimiento general deque la leche "contiene calcio". Sin embargo, laleche no es una solución de iones de calcio, másbien un coloide, donde los iones de calcio estánatrapados dentro de una solución iónica y uncoloide).El diferente comportamiento de difusión delcolorante rojo y azul es más probable debido a ladiferencia en la estructura química y la cargaentre los dos materiales. La figura 6 proporcionala estructura química de los colorantescontenidos en las soluciones de tintesalimentarios:

Figura 6. Estructura química de los colorantesutilizados.

Como puede verse, los dos colorantes tienen unaestructura química muy diferente. No es laintención entrar en detalle en este tema, querequiere una comprensión avanzada de laquímica, no conveniente para el grupo de edadde alumnado objeto de este experimento. Sesugiere plantear la cuestión de la diferenciaquímica entre los tintes, centrándose en cómoesto podría influir en la forma en que el tinte está"atrapado" dentro de la perla y su "voluntad" desepararse de ella. El objetivo final es lograr quelos estudiantes comprendan que al diseñar unsistema de administración de fármacos, loscientíficos deben considerar numerosas variables,entre ellas el tipo de fármaco que debe serencapsulado y transportado: la cápsula debeportar el fármaco pero luego liberarlo !

Figura 7. Las perlas azules y rojas utilizadas en elexperimento.

4. ReconocimientosLos autores desean agradecer al programaErasmus + de la Unión Europea por la

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financiación del proyecto TIPS en virtud de lasubvención 2015-1-ES01-KA219-015719_1.

5. Referencias1. B. Criswell «Connecting acids and bases

with encapsulation...and chemistry andnanotechnology», Journal of ChemicalEducation (2007), 84:7, 1136-1139

2. H. G. Bagaria et al., «Self-assembly andnanotechnology: real-time, hands-on, andsafe experiments for K-12 students», Journalof Chemical Education (2011), 88, 609-614

3. L. Filipponi, D. Sutherland,"Nanotechnologies, Principles, Applications,Implications and Hands-On Activities, Acompendium for educators", 2013, free todownload at:http://ec.europa.eu/research/industrial_technologies/publications-reports_en.html . Seein particular pages: 166-171

4. ”A step toward minute factories that producemedicine inside the body”:htt p:/ /port al . acs .org /port al / acs / corg/ conte n t ? _nf pb =t rue&_page Label =PP _ARTI CLE MAIN &n od e _ i d = 223 &c o n t e n t _ i d = C N B P _ 0 3 0456 &u s e _ s e c= t r u e & se c _ u r l _ v ar = r e g i on 1 &_ uu i d=d 9 b f e4 e d - 47 b 3 - 427 c - 8a 8 e - a938384166 4f

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