El desarrollo de sensores altamente precisos para la atención médica, particularmente para la detección de bajas concentraciones de sustancias como las hormonas femeninas, es un desafío importante. Los investigadores están explorando el potencial de los nanotubos de carbono –pequeñas láminas de una sola capa de grafeno enrolladas en estructuras cilíndricas– como un componente clave en estos sensores. Sin embargo, el proceso de fabricación típicamente produce una mezcla de nanotubos con propiedades eléctricas y químicas variables debido a diferencias en su estructura, conocidas como quiralidad. Un nuevo estudio de la Universidad de Turku ha demostrado un método para separar estos nanotubos según su quiralidad, allanando el camino para tecnologías de sensores más precisas y sensibles.
Los recientes avances en la ciencia de los materiales están allanando el camino para una nueva generación de sensores sanitarios altamente precisos y sensibles. Investigadores de la Universidad de Turku, Finlandia, han logrado un avance significativo en la producción de sensores que utilizan nanotubos de carbono de una sola pared (SWCNTs), un nanomaterial compuesto por una sola capa atómica de grafeno, que posee un inmenso potencial para el monitoreo continuo de la salud y capacidades de diagnóstico mejoradas. Este desarrollo aborda un desafío de larga data en el campo y promete revolucionar la forma en que detectamos y analizamos los biomarcadores dentro del cuerpo.
El núcleo de esta innovación radica en la capacidad de controlar y separar con precisión los SWCNTs basándose en su quiralidad – la forma en que la lámina de grafeno se enrolla para formar la estructura de nanotubo cilíndrico. Esta quiralidad influye directamente en las propiedades eléctricas y químicas de los nanotubos, lo que la hace crucial para el rendimiento del sensor. Históricamente, los procesos de fabricación producían un lote mixto de nanotubos conductores y semiconductores con diferentes quiralidades, lo que obstaculizaba la creación de sensores consistentemente fiables. Han Li, investigador colegiado en ingeniería de materiales en la Universidad de Turku, ha pionero métodos para superar este obstáculo, permitiendo la separación de nanotubos con diferentes quiralidades.
El estudio actual representa un paso adelante importante, demostrando la capacidad de distinguir entre dos SWCNTs con quiralidades notablemente similares – específicamente, (6.5) y (6.6) – y de identificar sus distintas propiedades electroquímicas. El investigador doctoral Ju-Yeon Seo destaca la importancia de esta distinción, afirmando: “Aunque la diferencia en la quiralidad de los nanotubos es muy pequeña, sus propiedades son muy diferentes”. Esta precisión permite a los investigadores ir más allá de simplemente usar una mezcla de nanotubos e, en cambio, adaptar el material del sensor para lograr un rendimiento óptimo.
Para probar rigurosamente el impacto de la quiralidad en la funcionalidad del sensor, los investigadores emplearon un enfoque novedoso: crear sensores compuestos enteramente de nanotubos purificados y separados. A diferencia de los sensores híbridos tradicionales que combinan nanotubos con otros surfactantes, este método proporciona un entorno más limpio y controlado para el análisis. Además, el equipo logró un control preciso sobre la concentración de cada quiralidad, lo que permitió una comparación directa de sus propiedades como materiales de sensor. Este enfoque meticuloso facilitó el descubrimiento de que un tipo de nanotubo, (6.5), exhibía una eficiencia superior en la adsorción de dopamina en comparación con la variante (6.6).
La adsorción, la capacidad de un material para unirse a átomos o moléculas en su superficie, es un factor crítico en el rendimiento del sensor, particularmente cuando se trata de concentraciones extremadamente bajas de sustancias objetivo. El investigador doctoral Seo enfatiza la importancia de este hallazgo, explicando: “El resultado es significativo porque al ser capaces de controlar con precisión las propiedades de los nanotubos de carbono podemos ajustar la capacidad del material del sensor para detectar cambios en sustancias específicas”. Esta capacidad de “ajustar” la respuesta del sensor abre posibilidades emocionantes para crear sistemas de detección altamente selectivos y sensibles.
Las implicaciones de esta investigación se extienden mucho más allá de la detección de dopamina. Los sensores actuales, como los utilizados para medir los niveles de glucosa en sangre, proporcionan información valiosa sobre la salud, pero los investigadores de la Universidad de Turku están apuntando a un nuevo nivel de precisión y sensibilidad. La profesora asociada de Ingeniería de Materiales Emilia Peltola subraya el desafío, afirmando: “Las moléculas que nos interesan, como las hormonas femeninas, están presentes en el cuerpo en concentraciones que son millones de veces más bajas que la glucosa. Para estudiar las fluctuaciones hormonales, la precisión de los biosensores debe mejorarse significativamente”. La capacidad de detectar estas concentraciones significativamente más bajas es crucial para una comprensión más profunda de los procesos fisiológicos y para un diagnóstico más temprano de enfermedades.
Los hallazgos del estudio son particularmente notables ya que representan la primera demostración de que la respuesta electroquímica del sensor se ve directamente afectada por la quiralidad. Esta observación innovadora proporciona una base sólida para futuras investigaciones destinadas a optimizar el rendimiento del sensor. Los investigadores están explorando ahora el uso de modelos computacionales para predecir la quiralidad ideal para cada molécula que se mide. Esta capacidad predictiva podría acelerar drásticamente el diseño y desarrollo de biosensores altamente especializados y eficaces.
El grupo de Materiales en Tecnología Sanitaria de la Universidad de Turku, donde se llevó a cabo esta investigación, está dedicado a avanzar en las aplicaciones biomédicas a través de la ciencia de los materiales. Su enfoque principal es comprender el comportamiento de las superficies de los implantes y desarrollar tecnologías de sensores para la atención médica. El objetivo general del grupo es crear materiales de sensor que no solo sean más sensibles y precisos que las opciones actuales, sino que también mantengan su funcionalidad dentro del complejo entorno biológico del cuerpo humano. La investigación, publicada en la revista *Physical Chemistry Chemical Physics*, marca una contribución significativa al campo y promete un futuro donde el monitoreo de la salud sea más preciso, personalizado y proactivo.
Investigadores de la Universidad de Turku han logrado separar y caracterizar nanotubos de carbono con diferentes quiralidades, estableciendo una conexión directa entre esta propiedad y el rendimiento de los sensores. Este avance allana el camino para desarrollar biosensores altamente precisos y sensibles, capaces de detectar concentraciones extremadamente bajas de moléculas como hormonas femeninas, lo que podría revolucionar el monitoreo de la salud. Investigaciones futuras, utilizando modelos computacionales, prometen liberar todo el potencial de los nanomateriales controlados por la quiralidad para la detección de moléculas específicas, acercando la realidad de un monitoreo de salud personalizado.
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