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• Manfred Albert Ricaldi Martinez

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FACULTAD DE CIENCIA E INGENIERIA

LA NANOTECNOLOGIA EN LA MEDICINA

Estrategias y Técnicas de Estudio

Urbano Taipe Elvis Nelson

Huancayo - Perú 2016

pág. 1

“a mis padres por apoyarme en cada paso de mi estudio y a mis amigos por estar en cada paso de mi camino” E. Urbano

pág. 2

ÍNDICE

Pág. PORTADA DEDICATORIA INDICE INTRODUCCION

01 02 03 04

CAPITULO I DEFINICIÓN DE LA NANOTECNOLOGÍA 1.1 Evolución de la nanotecnología 05 1.2 Origen de la vida, biología sintética y nanotecnología 05 1.3 La nanotecnología en el futuro 06 1.4 La ciencia de la nanotecnología puede llevar mejoras drásticas en la exploración del espacio 07

CAPITULO II NANO-BIOTECNOLOGÍA 2.1 primera estación: el micro mundo 2.2 nano medicina 2.3. Minirrobots en la cura del cáncer

09 09 10

2.4 La revolución de la nanotecnología en la medicina del futuro 11 2.5 Hacia la nano-medicina 12 2.6 nano-bio-objetos 13 2.7 nanomaquinas y nanodispositivos 13

CAPITULO LOS NANOTECNOLOGÍA EN LA BIÓNICA

III 15 16

3.1 Nanotecnología avanzada 3.2 Cuerpos artificiales 3.3 beneficios causas consecuencias

CONCLUCION BIBLIOGRAFÍA ANEXOS

16 17 19 20 22 pág. 3

INTRODUCCION La nanotecnología es una ciencia de la tecnología del presente y futuro todo esta ciencia son conceptos abstractos como la teoría cuántica por cual son necesarios para conocer las propiedades de los elementos que conforman nuestro entorno, y más aún para entender el comportamiento de toda materia en la nano escala, también cómo también se agrega la electrónica molecular en los procesadores o dispositivos biomédicos del futuro, debemos saber qué son las moléculas, qué propiedades tienen, que y como funcionan en un ser vivo, qué tipo de tecnología necesitamos para manipularlas y en qué está basada la electrónica actual. Intentaremos evitar la complejidad, huyendo en lo posible de las fórmulas y las palabras técnicas, y no dando por sabido ningún concepto importante. Con ello buscamos una visión clara y completa de los temas tratados, aunque sin perder el rigor inherente al método científico. 1

1 Reynoso, Carlos. "Edgar Morin y la complejidad: elementos para una crítica." Universidad de Buenos Aires (2007).

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CAPITULO I DEFINICIÓN DE LA NANOTECNOLOGÍA En otras definiciones se asocia la palabra nanotecnología con la construcción de dispositivos electrónicos y la robótica y también el conjunto de automatización que tenemos en la actualidad en nuestro mundo, pero hablamos de dimensiones muy pequeñas. La nanotecnología es una ciencia que incluye en el diseño de materiales funcionales, dispositivos y sistemas por medio del control de la materia a escala nano-métrica, 1 a 100 nm (1 nm=10-9 m), tamaños en las que las propiedades físicas, químicas y biológicas de los materiales cambian drásticamente, el cual nos permite la interacción a nivel celular y molecular con grado alto de especificidad este nos da un distención de la nano-ciencia y nanotecnología, también diremos que se distingue cuando los materiales actúan en forma, debido a que se manifiestan a escala reducida pero no a la escala microscópica o escala grande2

1.1. Evolución de la nanotecnología Esta ciencia de la nanotecnología nace hace aproximado de los años 40 con Von Neuman, este autor investiga y estudia una posibilidad de crear sistemas que se auto-reproducen y para poder reducir costos. En los años 1959, en este tiempo Richard Feynmann quien es considerado también como padre de la nanociencia, da una idea de fabricar productos en base a un reordenamiento de átomos y moléculas después da un gran discurso sobre la investigación científica en el futuro, en el cual se realiza una película que es “viaje alucinante” esta película se basa en el recorrido de unos científicos a través de un cuerpo humano y bien esta tecnología trae un gran impacto a la sociedad. En 1985 se descubren los buckminsterfullerenes y en el año 1996, Harry Kroto gana el premio nobel por haber descubierto fullerenes y en el mismo año fabrican una guitarra mas pequeña que tiene un tamaño que un glóbulo rojo, también se logra fabricar un nanotubo de carbón en un nanolapiz que se puede utilizar para escribir. Y en 2001 James G. se ingenea y se inventa una calculadora más pequeña y así desarrollando esta tecnología a gran escala

. 1.2. Origen de la vida, biología sintética y nanotecnología

2Gaitán, Carlos Alberto Garzón. Sistemas integrados de información para producción. Univ. Nacional de Colombia, 1961.

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En este origen de la vida mencionamos que es uno de los temas de investigación más fascinantes que podemos plantearnos, y considerarlo en muchas preguntas difíciles: cuándo y cómo ocurrió, si tuvo lugar en la Tierra o fuera en algún parte de nuestro sistema galáctico, y si este origen se produjo una sola vez o varias, y si es o tal vez no porque muchas teorías nos da una probabilidad que la vida haya comenzado en otros lugares del universo además el de nuestro planeta. Existen muchas teorías y bastante información sobre el origen, y la mayor parte de los investigadores y científicos están de acuerdo en que la vida se originó en nuestro planeta hace aproximadamente 3.800 millones de años, es decir, unos 700 millones de años después de que la Tierra se formara. Pero aún hay mucho que investigar, sobre todo acerca del “cómo”, y para ello el científico y los estudiantes de esta categoría o de este tema y de diferentes pensamientos e investigaciones que intenta avanzar lento pero seguro que sigue dos tipos de pistas. La primera línea de investigación es la denominada “de arriba hacia abajo” o “de hoy hacia el pasado”, este se basa en la comparación de los genomas y metabolismos de los organismos que existen en la actualidad, en busca de sus características comunes. En lo común que existe en todos los seres vivos es probablemente lo más antiguo, y tal vez ya estuvo presente en una especie celular de lo que aparecieron o reprodujeron todas las demás. Pero esta especie ya se ha desaparecido y además no tenemos información acerca de ella, pero la llamamos “progenote” o LUCA (“último ancestro común universal”). Para estudiar sobre cómo podía ser LUCA se están estudiando y analizando las bacterias de estos tiempos que tienen un combinación de genes más pequeño, porque tal vez sean las más parecidas a nuestro antepasado. Y también se realizan simulaciones teóricas en ordenador en las que se definen los conjuntos mínimos de genes que podrían ser suficientes para generar algo vivo y también sigue el estudio y la investigación sobre los microorganismos llamados “extremófilos”, que ven en condiciones muy alejadas de las que podríamos considerar normales: lugares con temperaturas de más de 100ºC o menos de -20ºC, a estos cientos grados de temperatura extrema de presión atmosférica tal como es: en aguas muy ácidas o muy básicas, en ausencia de oxígeno, en presencia de sustancias tóxicas o dosis muy altas de radiación Los extremófilos tal vez guarden las claves sobre cómo pudo empezar la vida sobre nuestro planeta, que al principio era muy distinto a lo que vemos ahora.

1.3. La nanotecnología en el futuro Están surgiendo y iniciando grandes avances en el tratamiento de muchas y de diferentes tipos de enfermedades y el avance de la tecnología es muy importante y primordial, las que conocemos como las investigaciones del cáncer y sida, enfermedades neurodegenerativas, cardiovasculares, y otros estudios de vital importancia para nosotros y sobre todo para nuestra era. Una de las aplicaciones más extendidas en el campo de la terapia, se da el uso de nano-partículas como vehículos pág. 6

transportadores para la liberación controlada de fármacos. La encapsulación de determinados fármacos en sistemas manométricos ha demostrado en muchos casos mejorar la estabilidad, solubilidad y biodistribución del mismo. Estudios realizados en seres vivos como humanos y animales sugieren que la inhalación de nanopartículas y su translocación a la circulación se relacionan con eventos coronarios. Los alcances de la perturbación en el sistema inmune son desconocidos. La interacción de las proteínas de las células hepáticas, del bazo y de los ganglios linfáticos con nanopartículas, puede cambiar sus antigenicidad y generar respuestas autoinmunes La Universidad de Bar Ilan que se encuentra en Israel y se dedica a inventar y crear formas más eficientes de inyectar la medicina en el organismo humano. En el caso del cáncer, el doctor Bachelet nos indica que sus investigaciones y estudios no están orientadas a buscar una nueva droga, sino a controlar las distribuciones de los fármacos existentes para que estos nano-robots programados identifiquen las células cancerosas o dañadas y este deposite en ellas la medicina, evitando que la toxicidad de las mismas afecte las otras células sanas, este es algo que la ciencia intenta evitar especialmente en el tratamiento de enfermedades fuertes como el cáncer, pues estos fármacos atacan a todas las células, buenas y malas. Y lo que se hace es programar a los nanobots para usar estos antídotos correctamente, Bachelet nos da la referencia a los nanobots (robots miniatura), a los que le llama como computadoras del tamaño de moléculas que interactúan con moléculas. Recientemente se anunció el inicio de la fase clínica de las inyecciones de millones de nanorrobots para poder intentar salvar la vida de un paciente con leucemia en etapa avanzada o terminal. Se espera que esta tecnología se pueda lograr la reparación de médula en estudios preclínicos.3

1.4. La ciencia de la nanotecnología puede llevar mejoras drásticas en la exploración del espacio Cuando se trata del próximo "paso gigantesco" en lo que a la exploración del espacio se refiere, la NASA va de a poco, muy de a poco. En los laboratorios de todo el país, la NASA brinda apoyo a la floreciente ciencia de la nanotecnología. La idea básica es aprender a manipular la materia a escala atómica, para poder controlar los átomos y las moléculas individuales lo suficientemente bien como para diseñar maquinarias del tamaño de una molécula, electrónica avanzada y materiales "inteligentes". Si los visionarios tienen razón, la nanotecnología puede permitir que se creen robots que puedes sostener en la punta de los dedos, trajes espaciales auto curativos y otros 3 Noboru Takeuchi, del libro Nanociencia y nanotecnología

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dispositivos fantásticos. Algunas de esas cosas pueden tardar más de 20 años en desarrollarse por completo: otras toman forma en el laboratorio en la actualidad. Pensar en pequeño El solo hecho de hacer las cosas más pequeñas tiene sus ventajas. Imagínate, por ejemplo, si los rovers de Marte Spirit y Opportunity podrían haber sido tan pequeños como un escarabajo y circular entre las rocas y grava, sacando muestras de minerales y buscando pistas sobre la historia del agua en Marte. Cientos o miles de estos diminutos robots podrían haber sido enviados en la misma cápsula que llevaba dos rovers del tamaño de un escritorio cada uno, lo que hubiera permitido a los científicos explorar mucho más de la superficie del planeta y aumentando las posibilidades de encontrar una bacteria marciana fosilizada. Sin embargo, la nanotecnología es más que achicar cosas. Cuando los científicos pueden ordenar y estructurar la materia a nivel molecular, muchas veces surgen nuevas propiedades sorprendentes. Un ejemplo excelente es el niño mimado del mundo de la nanotecnología: el nanotubo de carbono. El carbono se encuentra en la naturaleza como grafito (el material suave y negro que se utiliza en las minas de los lápices) y como diamante. La única diferencia entre ambos es la disposición de los átomos de carbono. Cuando los científicos disponen los mismos átomos de carbono en un ordenamiento tipo alambrera y los enrollan en tubos minúsculos a 10 átomos de distancia; los "nanotubos" resultantes adquieren algunas características extraordinarias. Los nanotubos:  Poseen 100 veces la fuerza tensora del acero con tan sólo un sexto de su peso.  Son 40 veces más fuertes que las fibras de grafito.  Conducen la electricidad mejor que el cobre.  Pueden ser conductores o semiconductores (como los chips de las computadoras), dependiendo de la disposición de los átomos.  Son excelentes conductores del calor.  Gran parte de la investigación actual sobre nanotecnología en todo el mundo se concentra en los nanotubos. Los científicos propusieron utilizarlos para una amplia gama de aplicaciones: En el cable fuerte y liviano necesario para un ascensor espacial; como cables moleculares para electrónica a nano escala; empotrado en microprocesadores para ayudar a eliminar el calor por sifón y como varillas y dispositivos diminutos en máquinas a nano escala, para nombrar algunos.4

4 NASA. (2012). La ciencia de la nanotecnología, Information on the American

Recovery and Reinvestment

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CAPITULO II NANO-BIOTECNOLOGÍA La nano-biotecnología pertenece a una de las ramas de la biología actual que es la microbiología y esta ciencia se encarga del estudio de los microorganismos vivos (un enorme grupo de seres vivos microscópicos que existen como células aisladas o asociadas). En esta definición pues tenemos y aparecen varios términos con el prefijo “micro”, que dan una idea clara del tamaño del que estamos hablando: la micra o micrómetro (μm), que es la milésima parte de un milímetro, pues esta tecnología es un avance muy importante para los inicios de la Nano-biotecnología también el campo de la ciencia. 2.1.

Primera estación: el micro mundo. El avance científico siempre ha estado limitado por los adelantos tecnológicos. Un claro ejemplo que nos proporciona es cómo se ha ido estudiando la materia y los objetos progresivamente más pequeños cuando la tecnología ha permitido “verlos” o al menos nos da a conocer alguna de sus características físicas y químicas.5

2.2. Nano medicina. Este término de la nano medicina determinamos como, la aplicación de la nanotecnología en las ciencias de la salud o en el campo de la medicina, también pertenece a la rama de la nanotecnología que se perfila como la de mayor proyección en un futuro próximo debido a sus extraordinarios aplicaciones, como especialmente en diagnósticos y terapéuticos. La detección temprana de enfermedades nos da un tratamiento rápido personalizado y un preciso seguimiento posterior de su evolución de esta tecnología serán posibles en los próximos tiempos gracias a la aplicación de las herramientas nanotecnológicas que se están en pleno desarrollo actualmente. Los importantes avances en 5 Amador Menéndez Velázquez, del libro de (una revolución en

miniaturas)

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este campo de la tecnología podrían dar lugar a sistemas de diagnosis y tratamientos terapéuticos de mayor eficacia. Que los existentes, lo que daría un resultado en una mayor calidad de vida para el hombre. Podríamos decir que este es una evolución en el cuidado de la salud y la tecnología medica, esta nanotecnología en las ciencias de la salud ha dado lugar a una nueva disciplina denominada nano medicina, el cual su objetivo principal es el desarrollar herramientas para diagnosticar, prevenir y tratar enfermedades cuando están todavía en estados poco avanzados o en el inicio de su desarrollo. La nanomedicina estudia interacciones a la nano-escala y para ello utiliza dispositivos, sistemas y tecnologías que incluyen nano estructuras capaces de interactuar a escala molecular y que se interconectan a nivel micro para interaccionar en el nivel celular. Uno de los grandes retos en este proceso reside en el desarrollo del llamado monoterapias, dirigido específicamente a los tejidos y órganos enfermos, y pues así evitando dañar a las células sanas que se encuentran y, por tanto, evitando los efectos secundarios de los tratamientos actuales. En los orígenes de la nanotecnología se llego a predecir la fabricación de los denominados nano robots, que se inyectarían directamente y atacarían selectivamente los tejidos dañados, incluso protegiendo de ataques externos y reparando posibles desperfectos

2.3. Minirrobots en la cura del cáncer La biomedicina descubre formas de abordar las enfermedades que en ocasiones resulta difícil de creer. Es el caso de lo que podría ser un hito en la historia médica para tratar el cáncer en una forma más segura. En síntesis es el uso de robots diminutos que se inyectan en el torrente sanguíneo para que localicen el tejido neoplásico y ataquen a las células dañadas sin tocar las células sanas. Terminada la misión, estas máquinas inteligentes se desintegran en la sangre. Conocidos como los nanobots, solo miden 50 nanómetros de largo y tienen un grosor 2.000 veces más delgado que un cabello humano. Detrás de este procedimiento, que ya ha sido probado en insectos vivos, presentado en ponencias y publicado en la revista “Nature”, se encuentra el equipo liderado por el joven doctor Ido Bachelet, experto en nanotecnología del ADN, PhD de la Universidad Hebrea de Jerusalén, con una beca posdoctoral del Instituto Tecnológico de Massachusetts y otra en la Universidad de Harvard. Actualmente trabaja en el laboratorio de Biodiseño de la Universidad Bar Ilan, en Israel y se dedica a inventar formas más eficientes de entregar la medicina en el organismo humano. En el caso del cáncer, el doctor Bachelet explica que sus investigaciones no están orientadas a buscar una nueva droga, sino a controlar cómo se distribuyen los fármacos existentes para que estos robots entrenados identifiquen las células cancerosas y depositen en ellas la medicación, evitando que la toxicidad de las mismas afecte las células sanas, algo que la ciencia intenta evitar especialmente en el tratamiento del cáncer, pues los fármacos estándar atacan a todas las células, buenas y malas. “Entrenamos a los soldados pág. 10

para usar esas armas correctamente”, dice Bachelet en referencia a los nanobots, a los que describe como “computadoras del tamaño de moléculas que interactúan con moléculas”. Recientemente se anunció el inicio de la fase clínica de las inyecciones de millones de nanorrobots para intentar salvar la vida de un paciente con leucemia en etapa avanzada. Se espera también que en dos años se pueda lograr la reparación de médula en estudios preclínicos.6

2.4.

La revolución de la nanotecnología en la medicina del futuro A finales del año 1959 surgió una nueva área de estudio para la ciencia, la tecnología a escala nano-métrica. Richard Feynman expuso de una manera muy visionaria para la época las ventajas que podría aportar trabajar en la escala nano-métrica (un nanómetro equivale a una billonésima parte de un metro). Sin embargo, estas ventajas no se empezaron a hacer patentes hasta 20 años más tarde con la aparición de nuevas técnicas de fabricación y sobre todo con nuevas técnicas de caracterización que permitieron entender y controlar en mayor medida la composición, forma, tamaño y propiedades fisicoquímica de estos nanomateriales. Es precisamente aquí donde se centra la Nano-ciencia, en entender y explotar las propiedades de la materia como consecuencia de estar en la "nano-dimensión". De hecho, un material a escala nanométrico presenta unas propiedades muy diferentes del mismo material a escala macroscópica. Es en estas diferencias en las propiedades químico-físicas (propiedades ópticas, eléctricas y estructurales) donde reside el interés creciente en este tipo de materiales. La Nanotecnología se trata de un campo multidisciplinar que comprende áreas como biología, química, física, ciencia de materiales, ingeniería, etc., y tiene una gran importancia en campos como la informática, las comunicaciones, la microelectrónica, la biotecnología y la medicina. En la actualidad, la nanotecnología es un área en crecimiento muy rápido, con más de 500 productos existentes ya en el mercado y es de prever que el número de productos y por lo tanto su impacto económico y social, sea muchísimo mayor en los próximos 5 años. Uno de los sectores con más perspectivas de crecimiento y que está empezando a ser una realidad es la Biotecnología y Medicina, tanto en el desarrollo de nuevas técnicas de diagnóstico y técnicas de imagen, como en tratamientos terapéuticos más efectivos, dirigidos específicamente a tejidos y órganos dañados. Gracias a las herramientas proporcionadas por la nanotecnología, están surgiendo grandes avances en el tratamiento de diversas enfermedades, tales como cáncer, enfermedades neurodegenerativas, autoinmunes, cardiovasculares, etc.

6 Diario EL COMERCIO. (20/07/2015), Inyectarán minirrobots en paciente para

curarlo de cáncer, Investigaciones Ciencias.

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Probablemente una de las aplicaciones más extendidas en el campo de la terapia, se trata del uso de nanopartículas como vehículos transportadores para la liberación controlada de fármacos. La encapsulación de determinados fármacos en sistemas nano-métricos ha demostrado en muchos casos mejorar la estabilidad, solubilidad y biodistribución del mismo.7

2.5. Hacia la nano-medicina Gracias a los avances experimentales descritos hasta este punto, la nano-medicina (también llamada nano-biomedicina) está dejando de ser ciencia-ficción para convertirse en una realidad esperanzadora. La nanomedicina consiste básicamente en utilizar el conocimiento molecular de los seres vivos y la posibilidad de fabricar dispositivos de dimensiones nano-métricas para mejorar la salud humana, tanto en el ámbito de la terapia (diseño y liberación de fármacos, construcción de nanomateriales biocompatibles, medicina regenerativa, mejora de técnicas terapéuticas) como en el del diagnóstico (incremento de sensibilidad y especificidad de técnicas convencionales, fabricación de nanobiosensores). Uno de los campos más prometedores de la medicina en el siglo que estamos comenzando es la denominada “nano-medicina regenerativa”, que consiste en el desarrollo de tejidos mixtos entre moléculas biológicas y materiales inorgánicos nano-estructurados. Esto está resultando muy útil para la construcción de prótesis e implantes sin problemas de rechazo, para organizar la matriz extracelular de los tejidos y para dirigir la proliferación y diferenciación celular. Como ejemplo, se están utilizando superficies provistas de nano-estructuras de adhesión para hacer crecer sobre ellas mono capas de células y tejidos concretos, que luego se pueden trasplantar a los pacientes. También se han desarrollado nano-fibras artificiales de péptidos, que poseen un diámetro de unos 7 nm y son capaces de auto ensamblarse y solidificar la solución en la que estaban disueltos, lo que permite reconstruir tejidos humanos dañados. Otros investigadores trabajan sobre nano-polímeros que se pueden emplear para recubrir dispositivos artificiales que van a estar en contacto con la sangre (como válvulas cardíacas o catéteres), de forma que se impida o dificulte la formación de coágulos. Estos y otros avances hacen albergar muchas esperanzas sobre el papel de la nanotecnología en la medicina regenerativa. Otra de las líneas de investigación en nano-medicina se basa en que al poder manipular las moléculas biológicas ha sido posible construir “nano-interruptores” con los que se logra, por ejemplo, activar o desactivar un determinado gen, una cascada de regulación génica, o todos los genes que producen las proteínas implicadas en una ruta metabólica. Ello podrá servir, en el futuro, para ralentizar o anular procesos celulares asociados con enfermedades.8

2.6. nano-bio-objetos 7

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En la actualidad no sólo se conoce cada vez mejor el nano-biomundo, sino que incluso es posible manejar biomolecular de una en una para entender cómo funcionan o para moverlas individualmente de un lugar a otro utilizando diferentes estrategias. Esta aproximación resulta radicalmente diferente a la forma de investigar que la biología molecular y la biotecnología han seguido hasta hace pocos años. En efecto, lo habitual había sido trabajar de manera global con todas las moléculas presentes en una muestra compleja (un fluido biológico o una muestra natural) o pura (una muestra purificada o una preparación de laboratorio de un único tipo de moléculas), lo que en todos los casos suponía el manejo simultáneo de muchos billones de moléculas (diferentes o iguales) y por lo tanto el estudio del comportamiento promedio de las mismas. Ahora, gracias a los avances de la nano-ciencia, ya es posible un solo agregado molecular (por ejemplo n ribosoma, un cromosoma o un virus) y trabajar con ellos para estudiar su respuesta individual frente a diversos estímulos. Esto resulta especialmente interesante en el caso de la manipulación de moléculas de ADN. En el cuadro “El ADN como nano biopolímero” se muestra las características de esta biomolecular y su potencial para ser utilizado como un nano material

2.7. nanomaquinas y nanodispositivos. En este capitulo analizamos las investigaciones encaminadas a desarrollar otros tipos de aplicación, como las pequeñas maquinas, los dispositivos que contienen componentes manométricos usados como elementos de escritura y lectura en los ordenadores mas rápidos.

2.7.1.Sistemas microelectromecánicos La infraestructura de fabricación extensiva desarrollada con la manufactura de circuitos integrados de silicio ha hecho posible el desarrollo de maquinas y dispositivos que contienen componentes de dimensiones micrométricas. Las técnicas litográficas, descritas en los capítulos anteriores, combinadas con procesos de deposición de metales se usan para fabricar dispositivos MEMS. Los sistemas microelectromecánicas ofrecen una respuesta mecánica, ya que se aplica una señal eléctrica o bien una respuesta eléctrica resultante de una deformación mecánica. Los principales ventajas MEMS son la miniaturización, la multiplicidad y la habilidad de integrar directamente el dispositivo en la microelectrónica. Con multiplicidad nos referimos al gran numero de 8 "La revolución de la nanotecnología en la medicina del futuro | Ciencia ..." 2014. 25 Jun. 2016

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dispositivos y diseños que se pueden fabricar y desarrollar, como los acelerómetros micrométricos que sirven para activar los airbag de los coches. Anteriormente ese dispositivo era del tamaño de una lata de gaseosa, pesaba varias libras y consta de unos 15 dólares. En la actualidad los acelómetros basados en dispositivos MEMS son del tamaño de un céntimo y solo cuestan unos pocos dólares. El tamaño de los dispositivos MEMS, comparables con un chip electrónico, permite su directa integración al chip. En el micromundo, la relación entre el área superficial y el volumen de un componente es mucho mayor que en los dispositivos de tamaño convencional. Ello hace que la fricción sea mas importante que la inercia. En el macromundo, una bola de billar se mantiene rodando después de ser empujada, ya que la fricción entre la bola y la mesa es mucho menos importante que la inercia del movimiento frontal. En un microrrégimen, la relación área superficial: volumen es tan grande que los efectos superficiales adquieren gran relevancia. En el micromundo, el comportamiento mecánico puede variar mediante el recubrimiento de la superficie del material con una capa fina. Describiremos los censores MEMS, que aprovechan las ventajas de dicha propiedad 9

2.7.2.Nano-electrónica: del silicio a las moléculas La electrónica comenzó en la década de 1890, cuando el físico J. J. Thomson realizaba, en un oscuro laboratorio, una serie de experimentos en los que estudiaba el transporte de la electricidad a través de gases. El resultado de estos experimentos fue que los llamados “rayos catódicos” estaban constituidos por partículas cargadas negativamente y que tenían un tamaño inferior al de los átomos. Ahora sabemos que estas partículas, denominadas electrones, son responsables de la mayor parte de los fenómenos eléctricos, desde la iluminación de una bombilla hasta los rayos de las tormentas. Además, y a pesar de su pequeño tamaño, los electrones son también los protagonistas de enlace químico, que determina la formación de moléculas y la existencia de materiales con distintas propiedades, haciendo que el mundo que nos rodea sea tal y como lo vemos. ¡Tan pequeños y tan importantes! Thomson recibió en 1906 el Premio Nobel de Física por sus hallazgos. Debido a su pequeña masa, los electrones responden con rapidez a campos eléctricos o magnéticos que se pueden aplicar de forma controlada con fuentes de voltaje, imanes permanentes, electroimanes, etcétera. Esto los convierte en partículas idóneas para la transmisión de energía. Si, además, la corriente de electrones se modula a voluntad formando pulsos eléctricos podemos transmitir información usando ciertos códigos como ocurre con las transmisiones telegráficas o telefónicas. Los electrones también pueden acelerarse fácilmente, provocando la emisión de ondas electromagnéticas, Estas ondas también son capaces de transmitir señales e información a grandes distancias. Esta facilidad para controlar el movimiento de los electrones 9

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ha inspirado y motivado a miles de científicos e ingenieros para construir equipos capaces de producir, detectar y manipular a voluntad las corrientes eléctricas. Así surgió la electrónica, que podemos describir como “el arte de domesticar a los electrones”. Uno de estos pioneros fue el inventor norteamericano L. De Forest, que dio a conocer en 1906 el tríodo de vacío, un dispositivo construido a partir de un pequeño tubo de rayos catódicos que tiene la propiedad de amplificar señales eléctricas. El tríodo también puede funcionar como interruptor de corriente y como rectificador, es decir, como un dispositivo que permite pasar corriente eléctrica en un sentido pero no en otro cuando se cambia la polaridad del voltaje aplicado. Estas propiedades hicieron del tríodo el elemento básico que permitió, durante la primera mitad del siglo XX, la fabricación de radios, osciloscopios, radares, televisores y de las primeras máquinas de calcular totalmente electrónicas, Los tríodos eran un elemento electrónico común en la vida cotidiana hace treinta o cuarenta años ya que era habitual tener que llamar a un técnico para sustituirlos cuando un aparato de televisión, por ejemplo, dejaba de funcionar. Ahora ya han desaparecido de la mayor parte de los equipos electrónicos y aún se utilizan en algunos analógicos, como los sofisticados amplificadores de instrumentos musicales. Toda esta electrónica basada en tríodos y tubos de rayos catódicos se denomina “electrónica de vacío”, ya que estos dispositivos funcionan gracias a la posibilidad de modificar las trayectorias de los electrones en un tubo sellado en el que se practica el vacío, evitando así que los electrones encuentren impedimentos en su viaje o que los gases encerrados se ionicen y den lugar a descargas no deseadas.

CAPITULO III LOS NANOTECNOLOGÍA EN LA BIÓNICA 3.1. Nanotecnología avanzada 3.1.1. La nanotecnología en la exploración del espacio Cuando hablamos del futuro "paso gigantesco" en lo que a la exploración del espacio se refiere, la NASA va de a poco, muy de a poco. En los laboratorios de todo el país, la NASA brinda apoyo a la floreciente ciencia de la nanotecnología. La idea básica es aprender a manipular la materia a escala atómica, para poder controlar los átomos y las moléculas individuales lo suficientemente bien como para diseñar maquinarias del tamaño de una molécula, electrónica avanzada y materiales "inteligentes". Si los visionarios tienen razón, la nanotecnología puede permitir que se creen robots que puedes sostener en la punta de los dedos, trajes espaciales auto curativos y otros dispositivos

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fantásticos. Algunas de esas cosas pueden tardar más de 20 años en desarrollarse por completo: otras toman forma en el laboratorio en la actualidad. Pensar en pequeño El solo hecho de hacer las cosas más pequeñas tiene sus ventajas. Imagínate, por ejemplo, si los rovers de Marte Spirit y Opportunity podrían haber sido tan pequeños como un escarabajo y circular entre las rocas y grava, sacando muestras de minerales y buscando pistas sobre la historia del agua en Marte. Cientos o miles de estos diminutos 10 robots podrían haber sido enviados en la misma cápsula que llevaba dos rovers del tamaño de un escritorio cada uno, lo que hubiera permitido a los científicos explorar mucho más de la superficie del planeta y aumentando las posibilidades de encontrar una bacteria marciana fosilizada. Sin embargo, la nanotecnología es más que achicar cosas. Cuando los científicos pueden ordenar y estructurar la materia a nivel molecular, muchas veces surgen nuevas propiedades sorprendentes. Un ejemplo excelente es el niño mimado del mundo de la nanotecnología: el nanotubo de carbono. El carbono se encuentra en la naturaleza como grafito (el material suave y negro que se utiliza en las minas de los lápices) y como diamante. La única diferencia entre ambos es la disposición de los átomos de carbono. Cuando los científicos disponen los mismos átomos de carbono en un ordenamiento tipo alambrera y los enrollan en tubos minúsculos a 10 átomos de distancia; los "nanotubos" resultantes adquieren algunas características extraordinarias. Los nanotubos: Poseen 100 veces la fuerza tensora del acero con tan sólo un sexto de su peso. Son 40 veces más fuertes que las fibras de grafito. Conducen la electricidad mejor que el cobre. Pueden ser conductores o semiconductores (como los chips de las computadoras), dependiendo de la disposición de los átomos. Son excelentes conductores del calor. Gran parte de la investigación actual sobre nanotecnología en todo el mundo se concentra en los nanotubos. Los científicos propusieron utilizarlos para una amplia gama de aplicaciones: En el cable fuerte y liviano necesario para un ascensor espacial; como cables moleculares para electrónica a nano escala; empotrado en microprocesadores para ayudar a eliminar el calor por sifón y como varillas y dispositivos diminutos en máquinas a nano escala, para nombrar algunos.11

3.2. Cuerpos artificiales. Implantes para la regeneración de tejidos

10 NASA, (2009), Information on the American Recovery and Reinvestment Act . http://ciencia.nasa.gov/scienceatnasa/2005/27jul_nanotech

11 Pedro A. Serena Domingo, (2010)La nanotecnología

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Los organismos biológicos disponen de mecanismos propios de reparación y regeneración que dan una solución de funcionar normal algunas funciones biológicas, esta medicina regenerativa utiliza para reparar células, tejidos y los diferentes órganos que compone el hombre. La medicina regenerativa aprovecha estos mecanismos para mantener e constante y mejorar o restaurar células tejidos y también órganos mediante terapia celular. Estas técnicas se dirigen a la pronta recuperación de traumatismo, extirpaciones o intervenciones quirúrgicas y al tratamiento de envejecimiento, este tendrá una capacidad para proporcionar nuevos biomateriales que facilitaran la regeneración de nuevos tejidos. La investigación de los biomateriales inicia de desde hace mas de 30 años y en este comenzaron a sintetizar lo primeros materiales biocompatibles, a partir de materiales nano-estructuradas cerámicos y compuestos que no generaban el rechazo de nuestro sistema inmunológico. Y estos biomateriales so de gran resistencia mecánica y una elevada vida media y este utilizaron en implantes de óseos o dentales, y bien estos materiales están fabricados a partir de óxido de aluminio, de zirconio o de zinc y muchos de estos siguen utilizando y otros mejorando a la incorporación de nanotubos de carbono u otro tipo de nano objetos con el fin de aumentar la vida de los implantes

3.3. Beneficios El uso de la Nanotecnología molecular en los procesos de producción y fabricación podría resolver muchos del los problemas actuales. Y decimos que la nanotecnología molecular es un gran avance tan importante que su impacto podría llegar a ser comparable con la revolución Industrial pero con una diferencia destacable que en el caso de la nanotecnología el enorme impacto se notará en cuestión de unos pocos años y también actualmente ya notamos

3.3.1.Ventajas La escasez de agua es un problema serio y creciente. La mayor parte del consumo del agua se utiliza en los sistemas de producción y agricultura, algo que la fabricación de productos mediante la fabricación molecular podría transformar.  Las enfermedades infecciosas causan problemas en muchas partes del mundo. Productos sencillos como tubos, filtros y redes de mosquitos podrían reducir este problema.

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 La información y la comunicación son herramientas útiles, pero en muchos casos ni siquiera existen. Con la nanotecnología, los ordenadores serían extremadamente baratos.  Muchos sitios todavía carecen de energía eléctrica. Pero la construcción eficiente y barata de estructuras ligeras y fuertes, equipos eléctricos y aparatos para almacenar la energía permitirían el uso de energía termal solar como fuente primaria y abundante de energía.  El desgaste medioambiental es un serio problema en todo el mundo. Nuevos productos tecnológicos permitirían que las personas viviesen con un impacto medioambiental mucho menor.  Muchas zonas del mundo no pueden montar de forma rápida una infraestructura de fabricación a nivel de los países más desarrollados. La fabricación molecular puede ser auto-contenida y limpia: una sola caja o una sola maleta podría contener todo lo necesario para llevar a cabo la revolución industrial a nivel de pueblo.  La nanotecnológica molecular podría fabricar equipos baratos y avanzados para la investigación médica y la sanidad, haciendo mucho mayor la disponibilidad de medicinas más avanzadas.

3.3.2.Desventajas  Importantes cambios en la estructura de la sociedad y el sistema político.  La potencia de la nanotecnología podría ser la causa de una nueva carrera de armamentos entre dos países competidores.  La producción de armas y aparatos de espionaje podría tener un coste mucho más bajo que el actual siendo además los productos más pequeños, potentes y numerosos.  La producción poco costosa y la duplicidad de diseños podría llevar a grandes cambios en la economía.  -La sobre explotación de productos baratos podría causar importantes daños al medio ambiente.  -El intento por parte de la administración de controlar estos y otros riesgos podría llevar a la aprobación de una normativa excesivamente rígida que, a su vez, crease una demanda para un mercado negro que sería tan peligroso como imparable porque sería muy fácil traficar con productos pequeños y muy peligrosos como las nano-fábricas.

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 -Existen numerosos riesgos muy graves de diversa naturaleza a los que no se puede aplicar siempre el mismo tipo de respuesta.  -Las soluciones sencillas no tendrán éxito. Es improbable encontrar la respuesta adecuada a esta situación sin entrar antes en un proceso de planificación meticulosa.

 

CONCLUSIONES Para empezar un estudio de la nanotecnología, en lo personal considero que primero se debe tomar en cuenta, cuan bien o mal se le puede hacer a la sociedad este desarrollo, ya que si creamos algo sin tomar en cuenta lo que podría pasar, podríamos llevar a una catástrofe a la humanidad. A pesar de que la nanotecnología nos lleve a un futuro muy inimaginable, donde puede resolverse muchos de los problemas que tiene actualmente la sociedad, un error o su mal uso puede afectarnos de tal manera que incluso lleve a la sociedad a un mundo mucho peor del que actualmente se encuentra. Se recomienda a la gente que este muy interesada en este asunto, revise las referencias, ya que existe información muy detallada acerca de los beneficios y riesgos que tiene esta tecnología, observando desde todos los puntos de vista. La nanotecnología responsable La nanotecnología responsable sólo podrá darse cuando cada persona tome conciencia sobre todo lo que esta tecnología puede causar, como creadores o Consumidores de la misma. Si llegáramos a esta concientización total y desarrolláramos esta tecnología fondo, pues seria un mundo mucho mejor de lo que cualquiera haya logrado imaginar.

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BIBLIOGRAFIAS José Ángel Martín Gago, 1ra Edicion Nanociencia y Nanotecnología Una página con muchas explicaciones, http://www.nano.org.uk/whatis.htm Portal de recursos http://www.nanoed.org/

educativos

de

imágenes

nanociencia

y

y

animaciones: nanotecnología:

Exposición NANO en la Ciudad de las Ciencias y la Industria de París (Francia): http://www.citesciences.fr/francais/ala_cite/expositions/nanotechnologies/index.html Laboratorio Virtual de Nanotecnología de la Universidad de Virginia (EE.UU): http://virlab.virginia.edu/VL/home.htm/state=nanoelectronics Una página web sobre nanotubos http://www.research.ibm.com/nanoscience/nanotubes.html

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carbono:

Concurso NANO QUEST de Lego: http://www.firstlegoleague.org/default.aspx?pid=23760 REDES DE INVESTIGACION La Red Española de Nanotecnología (NANOSPAIN) es el punto de encuentro de casi 250 grupos de investigación españoles: http://www.nanospain.org/nanospain.htm http://www.nanoforum.org/ Plataforma Tecnológica sobre Nanotecnología e Integración de Sistemas Inteligentes (GENESIS): http://www.genesisred.net/ RED EUROPEA DE NANOTECNOLOGÍA: NANOTECNOLOGIAYDESARROLLOSOSTENIBLE El Instituto Meridian estudia como aplicar las nanotecnologías en los países pobres: http://www.merid.org/nano/ NANOTECNOLOGÍA,CULTURAYARTE Concurso y galería NANOART 21: http://www.nanoart21.org/index.htmlANEXOS La web NANOHUB, el mundo de la nano-simulación: https://www.nanohub.org/ Grupo de investigación sobre http://www.icmm.csic.es/esisna

estructura

de

sistemas

nanométricos:

Información sobre el uso de nanopartículas: http://nanoparticles.org/

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También la NASA investiga http://www.nasa.gov/centers/ames/home/index.html

en

nanotecnología:

Y en la existencia de vida en otros planetas (Instituto de Astrobiología de la NASA): http://astrobiology.nasa.gov/nai Un sitio para la prospectiva en Institute: http://www.foresight.org/

nanotecnología:

Foresight

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Nanorobots desarrollados por R. A. Freitas: http://www.rfreitas.com/ El futuro de la nanomedicina según el Instituto de la Salud de USA (NIH): http://nihroadmap.nih.gov/nanomedicine/

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ANEXOS Nº 1: Minirrobots en cura de cáncer

Fuente: Búsqueda realizada en el diario el COMERCIO Descripción: La terapia envía moléculas inteligentes para identificar células cancerosas y atacarlas sin dañar las células sanas Nº 2: Nanotecnologia en la exploración del espacio

Fuente: NASA. http://ciencia.nasa.gov/scienceatnasa/2005/27jul_nanotech Descripción: Esta imagen muestra nanotubos con silicio alrededor de ellos. Imágenes de la NASA

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Nº 3 Tamaño de los objetos

Fuente: Del libro de Nanociencia, Nanotecnología de Noboru Takeuchi Descipcion: Lareduccion de materiales en nanotecnología

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