Nanomateriales en la salud

Elaborado por: N. González, mayo 2021

Nanomateriales en la salud

Seminario “Día Mundial de la Metrología”

Red Nacional de Metrología, Chile - Instituto Nacional de Normalización, Instituto Nacional de Salud Pública

20 de mayo del 2021


Contenido

• Generalidades de los nanomateriales

• Beneficios y posibles riesgos

• Actividades internacionales

2


¿Qué es nanotecnología?

1 nm = 0.000000001 m3


Tipos de nanomateriales

Producidos de

manera natural

Antropogénico

(incidental)

Antropogénico

(diseñado)

Incendio forestal Motores a combustión,

de jets

Tamaño y forma

controlados

Rocío del mar Incineradores Semiconductores

Ceniza volcánica Contaminación interior Orgánicos

Erosión Construcción y

demolición

Inorgánicos

Virus Humo de cigarro, de

soldaduras

A base de carbono

Nanotecnología

• Liposomas

• Dendrímeros

• Polímeros

nanocompuestos

• Nanopelículas

• Nanogeles

• Máquinas

moleculares

• Etc.

• Puntos cuánticos

• Partículas

magnéticas

• Partículas metálicas

• Nanoalambres

• Nanoconchas

• Nanorodillos

• Etc.• Fullerenos

• Nanotubos

• Grafeno y

derivados

• Puntos de carbono

• Nanodiamantes

• Etc.By Original hochgeladen von Schwarzm am 30. Aug 2004; Selbst gemacht mit

C4D/Cartoonrenderer, GNU FDL - German Wikipedia, original upload 29. Dez 2004 by

APPER, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=350208

By Marko Petek - Own work, CC BY-SA 4.0,

https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=39356193

4


Nanomateriales

Nanoobjetos(una o más dimensiones externas

en la nanoescala)

Materiales

nanoestructurados(estructuras internas o

superficiales en la nanoescala)

Nanopartículas(3 dimensiones

externas en la

nanoescala)

Nanofibras(min. 2 dimensiones

externas en la

nanoescala)

Nanoplacas(min. 1 dimensiones

externas en la

nanoescala)

CompuestosAgregados,

aglomerados

Sistemas

nanoporosos-------

100 nm

100 n

m

100 nm

100 n

m

100 n

m

Moore, Colin. (2018). Engineered nanomaterials and human health: Part 1. Preparation, functionalization and

characterization (IUPAC Technical Report). Pure and Applied Chemistry. 90. 10.1515/pac-2017-0101.

Clasificación de los nanomateriales

5


¿Por qué se utilizan los nanomateriales?

Beneficios positivos

Mody, Vicky V., Singh, Ajay and Wesley, Bevins. "Basics of magnetic nanoparticles for their

application in the field of magnetic fluid hyperthermia" European Journal of Nanomedicine, vol. 5,

no. 1, 2013, pp. 11-21.

https://csb.mgh.harvard.edu/highlights/epr

Propiedades mejoradas

Smith, A.M. & Nie, Sh. (2004). Chemical analysis and cellular imaging with quantum dots.

Analyst, Vol. 129, No. 8, pp. 672-677

Kattke, Michele & Gao, Elizabeth & Sapsford, Kim & Stephenson, Larry & Kumar, Ashok. (2011).

FRET-Based Quantum Dot Immunoassay for Rapid and Sensitive Detection of Aspergillus

Amstelodami. Sensors (Basel, Switzerland). 11. 6396-410.

Magnetita (4 nm)

Magnetismo

Aplicaciones

Emisión

CdSe (8 nm)

Haruta, M. Catalysis Today 1997, 36, 153http://old.vscht.cz/monolith/

Au (10 nm)

Reactividad

Resistencia

Dureza

Penetración en

barrerasConductividad

térmica

6

http://old.vscht.cz/monolith/


Propiedades fisicoquímicas de los nanomateriales

Adaptada de la ref.: Hassellöv, M. and Kaegi, R. (2009). Analysis and

Characterization of Manufactured Nanoparticles in Aquatic Environments. In

Environmental and Human Health Impacts of Nanotechnology 7


Aplicaciones de las nanotecnologías

Ejemplos de dispositivos médicos

integrando nanomateriales

Ambiente

Alimentos

Energía

Electrónica

Automotriz

Textil

Cosméticos

Salud

Laboral

Animal

Implantes

médicos

Agentes de

contraste

Cuidado de

heridas

AIMD

Catéteres

Rellenos y compuestos

dentales

IVD

Injerto de

hueso sintético

8

https://www.prnewswire.com/news-releases/pinnacle-in-vitro-diagnostics-desarrolla-prueba-de-antigeno-para-el-covid-19-de-15-minutos-y-costo-efectiva-860724684.html

https://www.medicaldevice-network.com/features/materials-used-medical-implants-industry/

https://product.statnano.com/product/7257/feridex-iv%C2%AE

https://news.cision.com/bactiguard-holding-ab--publ-/i/bactiguard-infection-protection-foley-catheters-latex,c1820628

https://www.technicaltextile.net/articles/nano-silver-based-advanced-anti-microbial-wound-care-products-2954

https://blog.ansi.org/2019/10/iso-14117-2019-emc-test-medical-devices/#gref

https://www.henryschein.es/es-es/dentalclinica/p/cosmetica-dental/composites/composite-reflectys-a3-jeringa-4g-itena/899-3491

http://dentaltvweb.esy.es/producto/chronos-de-depuy-synthes


Nanotecnología en medicina

Diagnóstico

In vitro, in

vivo

Imágenes

médicas

In vivo

Terapéutica

Sistemas y

dispositivos

Vacunas

https://www.pewtrusts.org/en/research-and-analysis/issue-briefs/2019/05/what-are-in-vitro-diagnostic-tests-and-how-are-they-regulated

Key J, Leary JF. Nanoparticles for multimodal in vivo imaging in nanomedicine. Int J Nanomedicine. 2014;9(1):711-726

https://www.medgadget.com/2019/02/self-assembled-hybrid-drug-delivery-vesicles-for-safe-passage-through-bloodstream.html

https://news.usc.edu/172028/coronavirus-vaccine-covid-19-development-approval-usc-experts/

https://www.imperial.ac.uk/bioengineering/research/regenerative-medicine-and-biomaterials/

Medicina

regenerativa

Biomateriales

https://en.wikipedia.org/wiki/Nanocrystal#/media/File:ASUTAJ_=_CCDB_code._Ag-

S_nanocrystal_as_described_in_doi_10.1002SLASHanie.200352351.png

https://vitasome.com/technology/

Clogston, J.D., Hackley, V.A., Prina-Mello, A. et al. Sizing up the Next Generation of

Nanomedicines. Pharm Res 37, 6 (2020). 9

https://vitasome.com/technology/


Vacunas – ejemplo SARS-Cov-2

Crédito de la foto: Alissa Eckert, MSMI; Dan Higgins, MAMS.

https://www.cdc.gov/media/subtopic/images.htm

Crédito de imagen: C. Zhang, G. Maruggi, H. Shan, J. Li, Front. Immunol. 2019, 10, 594.

Candidatos de vacunas con base a nanopartículas para SARS-CoV-2

Desarrollador Tipo de vacuna Plataforma Estado

Moderna/NIAID LNP encapsulated mRNA ARN Fase 3

BioNJTech/Fosum

Pharma/Pfizer

LNP encapsulated mRNA ARN Fase 1/2

Imperial College

London

LNP-nCoVsaRNA ARN Fase 1

Novavax Full length recombinant

SARS-CoV-2

glycoprotein nanoparticle

Subunidad

proteica

Fase 1/2

Adaptada de: Ruiz-Hitzky, E., Darder, M., Wicklein, B., Ruiz-Garcia, C., Martín-Sampedro, R., del, G., Aranda, P., Nanotechnology Responses to COVID-19. Adv. Healthcare Mater. 2020, 9, 2000979.

10


Dispositivos de protección respiratoria

A. Tcharkhtchi, N. Abbasnezhad, M. Zarbini Seydani, N. Zirak, S. Farzaneh, M. Shirinbayan. An

overview of filtration efficiency through the masks: Mechanisms of the aerosols penetration,

Bioactive Materials, Volume 6, Issue 1, 2021, Pages 106-122.

𝐸 = 1 − 𝑒𝑥𝑝

−4𝛼𝐸𝑓𝑡

𝜋𝑑𝑓 = 1 −𝑁𝑠𝑁𝑒

𝐸𝑓 ≈ 𝐸𝑅 + 𝐸𝐼 + 𝐸𝐷 + 𝐸𝐺 + 𝐸𝐷𝑅

11


Métodos de prueba actuales para medir la eficiencia de filtración

12

Imagen: https://tsi.com/products/filter-testers/automated-filter-tester-8130a/


¿Existe un riesgo en su uso?

Riesgos potenciales Incertidumbre sobre el riesgo

• Ambiental

• Biológico

• Toxicológico

• Límite de exposición

• Modo de acción

• Las propiedades cambian con el tamaño• ¿Pueden algunos tamaños y composiciones tener

efectos adversos para la salud?

• Implicaciones para el sistema regulatorio del gobierno

Mismo químico, diferentes formas

Mismo químico, diferentes tamaños

• ¿Pueden los nanomateriales atravesarbarreras biológicas?

• ¿Cuáles son nuestras responsabilidades yprecauciones?

• ¿En el laboratorio?

• ¿En la fábrica o en el ambiente?

• ¿En los productos de consumo?

13


Precaución como una primera respuesta

Inhalación: Las partículas inhaladas

inducen inflamación en el tracto

respiratorio causando daño en los

tejidos.

Rutas de exposición

Exposición dérmica: Las partículas

pueden entrar la organismo por medio

de la piel. En la actualidad, aún no se

conocen los peligros potenciales.

Ingestión: Las nanopartículas pueden

causar daño hepático. Se ha

encontrado que las nanopartículas

ingeridas se acumulan en el hígado.

Las respuestas inmunoinflamatorias

excesivas causan daño hepático

permanente.https://www.cleanpng.com/png-computer-icons-portable-

network-graphics-scalable-7160386/download-png.html

Sanches Priscila Laviola, Geaquinto Luths Raquel de Oliveira, Cruz

Rebecca, Schuck Desirée Cigaran, Lorencini Márcio, Granjeiro José

Mauro, Ribeiro Ana Rosa Lopes, Toxicity Evaluation of TiO2 Nanoparticles

on the 3D Skin Model: A Systematic Review, Frontiers in Bioengineering

and Biotechnology, 8, 2020, pp 575. 14


Propiedades que podrían afectar la toxicidad de los nanomateriales

Nanomaterial

Tamaño

Forma

Composición

Solubilidad

Aglomeración

Carga

Características de la

superficie

Estructura cristalina

Impurezas

Grupos funcionales

unidos

15


Therefore, on

the basis of the study by Heinrich

et al. [1995] and the pattern of

pulmonary inflammatory

responses, NIOSH has determined

that exposure to ultrafine TiO2

should be

considered a potential

occupational carcinogen.

https://www.cdc.gov/niosh/pubs/cib_date_desc_nopubnumbers.html

Results from recent animal studies indicate that carbon

nanotubes (CNT) and carbon nanofibers (CNF) may pose

a respiratory hazard. CNTs and CNFs are tiny,

cylindrical, large aspect ratio, manufactured forms of

carbon. There is no single type of carbon nanotube or

nanofiber; one type can differ from another in shape, size,

chemical composition (from residual metal catalysts or

functionalization of the CNT and CNF) and other physical

and chemical characteristics. Such variations in

composition and size have added to the complexity of

understanding their hazard potential. Occupational

exposure to CNTs and CNFs can occur not only in the

process of manufacturing them, but also at the point of

incorporating these materials into other products and

applications. A number of research studies with rodents

have shown adverse lung effects at relatively low-mass

doses of CNT and CNF, including pulmonary

inflammation and rapidly developing, persistent fibrosis.

Although it is not known whether similar adverse health

effects occur in humans after exposure to CNT and CNF,

the results from animal research studies indicate the

need to minimize worker exposure.

2013

2011

NIOSH Current Intelligence

Bulletins

(CIBs)

• Describe los peligros

• Límites de exposición

NIOSH Recommended

Exposure Limit:

– 300 μg/m3 para nano TiO2

– 1 μg/m3 para CNT y CNF

• Como y donde medir

• Límites de los controles

Algunos estudios…

16


Infraestructura de la calidad - Nanotecnologías

IQ

Metrología

Normalización

Acreditación

Evaluación de la

conformidad

✓ Mejora y asegura la calidad de los

productos y servicios

✓ Facilita el comercio

✓ Posibilita la innovación

“The system comprising the organizations

(public and private) together with the

policies, relevant legal and regulatory

framework, and practices needed to

support and enhance the quality, safety

and environmental soundness of goods,

services and processes.”

https://www.bipm.org/en/liaison-partners/inetqi

17


Muchos países están participando en el desarrollo internacional de políticas,

normas/guías y metrología para las nanotecnologías por medio de canales

establecidos y organizaciones.

Actividades internacionales - Nanotecnologías

MetrologíaNANOMATERIALES (11)

• fullerenos (C60)

• SWCNT

• MWCNT

• nanopartículas de plata

• nanopartículas de oro

• dióxido de titanio

• óxido de cerio

• óxido de zinc

• dióxido de silicio

• dendrímeros

• nanoarcillas

METAS

• Información /

identificación

• Propiedades físico-

químicas

• Destino ambiental

• Toxicología ambiental

• Toxicología de

mamíferos

• Seguridad de los

materiales

Testing Programme of Manufactured

Nanomaterials

ISO/TC 229 Nanotechnologies

37 países miembros

18 países observadores

30 comités

de enlace de ISO

9 organizaciones

de enlace externas a ISO

PARTICIPAN

Incluidos México, Brasil,

Colombia de Latinoamérica

Participación de Institutos

Nacionales de Metrología:

NIST, NRC, CENAM, PTB,

NPL, LNE, CEM,

NMIJ, KRISS, NMISA

87 normas, 33 en desarrollo

Incluida Argentina

Incluidas:

OECD, VAMAS, IUPAC

JWG1

Terminología y

nomenclatura

JWG2

Medición y

caracterización

WG3

Salud, seguridad

y ambiente

WG4

Especificaciones

de materiales

TG 2 Sostenibilidad, consumo y dimensiones sociales

WG5

Productos y

aplicaciones

https://www.oecd.org/chemicalsafety/nanosafety/dossiers-and-endpoints-testing-

programme-manufactured-nanomaterials.htm

https://www.iso.org/committee/381983.html

18


Metrología para nanomateriales

• Trazabilidad del resultado de la medición

• Patrones de medida y materiales de referencia

• Calibración de instrumentos

• Métodos validados

• Modelos adecuados para la estimación de la incertidumbre de medida

• Comparaciones internacionales

CCQM-P194 Determination of number

concentration of colloidal nanoparticles

https://www.bam.de/Content/EN/Projects/nPSize/npsize.html

BAM

NIST – 5 MRC, 6 RM

TiO2, PS, SWCNT, MWCNT,

np Au, np Ag, np Si

NRC – BNNT, CNC

JRC – TiO2 nanorods,

np Si

CENAM – np Ag (próximo a

disponibilidad), np Si (en desarrollo)

Procedure for Raman spectrometer

calibration

19


SI : meter

Traceablelamp

Calibrated He-Ne laser

Spectrometer

CertifiedReferenceMaterial

Raman spectrum

TransferStandard

Otras actividades internacionales

• 15 países miembros –México y Brasil de Latinoamérica

• 9 organizaciones de enlace – ISO, ISO/TC 29, ISO/TC 202, APMP

• 16 Technical WorkingAreas (TWA) – 6 TWA relacionadas con nanomateriales

Versailles Project on Advanced Materials

and Standards (VAMAS)

Apoya el comercio mundial de productos que dependen de tecnologías de materiales

avanzados, por medio de proyectos de colaboración internacional destinados a

proporcionar la base técnica para mediciones, pruebas, especificaciones y estándares

armonizados.

http://www.vamas.org/

20

Present and Future of Surface-Enhanced Raman Scattering

Judith Langer, Dorleta Jimenez de Aberasturi, Javier Aizpurua, Ramon A. Alvarez-Puebla, Baptiste Auguié, Jeremy J. Baumberg, Guillermo C. Bazan, Steven E. J. Bell, Anja Boisen, Alexandre G. Brolo, Jaebum Choo, Dana Cialla-May, Volker Deckert, Laura

Fabris, Karen Faulds, F. Javier García de Abajo, Royston Goodacre, Duncan Graham, Amanda J. Haes, Christy L. Haynes, Christian Huck, Tamitake Itoh, Mikael Käll, Janina Kneipp, Nicholas A. Kotov, Hua Kuang, Eric C. Le Ru, Hiang Kwee Lee, Jian-Feng

Li, Xing Yi Ling, Stefan A. Maier, Thomas Mayerhöfer, Martin Moskovits, Kei Murakoshi, Jwa-Min Nam, Shuming Nie, Yukihiro Ozaki, Isabel Pastoriza-Santos, Jorge Perez-Juste, Juergen Popp, Annemarie Pucci, Stephanie Reich, Bin Ren, George C. Schatz,

Timur Shegai, Sebastian Schlücker, Li-Lin Tay, K. George Thomas, Zhong-Qun Tian, Richard P. Van Duyne, Tuan Vo-Dinh, Yue Wang, Katherine A. Willets, Chuanlai Xu, Hongxing Xu, Yikai Xu, Yuko S. Yamamoto, Bing Zhao, and Luis M. Liz-Marzán

ACS Nano 2020 14 (1), 28-117


Reflexiones

• El aprovechamiento de las propiedades particulares de los nanomateriales siguen presentando una alternativa para dar solución a los problemas de salud.

• El universo de los nanomateriales es amplio y complejo…

• Es necesario el desarrollo de la nanotecnología de manera responsable con una plena apreciación de su impacto en la salud.

• Existen aún muchos retos por resolver tanto para los beneficios como para la evaluación del riesgo a la salud.

• La IQ es fundamental para el desarrollo y aprovechamiento responsable de los nanomateriales, especialmente el que estén soportados por mediciones comparables y trazables.

• Hay diversas iniciativas internacionales pero hay brechas entre los países especialmente de Latinoamérica.

• Es necesario buscar mecanismos de colaboración.

• …

21


Muchas gracias por su atención

Norma González

Centro Nacional de Metrología

MÉXICO

Phone: +52(442) 211 0500

e-mail: [email protected]

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Documents

Nanomateriales en la salud