Nanopartícula de plata

- Mar 03, 2017 -

Las nanopartículas de plata son nanopartículas de plata de entre 1 nm y 100 nm de tamaño. [1] Aunque se describe con frecuencia como plata, algunos están compuestos por un gran porcentaje de óxido de plata debido a su gran proporción de átomos de plata de superficie a masa. Numerosas formas de nanopartículas pueden ser construidas dependiendo de la aplicación a mano. Comúnmente se utilizan nanopartículas de plata esféricas, pero las hojas de diamante, octagonal y delgada también son populares. [1]

Su área de superficie extremadamente grande permite la coordinación de un gran número de ligandos . Las propiedades de las nanopartículas de plata aplicables a los tratamientos humanos están bajo investigación en estudios de laboratorio y en animales, evaluando la eficacia potencial, la toxicidad y los costos.

Métodos sintéticos

Química húmeda [ editar ]

Los métodos más comunes para la síntesis de nanopartículas entran en la categoría de química húmeda, o la nucleación de partículas dentro de una solución. Esta nucleación se produce cuando un complejo de iones de plata, usualmente AgNO3 o AgClO4, se reduce a plata coloidal en presencia de un agente reductor . Cuando la concentración aumenta lo suficiente, los iones metálicos metálicos disueltos se unen para formar una superficie estable. La superficie es energeticamente desfavorable cuando el grupo es pequeño, porque la energía obtenida al disminuir la concentración de partículas disueltas no es tan alta como la energía perdida al crear una nueva superficie. [2] Cuando el grupo alcanza un cierto tamaño, conocido como el radio crítico, se vuelve energéticamente favorable, y por lo tanto lo suficientemente estable como para seguir creciendo. Este núcleo permanece en el sistema y crece a medida que más átomos de plata se difunden a través de la solución y se adhieren a la superficie [3]. Cuando la concentración disuelta de plata atómica disminuye lo suficiente, ya no es posible que suficientes átomos se unan para formar un establo núcleo. En este umbral de nucleación, las nuevas nanopartículas dejan de ser formadas, y la plata disuelta restante es absorbida por difusión en las nanopartículas en crecimiento en la solución.

A medida que las partículas crecen, otras moléculas en la solución se difunden y se adhieren a la superficie. Este proceso estabiliza la energía superficial de la partícula y bloquea la entrada de nuevos iones de plata. La fijación de estos agentes de taponamiento / estabilización retarda y eventualmente detiene el crecimiento de la partícula. [4] Los ligandos de capsulación más comunes son el citrato trisódico y la polivinilpirrolidona (PVP), pero muchos otros también se utilizan en condiciones variables para sintetizar partículas con tamaños, formas y propiedades particulares de superficie. [5]

Existen muchos métodos diferentes de síntesis en húmedo, incluyendo el uso de azúcares reductores, la reducción de citrato, la reducción a través de borohidruro de sodio, la reacción de espejo de plata, el proceso de poliol, el crecimiento mediado por semilla, y Crecimiento mediado por la luz. [10] Cada uno de estos métodos, o una combinación de métodos, ofrecerá diferentes grados de control sobre la distribución de tamaños, así como distribuciones de arreglos geométricos de la nanopartícula. [11]

Elsupikhe et al. Encontraron una nueva y muy prometedora técnica química húmeda. (2015). [12] Han desarrollado una síntesis verde asistida por ultrasonidos. Bajo tratamiento de ultrasonido, las nanopartículas de plata (AgNP) se sintetizan con κ-carragenano como un estabilizador natural. La reacción se realiza a temperatura ambiente y produce nanopartículas de plata con estructura cristalina fcc sin impurezas. La concentración de κ-carragenano se utiliza para influir en la distribución del tamaño de partícula de los AgNPs. [13]

Reducción de monosacáridos [ editar ]

Hay muchas maneras en que las nanopartículas de plata pueden ser sintetizadas; Un método es a través de monosacáridos . Esto incluye glucosa , fructosa , maltosa , maltodextrina , etc., pero no sacarosa . También es un método sencillo para reducir los iones de plata de nuevo a las nanopartículas de plata, ya que normalmente implica un proceso de un solo paso. [14] Ha habido métodos que indicaron que estos azúcares reductores son esenciales para la formación de nanopartículas de plata. Muchos estudios indicaron que este método de síntesis verde, específicamente utilizando el extracto de Cacumen platycladi, permitió la reducción de la plata. Además, el tamaño de la nanopartícula podría controlarse dependiendo de la concentración del extracto. Los estudios indican que las concentraciones más altas se correlacionaron con un mayor número de nanopartículas. [14] Se formaron nanopartículas más pequeñas a altos niveles de pH debido a la concentración de los monosacáridos.

Otro método de síntesis de nanopartículas de plata incluye el uso de azúcares reductores con almidón alcalino y nitrato de plata. Los azúcares reductores tienen grupos aldehído y cetona libres, que les permiten ser oxidados en gluconato . [15] El monosacárido debe tener un grupo cetona libre porque para actuar como agente reductor se somete primero a tautomerización . Además, si los aldehídos están unidos, quedará atrapado en forma cíclica y no puede actuar como un agente reductor. Por ejemplo, la glucosa tiene un grupo funcional aldehído que es capaz de reducir los cationes de plata a átomos de plata y luego se oxida a ácido glucónico . [16] La reacción para los azúcares que se oxidan ocurre en soluciones acuosas. El agente taponador tampoco está presente cuando se calienta.

Citrate reduction [ editar ]

Un método temprano, y muy común, para sintetizar nanopartículas de plata es la reducción de citrato. Este método se registró por primera vez por MC Lea, que produjo con éxito un coloide de plata estabilizado con citrato en 1889. [17] La reducción de citrato implica la reducción de una partícula fuente de plata, usualmente AgNO 3 o AgClO 4 , a plata coloidal usando citrato trisódico , Na 3 } C $ ₆ $ H $ ₅ $ O $ 7 $ 7 . [18] La síntesis se realiza generalmente a una temperatura elevada (~ 100 ° C) para maximizar la monodispersidad (uniformidad tanto en tamaño como en forma) de la partícula. En este método, el ion citrato tradicionalmente actúa como agente reductor y como ligando de recubrimiento, [18] lo que lo convierte en un proceso útil para la producción de AgNP debido a su relativa facilidad y corto tiempo de reacción. Sin embargo, las partıculas de plata formadas pueden presentar amplias distribuciones de tama~no y formar varias geometrıas de partıculas diferentes simultáneamente. [17] La adición de agentes reductores más fuertes a la reacción se utiliza a menudo para sintetizar partículas de tamaño y forma más uniformes. [18]

Reducción vía borohidruro de sodio [ editar ]

La síntesis de nanopartículas de plata por borohidruro de sodio (NaBH 4 ) se produce por la siguiente reacción: [19]

Ag + + BH $ ₄ $ + 3H $$ O $ ⁻ $ Ag $ + $ + B (OH) $ ₃ $ + 3,5H $ ² $

Los átomos metálicos reducidos formarán núcleos de nanopartículas. En general, este proceso es similar al método de reducción anterior usando citrato. El beneficio de usar borohidruro sódico es el aumento de la monodispersidad de la población final de partículas. La razón de la mayor monodispersidad cuando se usa NaBH4 es que es un agente reductor más fuerte que el citrato. El impacto de la reducción de la fuerza del agente se puede ver mediante la inspección de un diagrama de LaMer que describe la nucleación y el crecimiento de nanopartículas. [20]

Cuando el nitrato de plata (AgNO 3 ) se reduce con un agente reductor débil como el citrato, la tasa de reducción es menor, lo que significa que se están formando nuevos núcleos y que los viejos núcleos crecen simultáneamente. Esta es la razón por la que la reacción de citrato tiene baja monodispersidad. Debido a que NaBH4 es un agente reductor mucho más fuerte, la concentración de nitrato de plata se reduce rápidamente, lo que acorta el tiempo durante el cual nuevos núcleos se forman y crecen concurrentemente dando una población monodispersa de nanopartículas de plata.

Las partículas formadas por reducción deben tener sus superficies estabilizadas para evitar la aglomeración indeseable de las partículas (cuando las partículas múltiples se unen), el crecimiento o el engrosamiento. La fuerza motriz de estos fenómenos es la minimización de la energía superficial (las nanopartículas tienen una gran relación superficie a volumen). Esta tendencia a reducir la energía superficial en el sistema puede ser contrarrestada por la adición de especies que se adsorben a la superficie de las nanopartículas y disminuye la actividad de la superficie de la partícula evitando así la aglomeración de partículas de acuerdo con la teoría DLVO e impidiendo el crecimiento ocupando sitios de unión para metal Átomos Las especies químicas que se adsorben a la superficie de las nanopartículas se llaman ligandos. Algunas de estas especies estabilizadoras de superficie son: NaBH4 en grandes cantidades, [19] poli (vinilpirrolidona) (PVP), [21] dodecilsulfato sódico (SDS), [19] [21] y / o dodecanotiol. [22]

Una vez que las partículas se han formado en solución, deben ser separadas y recogidas. Existen varios métodos generales para eliminar las nanopartículas de la solución, incluyendo la evaporación de la fase disolvente [22] o la adición de productos químicos a la solución que disminuyen la solubilidad de las nanopartículas en la solución. [23] Ambos métodos obligan a la precipitación de las nanopartículas.

Proceso de Polyol [ editar ]

El procedimiento de poliol es un método particularmente útil porque produce un alto grado de control sobre el tamaño y la geometría de las nanopartículas resultantes. En general, la síntesis de polioles comienza con el calentamiento de un compuesto de poliol tal como etilenglicol, 1,5-pentanodiol o 1,2-propilenglicol7. Se añade una especie de Ag + y un agente de taponamiento (aunque el propio poliol también es a menudo el agente de taponamiento). La especie Ag + es entonces reducida por el poliol a las nanopartículas coloidales. [24] El proceso de poliol es altamente sensible a condiciones de reacción tales como temperatura, entorno químico y concentración de sustratos. [25] [26] Por lo tanto, al cambiar estas variables, se pueden seleccionar varios tamaños y geometrías, tales como cuasi-esferas, pirámides, esferas y alambres. [11] Un estudio posterior ha examinado el mecanismo de este proceso, así como las geometrías resultantes en diversas condiciones de reacción con mayor detalle. [8] [27]

Crecimiento mediado por semillas [ editar ]

El crecimiento mediado por las semillas es un método sintético en el cual los núcleos pequeños y estables se cultivan en un ambiente químico separado hasta un tamaño y forma deseados. Los métodos mediados por semillas constan de dos etapas diferentes : nucleación y crecimiento . La variación de ciertos factores en la síntesis (por ejemplo, ligando, tiempo de nucleación, agente reductor, etc.) [28] puede controlar el tamaño final y la forma de las nanopartículas, haciendo que el crecimiento mediado por semillas sea un enfoque sintético popular para controlar la morfología de las nanopartículas.

La etapa de nucleación del crecimiento mediado por semillas consiste en la reducción de iones metálicos en un precursor de átomos metálicos. Con el fin de controlar la distribución de tamaño de las semillas, el período de nucleación debe hacerse corto para la monodispersidad. El modelo LaMer ilustra este concepto. [29] Las semillas suelen consistir en pequeñas nanopartículas, estabilizadas por un ligando . Los ligandos son moléculas pequeñas, usualmente orgánicas que se unen a la superficie de las partículas, impidiendo que las semillas sigan creciendo. Los ligandos son necesarios a medida que aumentan la barrera energética de la coagulación, evitando la aglomeración. El equilibrio entre fuerzas atractivas y repulsivas dentro de soluciones coloidales puede ser modelado por la teoría de DLVO . [30] La afinidad de unión al ligando y la selectividad pueden usarse para controlar la forma y el crecimiento. Para la síntesis de semillas, se debe elegir un ligando con una afinidad de unión de media a baja para permitir el intercambio durante la fase de crecimiento.

El crecimiento de nanoseeds implica colocar las semillas en una solución de crecimiento. La solución de crecimiento requiere una baja concentración de un precursor de metal, ligandos que se intercambiarán fácilmente con ligandos de siembra preexistentes y una concentración débil o muy baja de agente reductor. El agente reductor no debe ser lo suficientemente fuerte para reducir el precursor de metal en la solución de crecimiento en ausencia de semillas. De lo contrario, la solución de crecimiento formará nuevos sitios de nucleación en lugar de crecer en los preexistentes (semillas). [31] El crecimiento es el resultado de la competencia entre la energía superficial (que aumenta desfavorablemente con el crecimiento) y la energía a granel (que disminuye favorablemente con el crecimiento). El equilibrio entre la energía del crecimiento y la disolución es la razón para un crecimiento uniforme sólo en semillas preexistentes (y no hay nueva nucleación). [32] El crecimiento se produce por la adición de átomos de metal de la solución de crecimiento a las semillas, y el intercambio de ligando entre los ligandos de crecimiento (que tienen una mayor afinidad de unión) y los ligandos de semilla. [33]

El rango y la dirección del crecimiento pueden ser controlados por nanoseed, concentración de precursor de metal, ligando, y condiciones de reacción (calor, presión, etc.). [34] El control de las condiciones estequiométricas de la solución de crecimiento controla el tamaño final de la partícula. Por ejemplo, una baja concentración de semillas metálicas a precursor de metal en la solución de crecimiento producirá partículas más grandes. Se ha demostrado que el agente de taponamiento controla la dirección del crecimiento y por lo tanto forma. Los ligandos pueden tener afinidades variables para la unión a través de una partícula. La unión diferencial dentro de una partícula puede dar como resultado un crecimiento disímil a través de la partícula. Esto produce partículas anisotrópicas con formas no esféricas incluyendo prismas, cubos y barras. [35] [36]

Crecimiento mediado por la luz [ editar ]

Las síntesis mediadas por luz también se han explorado donde la luz puede promover la formación de varias morfologías de nanopartículas de plata. [10] [37]

Reacción de espejo de plata [ editar ]

La reacción del espejo de plata implica la conversión de nitrato de plata en Ag (NH _ {3}) OH. El Ag (NH _ {3}) OH se reduce posteriormente en plata coloidal usando una molécula que contiene aldehído tal como un azúcar. La reacción del espejo de plata es la siguiente:

2 (Ag (NH $$ ) $ ₂ $ ) + + RCHO + 2OH - > RCOOH + 2Ag + 4NH3. [38]

El tamaño y la forma de las nanopartículas producidas son difíciles de controlar ya menudo tienen distribuciones amplias. [39] Sin embargo, este método se utiliza a menudo para aplicar recubrimientos finos de partículas de plata sobre superficies y se está realizando un estudio adicional para producir nanopartículas de tamaño más uniforme. [39]

Implante de iones [ editar ]

La implantación de iones se ha utilizado para crear nanopartículas de plata incrustadas en vidrio , poliuretano , silicona , polietileno y poli (metacrilato de metilo) . Las partículas se incrustan en el sustrato mediante bombardeo a altas tensiones de aceleración. A una densidad de corriente fija del haz de iones hasta un cierto valor, se ha encontrado que el tamaño de las nanopartículas de plata incorporadas es monodisperso dentro de la población, [40] después de lo cual sólo se observa un aumento en la concentración de iones. Se ha encontrado que un aumento adicional en la dosis del haz de iones reduce tanto el tamaño como la densidad de las nanopartículas en el sustrato diana, mientras que un haz de iones que funciona a un voltaje de aceleración alto con una densidad de corriente que aumenta gradualmente da como resultado un aumento gradual en El tamaño de las nanopartículas. Existen algunos mecanismos competidores que pueden resultar en la disminución del tamaño de las nanopartículas; Destrucción de NPs en colisión, pulverización catódica de la superficie de la muestra, fusión de partículas al calentar y disociar. [40]

La formación de nanopartículas embebidas es compleja, y todos los parámetros y factores de control aún no han sido investigados. La simulación por ordenador sigue siendo difícil, ya que implica procesos de difusión y agrupación, sin embargo, puede desglosarse en unos pocos subprocesos diferentes como la implantación, la difusión y el crecimiento. Tras la implantación, los iones de plata alcanzarán diferentes profundidades dentro del sustrato que se aproxima a una distribución gaussiana con la media centrada a la profundidad X. Las condiciones de alta temperatura durante las etapas iniciales de implantación aumentarán la difusión de impurezas en el sustrato y, como resultado, limitarán la saturación de iones incidentes, que se requiere para la nucleación de nanopartículas. [41] Tanto la temperatura del implante como la densidad de corriente del haz de iones son cruciales para el control a fin de obtener un tamaño de nanopartícula monodispersa y distribución de profundidad. Se puede usar una densidad de corriente baja para contrarrestar la agitación térmica del haz de iones y una acumulación de carga superficial. Después de la implantación en la superficie, las corrientes de haz pueden aumentar a medida que aumenta la conductividad superficial. [41] La velocidad a la que las impurezas difusas cae rápidamente después de la formación de las nanopartículas, que actúan como una trampa de iones móviles. Esto sugiere que el comienzo del proceso de implantación es crítico para el control de la separación y profundidad de las nanopartículas resultantes, así como el control de la temperatura del sustrato y la densidad del haz iónico. La presencia y la naturaleza de estas partículas se pueden analizar utilizando numerosos espectroscopia e instrumentos de microscopía. [41] Las nanopartículas sintetizadas en el sustrato presentan resonancias de plasmón superficial como se evidencia por bandas características de absorción; Estas características sufren desplazamientos espectrales dependiendo del tamaño de las nanopartículas y las asperezas superficiales, [40] sin embargo las propiedades ópticas también dependen fuertemente del material de sustrato del compuesto.

Síntesis biológica [ editar ]

La síntesis biológica de nanopartículas ha proporcionado un medio para mejorar las técnicas en comparación con los métodos tradicionales que requieren el uso de agentes reductores nocivos como el borohidruro de sodio . Muchos de estos métodos podrían mejorar su huella ambiental reemplazando estos agentes reductores relativamente fuertes. Los problemas con la producción química de nanopartículas de plata suele implicar un alto costo y la longevidad de las partículas es de corta duración debido a la agregación. La dureza de los métodos químicos estándar ha provocado el uso de utilizar organismos biológicos para reducir los iones de plata en solución en nanopartículas coloidales. [42] [43]

Además, un control preciso sobre la forma y el tamaño es vital durante la síntesis de nanopartículas ya que las propiedades terapéuticas de los NPs son íntimamente dependientes de tales factores. [44] Por lo tanto, el enfoque principal de la investigación en la síntesis biogénica está en el desarrollo de métodos que consistentemente reproducir NPs con propiedades precisas. [45] [46]

Hongos y bacterias [ editar ]

Una representación general de la síntesis y aplicaciones de nanopartículas de plata sintetizadas biogénicamente utilizando extractos vegetales.

La síntesis bacteriana y fúngica de nanopartículas es práctica porque las bacterias y los hongos son fáciles de manejar y pueden modificarse genéticamente con facilidad. Esto proporciona un medio para desarrollar biomoléculas que pueden sintetizar AgNPs de diferentes formas y tamaños con alto rendimiento, que está a la vanguardia de los desafíos actuales en la síntesis de nanopartículas. Las cepas de hongos como Verticillium y cepas bacterianas como K. pneumoniae pueden utilizarse en la síntesis de nanopartículas de plata. [47] Cuando se agrega el hongo / bacteria a la solución, la biomasa proteica se libera en la solución. [47] Los residuos donadores de electrones como el triptófano y la tirosina reducen los iones de plata en solución aportados por el nitrato de plata. [47] Se ha encontrado que estos métodos crean de manera efectiva nanopartículas monodispersas estables sin el uso de agentes reductores dañinos.

Se ha encontrado un método para reducir los iones de plata mediante la introducción del hongo Fusarium oxysporum . Las nanopartículas formadas en este método tienen un intervalo de tamaños entre 5 y 15 nm y consisten en hidrosol de plata. Se piensa que la reducción de las nanopartículas de plata proviene de un proceso enzimático y las nanopartículas de plata producidas son extremadamente estables debido a interacciones con proteínas que son excretadas por los hongos.

Las bacterias encontradas en las minas de plata, Pseudomonas stutzeri AG259, fueron capaces de construir partículas de plata en forma de triángulos y hexágonos. El tamaño de estas nanopartículas tenía un gran rango de tamaño y algunas de ellas alcanzaron tamaños más grandes que la nanoescala usual con un tamaño de 200 nm. Las nanopartículas de plata se encontraron en la matriz orgánica de las bacterias. [48]

Se han utilizado bacterias productoras de ácido láctico para producir nanopartículas de plata. Se ha encontrado que las bacterias Lactobacillus spp., Pediococcus pentosaceus, Enteroccus faecium I y Lactococcus garvieae son capaces de reducir los iones de plata en nanopartículas de plata. La producción de las nanopartículas tiene lugar en la célula a partir de las interacciones entre los iones de plata y los compuestos orgánicos de la célula. Se encontró que la bacteria Lactobacillus fermentum creó las nanopartículas de plata más pequeñas con un tamaño medio de 11,2 nm. También se encontró que esta bacteria produjo las nanopartículas con la menor distribución de tamaño y las nanopartículas se encontraron principalmente en el exterior de las células. También se encontró que había un aumento en el pH aumentado la velocidad de la que se producían las nanopartículas y la cantidad de partículas producidas. [49]

Plantas [ editar ]

La reducción de iones de plata en nanopartículas de plata también se ha logrado usando hojas de geranio . Se ha encontrado que la adición de extracto de hoja de geranio a soluciones de nitrato de plata hace que sus iones de plata se reduzcan rápidamente y que las nanopartículas producidas sean particularmente estables. Las nanopartículas de plata producidas en solución tenían un intervalo de tamaño entre 16 y 40 nm. [48]

En otro estudio se usaron diferentes extractos de hojas de plantas para reducir los iones de plata. Se encontró que de Camellia sinensis (té verde), pino , caqui , ginko , magnolia y platanus que el extracto de hoja de magnolia era el mejor en la creación de nanopartículas de plata. Este método creó partículas con un intervalo de tamaños dispersos de 15 a 500 nm, pero también se encontró que el tamaño de partícula podría ser controlado variando la temperatura de reacción. La velocidad a la que los iones fueron reducidos por el extracto de hoja de magnolia fue comparable a la de usar productos químicos para reducir. [42] [50]

El uso de plantas, microbios y hongos en la producción de nanopartículas de plata está liderando el camino hacia una producción más ecológica de nanopartículas de plata. [43]

Un método verde está disponible para la síntesis de nanopartículas de plata utilizando Amaranthus gangeticus Linn extracto de hoja. [51]

Productos y funcionalidad [ editar ]

Los protocolos sintéticos para la producción de nanopartículas de plata pueden ser modificados para producir nanopartículas de plata con geometrías no esféricas y también para funcionalizar nanopartículas con diferentes materiales, como sílice. La creación de nanopartículas de plata de diferentes formas y recubrimientos superficiales permite un mayor control sobre sus propiedades específicas de tamaño.

Estructuras anisotrópicas [ editar ]

Las nanopartículas de plata se pueden sintetizar en una variedad de formas no esféricas (anisotrópicas). Debido a que la plata, al igual que otros metales nobles, exhibe un efecto óptico dependiente del tamaño y la forma conocido como resonancia de plasmón de superficie localizada (LSPR) a escala nanométrica, la capacidad de sintetizar nanopartículas de Ag en diferentes formas aumenta enormemente la capacidad de ajustar su comportamiento óptico. Por ejemplo, la longitud de onda en la que se produce LSPR para una nanopartícula de una morfología (por ejemplo, una esfera) será diferente si esa esfera se cambia en una forma diferente. Esta dependencia de la forma permite que una nanopartícula de plata experimente mejoras ópticas en un rango de diferentes longitudes de onda, incluso manteniendo el tamaño relativamente constante, simplemente cambiando su forma. Las aplicaciones de esta expansión explotada en forma de comportamiento óptico van desde el desarrollo de biosensores más sensibles hasta el aumento de la longevidad de los textiles. [52] [53]

Nanoprismos triangulares [ editar ]

Las nanopartículas de forma triangular son un tipo canónico de morfología anisotrópica estudiada tanto para el oro como para la plata. [54]

Aunque existen muchas técnicas diferentes para la síntesis del nanoprisma de plata, varios métodos emplean un enfoque mediado por semillas, que implica la primera sintetización de nanopartículas de plata pequeñas (3-5 nm de diámetro) que ofrecen una plantilla para el crecimiento dirigido a la forma en nanoestructuras triangulares. [55]

Las semillas de plata se sintetizan mezclando nitrato de plata y citrato sódico en solución acuosa y luego añadiendo rápidamente borohidruro de sodio. Se a~nade nitrato de plata adicional a la solución de semilla a baja temperatura, y los prismas se crecen reduciendo lentamente el exceso de nitrato de plata usando ácido ascórbico. [6]

Con el enfoque mediado por semillas para la síntesis del nanoprisma de plata, la selectividad de una forma sobre otra puede controlarse en parte por el ligando de recubrimiento. Utilizando esencialmente el mismo procedimiento anterior pero cambiando citrato a poli (vinilpirrolidona) (PVP) se obtienen nanoestructuras de cubo y varilla en lugar de nanoprismas triangulares. [56]

Además de la técnica mediada por la semilla, los nanoprismos de plata también pueden ser sintetizados usando un enfoque foto-mediado, en el que las nanopartículas de plata esféricas preexistentes se transforman en nanoprismas triangulares simplemente exponiendo la mezcla de reacción a altas intensidades de luz. [57]

Nanocubes [ editar ]

Los nanocubos de plata se pueden sintetizar usando etilenglicol como agente reductor y PVP como un agente de recubrimiento, en una reacción de síntesis de poliol (vide supra). Una síntesis típica utilizando estos reactivos implica la adición de nitrato de plata y PVP frescos a una solución de etilenglicol calentada a 140 ° C. [58]

Este procedimiento puede modificarse para producir otra nanoestructura de plata anisotrópica, los nanocables, simplemente permitiendo que la solución de nitrato de plata envejezca antes de usarla en la síntesis. Al permitir que la solución de nitrato de plata envejezca, la nanoestructura inicial formada durante la síntesis es ligeramente diferente de la obtenida con nitrato de plata fresco, que influye en el proceso de crecimiento y, por tanto, en la morfología del producto final. [58]

Recubrimiento con sílice [ editar ]

Procedimiento general para el recubrimiento de partículas coloidales en sílice. La primera PVP se absorbe sobre la superficie coloidal. Estas partículas se ponen en una solución de amoniaco en etanol. La partícula comienza entonces a crecer por adición de Si (OET4).

En este método, la polivinilpirrolidona (PVP) se disuelve en agua por sonicación y se mezcla con partículas de coloide de plata. [1] La agitación activa asegura que la PVP se haya adsorbido a la superficie de las nanopartículas. [1] La centrifugación separa las nanopartículas recubiertas de PVP que luego se transfieren a una solución de etanol para centrifugarlas adicionalmente y se colocan en una solución de amoníaco , etanol y Si (OEt 4 ) (TES). [1] La agitación durante doce horas da lugar a que se forme la envoltura de sílice consistente en una capa circundante de óxido de silicio con un enlace éter disponible para añadir funcionalidad. [1] Variación de la cantidad de TES permite diferentes espesores de conchas formadas. [1] Esta técnica es popular debido a la capacidad de agregar una variedad de funcionalidad a la superficie de sílice expuesta.

Utilizar [ editar ]

Catálisis [ editar ]

El uso de nanopartículas de plata para la catálisis ha estado ganando atención en los últimos años. Aunque las aplicaciones más comunes son para propósitos medicinales o antibacterianos, se ha demostrado que nanopartículas de plata muestran propiedades redox catalíticas para tintes, benceno, monóxido de carbono y probablemente otros compuestos.

NOTA: Este párrafo es una descripción general de las propiedades de las nanopartículas para la catálisis; No es exclusivo de las nanopartículas de plata. El tamaño de una nanopartícula determina en gran medida las propiedades que exhibe debido a diversos efectos cuánticos. Además, el entorno químico de la nanopartícula juega un papel importante en las propiedades catalíticas. Con esto en mente, es importante observar que la catálisis heterogénea tiene lugar por adsorción de las especies reactivas al sustrato catalítico. Cuando se usan polímeros , ligandos complejos o tensioactivos para evitar la coalescencia de las nanopartículas, la capacidad catalítica es frecuentemente impedida debido a la capacidad de adsorción reducida. [59] Sin embargo, estos compuestos también pueden usarse de tal manera que el entorno químico realce la capacidad catalítica.

Apoyado en esferas de sílice - reducción de tintes [ editar ]

Las nanopartículas de plata se han sintetizado sobre un soporte de esferas de sílice inerte. [59] El soporte no juega prácticamente ningún papel en la capacidad catalítica y sirve como un método para prevenir la coalescencia de las nanopartículas de plata en solución coloidal . Así, las nanopartículas de plata se estabilizaron y fue posible demostrar la capacidad de ellas para servir como un relé de electrones para la reducción de colorantes por borohidruro de sodio . [59] Sin el catalizador de nanopartículas de plata, prácticamente no se produce reacción entre el borohidruro de sodio y los diversos colorantes : azul de metileno , eosina y bengala rosa .

Aerogás mesoporoso - oxidación selectiva del benceno [ editar ]

Las nanopartículas de plata soportadas en aerogel son ventajosas debido al mayor número de sitios activos . [60] Se observó la mayor selectividad para la oxidación del benceno en fenol con un bajo porcentaje en peso de plata en la matriz de aerogel (1% de Ag). Se cree que esta mejor selectividad es el resultado de la mayor monodispersidad dentro de la matriz de aerogel de la muestra de 1% de Ag. Cada solución en porcentaje en peso formó partıculas de tama~no diferente con una anchura diferente del intervalo de tama~nos. [60]

Aleación de plata - la oxidación sinérgica del monóxido de carbono [ editar ]

Se ha demostrado que las nanopartículas de aleación Au-Ag tienen un efecto sinérgico sobre la oxidación del monóxido de carbono (CO). [61] Por sí solo, cada nanopartícula de metal puro muestra una actividad catalítica muy pobre para la oxidación del CO; En conjunto, las propiedades catalíticas se mejoran mucho. Se propone que el oro actúa como un fuerte agente ligante para el átomo de oxígeno y la plata sirve como catalizador oxidante fuerte, aunque el mecanismo exacto aún no se entiende completamente. Cuando se sintetizaron en una relación Au / Ag de 3: 1 a 10: 1, las nanopartículas aleadas mostraron una conversión completa cuando 1% de CO se alimentó en aire a temperatura ambiente. [61] Interestingly, the size of the alloyed particles did not play a big role in the catalytic ability. It is well known that gold nanoparticles only show catalytic properties for CO when they are ~3 nm in size, but alloyed particles up to 30 nm demonstrated excellent catalytic activity – catalytic activity better than that of gold nanoparticles on active support such as TiO 2 , Fe 2 O 3 , etc. [61]

Light-enhanced [ edit ]

Plasmonic effects have been studied quite extensively. Until recently, there have not been studies investigating the oxidative catalytic enhancement of a nanostructure via excitation of its surface plasmon resonance . The defining feature for enhancing the oxidative catalytic ability has been identified as the ability to convert a beam of light into the form of energetic electrons that can be transferred to adsorbed molecules. [62] The implication of such a feature is that photochemical reactions can be driven by low-intensity continuous light can be coupled with thermal energy .

The coupling of low-intensity continuous light and thermal energy has been performed with silver nanocubes. The important feature of silver nanostructures that are enabling for photocatalysis is their nature to create resonant surface plasmons from light in the visible range. [62]

The addition of light enhancement enabled the particles to perform to the same degree as particles that were heated up to 40 K greater. [62] This is a profound finding when noting that a reduction in temperature of 25 K can increase the catalyst lifetime by nearly tenfold, when comparing the photothermal and thermal process. [62]

Biological research [ edit ]

Researchers have explored the use of silver nanoparticles as carriers for delivering various payloads such as small drug molecules or large biomolecules to specific targets. Once the AgNP has had sufficient time to reach its target, release of the payload could potentially be triggered by an internal or external stimulus. The targeting and accumulation of nanoparticles may provide high payload concentrations at specific target sites and could minimize side effects. [63]

Chemotherapy [ edit ]

The introduction of nanotechnology into medicine is expected to advance diagnostic cancer imaging and the standards for therapeutic drug design. [64] Nanotechnology may uncover insight about the structure, function and organizational level of the biosystem at the nanoscale. [sesenta y cinco]

Silver nanoparticles can undergo coating techniques that offer a uniform functionalized surface to which substrates can be added. When the nanoparticle is coated, for example, in silica the surface exists as silicic acid. Substrates can thus be added through stable ether and ester linkages that are not degraded immediately by natural metabolic enzymes . [66] [67] Recent chemotherapeutic applications have designed anti cancer drugs with a photo cleavable linker, [68] such as an ortho-nitrobenzyl bridge, attaching it to the substrate on the nanoparticle surface. [66] The low toxicity nanoparticle complex can remain viable under metabolic attack for the time necessary to be distributed throughout the bodies systems. [66] [69] If a cancerous tumor is being targeted for treatment, ultraviolet light can be introduced over the tumor region. [66] The electromagnetic energy of the light causes the photo responsive linker to break between the drug and the nanoparticle substrate. [66] The drug is now cleaved and released in an unaltered active form to act on the cancerous tumor cells. [66] Advantages anticipated for this method is that the drug is transported without highly toxic compounds, the drug is released without harmful radiation or relying on a specific chemical reaction to occur and the drug can be selectively released at a target tissue. [66] [67] [69]

A second approach is to attach a chemotherapeutic drug directly to the functionalized surface of the silver nanoparticle combined with a nucelophilic species to undergo a displacement reaction. For example, once the nanoparticle drug complex enters or is in the vicinity of the target tissue or cells, a glutathione monoester can be administered to the site. [70] [71] The nucleophilic ester oxygen will attach to the functionalized surface of the nanoparticle through a new ester linkage while the drug is released to its surroundings. [70] [71] The drug is now active and can exert its biological function on the cells immediate to its surroundings limiting non-desirable interactions with other tissues. [70] [71]

Multiple drug resistance [ edit ]

A major cause for the ineffectiveness of current chemotherapy treatments is multiple drug resistance which can arise from several mechanisms. [72]

Nanoparticles can provide a means to overcome MDR. In general, when using a targeting agent to deliver nanocarriers to cancer cells, it is imperative that the agent binds with high selectivity to molecules that are uniquely expressed on the cell surface. Hence NPs can be designed with proteins that specifically detect drug resistant cells with overexpressed transporter proteins on their surface. [73] A pitfall of the commonly used nano-drug delivery systems is that free drugs that are released from the nanocarriers into the cytosol get exposed to the MDR transporters once again, and are exported. To solve this, 8 nm nano crystalline silver particles were modified by the addition of trans-activating transcriptional activator (TAT), derived from the HIV-1 virus, which acts as a cell penetrating peptide (CPP). [74] Generally, AgNP effectiveness is limited due to the lack of efficient cellular uptake; however, CPP-modification has become one of the most efficient methods for improving intracellular delivery of nanoparticles. Once ingested, the export of the AgNP is prevented based on a size exclusion. The concept is simple: the nanoparticles are too large to be effluxed by the MDR transporters, because the efflux function is strictly subjected to the size of its substrates, which is generally limited to a range of 300-2000 Da. Thereby the nanoparticulates remain insusceptible to the efflux, providing a means to accumulate in high concentrations. [ Cita requerida ]

Antimicrobial [ edit ]

Introduction of silver into bacterial cells induces a high degree of structural and morphological changes, which can lead to cell death. As the silver nano particles come in contact with the bacteria, they adhere to the cell wall and cell membrane. [75] Once bound, some of the silver passes through to the inside, and interacts with phosphate-containing compounds like DNA and RNA , while another portion adheres to the sulphur-containing proteins on the membrane. [75] The silver-sulphur interactions at the membrane cause the cell wall to undergo structural changes, like the formation of pits and pores. [76] Through these pores, cellular components are released into the extracellular fluid, simply due to the osmotic difference. Within the cell, the integration of silver creates a low molecular weight region where the DNA then condenses. [76] Having DNA in a condensed state inhibits the cell's replication proteins contact with the DNA. Thus the introduction of silver nanoparticles inhibits replication and is sufficient to cause the death of the cell. Further increasing their effect, when silver comes in contact with fluids, it tends to ionize which increases the nanoparticles bactericidal activity. [76] This has been correlated to the suppression of enzymes and inhibited expression of proteins that relate to the cell's ability to produce ATP. [77]

Although it varies for every type of cell proposed, as their cell membrane composition varies greatly, It has been seen that in general, silver nano particles with an average size of 10 nm or less show electronic effects that greatly increase their bactericidal activity. [78] This could also be partly due to the fact that as particle size decreases, reactivity increases due to the surface area to volume ratio increasing. [ Cita requerida ]

It has been noted that the introduction of silver nano particles has shown to have synergistic activity with common antibiotics already used today, such as; penicillin G , ampicillin , erythromycin , clindamycin , and vancomycin against E. coli and S. aureus. [79] In medical equipment, it has been shown that silver nano particles drastically lower the bacterial count on devices used. However, the problem arises when the procedure is over and a new one must be done. In the process of washing the instruments a large portion of the silver nano particles become less effective due to the loss of silver ions . They are more commonly used in skin grafts for burn victims as the silver nano particles embedded with the graft provide better antimicrobial activity and result in significantly less scarring of the victim. They also show promising application as water treatment method to form clean potable water. [80]

Silver nanoparticles can prevent bacteria from growing on or adhering to the surface. This can be especially useful in surgical settings where all surfaces in contact with the patient must be sterile. Interestingly, silver nanoparticles can be incorporated on many types of surfaces including metals, plastic, and glass. [81] In medical equipment, it has been shown that silver nano particles lower the bacterial count on devices used compared to old techniques. However, the problem arises when the procedure is over and a new one must be done. In the process of washing the instruments a large portion of the silver nano particles become less effective due to the loss of silver ions . They are more commonly used in skin grafts for burn victims as the silver nano particles embedded with the graft provide better antimicrobial activity and result in significantly less scarring of the victim.These new applications are direct decedents of older practices that used silver nitrate to treat conditions such as skin ulcers. Now, silver nanoparticles are used in bandages and patches to help heal certain burns and wounds. [82]

They also show promising application as water treatment method to form clean potable water. [80] This doesn't sound like much, but water contains numerous diseases and some parts of the world do not have the luxury of clean water, or any at all. It wasn't new to use silver for removing microbes, but this experiment used the carbonate in water to make microbes even more vulnerable to silver. [83] First the scientists of the experiment use the nanopaticles to remove certain pesticides from the water, ones that prove fatal to people if ingested. Several other tests have shown that the silver nanoparticles were capable of removing certain ions in water as well, like iron, lead, and arsenic. But that is not the only reason why the silver nanoparticles are so appealing, they do not require any external force (no electricity of hydrolics) for the reaction to occur. [84]

Consumer Goods [ edit ]

Household applications [ edit ]

There are instances in which silver nanoparticles and colloidal silver are used in consumer goods. Samsung and LG are two major tech companies planning to use antibacterial properties of silver nanoparticles in a multitude of appliances such as air conditioners, washing machines, and refrigerators. [85] For example, both companies claim that the use of silver nanoparticles in washing machines would help to sterilize clothes and water during the washing and rinsing functions, and allow clothes to be cleaned without the need for hot water. [85] [86] The nanoparticles in these appliances are synthesized using electrolysis . Through electrolysis, silver is extracted from metal plates and then turned into silver nanoparticles by a reduction agent. [87] This method avoids the drying, cleaning and re-dispersion processes, which are generally required with alternative colloidal synthesis methods. [87] Importantly, the electrolysis strategy also decreases the production cost of Ag nanoparticles, making these washing machines more affordable to manufacture. [88] Samsung has described the system:

[A] grapefruit-sized device alongside the [washer] tub uses electrical currents to nanoshave two silver plates the size of large chewing gum sticks. Resulting in positively charged silver atoms-silver ions (Ag+)-are injected into the tub during the wash cycle. [88]

It is important to note that Samsung's description of the Ag nanoparticle generating process seems to contradict its advertisement of silver nanoparticles. Instead, the statement indicates that laundry cycles. [87] [88] When clothes are run through the cycle, the intended mode of action is that bacteria contained in the water are sterilized as they interact with the silver present in the washing tub. [86] [88] As a result, these washing machines can provide antibacterial and sterilization benefits on top of conventional washing methods. Samsung has commented on the lifetime of these silver-containing washing machines. The electrolysis of silver generates over 400 billion silver ions during each wash cycle. Given the size of the silver source (two “gum-sized” plate of Ag), Samsung estimates that these plates can last up to 3000 wash cycles. [88]

These plans by Samsung and LG are not overlooked by regulatory agencies. Agencies investigating LG's nanoparticle use include but are not limited to: the US FDA , US EPA , SIAA of Japan, and Korea's Testing and Research Institute for Chemical Industry and FITI Testing & Research Institute. [86] These various agencies plan to regulate silver nanoparticles in appliances. [86] These washing machines are some of the first cases in which the EPA has sought to regulate nanoparticles in consumer goods. LG and Samsung state that the silver gets washed away in the sewer and regulatory agencies worry over what that means for wastewater treatment streams. [88] Currently, the EPA classifies silver nanoparticles as pesticides due to their use as antimicrobial agents in wastewater purification. [85] The washing machines being developed by LG and Samsung do contain a pesticide and have to be registered and tested for safety under the law, particularly the US Federal insecticide, fungicide and rodenticide act. [85] The difficulty, however behind regulating nanotechnology in this manner is that there is no distinct way to measure toxicity. Tim Harper, CEO of nanotechnology consultants Cientifica, explained, "we don't really have the science to prove anything one way or another". [85] The example of these washing machines demonstrates that while nanotechnology using silver nanoparticles in commercial appliances is showing promise, ways to measure toxicity and health hazards to humans, bacteria, or the environment will continue to be hurdle for nanoparticle technology implementation.

Safety [ edit ]

Although silver nanoparticles are widely used in a variety of commercial products, there has only recently been a major effort to study their effects on human health. There have been several studies that describe the in vitro toxicity of silver nanoparticles to a variety of different organs, including the lung, liver, skin, brain, and reproductive organs. [89] The mechanism of the toxicity of silver nanoparticles to human cells appears to be derived from oxidative stress and inflammation that is caused by the generation of reactive oxygen species (ROS) stimulated by either the Ag NPs, Ag ions, or both. [90] [91] [92] [93] [94] For example, Park et al. showed that exposure of a mouse peritoneal macrophage cell line (RAW267.7) to silver nanoparticles decreased the cell viability in a concentration- and time-dependent manner. [93] They further showed that the intracellular reduced glutathionine (GSH), which is a ROS scavenger, decreased to 81.4% of the control group of silver nanoparticles at 1.6 ppm. [93]

Modes of toxicity [ edit ]

Since silver nanoparticles undergo dissolution releasing silver ions, [95] which is well-documented to have toxic effects, [94] [95] [96] there have been several studies that have been conducted to determine whether the toxicity of silver nanoparticles is derived from the release of silver ions or from the nanoparticle itself. Several studies suggest that the toxicity of silver nanoparticles is attributed to their release of silver ions in cells as both silver nanoparticles and silver ions have been reported to have similar cytotoxicity. [92] [93] [97] [98] For example, In some cases it is reported that silver nanoparticles facilitate the release of toxic free silver ions in cells via a "Trojan-horse type mechanism," where the particle enters cells and is then ionized within the cell. [93] However, there have been reports that suggest that a combination of silver nanoparticles and ions is responsible for the toxic effect of silver nanoparticles. Navarro et al. using cysteine ligands as a tool to measure the concentration of free silver in solution, determined that although initially silver ions were 18 times more likely to inhibit the photosynthesis of an algae, Chlamydomanas reinhardtii, but after 2 hours of incubation it was revealed that the algae containing silver nanoparticles were more toxic than just silver ions alone. [99] Furthermore, there are studies that suggest that silver nanoparticles induce toxicity independent of free silver ions. [94] [100] [101] For example, Asharani et al. compared phenotypic defects observed in zebrafish treated with silver nanoparticles and silver ions and determined that the phenotypic defects observed with silver nanoparticle treatment was not observed with silver ion-treated embryos, suggesting that the toxicity of silver nanoparticles are independent of silver ions. [101]

Protein channels and nuclear membrane pores can often be in the size range of 9 nm to 10 nm in diameter. [94] Small silver nanoparticles constructed of this size have the ability to not only pass through the membrane to interact with internal structures but also to be become lodged within the membrane. [94] Silver nanoparticle depositions in the membrane can impact regulation of solutes, exchange of proteins and cell recognition. [94] Exposure to silver nanoparticles has been associated with "inflammatory, oxidative, genotoxic, and cytotoxic consequences"; the silver particulates primarily accumulate in the liver. [102] but have also been shown to be toxic in other organs including the brain. [103] Nano-silver applied to tissue-cultured human cells leads to the formation of free radicals, raising concerns of potential health risks. [104]

  • Allergic reaction: There have been several studies conducted that show a precedence for allerginicity of silver nanoparticles. [105] [106]

  • Argyria and staining: Ingested silver or silver compounds, including colloidal silver , can cause a condition called argyria , a discoloration of the skin and organs.In 2006, there was a case study of a 17-year-old man, who sustained burns to 30% of his body, and experienced a temporary bluish-grey hue after several days of treatment with Acticoat, a brand of wound dressing containing silver nanoparticles. [107] Argyria is the deposition of silver in deep tissues, a condition that cannot happen on a temporary basis, raising the question of whether the cause of the man's discoloration was argyria or even a result of the silver treatment. [108] Silver dressings are known to cause a “transient discoloration” that dissipates in 2–14 days, but not a permanent discoloration. [ Cita requerida ]

  • Silzone heart valve: St. Jude Medical released a mechanical heart valve with a silver coated sewing cuff (coated using ion beam-assisted deposition) in 1997. [109] The valve was designed to reduce the instances of endocarditis . The valve was approved for sale in Canada, Europe, the United States, and most other markets around the world. In a post-commercialization study, researchers showed that the valve prevented tissue ingrowth, created paravalvular leakage, valve loosening, and in the worst cases explantation. After 3 years on the market and 36,000 implants, St. Jude discontinued and voluntarily recalled the valve.


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