Resumen: Funcionalización de dicalcogenuros de metal de transición (TMDC) 2D para aplicaciones biomédicas

Universidad de Caldas
Facultad de Ingeniería
Ingeniería en Sistemas y Computación
Fundamentos de Ingeniería Biomédica

“Resumen: Funcionalización de dicalcogenuros de metal de transición (TMDC) 2D para aplicaciones biomédicas”

Diana Rocío Varón
Docente

Luis Miguel Benavides Trejos
1701321107
Estudiante

Manizales, 12 de Mayo de 2018

Introducción

Los materiales bidimensionales (2D) han recibido mucha atención desde el documento seminal sobre el grafeno en 2004. Los esfuerzos intensivos de la academia y la industria se han colocado en la investigación de estos materiales debido a sus posibles aplicaciones en diversos campos, como la nanoelectrónica, almacenamiento de energía, optoelectrónica y en sistemas biológicos. En particular, debido a su compatibilidad con materiales biomédicos existentes y baja citotoxicidad, junto con propiedades físicas y electrónicas superiores, una clase de materiales 2D, los TMDC se consideran candidatos potenciales para aplicaciones en biotecnología. Recientemente, los TMDC han visto una mayor absorción en una variedad de aplicaciones biomédicas, tales como agentes de administración de fármacos, productos terapéuticos, elementos de bioimagen y biosensores.

Propiedades básicas de los TMDCs

Debido a su característica planar de dos dimensiones, los TMDC exhiben una gran relación superficie-volumen que acomoda el acceso directo para la funcionalización de grandes áreas. El área de superficie relativamente grande también permite la interacción máxima con el biomaterial objetivo para una mayor eficacia, así como la sensibilidad en el caso de la detección y la formación de imágenes.

Los TMDC son semiconductores y poseen un espacio de banda electrónico que aumenta con espesores decrecientes. Unido a las considerables movilidades del transportador de carga, permite que los TMDC se usen en transistores de efecto de campo como biosensores donde los cambios en la conductancia cuando se exponen al analito objetivo permiten el control de sus concentraciones. En comparación con el grafeno, que no tiene una banda prohibida electrónica, se pueden alcanzar sensibilidades más altas debido a una mayor relación de encendido / apagado actual que mejora la relación señal / ruido (SNR).

Debido a su estructura de banda electrónica, los TMDC también muestran una fuerte absorción óptica en la región infrarroja cercana (N 800 nm), más alta que la del óxido de grafeno y su coeficiente de extinción también es mejor que el de las nano varillas de oro. Estas propiedades permiten que los TMDC sean agentes foto térmicos eficientes para su uso en el suministro de fármacos o con fines terapéuticos, ya que los láseres NIR pueden penetrar eficazmente a través de tejidos con una profundidad de varios centímetros mientras tienen una baja absorción de tejido.

Síntesis de los TMDCs 2D

Los TMDC 2D se pueden producir a través de medios descendentes y ascendentes.

 En los procesos descendentes, se pueden fabricar reduciendo los cristales de TMDC a granel a sus capas constituyentes. El método más comúnmente utilizado es la exfoliación mecánica, en la que se utiliza una cinta adhesiva para despegar capas finas de TMDC y depositarlas en la superficie deseada. La calidad del cristal del material producido como tal es la más alta, pero está muy limitada por la aleatoriedad en el grosor de los copos que se pueden obtener, así como por su bajo rendimiento, lo que evita la posible ampliación. Sin embargo, los TMDC 2D obtenidos de esta manera son adecuados como sensores de chip debido a su mayor sensibilidad a las perturbaciones ambientales en virtud de su buena calidad electrónica y física.

Las técnicas ascendentes para el crecimiento de TMDC 2D incluyen la deposición de vapor químico (CVD) en la que los polvos sólidos que contienen los elementos presentes en el TMDC se evaporan térmicamente y experimentan una reacción química sobre una superficie sólida para formar la capa TMDC deseada en un horno a altas temperaturas. Otras técnicas de abajo hacia arriba incluyen la introducción de vapor de calógeno para reaccionar con películas metálicas depositadas. Los TMDC 2D producidos a partir de enfoques ascendentes o mecánicos se usan normalmente en aplicaciones de diagnóstico externas en lugar de in vivo ya que las capas producidas son mucho más grandes y se forman en sustratos sólidos, a diferencia de la exfoliación líquida donde los productos formados están en solución.

Todos los métodos de fabricación mencionados anteriormente tienen sus inconvenientes y ventajas individuales. La elección del método depende del sistema particular en el que se aplica el TMDC 2D. Los factores de consideración incluyen los costos, la cantidad / área requerida, el nivel deseado de calidad del cristal, la bio-compatibilidad, las modificaciones específicas del nano material requerido y el entorno eventual en el que se colocaría el material.

Funcionalización de TMDC para aplicaciones biomédicas

Los TMDC atómicamente delgados poseen una amplia gama de propiedades útiles tales como alta respuesta foto térmica, fluorescencia y conductividad moderada que pueden explotarse para una gama de aplicaciones biomédicas. Sin embargo, estos materiales no son intrínsecamente bio-compatibles y requieren funcionalización adicional si se van a incorporar a los sistemas biológicos. Además, puede requerirse una mayor funcionalización para mejorar su sensibilidad como herramienta de diagnóstico o para dotar a los TMDC de capacidades adicionales tales como administración de fármacos, detección de ADN o imágenes de contraste. Debido a su gran relación superficie / volumen, la funcionalización de TMDC es relativamente sencilla y puede ser no covalente o covalente.

La funcionalización no covalente a menudo se lleva a cabo en TMDC cuando mantener las propiedades intrínsecas del TMDC 2D es esencial o la eliminación de los grupos funcionales del TMDC es parte del mecanismo de diagnóstico / entrega. Dicha funcionalización generalmente implica la fisisorción de la sonda deseada o portadores del fármaco sobre la superficie basal relativamente grande del TMDC, lo que permite la carga máxima así como la interacción con el entorno circundante.

La funcionalización covalente implica la formación de enlaces químicos del grupo químico que se funcionalizará en la superficie del TMDC. Esto puede tener lugar a través de procesos de reacción específicos, como la química de tiol para el caso de TMDC basados ​​en azufre [61,62]. Tal enlace covalente generalmente se requiere para anclar firmemente los grupos funcionales en la superficie de TMDC así como para alterar las propiedades físicas / electrónicas de los TMDC. Estas modificaciones dependen del material funcional que se introduce en el TMDC.

...