Un equipo formado por investigadores de los Departamentos de Química Física y Analítica (Juan Andrés Bort); Química Inorgánica y Orgánica (Eloísa Cordoncillo y Héctor Beltrán) y Física (Gladys Mínguez) de la Universitat Jaume I de Castellón (UJI) en colaboración con el Centro de Desarrollo de Materiales Funcionales (CDMF), Centro de Investigación, Innovación y Difusión (CEPID) de la FAPESP con sede en la Universidad Federal de São Carlos (UFSCar), en Brasil, dirigido por el profesor Elson Longo, han desarrollado un nuevo material con propiedades antifúngicas y antitumorales.
El compuesto se ha obtenido a partir de una muestra de un óxido mixto de wolframio y plata (α-Ag2WO4) irradiado con electrones y con haces de láseres con pulsos a una escala de femtosegundos (milbillonésimas de segundos) en la cual ocurren las reacciones químicas, con intercambios de electrones entre átomos y moléculas, y cuyos resultados se han publicado en un artículo en la revista la revista Scientific Reports del grupo Nature en 2019.
El uso cada vez mayor de semiconductores ha desencadenado una oleada de desarrollo de nuevos materiales con una amplia gama de aplicaciones tecnológicas. En particular, una de las familias de semiconductores que más ha llamado la atención de los investigadores en el área de Ciencia de Materiales es la de los óxidos mixtos que contienen wolframio en su composición.
Dentro de esta familia, el óxido mixto de wolframio y plata es un material inorgánico con aplicaciones en fotocatalizadores y fotointerruptores, o como alternativa a los semiconductores convencionales de banda ancha. Este compuesto y sus polimorfos ha sido el foco de diferentes estudios teóricos y experimentales desde hace más de cinco años, dentro de un amplio proyecto de investigación entre la UJI y el CDMF-CEPID.
«La plata es un elemento químico que a escala nano es capaz de aumentar las propiedades bactericidas con respecto al óxido mixto de wolframio y plata sin irradiar. Lo notable ha sido que tras la irradiación con electrones o laser de femtosegundo, y la producción de los filamentos de plata, el compuesto modificado pasó a exhibir una acción antibactericida hasta 32 veces más eficaz que la anterior a la irradiación», ha explicado el profesor Longo.
La acción antifúngica del óxido mixto irradiado también se ha verificado en placas de Petri con cultivos del hongo candida albicans, que causa la infección llamada candidiasis. Como ya se conocía la cantidad mínima del óxido mixto de wolframio y plata capaz de eliminar un cultivo de ese hongo, el equipo investigador aplicó la misma cantidad del compuesto modificado sobre el cultivo. El resultado que se observó fue análogo. Luego disminuyeron a la mitad el volumen de la sustancia y repitieron el experimento, eliminando nuevamente los hongos.
Para verificar la acción antitumoral del compuesto se utilizaron células tumorales de carcinoma de vejiga en ratas expuestas durante 24 horas a distintas concentraciones del compuesto. Los resultados mostraron una disminución significativa de la viabilidad celular, y el mejor resultado se obtuvo con la concentración de 11,58 µg ml, en la cual se observó una disminución del 80% en la viabilidad de las células del carcinoma de vejiga.
Tras constatar las propiedades antifúngicas y antitumorales del nuevo compuesto, los investigadores de la UJI y CDMF-CEPID han estudiado su seguridad en un eventual uso en pacientes humanos. Se analizaron cuatro concentraciones del compuesto irradiado del óxido mixto de wolframio y plata, que se ubicaban en la franja de excelente actividad fungicida (de 3,9 μg/ ml a 31,2 μg/ ml), en linajes celulares de fibroblastos gingivales humanos.
Después de 24 horas de incubación, se evaluaron los efectos de los compuestos sobre la viabilidad celular, sobre la proliferación celular y sobre la morfología celular mediante el ensayo fluorimétrico cuantitativo y con microscopía confocal láser de barrido, respectivamente. «Los resultados demostraron que no hubo una pérdida estadísticamente significativa de la viabilidad celular para esas concentraciones, lo cual revela que el compuesto no reviste riesgos para la salud», ha comentado el equipo investigador.
Dualidad Onda-Partícula
Esta investigación puede considerarse como un ejemplo claro de investigación fundamental, ya que ha confirmado y demostrado tanto teórica como experimentalmente una de las bases de la mecánica cuántica, la dualidad onda-partícula.
Se trata de una propiedad fundamental de la materia descrita por el físico francés Louis-Victor de Broglie en el año 1924 y merecedora de un Nobel de Física en 1929, según la cual los electrones pueden comportarse como partículas o como ondas dependiendo del experimento.
«Durante nueve décadas esa dualidad ha sido observada en numerosos experimentos científicos, pero aún no se había demostrado en términos experimentales mediante el empleo de haces de partículas [en este caso, electrones] y haces de ondas [láseres] para la obtención de alteraciones idénticas en compuestos materiales», explica el profesor Longo y «cuando nos percatamos que la irradiación con electrones hacía que surgieran los filamentos de nanopartículas de plata en el wolframato de plata, decidimos investigar si no podría obtenerse ese mismo resultado aplicando haces de láser en lugar de la irradiación de electrones y comprobamos experimentalmente la dualidad onda-partícula que De Broglie propuso hace 95 años» concluye Longo.
La literatura científica actual muestra que existe una utilización cada vez mayor tanto de las técnicas de microscopía avanzadas, que involucran irradiación de electrones, como de láseres de femtosegundos en el procesamiento de materiales para la obtención de nuevos compuestos con propiedades altamente atrayentes y que aportan avances tecnológicos. «Durante el proceso de irradiación con electrones y láser, se introduce un desorden electrónico y estructural en el óxido mixto de wolframio y plata, que cumple un importante papel en la nucleación y en el crecimiento de filamentos de plata» explica el profesor Andrés.
En principio, la segregación de los átomos de plata debido a la irradiación de láseres en femtosegundos ocurriría de modo análogo, pero se produce de forma más rápida, debido a que un pulso de láser de femtosegundos es capaz de suministrar una potencia máxima en un lapso de tiempo sumamente corto.
«Debido a la diferente velocidad de segregación, se predijo teóricamente que la morfología obtenida de las nanopartículas de plata tendería a ser distinta bajo la radiación de haz de electrones que la obtenida cuando se irradia la muestra con radiación láser de femtosegundos», han comentado los autores.
Este hecho se ha confirmado experimentalmente. Al hacer incidir haces de láseres de femtosegundos en la superficie del óxido mixto se ha verificado análogamente la formación de filamentos de nanopartículas de plata con diferente morfología, y «así logramos obtener el mismo resultado que se había obtenido mediante la irradiación con electrones, lo que demuestra en la práctica la dualidad onda-partícula», indica Andrés.
Además los tres primeros artículos publicados en los años 2013 y 2014 en las revistas Scientific Reports y Journal of Physical Chemistry C han sido citados más de 280 veces. Por otra parte, el articulo Formation of Ag nanoparticles under electron beam irradiation: Atomistic origins from first-principles calculations, en la revista International Journal of Quantum Chemistry, ha sido uno de la artículos más descargados en la revistas del área de Química de la editorial Wiley en el año 2018.
Fruto también de esta colaboración internacional ha sido la aprobación de una patente internacional de Materiales basados en nanopartículas de plata con alta actividad antimicrobiana (BR 10 2019 015473).
Las investigaciones han sido financiadas por la Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo -FAPESP, FINEP-, Conselho Nacional de Desenvolvimento Cientifico e Tecnológico – CNPq y CAPES, Universitat Jaume I de Castellón, Generalitat Valenciana, y Ministerio de Economia y Competitividad de España.
