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Escuela de Nanociencia y Nanotecnología 2023 –  Sensores y Dispositivos Cuánticos: Microfabricación y Caracterización

Unos de los temas a tratar en la Dr. Félix Bussières, Id Quantique (Ginebra-Suiza). Detectores de fotones únicos utilizando nanohilos superconductores (SNSPD).

Un detector de fotones únicos (SPD) es un dispositivo que puede detectar un solo fotón de luz,

se utilizan en una variedad de aplicaciones, incluyendo la comunicación cuántica,

la criptografía cuántica y la computación cuántica.

Los SPD basados en nanohilos superconductores (SNSPD) son un tipo de SPD que se ha vuelto cada vez más popular

en los últimos años. Los SNSPD son pequeños y eficientes, y pueden ser fabricados en una variedad de formas y tamaños.

Esto los hace ideales para una variedad de aplicaciones, incluyendo la detección de fotones individuales en entornos ruidosos.

,funcionan utilizando un fenómeno llamado efecto Josephson. El efecto Josephson es una corriente eléctrica que puede fluir a través de un pequeño espacio entre dos conductores superconductores. Cuando un fotón golpea un SNSPD, puede romper el efecto Josephson, lo que da como resultado una señal eléctrica. Esta señal eléctrica puede entonces ser amplificada y detectada por un circuito.

,son una tecnología relativamente nueva, pero tienen el potencial de revolucionar la forma en que interactuamos con la luz. Los SPD basados en nanohilos superconductores pueden permitir la creación de nuevos dispositivos de comunicación cuántica, criptografía cuántica y computación cuántica que son más pequeños, más eficientes y más seguros que los dispositivos actuales.

Estos son algunos beneficios de los SPD basados en nanohilos superconductores:

Son pequeños y ligeros, lo que los hace ideales para aplicaciones portátiles.

Son eficientes, lo que significa que pueden detectar un solo fotón de luz con una alta probabilidad.

Tienen un bajo ruido, lo que significa que pueden detectar fotones individuales en entornos ruidosos.

Son robustos, lo que significa que pueden funcionar en una variedad de condiciones ambientales.

Algunas aplicaciones prácticas de los detectores de fotones únicos (SPD) basados en nanohilos superconductores (SNSPD):

Comunicación cuántica: se pueden utilizar para crear redes de comunicación cuántica,

que son redes de comunicaciones que utilizan el principio de la mecánica cuántica para transmitir información.

Las redes de comunicación cuántica son más seguras que las redes de comunicación tradicionales,

ya que son más difíciles de interceptar.

Criptografía cuántica: para crear sistemas de criptografía cuántica,

que son sistemas de criptografía que utilizan el principio de la mecánica cuántica para cifrar información.

Los sistemas de criptografía cuántica son más seguros que los sistemas de criptografía tradicionales,

ya que son más difíciles de descifrar.

Cómputo cuántico: tambien son de uso para crear computadoras cuánticas, que son computadoras que utilizan el principio

de la mecánica cuántica para realizar cálculos. Las computadoras cuánticas son más poderosas que las computadoras

tradicionales, ya que pueden resolver problemas que son imposibles de resolver con computadoras tradicionales.

Medicina: También para nuevas tecnologías de diagnóstico y tratamiento médico.

Por ejemplo,nuevas tecnologías de imágenes médicas que pueden detectar enfermedades a un nivel temprano.

Ciencia: Por ejemplo, los SPD se pueden utilizar para estudiar la interacción de la luz con la materia a un nivel fundamental.

se utilizan actualmente en una variedad de aplicaciones médicas, incluyendo:

Diagnóstico: imágenes médicas que pueden detectar enfermedades a un nivel temprano.

Por ejemplo, los SNSPD se pueden utilizar para crear cámaras de resonancia magnética (MRI) que son más sensibles

que las cámaras MRI tradicionales. Esto podría permitir a los médicos detectar tumores y otras enfermedades a un nivel temprano, cuando son más fáciles de tratar.

Tratamiento: Terapia médica que pueden apuntar a células cancerosas con mayor precisión que las terapias tradicionales. Por ejemplo, se pueden utilizar para crear sistemas de fototerapia que pueden utilizar luz para matar células cancerosas. Esto podría permitir a los médicos tratar el cáncer con menos efectos secundarios que las terapias tradicionales.

Rehabilitación: Nuevas tecnologías de rehabilitación que pueden ayudar a las personas con discapacidades a recuperar la función. Por ejemplo, sistemas de estimulación nerviosa que pueden ayudar a las personas con parálisis a recuperar el movimiento. Esto podría permitir a las personas con discapacidades vivir vidas más independientes

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Nano

Nanoporos autoensamblados detectan en tiempo real las proteínas del Parkinson y la ELA

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Un equipo con participación de la Universidad Constructor (Alemania) publicó en Nature Nanotechnology el desarrollo de nanoporos flexibles y autoensamblados capaces de detectar trazas de proteínas asociadas a enfermedades neurodegenerativas como el Parkinson y la esclerosis lateral amiotrófica (ELA), con resolución de una sola molécula y seguimiento en tiempo real del proceso de agregación tóxica de esas proteínas. El dispositivo consiste en un péptido diseñado que se autoensambla en nanoporos octaméricos con estructura alfa-helicoidal, con diámetros y niveles de conductancia ajustables según la aplicación.

La capacidad de programar el diámetro del poro es lo que permite a los investigadores calibrar el dispositivo para detectar biomarcadores específicos de distinto tamaño molecular, algo que los nanoporos de estructura fija utilizados hasta ahora en secuenciación de ADN no logran con la misma flexibilidad. Al operar a resolución de molécula individual, el sistema puede en teoría identificar señales de enfermedad mucho antes de que los síntomas clínicos se manifiesten, un objetivo central de la medicina de precisión aplicada a enfermedades neurodegenerativas donde el diagnóstico temprano determina en gran medida el pronóstico del paciente.

El desarrollo se inscribe en una ola más amplia de avances en nanoporos publicados durante agosto, que incluyó también nanosensores de platino aplicados a electroencefalografía y plataformas de electrónica de piel de espesor nanométrico. La convergencia de estas tecnologías refleja un giro de la nanotecnología médica hacia dispositivos que no solo entregan fármacos, sino que también sensan y diagnostican con una sensibilidad que hasta hace pocos años solo era posible en laboratorios altamente especializados.

Para pacientes con antecedentes familiares de Parkinson o ELA, o para quienes ya muestran síntomas leves e inespecíficos, contar con una prueba capaz de detectar proteínas tóxicas en etapas muy tempranas podría cambiar por completo la ventana de intervención terapéutica disponible, incluso antes de que existan tratamientos capaces de revertir el daño neurológico ya instalado. El desafío que sigue pendiente es trasladar esta sensibilidad de laboratorio a un formato de diagnóstico clínico validado, reproducible y accesible fuera de los centros de investigación donde se desarrolló.

Fuentes: Nature Nanotechnology (Nature Portfolio): https://www.nature.com/subjects/nanobiotechnology Nanowerk: https://nanowerk.com/nanotechnology-news3/newsid=70129.php

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Nano

Una nanojeringa de origami de ADN perfora y sella membranas celulares a voluntad

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Un equipo de investigadores publicó en Nature Nanotechnology el desarrollo de una nanojeringa construida con la técnica de origami de ADN, capaz de perforar de forma reversible membranas lipídicas y entregar carga molecular dentro de compartimentos sintéticos que imitan células. El dispositivo se mueve en pasos de aproximadamente 14 nanómetros mediante actuación mecánica impulsada por hebras de ADN que funcionan como combustible molecular, inspirado en los sistemas de inyección por contracción que usan ciertas bacterias para atacar a otras células.

La estructura combina dos haces de origami de ADN de unos 70 nanómetros, unidos por una nanopartícula de oro de unos 10 nanómetros: uno de los haces forma una base de anclaje a la membrana modificada con colesterol, mientras que el otro actúa como aguja deslizante impulsada por el combustible de ADN. Cuatro filas de «puntos de apoyo» (footholds) de ADN, orientados en sentidos opuestos y espaciados cada 7 nanómetros, permiten que la nanopartícula de oro se desplace de forma controlada: hebras bloqueadoras liberan puntos ocupados y hebras removedoras reactivan puntos previamente desactivados, logrando una eficiencia de ensamblaje cercana al 91%. En sus pruebas, el equipo demostró que el dispositivo puede desencadenar reacciones de hibridación en cadena localizadas en la membrana, transcripción de ARN y escisión catalítica de ARN dentro de vesículas del tamaño de una célula.

El avance se enmarca en un campo, la nanobiotecnología basada en ADN, que evolucionó en poco más de una década desde ser una curiosidad estructural hasta convertirse en una de las plataformas de ingeniería más precisas de la biotecnología moderna. A diferencia de otros sistemas de entrega molecular que dependen de nanopartículas pasivas, esta nanojeringa transforma el andamiaje de ADN en una máquina mecánicamente activa capaz de interactuar de forma dinámica con membranas biológicas, abriendo una vía distinta a la de los sistemas lipídicos que hoy dominan la entrega de fármacos de ARN mensajero.

La relevancia para la medicina del futuro está en la posibilidad de programar con precisión nanométrica cuándo, dónde y con qué intensidad se libera una molécula terapéutica dentro de un tejido, algo que los métodos actuales de entrega de fármacos logran solo de manera aproximada. Antes de que esta tecnología llegue a aplicaciones clínicas todavía restan años de trabajo para escalar su producción y validar su seguridad en organismos completos, pero el hecho de que el dispositivo funcione de forma reversible —perforando y luego resellando la membrana sin dañarla— sugiere una hoja de ruta razonable hacia terapias de entrega dirigida mucho más controladas que las actuales.

Fuentes: Nature Nanotechnology: https://www.nature.com/articles/s41565-026-02249-3 AzoNano: https://www.azonano.com/news.aspx?newsID=41796

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Nano

Una plataforma nanoscópica tragable logra atravesar el estómago para entregar enzimas terapéuticas

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Investigadores de la Facultad de Medicina Yong Loo Lin de la Universidad Nacional de Singapur (NUS Medicine) desarrollaron una plataforma de administración a escala nanométrica, diseñada para ser tragada y transportar enzimas terapéuticas a través del ambiente ácido del estómago sin que estas pierdan su actividad biológica antes de llegar a su destino en el organismo.

El desafío técnico que resuelve este desarrollo es central para toda la industria de biológicos orales: las enzimas y otras proteínas terapéuticas suelen degradarse rápidamente en el ambiente ácido del estómago, lo que obliga hoy a administrar la enorme mayoría de estos tratamientos mediante inyecciones. Una plataforma nanoscópica capaz de proteger la carga terapéutica durante el tránsito digestivo y liberarla de forma controlada en el punto correcto del tracto gastrointestinal podría abrir la puerta a versiones orales de tratamientos que actualmente requieren inyección.

Para la industria farmacéutica, el impacto potencial es significativo: sustituir una inyección por una cápsula tragable reduce drásticamente la carga de tratamiento para pacientes con enfermedades crónicas que requieren dosis regulares de enzimas, mejora la adherencia terapéutica y simplifica la logística de distribución en sistemas de salud con recursos limitados, donde mantener la cadena de frío para biológicos inyectables resulta costoso y complejo.

De cara al paciente, la promesa de fondo es la de una medicina menos invasiva para condiciones que hoy exigen inyecciones frecuentes, desde deficiencias enzimáticas hereditarias hasta ciertos tratamientos oncológicos y metabólicos. El desarrollo se suma a una ola más amplia de nanomedicina orientada a resolver el problema de la administración de fármacos biológicos, un campo en el que distintos laboratorios vienen compitiendo por lograr que tratamientos hoy inyectables se puedan tomar por boca sin perder eficacia clínica.

Fuentes al pie:
Nanowerk: https://www.nanowerk.com/
Nanotechnology News: https://phys.org/nanotech-news/

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