ES2308901A1

ES2308901A1 - Sistemas que contienen nanoparticulas magneticas y polimeros, como nanocomposites y ferrofluidos, y sus aplicaciones.

Info

Publication number: ES2308901A1
Application number: ES200602404A
Authority: ES
Inventors: Angel Millan Escolano; Fernando Palacio Parada; Gemma Ibarz Ric; Eva Natividad Blanco
Original assignee: Consejo Superior de Investigaciones Cientificas CSIC
Current assignee: Consejo Superior de Investigaciones Cientificas CSIC
Priority date: 2006-09-22
Filing date: 2006-09-22
Publication date: 2008-12-01
Anticipated expiration: 2026-09-22
Also published as: ES2308901B1; WO2008034675A1; EP2064274A1; JP2010504381A; US20120141602A1

Abstract

Sistemas que contienen nanopartículas magnéticas y polímeros, como nanocomposites y ferrofluidos, y sus aplicaciones. Sistema que comprende nanopartículas magnéticas de un óxido de metal y un polímero, que a su vez contiene monómeros con grupos funcionales diferentes. Dicho sistema puede ser sólido (nanocomposite), o líquido (ferrofluido). Procedimiento para la obtención del sistema, así como su uso, principalmente en aplicaciones biotecnológicas, veterinarias y médicas, como por ejemplo para el diagnóstico y tratamiento de enfermedades humanas.

Description

Sistemas que contienen nanopartículas magnéticas y polímeros, como nanocomposites y ferrofluidos, y sus aplicaciones.

Sector de la técnica

La presente invención se enmarca dentro del campo de nuevos materiales, en particular de sistemas de nano-partículas con propiedades magnéticas. Concretamente se dirige a sistemas que comprenden partículas de un óxido de metal, que comprende hierro, y un polímero orgánico, así como a procedimientos para su obtención y sus aplicaciones en distintos campos, entre ellos la biotecnología y, particularmente, la biomedicina.

Estado de la técnica

Desde hace algunas décadas las aplicaciones de las nanopartículas de óxidos de hierro y ferritas magnéticos, en forma sólida como nanocomposite o en forma de ferrofluido, se extienden a muchas áreas en la industria, y particularmente en farmacia, bioquímica y medicina [Popplewell J. Phys. Technol. 1984, 15, 150]. Su primera aplicación en este último campo fue como agentes de contraste en imagen por resonancia magnética (MRI) sobre los años 80 [Weissleder, R.; Papisov, M. Rev. Magn. Reson. Med. 1992, 4, 1]. Desde entonces, se han descrito una gran variedad de utilidades de estas nanopartículas en esta área [Moghimi, S. M.; Hunter, A. C.; Murray, J. C. Pharmacol. Rev. 2001, 53, 283] tales como administración dirigida de medicamentos [Brigger, I.; Dubernet, C.; Couvreur, P. Adv. Drug. Deliver. Rev. 2002, 54, 631], inmunoensayos [Lange, J.; Kötitz, R.; Haller, A.; Trahms, E; Semmler, W.; Weitschies, W. J. Magn. Magn. Mater. 2002, 252, 381], biología molecular [Bogoyevitch, M. A.; Kendrick, T. S.; Ng, D. C. H.; Barr, R. K. DNA Cell Biol. 2002, 21, 879], purificación de ácidos nucleicos (ADN) DNA [Uhlen, M. Nature 1989, 340, 733], separación celular [Safank, I.; Safankova, M. J. Chromatogr. B 1999, 722, 33], terapia mediante hipertermia [Jordan, A.; Scholz, R.; Maier-Hauff, K.; Johannsen, M.; Wust, P.; Nadobny, J.; Schirra, H.; Schmidt, H.; Deger, S.; Loening, S. J. Magn. Magn. Mater., 2001, 225, 118], y otras. En cuanto a sus aplicaciones industriales, se ha descrito su utilidad en grabación magnética [Veitch, R. J. IEEE Trans Magn 2001, 37, 1609], refrigeración magnética [Bisio, G.; Rubatto, G.; Schiapparelli, P. Energ. Convers. Manage. 1999, 40, 1267], impresión magnética [Meisen, U.; Kathrein, H. J. Imaging Sci. Techn 2000, 44, 508], tintas magnéticas [Manciu, F. S., Manciu, M.; Sen, S. J. Magn. Magn. Mater. 2000, 220, 285], lubricación y sellado en sistemas de vacío [Bhimani, Z.; Wilson, B. Ind. Lubr. Tribol. 1997, 49, 288], sistemas de amortiguación [Kamiyama, S.; Okamoto, K.; Oyama, T. Energ. Convers. Manage. 2002, 43, 281], sensores magnéticos [Crainic, M. S.; Schlett, Z. J. Magn. Magn. Mater. 2004, 268, 8], actuadores [Buioca, C. D.; Iusan, V.; Stanci, A.; Zoller, C. J. Magn. Magn. Mater. 2002, 252, 318], catálisis [Liao, M. H.; Chen, D. H. J. Mol. Catal. B-Enzym. 2002, 18, 81], recuperación de metales y purificación de aguas [Takafuji, M.; Ide, S.; Ihara, H.; Xu, Z. H. Chem. Mater. 2004, 16, 1977], membranas magnéticas [Sourty, E.; Ryan, D. H.; Marchessault, H. Cellulose 1998, 5, 5], inductores y antenas en tecnología de la comunicación [Korenivski, V. J. Magn. Magn. Mater. 2000, 215, 800], escudos magnéticos y absorción de microondas [Rozanov, K. N. IEEE Trans. Ant. Propagat. 2000, 48, 1230], materiales inteligentes [Chatterjee, J.; Haik, Y.; Chen, C. J. Colloid Polym. Sci. 2003, 281, 892], materiales magneto-conductores [Sunderland, K.; Brunetti, P.; Spinu, L.; Fang, J. Y.; Wang, Z. J.; Lu, W. G. Mater. Lett. 2004, 58, 3136], imanes transparentes [Vassiliou, J. K.; Mehrotra, V.; Otto, J. W.; Dollahon, N. R. Mater. Sci. Forum 1996, 225, 725], imanes luminiscentes [Wang, D. S.; He, J. B.; Rosenzweig, N.; and Rosenzweig, Z. Nano Lett. 2004, 4, 409], dispositivos magneto-ópticos [Redl, F. X.; Cho, K. S.; Murray, C. B.; O'Brien, C. B. Nature 2003, 423, 968], sistemas microelectricomecánicos [Brosseau, C.; Ben Youssef, J.; Talbot, P.; Konn, A. M. J. Appl. Phys. 2003, 93, 9243], y otras [Pileni, M. P. Adv. Funct. Mater. 2001, 11, 323]. Estas aplicaciones se basan en su alta superficie específica, en su capacidad para atravesar barreras biológicas, biocompatibilidad, capacidad de adsorción de iones, y principalmente en sus exclusivas propiedades magnéticas que sólo aparecen en el nivel nanométrico tales como superparamagnetismo, magnetorresistencia, anisotropía magnética, etc.

Una de las características más importantes de estos materiales es que sus propiedades varian extensamente con el tamaño [Iglesias, O.; Labarta, A. Phys. Rev. B, 2001, 63, 184416], desorden estructural interno [Serna, C. J.; Bodker, F.; Morup, S.; Morales, M. P.; Sandiumenge, F.; Veintemillas-Verdaguer, S. Solid State Comm. 2001, 118, 437], y estado de aereeación [Koutani. S.: Gavoille. G.: Gérardin. R. J. Main. Mach. Matter. 1993, 123, 175]. Por ejemplo, es bien conocido en el campo de la hipertermia que la absorción específica (specific absorption rate, SAR) para una frecuencia de alternancia e intensidad de campo determinados proviene de partículas en un rango de tamaños muy estrecho.

En imagen por resonancia magnética, las nanopartículas magnéticas funcionan mediante el cambio del tiempo de relajación en los tejidos adyacentes debido a interacciones magnéticas bipolares con los protones acuosos. La eficacia de un agente de contraste en resonancia magnética se mide por la relaxividad. La relaxividad se define como el incremento en la velocidad de relajación de protones inducido por el agente de contraste por unidad de concentración del agente de contraste. También en este caso la relaxividad está relacionada con el tamaño de partícula y resulta más homogénea si la distribución de tamaños es estrecha.

Otra de las características que determinan las propiedades magnéticas de las nanopartículas, es su forma. Por ejemplo, uno de los términos que contribuyen a la energía de anisotropía es la anisotropía de forma que es mayor en partículas alargadas que en las esféricas. Por lo tanto, es deseable desarrollar métodos para producir partículas de diferentes formas, y especialmente con formas alargadas. En consecuencia, uno de los requisitos fundamentales para la producción de nanopartículas magnéticas optimizadas como agentes de contaste e hipertérmicos es el control del tamaño, de la dispersión de tamaños y de la forma.

Además, para su uso en biomedicina, las nanopartículas magnéticas deben cumplir requisitos adicionales como dispersabilidad en agua y biocompatibilidad.

Se han descrito métodos para la producción de nanopartículas magnéticas monodispersas de óxido de hierro con tamaño variable basados en la descomposición de compuestos de coordinación de hierro en solventes orgánicos en presencia de surfactantes que consisten en una cadena hidrocarbonada terminada en un grupo polar. Sin embargo estas composiciones son inestables en medio acuoso. Una manera de solventar este problema consiste en la absorción de un segundo surfactante formando una bi-capa alrededor del núcleo magnético. Sin embargo, esta segunda capa de surfactante se desorbe con facilidad a no ser que esté ligada de forma covalente a la primera. Nanopartículas magnéticas recubiertas de bi-capas estables también se conocen [Shen, L.; Stachowiak, A.; Hatton, T. A.; Laibinis, P. E. Langmuir, 2000, 16, 9907] pero solo son estables a pH superior a 7.4. Por otra parte, para su aplicación en biomedicina, es preferible un método de preparación de nanopartículas que se realice en medio acuoso para favorecer procesos posteriores de funcionalización biológica. Se han descrito procedimientos de preparación de nanopartículas magnéticas en medio acuoso [US 4,329, 241, Massart]. Sin embargo, dichos métodos pueden dar problemas de agregación y no son muy competentes en el control del tamaño y la dispersión de tamaños.

Otra de las metodologías para controlar el crecimiento y la agregación de las partículas de óxido de hierro consiste en la precipitación in situ en una matriz polimérica. Se han utilizado una gran variedad de matrices poliméricas naturales, como dextrano [US 4,452, 773, Molday), proteínas [US 6,576, 221, Kresse], alginatos [Kroll, E, Winnik, F. M.; Ziolo, R. F. Chem. Mater. 1996, 8, 1594]; y polímeros sintéticos como poliestirenos funcionarizados [Ziolo, R. F.; Giannelis, E. P.; Weinstein, B A.; Ohoro, M. P.; Ganguly, B. N.; Mehrotra, V.; Russel, M. W.; Huffinan, D. R. Science, 1992, 257, 219], polipirrol [Bidan, G.; Jarjayes, O., Fruchart, J. M.; Hannecart, E. Adv Mater, 1994, 6, 152], polímeros fenólicos [Kommareddi, N. S.; Tata, M; John, V. T.; McPherson, G. L.; Herman, M. F.; Lee, Y. S.; OConnor, C. J.; Akkara, J. A.; Kaplan, D. L. Chem. Mater. 1996, 8, 801], polímeros de ácidos carboxílicos [WO05112758, Acad], copolímeros bloque [Sohn, B. H.; Cohen, R. E. Chem. Mater. 1997, 9, 264; Kim, J. Y.; Shin, D. H.; Ryu, J. H.; Choi, G. H.; Suh, K. D. J. Appl. Polym. Sci. 2004, 91, 3549], y otros [LesliePelecky, D. L.; Rieke, R. D. Chem. Mater. 1996, 8, 1770]. Una de las técnicas preferidas para aumentar la estabilidad del recubrimiento consiste en el entrecruzamiento de las cadenas poliméricas [WO03005029, Xu]. Sin embargo, estos métodos no ofrecen la posibilidad de variar sistemáticamente el tamaño de partícula, a menudo rinden distribuciones de tamaño anchas y en ocasiones no son estables en dispersión acuosa.

Otra característica deseable para usos biomédicos es evitar la reacción del sistema inmunológico contra las nanopartículas mediante recubrimientos que minimicen dicha respuesta para lograr altos tiempos de residencia de las nanopartículas en el organismo. También es deseable anclar a la superficie de las partículas moléculas biológicamente activas que permitan una localización específica o una funcionalidad biológica. En [US6514481, Prasad] se describen nanopartículas de óxido de hierro recubiertas de silica a la que se une un péptido mediante un espaciador y en [WO02098364, Pérez Manual] las nanopartículas de óxido de hierro están recubiertas de dextrano al que se anclan péptidos y oligonucleótidos.

Existe pues una demanda de procedimientos para producir nanopartículas biocompatibles con tamaño y forma variable, baja dispersión de tamaños, dispersables de forma estable y homogénea en medios fisiológicos, con recubrimientos que les permitan eludir el ataque del sistema inmunológico y con grupos funcionales en su superficie que permitan el anclaje de moléculas con una funcionalidad biológica. Pero sobre todo, existe una demanda de procedimientos que pueden responder a todas estas demandas simultáneamente. Es el objetivo de esta invención responder a esta demanda.

Breve descripción de la invención

Un aspecto de la presente invención se refiere a un sistema que comprende nanopartículas magnéticas de un óxido de metal que comprende hierro y un polímero (P) donde:

a): el polímero comprende un monómero (I) que contiene grupos funcionales activos capaces de interaccionar con iones metálicos mediante fuerzas de Coulomb, fuerzas de Van der Waals o enlaces de coordinación

b): la relación molar [Fe]/[monómero (I)] es 0.01-10,

c): las nanopartículas tienen una dispersión de tamaños menor del 15% del tamaño medio.

Según una variante, el sistema es sólido (nanocomposite) y según otra variante el sistema es líquido (ferrofluido).

Otra variante del sistema comprende un polímero (P) que además del monómero (I) comprende un monómero (II) que contiene grupos funcionales hidrofilicos.

De acuerdo con otra variante, el sistema comprende un polímero (P) que además de los monómeros (I) y (II) comprende un monómero (III) que contiene grupos funcionales capaces de anclar moléculas biológicamente activas.

Un segundo aspecto de la presente invención se refiere a un procedimiento para la obtención de un sistema que comprende nanopartículas magnéticas de un óxido de metal que comprende hierro y un polímero (P) tal como se ha definido, que comprende:

a): mezclar

a1): una disolución acuosa, opcionalmente en mezcla con solventes orgánicos, de un polímero (P) que comprende un monómero (I) que contiene grupos funcionales activos capaces de interaccionar con iones metálicos mediante fuerzas de coulomb, fuerzas de Van der Waals o enlaces de coordinación, con

a2): una disolución acuosa, opcionalmente en mezcla con solventes orgánicos que comprende por lo menos una sal de Fe donde la proporción molar [Fe]/[monómero (I)] es 0.01-10

b): adicionar una base en cantidad suficiente para llegar a pH 8-14.

Un tercer aspecto de la presente invención lo constituye el uso de un sistema líquido tal como se definió anteriormente que comprende nanopartículas magnéticas de un óxido de metal que comprende hierro y un polímero (P) tal como se ha definido, para refrigeración magnética, impresión magnética, tintas magnéticas, lubricación de rotores, transformadores eléctricos, solenoides de bajo nivel de ruido, conmutadores, fluidos magnetoreológicos, fibras magnéticamente activas, composites poliméricos reforzados, sellado en sistemas de vacío, sistemas de amortiguación, altavoces, sensores magnéticos, actuadores, catálisis, recuperación de metales y purificación de aguas, inductores y antenas en tecnología de la comunicación, escudos magnéticos y absorción de microondas, curado de polímeros, endurecimiento de resinas epoxy, calentamiento libre de contactos y aplicaciones biotecnológicas, veterinarias y médicas.

Descripción de las figuras

Figura 1.- Imagen de microscopía electrónica de transmisión de un corte de 40 nm de espesor de un nanocompuesto de maghemita elaborada de acuerdo con el Ejemplo 1 que contiene un 5% de hierro.

Figura 2.- Imagen de microscopía electrónica de transmisión de una muestra de nanocompuesto de maghemita elaborado de acuerdo con el Ejemplo 2 a partir de una proporción [Fe] [piridina] = 0.40 una vez machacado, dispersado en acetona, y depositado sobre una rejilla.

Figura 3.- Curvas de SAXS de una muestra de polímero (PVP) y una serie de nanocompuestos (S1, S2, S3, S4 y S5) de maghemita elaborados de acuerdo con el Ejemplo 2 después de prensarlos en pastillas de 0.1 mm de espesor.

Figura 4.- Representación de la variación del diámetro de partícula calculado a partir de curvas de SAXS mediante ajuste a una expresión de Guinier, en una serie de nanocompuestos de maghemita elaborado de acuerdo con el Ejemplo 2.

Figura 5.- Imagen de microscopía electrónica de transmisión de una muestra de nanocompuesto de maghemita en forma de bastón elaborado de acuerdo con el Ejemplo 3 a partir de un polímero de origen aniónico que contiene un 27,8% de hierro, una vez machacado, dispersado en acetona, y depositado sobre una rejilla.

Figura 6.- Imagen de microscopía electrónica de un ferrofluido de maghemita elaborado de acuerdo con el Ejemplo 4.

Figura 7.- Variación de la magnetización frente al campo en una serie de nanocompuestos de maghemita elaborados de acuerdo con el Ejemplo 2. Las líneas continuas corresponden a ajustes a una expresión de Langevin.

Figura 8.- Variación de la susceptibilidad magnética ac fuera de fase con la temperatura, para una frecuencia de alternancia de 10 Hz, en una serie de nanocompuestos de maghemita elaborados de acuerdo con el Ejemplo 2.

Figura 9.- Variación de la susceptibilidad magnética ac fuera de fase con la temperatura, para distintas frecuencias de alternancia, en un nanocompuesto de maghemita elaborado a partir de un polímero aniónico de acuerdo con el Ejemplo 3.

Figura 10.- Variación de la magnetización frente a la temperatura en el ferrofluido preparado en el Ejemplo 4, inmediatamente después de la preparación y un mes después de la preparación.

Descripción detallada de la invención

Los inventores han encontrado un sistema que comprende nanopartículas de un óxido de metal, que comprende hierro y un polímero que presenta una baja dispersión del tamaño medio de las partículas, donde la forma y el tamaño medio de las partículas pueden ser seleccionados durante el proceso de preparación. Dicho sistema se puede presentar bajo la forma de un sólido (nanocomposite) o un líquido (ferrofluido), pudiendo en este último caso ser adaptado para lograr una buena dispersabilidad. Cuando el sistema es para uso en aplicaciones biotecnológicas, en veterinaria y en medicina, también se puede modificar para obtener biocompatibilidad, eludir el ataque del sistema inmunológico y adicionar grupos funcionales que permitan el anclaje de moléculas con una funcionalidad biológica.

Un primer aspecto de la invención se refiere a un sistema de nanopartículas magnéticas que comprende nanopartículas magnéticas de un óxido de metal, que comprende hierro, y un polímero (P) donde:

a): el polímero comprende un monómero (I) que contiene grupos funcionales activos capaces de interaccionar con iones metálicos mediante fuerzas de Coulomb, fuerzas de Van der Waals o enlaces de coordinación,

b): la relación molar [Fe]/[monómero (I)] es 0.01-10,

Según una forma de realización de la invención en el sistema de nanopartículas el óxido de metal contiene Fe^{+2} y/o Fe^{+3}.

Una realización particular de la invención es el sistema de nanopartículas magnéticas en el que el óxido de metal, además de Fe, contiene un metal divalente, por ejemplo , Co^{2+}, Ni^{2+}, Mn^{2+}, Gd^{2+}, Be^{2+}, Mg^{2+},Ca^{2+}, Ba^{2+}.

Una realización más particular de la invención es el sistema de nanopartículas magnéticas en el que el óxido de metal comprende maghemita (\gamma-Fe_{2}O_{3}).

Otra realización particular de la invención es el sistema de nanopartículas magnéticas en el que el óxido de metal comprende magnetita (Fe_{3}O_{4}).

Otra realización particular de la invención es el sistema de nanopartículas magnéticas en el que el óxido de metal comprende ferrita MFe_{2}O_{4}, siendo M, Co^{2+}, Ni^{2+}, Mn^{2+}, Gd^{2+}, Be^{2+}, Mg^{2+}, Ca^{2+} ó Ba^{2+}.

Una realización particular de la invención es el sistema de nanopartículas magnéticas en el que el óxido de metal es ferrita de bario (BaFe_{2}O_{4}).

El polímero (P) puede ser un polímero orgánico o bien un polímero orgánico que contiene residuos inorgánicos tales como alcoxisililo, titanosililo u otros, unidos covalentemente a la cadena polimérica (polímero híbrido orgánico inorgánico).

De acuerdo con una forma de realización de la invención en el sistema de nanopartículas magnéticas el polímero (P) es un polímero orgánico.

De acuerdo con otra forma de realización de la invención en el sistema de nanopartículas magnéticas el polímero (P) es un polímero híbrido orgánico-inorgánico

Un aspecto de la invención comprende un polímero (P) que comprende un monómero (I) que contiene grupos funcionales activos capaces de interaccionar con iones metálicos mediante fuerzas de Coulomb, fuerzas de Van der Waals o enlaces de coordinación, por ejemplo grupos alcohol, alcóxido, carboxilo, anhídrido, fosfato, y/o fosfina. Los grupos funcionales también pueden ser grupos funcionales nitrogenados tales como grupos amina, amida, nitrilo, azida. Otros grupos funcionales nitrogenados pueden ser iminas y heterociclos tales como piridina, pirrol, pirrolidona, pirimidina, adenina.

Por tanto, una forma de realización de la invención es el sistema de nanopartículas magnéticas en el que el monómero (I) contiene grupos funcionales de tipo alcohol, alcóxido, carboxílico, anhídrido, fosfato y/o fosfina.

Otra forma de realización de la invención es el sistema de nanopartículas magnéticas en el que el monómero (I) contiene grupos funcionales nitrogenados como amina, amida, nitrilo o azida.

Otra forma de realización de la invención es el sistema de nanopartículas magnéticas en el que el monómero (I) contiene iminas, o heterociclos que contienen nitrógeno como piridina, pirrol, pirrilodona, pirimidina, adenina.

Una forma particular de realización de la invención es el sistema de nanopartículas magnéticas en el que el monómero (I) es de tipo vinílico. Preferentemente, el monómero vinílico es vinilpiridina.

Los grupos capaces de interaccionar con iones metálicos mediante fuerzas de Coulomb, fuerzas de Van der Waals o enlaces de coordinación cumplen la función de moldeo del tamaño y la forma de las partículas magnéticas contenidas en el sistema durante la síntesis de las mismas. También cumplen la función de recubrimiento de las partículas con el polímero orgánico.

Los inventores han encontrado que es posible controlar el tamaño de las nanopartículas magnéticas del sistema de nanopartículas magnéticas de la invención variando la relación molar [Fe]/[monómero I] durante el método de preparación. A mayor proporción mayor tamaño. En los sistemas de nanopartículas magnéticas de la invención la relación molar [Fe]/[monómero I] varia entre 0.01 y 10, preferentemente entre 0.03 y 2.

En los sistemas de nanopartículas magnéticas de la invención el tamaño medio de las nanopartículas de óxido de metal que comprende hierro puede ser de 1 a 1000 nm, preferentemente de 1 a 100 nm.

Los inventores encontraron también que se puede controlar la forma de las partículas en el sistema de nanopartículas magnéticas de la invención mediante el uso de polímeros preparados por diferentes procedimientos. Polímeros sintetizados por vía radicalaria [Odian G. Principles of Polymerization, Wiley-Interscience, New York, 2004] generan partículas esféricas (Ejemplos 1 y 2), mientras que polímeros sintetizados por vía aniónica [Odian G. Principles of Polymerization, Wiley-Interscience, New York, 2004] generan partículas alargadas (Ejemplo 3).

Por tanto, una forma particular de realización de esta invención lo constituye el sistema de nanopartículas magnéticas en el que las partículas son esféricas y el polímero (P) es un polímero obtenido por vía radicalaria.

Otra forma particular de realización de esta invención lo constituye el sistema de nanopartículas magnéticas en el que las partículas son alargadas y el polímero (P) es obtenido por vía aniónica.

Las nanopartículas en forma de bastón presentan un pico de susceptibilidad fuera de fase extraordinariamente estrecho, tal como se comenta en el ejemplo 3.2 y se muestra en la Figura 9. Esta cualidad hace que dichas partículas sean especialmente adecuadas para usos donde la hipertermia sea una propiedad a explotar, como por ejemplo, en determinados tratamientos oncológicos, de enfermedades infecciosas.

El sistema de nanopartículas de la invención puede estar bajo la forma de un sólido o bien bajo la forma de un líquido.

En la presente invención se denomina "nanocomposite" al sistema de nanopartículas magnéticas de la invención bajo la forma de un sólido y "ferrofluido" al sistema de nanopartículas magnéticas de la invención bajo la forma de un líquido.

Tal como se utiliza en la presente invención el término "nanocomposite" se refiere a dispersiones de nanopartículas de un óxido metálico, que comprende hierro, en una matriz sólida de polímeros.

Un aspecto particular de esta invención lo constituye el sistema de nanopartículas magnéticas sólido (nanocomposite).

Tal como se utiliza en la presente invención el término "ferrofluido" se refiere a una suspensión coloidal estable y homogénea de partículas magnéticas, es decir, con un momento magnético neto, en un líquido transportador. El líquido transportador puede ser, por ejemplo, agua o una disolución acuosa que contiene una sustancia que actúa de tampón y otras sustancias solubles en agua.

Otro aspecto particular de esta invención lo constituye el sistema de nanopartículas magnéticas líquido (ferrofluido).

Una realización particular de la invención es el sistema de nanopartículas magnéticas líquido (ferrofluido) que comprende agua o una disolución acuosa biocompatible, preferentemente una disolución acuosa biocompatible que contiene una sustancia que actúa como tampón y opcionalmente otras sustancias solubles en agua.

En el sistema de nanopartículas magnéticas de la invención líquido (ferrofluido) es importante que las nanopartículas de óxido de hierro estén dispersas en forma homogénea en el medio líquido y que la dispersión resulte estable. En particular, para aplicaciones biotecnológicas, en medicina y en veterinaria interesa que dicha dispersión sea homogénea y estable en medios fisiológicos y que las nanopartículas sean biocompatibles. Así, una realización particular de la invención es el sistema de nanopartículas magnéticas en el que el polímero (P), además del monómero (I), comprende un monómero (II) que contiene grupos funcionales hidrofilicos.

Otra realización particular de la invención es el sistema de nanopartículas magnéticas en el que el monómero (II) es de tipo vinílico, tal como acrilato, metacrilato, metilmetacrilato, vinilpirrolidona y sus derivados, preferentemente polietilenglicol (PEG) metacrilato.

Otra realización particular de la invención es el sistema de nanopartículas magnéticas en el que el polímero (P), además de los monómeros (I) y (II), comprende un monómero (III) que contiene grupos funcionales capaces de anclar moléculas biológicamente activas. Dichos grupos pueden ser por ejemplo -NH_{2}; -SH, -COOH, y -CONH_{2}.

Otra realización particular de la invención es el sistema de nanopartículas magnéticas en el que el monómero (III) es de tipo vinílico.

Otro objeto particular de la invención es el sistema de nanopartículas magnéticas en el que moléculas biológicamente activas se anclan al monómero (III) mediante uniones covalentes.

Tal como se utiliza en la presente el término "moléculas biológicamente activas" se refiere a moléculas biológicas o análogos de moléculas biológicas que incluyen un grupo funcional con capacidad de aceptar densidad electrónica perteneciente, a título ilustrativo y sin que limite el alcance de la presente invención, a la siguiente lista: grupos amino, grupos tiol, grupos disulfuro, di-alquil sulfuros, grupos epoxi, así como las aminas y alcoholes en platino. Estas biomoléculas que poseen dichos grupos funcionales, tanto en la propia estructura de la molécula como por efecto de la adición sintética de dicho grupo, pueden seleccionarse, por ejemplo, de uno de los siguientes
grupos:

a): biomoléculas naturales: ácidos nucleicos (DNA o RNA) de cadena sencilla o doble, enzimas, anticuerpos, proteínas de membrana, proteínas de choque térmico, chaperoninas, otras proteínas, monosacáridos, polisacáridos, glucoproteínas, ácidos grasos, terpenos, esteroides, otras moléculas de naturaleza lipídica, lipoproteínas, hormonas, vitaminas, metabolitos, hidrocarburos, tioles, o bien agregados macromoleculares compuestos por proteínas y/o ácidos nucleicos u otras combinaciones de las moléculas citadas anteriormente;

b): biomoléculas naturales obtenidas por procedimientos de selección in vitro: aptámeros, ribozimas, aptazimas; y

c): biomoléculas artificiales: PNAs, otros análogos de ácidos nucleicos naturales, quimeras de ácidos nucleicos naturales y artificiales, polímeros con capacidad de reconocimiento de forma ("molecular imprinted polymers" o MIPs), anticuerpos artificiales, anticuerpos recombinantes y minianticuerpos.

Otra realización particular de la invención es el sistema de nanopartículas magnéticas en el que todos los monómeros en el polímero (P) son de tipo vinílico.

Una forma de realización particular de la invención es el sistema líquido de nanopartículas magnéticas (ferrofluido) que comprende:

a): maghemita como óxido metálico,

b): una matriz de polímero que contiene:

i.: 4-vinilpiridina [monómero (I)],

ii.: un monómero vinílico funcionalizado con poli (etilénglicol) (PEG) [monómero (II)]

iii.: un monómero vinílico que contiene grupos funcionales seleccionados entre -NH_{2}, -SH, -COOH, y -CONH_{2} [monómero (III)]

c): una solución acuosa de tampón fosfato (PBS), que mantiene el sistema a pH 7.4.

Un segundo aspecto de la presente invención lo constituye el procedimiento para la preparación del sistema de nanopartículas magnéticas que comprende las siguientes etapas:

a): mezclar

a2): una disolución acuosa, opcionalmente en mezcla con solventes orgánicos, que comprende por lo menos una sal de Fe,

\quad: donde la proporción molar [Fe]/[monómero (I)] es 0.01-10

b): adicionar una base en cantidad suficiente para llegar a pH 8-14.

Una realización particular de la invención es el procedimiento para la preparación de nanopartículas magnéticas en el que la disolución a2) comprende, por lo menos, una sal de un metal divalente y una sal de Fe+3. La sal de metal divalente puede ser por ejemplo, una sal de Fe^{2+}, Co^{2+}, Ni^{2+}, Mn^{2+}, Gd^{2+}, Be^{2+}, Mg^{2+}, Ca^{2+}, y Ba^{2+}.

Una realización más particular de la invención es el procedimiento para la preparación de nanopartículas magnéticas en el cual la sal de metal divalente en la disolución a2) comprende una sal de Fe^{2+}.

Otra realización más particular de la invención es el procedimiento para la preparación de nanopartículas magnéticas en el que en la disolución a2) la sal de Fe^{2+} es FeBr_{2} y la sal de Fe^{+3} es FeBr_{3}.

Otra forma de realización particular de la invención es el procedimiento para la preparación de nanopartículas magnéticas en el que la disolución a2) comprende, además, un bromuro monovalente, por ejemplo KBr, RbBr, NaBr, CsBr, (CH_{3})_{4}NBr, (CH_{3}CH_{2})_{4}NBr).

Otra realización particular de la invención es el procedimiento para la preparación de nanopartículas magnéticas en el que en la disolución a2) la sal de Fe^{2+} es FeCl_{2} y la sal de Fe^{+3} es FeCl_{3}.

Otra forma de realización particular de la invención es el procedimiento para la preparación de nanopartículas magnéticas en el que la disolución a2) comprende, además, un cloruro monovalente, por ejemplo KCl, RbCl, NaCl, CsCl, (CH_{3})_{4}NCl, (CH_{3}CH_{2})_{4}NCl).

Otra realización particular de la invención es el procedimiento para la preparación de nanopartículas magnéticas en el que la mezcla de las disoluciones a1) y a2) se realiza en una proporción molar [Fe]/[monómero (I)] de 0.01 a 10.

Otra realización particular de la invención es el procedimiento para la preparación de nanopartículas magnéticas en el que la mezcla de las disoluciones a1) y a2) se realiza en una proporción molar [Fe]/[monómero (I)] de 0.03 a 2.

Además de encontrar que la relación molar [Fe]/[monómero] influye en el tamaño de las nanopartículas de óxido de metal que comprende hierro, los inventores encontraron también que el tamaño de dichas nanopartículas se puede variar mediante el uso de distintas proporciones molares de Fe^{+2} y Fe^{+3} en la disolución a2).

Por lo tanto, una realización particular de la invención es el procedimiento para la preparación de nanopartículas magnéticas en el que el tamaño medio de las nanopartículas de óxido de metal que comprende hierro se regula variando la relación molar de Fe^{+2} y Fe^{+3} en la disolución a2), mediante la variación de la proporción de las sales de uno y otro catión disueltas.

Un tercer hallazgo de los inventores es que el tamaño medio de las nanopartículas de metal que comprende hierro puede ser regulado variando la relación molar entre la base añadida en b) y el hierro contenido en a). Por tanto, otra realización particular de la invención es el procedimiento para la preparación de nanopartículas magnéticas en el que el tamaño medio de las nanopartículas de óxido de metal que comprenden hierro se regula variando la relación molar entre la base añadida en b) y el hierro contenido en a).

Otra realización particular de la invención es el procedimiento para la preparación de nanopartículas magnéticas en el que en la etapa b) la base se adiciona hasta llegar a un pH de 12,5 a 13.

Otra realización particular de la invención es el procedimiento para la preparación de nanopartículas magnéticas en el que el polímero (P) utilizado en a1) comprende un monómero (I) que contiene grupos funcionales activos capaces de interaccionar con iones metálicos mediante fuerzas de Coulomb, fuerzas de Van der Waals o enlaces de coordinación, por ejemplo grupos alcohol, alcóxido, carboxilo, anhídrido, fosfato, y/o fosfina.

Otra realización particular de la invención es el procedimiento para la preparación de nanopartículas magnéticas en el que el polímero (P) utilizado en a1) comprende un monómero (I) que contiene grupos funcionales nitrogenados, tales como grupos amina, amida, nitrilo, azida.

Otra realización particular de la invención es el procedimiento para la preparación de nanopartículas magnéticas en el que el polímero (P) utilizado en a1) comprende un monómero (I) que contiene iminas o heterociclos tales como piridina, pinol, pirrolidona, pirimidina, adenina.

Otra realización particular de la invención es el procedimiento para la preparación de nanopartículas magnéticas en el que el polímero (P) utilizado en a1) comprende un monómero (I) de tipo vinílico.

Otra realización particular de la invención es el procedimiento para la preparación de nanopartículas magnéticas en el que el polímero (P) utilizado en a1) comprende, como monómero vinílico, la vinilpiridina.

Otra realización particular de la invención es el procedimiento para la preparación de nanopartículas magnéticas en el que el polímero (P) se obtiene por vía radicalaria.

Otra realización particular de la invención es el procedimiento para la preparación de nanopartículas magnéticas en el que el polímero (P) se obtiene por vía aniónica.

El procedimiento puede incluir una etapa de preparación del polímero (P). Por lo tanto otro objeto particular de la invención es el procedimiento para la preparación de nanopartículas magnéticas en el que polímero (P) se prepara mediante procedimiento previo a la etapa a).

Otra realización particular de la invención es el procedimiento para la preparación de nanopartículas magnéticas en el que el polímero (P) es un copolímero y se prepara por copolimerización simultánea o sucesiva de un monómero (I) con un monómero (II) que contiene grupos hidrofilicos y opcionalmente con un monómero (III) que contiene grupos funcionales capaces de anclar moléculas biológicamente activas.

Los monómeros (II) y (III) son como se describió anteriormente en la presente solicitud.

La copolimerización del polímero P también se puede llevar a cabo después de la preparación de las nanopartículas magnéticas de la invención. Así, una realización particular de la invención es el procedimiento para la preparación de nanopartículas magnéticas en el que, posteriormente a la etapa b), el procedimiento comprende una etapa c) que comprende la copolimerización del polímero (P) con un monómero (II) que contiene grupos hidrofilicos y opcionalmente con un monómero (III) que contiene grupos funcionales capaces de anclar moléculas biológicamente activas y cuando la copolimerización se hace con los dos monómeros (II) y (III) dicha copolimerización se realiza bien de forma sucesiva o bien simultáneamente.

Otra realización particular de la invención es el procedimiento para la preparación de nanopartículas magnéticas que comprende someter el producto de la etapa b) a una separación de fases sólido-líquido para obtener un sistema sólido (nanocomposite) que comprende nanopartículas magnéticas que contienen un núcleo de un óxido de metal y un polímero (P).

Otra realización particular de la invención es el procedimiento para la preparación de nanopartículas magnéticas que comprende someter el producto de la etapa adicional c) a una separación de fases sólido-líquido para obtener un sistema sólido (nanocomposite) que comprende nanopartículas magnéticas de un óxido de metal que comprende hierro y un polímero orgánico (P).

Una etapa adicional al procedimiento de preparación de nanopartículas magnéticas de la invención comprende dispersar el producto sólido (nanocomposite) en un medio líquido adecuado para obtener un sistema líquido (ferrofluido). En una realización particular el líquido es agua o una disolución acuosa biocompatible, preferentemente la disolución acuosa actúa como tampón.

Así una realización particular de la invención es el procedimiento para la preparación de nanopartículas magnéticas en el que, posteriormente a las etapas b) o c), el producto sólido (nanocomposite) se dispersa en un medio líquido adecuado para obtener un sistema líquido (ferrofluido).

Otra realización particular de la invención es el procedimiento para la preparación de nanopartículas magnéticas en el que el producto sólido (nanocomposite) se dispersa en una disolución acuosa biocompatible.

Otra forma de realización particular de la invención es el procedimiento para la preparación de nanopartículas magnéticas en el que el producto sólido (nanocomposite) se dispersa en una disolución acuosa que comprende una sustancia que actúa como tampón.

Una particularidad de los sistemas de nanopartículas líquidos (ferrofluidos) es que en ellos el tamaño de las partículas no se modifica con relación al tamaño de las partículas en el sistema sólido (nanocomposite) y no se aprecian agregados, tal como se muestra en la Figura 6.

Otro aspecto de la invención es el uso del ferrofluido de la invención y de las nanopartículas que comprende en aplicaciones industriales pertenecientes, por ejemplo, al siguiente grupo: refrigeración magnética, impresión magnética, tintas magnéticas, lubricación de rotores, sellado en sistemas de vacío, sistemas de amortiguación, altavoces, sensores magnéticos, actuadores, catálisis, recuperación de metales y purificación de aguas, inductores y antenas en tecnología de la comunicación, escudos magnéticos y absorción de microondas, biotecnológicas, veterinarias y médicas [Jech T.J., Odenbach S. Ferrofluids: Magnetically Controllable Fluids and Their Applications, Springer, Berlin, 2002; Goldman A.J. Handbook of Modem Ferromagnetic Materials, Kluwer Academic Publishers, Norwell, 2002]. Entre las aplicaciones industriales basadas en las propiedades magnetotérmicas de las nanopartículas magnéticas se pueden citar, sin que ello las limite, el uso hipertérmico de nanopartículas magnéticas en el curado de polímeros, endurecimiento de resinas epoxy, calentamiento libre de contactos y aplicaciones biomédicas.

Como se ha comentado anteriormente las nanopartículas del ferrofluido de la invención pueden anclar moléculas biológicamente activas lo que abre el campo biotecnológico de las aplicaciones del mismo, en cualquiera de las áreas concretas, por ejemplo, agroalimentación, medio ambiente, síntesis química mediante enzimas, veterinaria y medicina. Una realización particular de la invención lo constituye el uso del ferrofluido de la invención en el campo del diagnóstico y terapéutica de enfermedades humanas o animales.

En este sentido, el uso de este ferrofluido con las nanopartículas en diagnóstico y tratamiento clínico supone un salto muy significativo en estos campos, ya que, por ejemplo, una pequeña cantidad de nanopartículas magnéticas puede ser resuspendida en grandes volúmenes de muestra a analizar y ser recuperada posteriormente mediante la aplicación de un campo magnético externo. Así, es posible purificar y/o pre-concentrar cantidades muy minoritarias y diluidas de un material biológico diana que específicamente se hibridiza con una biomolécula orgánica que actúa inmovilizada sobre dichas nanopartículas, con lo que se reduce el límite de detección en gran medida y se mejoran exponencialmente las posibilidades de un diagnóstico clínico correcto. Este tipo de sistemas permite determinar la presencia de material biológico específico de interés en situaciones donde una detección precoz de la misma puede ser critica, para evitar los efectos perjudiciales que tuviera la existencia de las especies o cepas de organismos que poseen dichas secuencias características. Este hecho posee gran aplicación en biomedicina humana y veterinaria, entre otros en los siguientes aspectos: i) detección de patógenos de tipo viral, bacteriano, fúngico o protozoario; ii) caracterización de mutaciones o polimorfismos genéticos (SNPs) en dichos agentes que pueden hacerlos resistentes a fármacos o facilitar el escape a vacunas; iii) caracterización de mutaciones o SNPs en genes humanos o animales relacionados con enfermedades o con propensión a ellas; iv) detección de marcadores de enfermedades humanas como tumores concretos. Asimismo, este potencial de detección presenta importantes aplicaciones en alimentación y control medioambiental, en aspectos que incluyen los siguientes: i) detección de microorganismos concretos, patógenos o contaminantes; ii) detección de la presencia de organismos manipulados genéticamente (OMG) o transgénicos, pudiendo cuantificarse si su presencia está por encima de los límites permitidos.

Por otro lado, estos ferrofluidos pueden utilizarse también en terapia humana donde sea necesario destruir células en pacientes, por ejemplo, células cancerosas, células del sistema inmune en procesos autoinmunes, microorganismos patógenos, etc. Las nanopartículas pueden tener ancladas biomoléculas, por ejemplo un anticuerpo, que reconociendo específicamente un marcador tumoral concreto, por ejemplo, de cáncer de mama, permitiera vehiculizar la nanopartícula a estas células diana, las cuales trasladarían dicha nanopartícula a su interior y donde gracias a la propiedad de hipertermia se podría destruir la célula diana.

Descripción de las figuras

Figura 5.- Imagen de microscopia electrónica de transmisión de una muestra de nanocompuesto de maghemita en forma de bastón elaborado de acuerdo con el Ejemplo 3 a partir de un polímero de origen aniónico que contiene un 27,8% de hierro, una vez machacado, dispersado en acetona, y depositado sobre una rejilla.

Figura 6.- Imagen de microscopia electrónica de un ferrofluido de maghemita elaborado de acuerdo con el Ejemplo 4.

Figura 9.- Variación de la susceptibilidad magnética ac fuera de fase con la temperatura, para distintas frecuencias de alternancia, en un nanocompuesto de maghemita elaborado a partir de un polímero amónico de acuerdo con el Ejemplo 3.

Ejemplos de realización Ejemplo 1 Preparación de un nanocompuesto/nanocomposite de maghemita-poli(4-vinilpiridina) de la invención 1.1.- Síntesis de poli (4-vinil piridina) por vía radicalaria

Se pesan aproximadamente 2 gr. del monómero 4-vinilpiridina al 98% previamente tratado en tamiz molecular. Al mismo tiempo se prepara un matraz tipo schlenk seco y se sumerge en un baño de aceite a 60ºC. En este matraz se introduce el monómero y 15-20 mL de tetrahidrofurano (THF) destilado. Se sella la boca del matraz con un septum y se procede a efectuar 2 ó 3 ciclos vacío-Argon. Cuando el matraz se encuentre bajo atmósfera de Argon se añade AIBN al 2%. Se deja reaccionar bajo agitación durante 24 horas. Con el fin de parar la reacción se añaden unas gotas de metanol. Para purificar el polímero obtenido se precipita añadiendo a la disolución hexano frío y se filtra posteriormente en placa.

1.2.- Preparación de un nanocompuesto de maghemita-poli(4-vinilpiridina)

En primer lugar, para la preparación de un compuesto Fe-polímero se disuelven 0.2 gr. de poli(4-vinilpiridina) radicalaria en 5 mL de una mezcla de agua y acetona al 50% y se añade 0.1 mL de disolución que contiene 0.11 moles/L de FeBr2, 0.89 moles/L de FeBr_{3} y 0.5 moles/L de RbBr. Se evapora a sequedad, primero a temperatura ambiente y luego en una estufa a 50ºC.

Posteriormente, se sumerge el compuesto Fe-polímero previamente obtenido en 5 mL de NaOH 1 M durante 1 hora. Se filtra y se lava con agua hasta que el pH del agua de lavado desciende hasta 7. Se seca, primero a temperatura ambiente y luego en una estufa a 60ºC. Se obtiene un nanocomposite que, según imágenes obtenidas por microscopía electrónica de transmisión de alta resolución (HRTEM) (Figura 1) contiene nanopartículas esféricas de óxido de hierro dispersas con un tamaño medio de 4.0 nm y una desviación estándar de \pm0.4 nm, aproximadamente el 10% de su tamaño promedio, en una matriz sólida de polímeros.

El análisis por difracción de electrones de dicho nanocomposite muestra que dichas nanopartículas tienen estructura de espinela y que, por tanto, pueden consistir en maghemita o magnetita. El análisis de las nanopartículas mediante espectroscopia de pérdida de energía de electrones muestra que dichas partículas consisten en maghemita (datos no mostrados). El análisis del nanocompuesto por titración con K_{2}Cr_{2}O_{7} indica la ausencia de iones Fe^{2+}, lo que descarta definitivamente la presencia de magnetita en el nanocompuesto.

Ejemplo 2 Preparación de una serie de nanocompuestos/nanocomposites de maghemita poli(4-vinilpiridina) que contienen nanopartículas esféricas con un diámetro promedio variable entre 1.5 nm y 15 nm

Se preparan 5 disoluciones de polímero tipo 1 mediante la disolución de 0.4 g de poli(4-vinilpiridina) radicalaria respectivamente en 10 mL de una mezcla de agua y acetona al 50%. Se añade cantidades de 0.15, 0.88, 1.76, 2.64, 3.52, 6.60 mL respectivamente de una disolución que contiene 0.40 moles/L de FeBr_{2}, 0.60 moles/L de FeBr_{3} y 0.5 moles/L de RbBr. Se evapora a sequedad, primero a temperatura ambiente y luego en una estufa a 50ºC.

Se sumerge cada uno de los compuestos Fe-polímero en 40 mL de NaOH 1 M respectivamente durante 1 hora. Se filtra y se lava con agua hasta que el pH del agua de lavado desciende hasta 7. Se seca, primero a temperatura ambiente y luego en una estufa a 60ºC. Se obtienen 6 nanocompuestos, que se denominan S1, S2, S3, S4, y S5, respectivamente. Un estudio de distribución de tamaños de la muestra S4 a partir de imágenes obtenidas por microscopía electrónica de transmisión de alta resolución (HRTEM) (Figura 2) indica que las partículas son esféricas con un tamaño medio de 6 nm y una desviación estándar de \pm 0.7 nm. El análisis por difracción de electrones muestra que dichas partículas tienen estructura de espinela y que, por tanto, pueden consistir en maghemita o magnetita. El análisis de las partículas por titración con K_{2}Cr_{2}O_{7} indica la ausencia de iones Fe^{2+}, lo que descarta definitivamente la presencia de magnetita en el nanocompuesto. El análisis de los nanocompuestos S1, S2, S3, S4, S5 por dispersión de rayos x a bajo ángulo (SAXS) (Figura 3) indica que las partículas son esféricas y tienen un tamaño medio de 1.6 nm, 2.5 nm, 3.5 nm, 5.2 nm, 15 nm respectivamente. Se observa que la variación del tamaño de las partículas con la proporción [Fe]/[piridina] usada en la preparación sigue una tendencia prácticamente lineal (Figura 4).

Ejemplo 3 Preparación de un nanocompuesto/nanocomposite de maghemita-poli(4-vinilpiridina) que contienen nanopartículas con forma de bastón 3.1.- Síntesis de poli (4-vinil piridina) por vía aniónica

Se pesan aproximadamente 2 gr. del monómero 4-vinilpiridina al 98% previamente tratado en tamiz molecular del tipo 4ª. Al mismo tiempo se prepara un matraz tipo schlenk seco y se sumerge en un baño a -78ºC consistente en una mezcla de isopropanol y nitrógeno líquido. En este matraz se introduce el monómero y 15-20 mL de tetrahidrofurano (THF) destilado. Se sella la boca del matraz con un septum y se procede a efectuar 2 ó 3 ciclos vacío-Argon. Cuando el matraz se encuentre bajo atmósfera de Argon se añade BuLi al 5%. El comienzo de la reacción da lugar a un color de la disolución naranja rojizo debido a que el carbanión se colorea. Se deja reaccionar bajo agitación durante 24 horas. Con el fin de parar la reacción se añaden unas gotas de metanol.

Para purificar el polímero obtenido se precipita añadiendo a la disolución hexano frío y se filtra posteriormente en placa.

3.2.- Preparación de un nanocomposite de maghemita-poli(4-vinilpiridina en forma de bastón

Se prepara una disolución de polímero tipo 1 mediante la disolución de 0.3 g de poli(4-vinilpiridina) aniónico en 5 mL de una mezcla de agua y acetona al 50%. Se añaden 0.506 mL respectivamente de una disolución que contiene 0.5 moles/L de FeBr_{2}, 1 mol/L de FeBr_{3} y 0.5 moles/L de RbBr. Se evapora a sequedad, primero a temperatura ambiente y luego en una estufa a 50ºC.

Se sumerge el compuesto Fe-polímero obtenido en 20 mL de NaOH 1 M durante 1 hora. Se filtra y se lava con agua hasta que el pH del agua de lavado desciende hasta 7. Se seca, primero a temperatura ambiente y luego en una estufa a 60ºC. El examen por microscopía electrónica de transmisión de alta resolución (HRTEM) (Figura 5) de la muestra indica que las partículas tienen forma de bastón con una longitud media 60 nm y un espesor de 6 nm. El análisis por difracción de electrones muestra que dichas partículas tienen estructura de espinela y que, por tanto, pueden consistir en maghemita o magnetita. El análisis de las partículas por titración con K_{2}Cr_{2}O_{7} indica la ausencia de iones Fe^{2+}, lo que descarta definitivamente la presencia de magnetita en el nanocompuesto.

El análisis mediante dispersión de neutrones a baja ángulo (SANS) de una dispersión del nanocompuesto en una disolución que contiene 0.1 mol/L de HNO_{3} en una mezcla de D_{2}O y H_{2}O al 40%, que anula la dispersión del polímero, da una curva I(Q) correspondiente únicamente a la dispersión de las partículas que consiste en una recta con pendiente -2. Este resultado se puede interpretar considerando una forma de partícula plana o mediante la asociación de partículas alargadas en estructuras planas en consonancia con las observaciones realizadas por HRTEM.

Además, se realizaron medidas de la variación de la susceptibilidad alterna (ac) frente a la temperatura para diferentes frecuencias de alternancia de campo (Figura 9) en un nanocompuesto elaborado según este ejemplo que contiene partículas con forma de bastón. Se observa que el pico de susceptibilidad fuera de fase es extraordinariamente estrecho. Esta cualidad hace que dichas partículas sean muy adecuadas para usos hipertérmicos, es decir para calentar células, tejidos, o medios no biológicos si se trata de aplicaciones industriales mediante un campo magnético alterno, dado que el efecto magnetocalórico para una frecuencia e intensidad de campo determinadas se genera en un rango muy estrecho de susceptibilidades.

Ejemplo 4 Preparación de un ferrofluido de la invención de maghemita estable a pH=7.4 mediante copolimerización con polietilenglicol metacrilato

Se disuelven 10 mgr. de nanocomposite de maghemita-poli(4-vinilpiridina) obtenido anteriormente según el Ejemplo 1 en 1 mL de HNO_{3} 0.1 M. Se resuspende en 1 mL de solución tampón fosfato (PBS) a pH 7.4 originándose un dispersión turbia.

Se disuelven 10 mg de nanocomposite de maghemita-poli(4-vinilpiridina) obtenido anteriormente según el Ejemplo 1 en 1 mL de HNO_{3} 0.1 M. Se añade una disolución compuesta por 1 mL de ferrofluido a pH 2.4 y 3 mL de poli (etilénglicol) (PEG) funcionalizado con un grupo metacrilato con una concentración 7.5 mg/mL. Se resuspende en 1 mL de solución tampón fosfato (PBS) a pH 7.4 originándose un dispersión turbia.

Se disuelven 10 mg de nanocomposite de maghemita-poli(4-vinilpiridina) en 1 mL de HNO_{3} 0.1 M. Se añade una disolución compuesta por 1 mL de ferrofluido a pH 2.4 y 3 mL de poli (etilénglicol) (PEG) funcionalizado con un grupo metacrilato con una concentración 7.5 mg/mL. Se incuba dicha dispersión a 40ºC durante 8 horas para lograr la copolimerización del metacrilato de PEG con la polivinilpiridina que recubre las nanopartículas. Tras este proceso de incubación, 300 \BoxL de esta mezcla se resuspenden en 1 mL de solución tampón fosfato (PBS) a pH 7.4, para ajustar la acidez hasta un pH fisiológico originándose de esta manera el ferrofluido de la invención, transparente, estable a pH fisiológico, biocompatible y funcionalizable biológicamente.

La purificación de la dispersión obtenida se lleva a cabo mediante separación magnética y posterior redispersión en solución tampón fosfato (PBS) a pH 7.4.

Imágenes de microscopía electrónica de transmisión del ferrofluido muestran que el tamaño de las nanopartículas no se modifica con respecto al nanocompuesto de partida y no se aprecian grandes agregados (Figura 6).

Ejemplo 5 Variación controlada de las propiedades magnéticas en nanocomposites con diferentes tamaños de partícula

Se realizan medidas de la variación de la magnetización frente al campo aplicado en los nanocomposites S1-S5 del Ejemplo 2. Se observa un incremento regular en las curvas de magnetización obtenida en nanocompuestos con un tamaño de partícula creciente (Figura 7). La magnetización de saturación de los diferentes nanocomposites calculada mediante extrapolación de la parte lineal de la curva a campo 0 muestra una variación desde prácticamente 0 emu/g hasta 50 emu/g, cerca de la magnetización de saturación de la maghemita macroscópica (76 emu/g), o sea prácticamente en todo el rango superparamagnético.

Además, se realizan medidas de la variación de la susceptibilidad alterna (ac) frente a la temperatura para una frecuencia de alternancia de campo de 10 Hz (Figura 8) en los nanocomposites S1-S5. La temperatura de bloqueo, calculada como la temperatura de susceptibilidad en el máximo de la susceptibilidad fuera de fase, de los diferentes nanocompuestos muestra una variación desde menos de 1.8 K hasta 300 K, o sea prácticamente en todo el rango superparamagnético. Por lo tanto, partiendo de la base de que las partículas sean superparamagnéticas a temperatura ambiente para evitar su agregación, el método permite, dentro del rango más amplio posible, sintetizar nanopartículas con un rendimiento magnetocalórico máximo para una frecuencia determinada.

Ejemplo 6 Rendimiento magnetocalórico de nanocompuestos que tienen forma de bastón

Se obtiene un nanocompuesto de acuerdo con esta invención que contiene un 28% de partículas con forma de bastón y un 62% de partículas esféricas partiendo de una poli(4-vinilpiridina) comercial suministrada por Aldrich y siguiendo el procedimiento descrito en el ejemplo 1, pero utilizando 1 mL de la disolución FeBr_{2}/FeBr_{3}/RbBr en lugar de la cantidad especificada en el ejemplo. Se calcula a partir de imágenes obtenidas por HRTEM que las partículas con forma de bastón tienen una longitud media de 18,4 nm y un espesor medio de 2,7 nm y las partículas esféricas tienen un diámetro medio de 6,2 nm. Se mide el rendimiento magnetocalórico de este nanocompuesto en una suspensión acuosa a partir del incremento relativo de temperatura en presencia de un campo magnético alterno con una intensidad de y una frecuencia de alternancia de 144 Hz. Se obtiene un rendimiento SAR = 144 w/g. En las mismas condiciones se mide el rendimiento magnetocalórico de un nanocompuesto preparado de acuerdo con esta invención a partir de polímero radicalario que contiene nanopartículas de maghemita esféricas con un tamaño medio de 7.5 nm. Se obtiene un rendimiento SAR = 8 w/g.

Ejemplo 7 Estabilidad de los ferrofluidos magnéticos en medios fisiológicos

Se mide la variación de la magnetización frente a la temperatura con enfriamiento a campo 0 y con enfriamiento con campo de 25 Gauss (ZFC-FC) en el ferrofluido preparado en el Ejemplo 4, inmediatamente después de la preparación y un mes después de la preparación. Los resultados muestran que las curvas se superponen perfectamente (Figura 10), indicando que durante este tiempo el tamaño promedio de partícula no se ha modificado y que no se han formado agregados.

Claims

1. Sistema de nanopartículas magnéticas que comprende nanopartículas magnéticas de un óxido de metal que comprende hierro y un polímero (P) donde:

b): la relación molar [Fe]/[monómero (I)] es 0.01-10

2. Sistema de nanopartículas magnética según la reivindicación 1 caracterizado porque el óxido de metal comprende Fe^{+2} y/o Fe^{+3}.

3. Sistema de nanopartículas magnética según la reivindicación 2 caracterizado porque el óxido de metal además comprende un metal seleccionado entre Co^{2+}, Ni^{2+}, Mn^{2+}, Gd^{2+}, Be^{2+}, Mg^{2+}, Ca^{2+}, Ba^{2+}.

4. Sistema de nanopartículas magnética según la reivindicación 1 caracterizado porque el óxido de metal comprende maghemita (\gamma-Fe_{2}O_{3}).

5. Sistema de nanopartículas magnética según la reivindicación 1 caracterizado porque el óxido de metal comprende magnetita (Fe_{3}O_{4}).

6. Sistema de nanopartículas magnéticas según la reivindicación 3 caracterizado porque el óxido de metal comprende MFe_{2}O_{4} (ferrita), donde M es, Co^{2+}, Ni^{2+}, Mn^{2+}, Gd^{2+}, Be^{2+}, Mg^{2+}, Ca^{2+}, Ba^{2+}).

7. Sistema de nanopartículas magnética según la reivindicación 6 caracterizado porque la ferrita es ferrita de bario (BaFe_{2}O_{4}).

8. Sistema de nanopartículas magnéticas según la reivindicación 1 en el que el polímero es orgánico.

9. Sistema de nanopartículas magnéticas según la reivindicación 1 en el que el polímero es híbrido orgánico-inorgánico.

10. Sistema de nanopartículas magnéticas según las reivindicaciones 1 a 9 caracterizado porque el monómero (I) contiene grupos funcionales que se seleccionan entre alcohol, alcóxido, carboxilo, anhídrido, fosfato, y/o fosfina.

11. Sistema de nanopartículas magnéticas según las reivindicaciones 1 a 9 caracterizado porque el monómero (I) contiene grupos funcionales nitrogenados.

12. Sistema de nanopartículas magnéticas según la reivindicación 11 caracterizado porque los grupos funcionales nitrogenados se seleccionan entre amina, amida, nitrilo, azida.

13. Sistema de nanopartículas magnéticas según la reivindicación 11 caracterizado porque los grupos funcionales nitrogenados se seleccionan entre imina y heterociclos tales como piridina, pirrol, pirrolidona, pirimidina, adenina.

14. Sistema de nanopartículas magnéticas según las reivindicaciones 1 a 13 caracterizado porque el monómero (I) es un monómero de tipo vinílico.

15. Sistema de nanopartículas magnéticas según las reivindicaciones 1-14 caracterizado porque las partículas son esféricas y el polímero (P) es obtenido por vía radicalaria.

16. Sistema de nanopartículas magnéticas según con las reivindicaciones 1-14 caracterizado porque las partículas son alargadas y el polímero (P) es obtenido por vía aniónica.

17. Sistema de nanopartículas magnéticas según la reivindicación 14 caracterizado porque el monómero de tipo vinílico es vinilpiridina.

18. Sistema de nanopartículas magnéticas según las reivindicaciones 1 a 17 caracterizado porque la relación molar [Fe]/monómero (I) es 0.03-2.

19. Sistema de nanopartículas magnéticas según las reivindicaciones 1 a 18 caracterizado porque el sistema es sólido (nanocomposite).

20. Sistema de nanopartículas magnéticas según las reivindicaciones 1 a 18 caracterizado porque el sistema es líquido (ferrofluido).

21. Sistema de nanopartículas magnéticas según la reivindicación 20 caracterizado porque comprende agua o una disolución acuosa biocompatible.

22. Sistema de nanopartículas magnéticas según la reivindicación 21 caracterizado porque la disolución acuosa comprende una sustancia que actúa como tampón.

23. Sistema de nanopartículas magnéticas según la reivindicación 20 caracterizado porque el polímero (P) además comprende un monómero (II) que contiene grupos funcionales hidrofílicos.

24. Sistema de nanopartículas magnéticas según la reivindicación 23 caracterizado porque el monómero (II) es de tipo vinílico.

25. Sistema de nanopartículas magnéticas según la reivindicación 24 caracterizado porque el monómero vinílico se selecciona entre acrilato, metacrilato, metilmetacrilato, vinilpirrolidona, o sus derivados

26. Sistema de nanopartículas magnéticas según la reivindicación 25 caracterizado porque el monómero vinílico es polietilenglicol (PEG) metacrilato.

27. Sistema de nanopartículas magnéticas según las reivindicaciones 23 a 26 caracterizado porque el polímero (P) además comprende un monómero (III) que contiene grupos funcionales capaces de anclar moléculas biológicamente activas.

28. Sistema de nanopartículas magnéticas según la reivindicación 27 caracterizado porque las moléculas biológicamente activas se anclan al monómero (III) mediante uniones covalentes.

29. Sistema de nanopartículas magnéticas según la reivindicación 28 caracterizado porque los grupos funcionales del monómero (III) se seleccionan entre -NH_{2}; -SH, -COOH, y -CONH_{2}.

30. Sistema de nanopartículas magnéticas según la reivindicación 27 caracterizado porque el monómero (III) es de tipo vinílico.

31. Sistema de nanopartículas magnéticas según la reivindicación 27 caracterizado porque el polímero (P) comprende dos tipos de monómeros.

32. Sistema de nanopartículas magnéticas líquido (ferrofluido) que comprende nanopartículas magnéticas de un óxido de metal y un polímero orgánico caracterizado porque comprende:

a): maghemita como óxido metálico,

b): una matriz de polímero que contiene:

\sqbullet: 4-vinilpiridina [monómero (I)],

\sqbullet: un monómero vinílico funcionalizado con poli (etilénglicol) (PEG) [monómero (II)]

\sqbullet: un monómero vinílico que contiene grupos funcionales seleccionados entre -NH_{2}, -SH, -COOH, y -CONH_{2} [monómero (III)]

\sqbullet: una solución acuosa de tampón fosfato (PBS), que mantiene el sistema a pH 7.4.

33. Procedimiento para la preparación del sistema de nanopartículas magnéticas de la invención descrito en las reivindicaciones 1 a 32 que comprende las siguientes etapas:

a): mezclar

b): adicionar una base en cantidad suficiente para llegar a pH 8-14.

34. Procedimiento según la reivindicación 33 caracterizado porque la disolución a2) comprende por lo menos una sal de un metal divalente y una sal de Fe^{+3}.

35. Procedimiento según la reivindicación 34 caracterizado porque la sal de metal divalente es por lo menos una del grupo formado por una sal de Fe^{2+}, Co^{2+}, Ni^{2+}, Mn^{2+}, Gd^{2+}, Be^{2+}, Mg^{2+}, Ca^{2+}, y Ba^{2+}.

36. Procedimiento según la reivindicación 35 caracterizado porque la sal de metal divalente es una sal de Fe^{+2}.

37. Procedimiento según la reivindicación 36 caracterizado porque la disolución a2) contiene FeBr_{2} y FeBr_{3}.

38. Procedimiento según la reivindicación 37 caracterizado porque la disolución a2) contiene además un bromuro monovalente.

39. Procedimiento según la reivindicación 38 caracterizado porque el bromuro monovalente se selecciona del grupo formado por: KBr, RbBr, NaBr, CsBr, (CH_{3})_{4}NBr, (CH_{3}CH_{2})_{4}NBr).

40. Procedimiento según las reivindicaciones 36 a 39 caracterizado porque el tamaño medio de las nanopartículas de óxido de metal que comprende hierro se regula variando la relación molar Fe^{+2}/Fe^{+3}.

41. Procedimiento según las reivindicaciones 33 a 41 caracterizado porque el tamaño medio de las nanopartículas de óxido de metal que comprende hierro se regula variando la relación molar entre la base añadida en b) y el hierro contenido en a).

42. Procedimiento según las reivindicaciones 33 a 41 caracterizado porque la mezcla de las disoluciones a1) y a2) se realiza en una proporción molar [Fe]/[monómero (I)] de 0.03 a 2.

43. Procedimiento según las reivindicaciones 33 a 42 caracterizado porque en la etapa b) la base se adiciona hasta alcanzar un pH 12,5-13.

44. Procedimiento según las reivindicaciones 33 a 43 caracterizado porque el polímero (P) utilizado en a1) comprende un monómero (I) que contiene grupos funcionales seleccionados entre alcohol, alcóxido, carboxilo, anhídrido, fosfato, y/o fosfina.

45. Procedimiento según las reivindicaciones 33 a 43 caracterizado porque el polímero (P) comprende un monómero (I) que contiene grupos funcionales nitrogenados.

46. Procedimiento según las reivindicaciones 33 a 43 caracterizado porque el polímero (P) comprende un monómero (I) que contiene iminas o heterociclos tales como piridina, pinol, pirrolidona, pirimidina, adenina.

47. Procedimiento según las reivindicaciones 33 a 46 caracterizado porque el monómero (I) es un monómero de tipo vinílico.

48. Procedimiento según las reivindicación 47 caracterizado porque el monómero de tipo vinílico es vinilpiridina.

49. Procedimiento según reivindicaciones 33-48 caracterizado porque el polímero (P) se obtiene por vía radicalaria.

50. Procedimiento según la reivindicación 33-48 caracterizado porque el polímero (P) se obtiene por vía aniónica.

51. Procedimiento según las reivindicaciones 33 a 50 caracterizado porque además comprende la preparación del polímero P en una etapa previa a la etapa a).

52. Procedimiento según la reivindicación 51 caracterizado porque el polímero P es un copolímero y se prepara por copolimerización simultánea o sucesiva de un monómero (I) con un monómero (II) que contiene grupos hidrofilicos y opcionalmente con un monómero (III) que contiene grupos funcionales capaces de anclar moléculas biológicamente activas.

53. Procedimiento según las reivindicaciones 33 a 50 caracterizado porque además comprende una etapa c), posterior a la etapa b) que comprende la copolimerización del polímero P con un monómero (II) que contiene grupos hidrofilicos y opcionalmente con un monómero (III) que contiene grupos funcionales capaces de anclar moléculas biológicamente activas y cuando la copolimerización se hace con los dos monómeros (II) y (III) dicha copolimerización se realiza bien de forma sucesiva o bien simultáneamente.

54. Procedimiento según las reivindicaciones 33 a 52 caracterizado porque además comprende someter el producto de la etapa b) a una separación de fases sólido-líquido para obtener un sistema sólido (nanocomposite) que comprende nanopartículas magnéticas que contienen un núcleo de un óxido de metal y un polímero (P).

55. Procedimiento según la reivindicación 53 caracterizado porque además comprende someter el producto de la etapa adicional c) a una separación de fases sólido-líquido para obtener un sistema sólido (nanocomposite) que comprende nanopartículas magnéticas de un óxido de metal que comprende hierro y un polímero (P).

56. Procedimiento según las reivindicaciones 54 y 55 caracterizado porque además comprende dispersar el producto sólido (nanocomposite) en un medio líquido adecuado para obtener un sistema líquido (ferrofluido).

57. Procedimiento según la reivindicación 56 caracterizado porque el líquido es agua o una disolución acuosa biocompatible.

58. Procedimiento según la reivindicación 57 caracterizado porque la disolución acuosa comprende una sustancia que actúa como tampón.

59. Uso del sistema líquido (ferrofluido) según cualquiera de las reivindicaciones 20 a la 32 para refrigeración magnética, impresión magnética, tintas magnéticas, lubricación de rotores, transformadores eléctricos, solenoides de bajo nivel de ruido, conmutadores, fluidos magnetoreológicos, fibras magnéticamente activas, composites poliméricos reforzados, sellado en sistemas de vacío, sistemas de amortiguación, altavoces, sensores magnéticos, actuadores, catálisis, recuperación de metales y purificación de aguas, inductores y antenas en tecnología de la comunicación, escudos magnéticos y absorción de microondas, curado de polímeros, endurecimiento de resinas epoxy, calentamiento libre de contactos y aplicaciones biotecnológicas, veterinarias y médicas.

60. Uso del sistema líquido (ferrofluido) según la reivindicación 59 para la elaboración de un instrumento para el diagnóstico y tratamiento de enfermedades humanas.