TIPS GUIDE

1. GUÍA TIPS
Nanotecnología
Lewis, K. Meana, A. Montero, R.
Colegio Corazón de María (Gijón)
0. Introducción
TIPS es la sigla en inglés de Teaching Innovative
Practices in STEM (Enseñando prácticas
innovadoras en CTIM), un proyecto KA219
financiado por Erasmus +, en el que cuatro
escuelas europeas de Bélgica, Francia, Italia y
España han trabajado juntos durante dos años
(2015-2017) compartiendo sus mejores prácticas
en CTIM (Ciencias, Tecnología, Ingeniería Y
Matemáticas). Más información sobre el proyecto
y las actividades que se realizaron durante su
duración se puede encontrar en la web.
Este trabajo se realiza bajo los términos y
condiciones de la Attribution-Noncommercial 3.0
Unported (CC BY-NC 3.0).
El objetivo de esta Guía TIPS es compartir una
buena práctica de un proyecto europeo STEM
entre los profesores, dándoles los medios para
elevar el interés de sus estudiantes hacia materias
CTIM y por lo tanto apoyar el logro de
competencias por el alumnado. En esta guía nos
centraremos en la nanotecnología y mostraremos
uno de los experimentos del proyecto nanOpinion
que el CODEMA coordinó en España.
1. Resumen
En este experimento ilustraremos mediante un
modelo simple cómo se crea un sistema
miniaturizado de administración de fármacos y
cómo se puede controlar la liberación del
fármaco contenido. El sistema de administración
de fármacos se crea mediante un método de
encapsulación de autoensamblaje, utilizando un
polímero natural (alginato) y un colorante
alimentario, que en el modelo representa el
fármaco. A través del experimento los
estudiantes aprenderán cómo la liberación del
"fármaco" depende de una serie de variables,
como el tipo de fármaco encapsulado (esto se
muestra cambiando el colorante alimentario) y el
medio donde se liberan las nanocápsulas.
En general, el experimento es una manera
sencilla de discutir las muchas variables
involucradas en el desarrollo de sistemas de
entrega de fármacos a nanoescala.
2. Materiales y métodos
Materiales y soluciones:
Los elementos a continuación se indican
asumiendo que los estudiantes trabajarán en
parejas. Cada pareja debe obtener:
• 1 bandeja de cubitos de hielo
(preferiblemente transparente, una
bandeja de cubitos de hielo normal de 14
o 16 pocillos está bien)
• 5 pipetas de plástico desechables (o
pipetas de vidrio)
• 6 viales de vidrio con tapa con un
volumen de 2-5 ml (o cualquier otro
recipiente pequeño de vidrio o plástico
que contenga este volumen, por ejemplo
un tubo de ensayo)
• 50 ml de cloruro de calcio 0,3 M (de
solución madre)
• 10 ml de alginato sódico (sin colorante
alimentario)
• 10 ml de alginato sódico con colorante
rojo
• 10 ml de alginato sódico con colorante
azul
• 50 ml de agua destilada
• 50 ml de leche entera
• 1 pinza
• 1 vaso mediano vacío (para lavado)
The European Commission support for the production of this publication does not constitute an endorsement of the contents which reflects the
views only of the authors, and the Commission cannot be held responsible for any use which may be made of the information contained therein.

2. • 1 barra de vidrio para mezclar (o una
cucharadita)
• Toalla de papel
• Guantes
• Protección para los ojos
Antes de iniciar el experimento en clase, los
profesores deben preparar las siguientes
soluciones:
• Solución de cloruro de calcio (0,3 M):
22,05 gr en 500 ml en agua destilada
• Solución de alginato sódico: disolver 6 gr
en 300 mL de agua caliente del grifo.
Nota: Agregar el alginato lentamente ya
que podrían formarse grumos, agitar la
solución mientras se prepara. Si se
forman grumos, no se preocupe, pero no
los use para hacer las cuentas. Divida
aproximadamente la cantidad en 3 vasos
de precipitados (aproximadamente 100
ml cada uno) y añada el tinte alimentario
a dos (4 gotitas).
PRUEBA 1: Autoensamblaje de un sistema de
administración de fármacos
En la primera parte del experimento los
estudiantes aprenderán una forma simple de
hacer "cápsulas" que en la segunda parte del
experimento se usan como "portadores de
fármacos". Las cápsulas se forman a través de un
proceso de reticulación que se produce
espontáneamente al mezclar sal de alginato y
cloruro de calcio. Se forma una estructura
esférica regular (en este documento llamada
"perla"), por lo tanto este es un ejemplo simple
de autoensamblaje.
Procedimiento
NOTA: Para crear las perlas de calcio-alginato
necesitará un recipiente de plástico que puede
contener unos 5 ml. Se sugiere utilizar una
bandeja de cubitos de hielo ya que está formada
por diferentes "pozos" que pueden ser usados
como reactores.
Se añade una solución de sal de alginato a una
solución de CaCl2 usando una pipeta, gota a gota,
desde una distancia de aproximadamente 15 cm.
Los estudiantes necesitarán sólo unas gotitas, por
lo que puede darse un vaso pequeño con alguna
solución (sin colorante alimentario). Cuando la
gota cae en la solución de CaCl2, se forma
inmediatamente una perla blanca opaca. Las
perlas se forman por autoensamblaje: los iones
de calcio son "atrapados" dentro de la sal de
alginato y forman una estructura estable.
Se les pide a los estudiantes que repitan la
prueba usando agua del grifo en lugar de CaCl2 y
como actividad adicional (opcional) pueden tratar
de hacerlos en leche.
NOTA: Dado que la leche es blanca y opaca, se
sugiere probar esta prueba usando la solución de
alginato rojo. Los estudiantes observarán que las
perlas no se forman, y esto puede llevar a una
discusión sobre por qué sucede esto (la leche no
es una solución de calcio, etc.)
PRUEBA 2: Un modelo de un sistema de
liberación de "fármaco"
En esta segunda parte del experimento, los
estudiantes crearán un modelo de un sistema de
administración de fármacos, donde la cápsula
está hecha de alginato cálcico y la "droga" se
simula con un colorante alimentario. En esta
parte del experimento se debe dar a cada par de
estudiantes un pequeño vaso con una solución de
alginato rojo y otro vaso con una solución azul de
alginato (no es importante cuánto se les da,
necesitarán sólo unas gotas, 5 ml en cada vaso es
más que suficiente).
En un primer momento, los estudiantes
prepararán algunas perlas rojas de alginato
cálcico.
Los estudiantes luego comparán el efecto de
sumergir las perlas en el agua y en la leche, para
diferentes momentos. En este experimento la
leche se utiliza para simular un fluido biológico
(contiene proteínas, minerales, moléculas de
grasa), por lo tanto, un medio mucho más
complejo que el agua.
Se sugiere animar a los estudiantes a pensar en
los posibles efectos que esto podría tener antes
de ejecutar la prueba, qué variables podrían ser
importantes (tiempo, temperatura, pH, etc.).
Después de escribir su hipótesis, los estudiantes
The European Commission support for the production of this publication does not constitute an endorsement of the contents which reflects the
views only of the authors, and the Commission cannot be held responsible for any use which may be made of the information contained therein.

3. deben ejecutar la prueba, y escribir sus
observaciones.
Los estudiantes observarán que el colorante rojo
es estable dentro de la perla, no se observa
liberación después de tiempos relativamente
cortos. Sin embargo, si las perlas se dejan en
agua durante la noche, se observa alguna
liberación.
Figura 1. Las perlas no se forman en leche
Para estimar (visualmente) la cantidad liberada,
se sugiere eliminar el tensioactivo del vial,
colocarlo en un nuevo vial y compararlo con un
control (que contiene sólo agua).
Las perlas dejadas en la leche también liberan
colorante, y la comparación de las perlas
extraídas del agua con las extraídas de la leche
muestra una clara diferencia. (Figura 2)
Figura 2.: Perlas de alginato rojas tras una noche
sumergidas en CaCl2 (izquierda); agua (en medio) y
leche (derecha).
PRUEBA 3: Influencia del fármaco
La importancia del tipo de "fármaco" atrapado en
la cápsula se investiga en esta prueba, donde los
estudiantes comparan lo que sucede cuando se
usa un tinte alimentario diferente (colorante
azul). Al igual que con la prueba 2, se anima al
alumnado a pensar qué efecto podría tener el
uso de un tinte alimentario con un "color"
diferente.
A continuación, preparan algunas cuentas azules
de calcio-alginato y luego repiten la misma
prueba de difusión en agua y en leche.
Figura 3. Perlas con colorante azul.
Debe tenerse en cuenta que el colorante azul se
difunde muy rápidamente de las perlas de
alginato de calcio, después de 15 minutos se
observa una diferencia clara en comparación con
las rojas. Se anima a los estudiantes a reflexionar
sobre por qué sucede esto y deben llegar a la
conclusión de que la estructura química del
colorante y su interacción (o falta de) con el
polímero de alginato de calcio debe ser diferente
(las variables son carga, pKa de los grupos
funcionales, conformación, puentes de hidrógeno
...).
Figura 4. Perlas de alginato azules tras una noche
sumergidas en CaCl2 (derecha); agua (en medio) y
leche (izquierda).
3. Resultados y evaluación
El alginato de sodio es un polímero obtenido de
algas marinas. Tiene una estructura lineal con
muchos grupos carboxilo que sobresalen (un
"grupo carboxilo" es una combinación de átomos
de carbono y dos átomos de oxígeno que llevan
una sola carga negativa). Cuando una solución de
alginato de sodio se combina con una solución de
cloruro de calcio, los iones de calcio (Ca2+, con
una carga positiva doble) son capaces de "puen-
tear" dos hebras de alginato diferentes. Se ob-
tiene un polímero reticulado que tiene una con-
sistencia similar a un gel (Figura 5).
The European Commission support for the production of this publication does not constitute an endorsement of the contents which reflects the
views only of the authors, and the Commission cannot be held responsible for any use which may be made of the information contained therein.

4. Figura 5. (Arriba) Estructura del alginato; (abajo)
representación esquemática del polímero de alginato.
Las perlas se forman inmediatamente en CaCl2; La
forma de la perla es esférica a menos que la
gotita se libere demasiado cerca de la solución de
CaCl2.
Para apreciar este proceso, los estudiantes
pueden intentar hacer las cuentas en soluciones
alternativas al CaCl2 que probablemente esperan
contener algunos iones Ca2+, por ejemplo el agua
del grifo y la leche. En ambos casos, las perlas no
se forman. Se sugiere leche porque los
estudiantes tendrán el conocimiento general de
que la leche "contiene calcio". Sin embargo, la
leche no es una solución de iones de calcio, más
bien un coloide, donde los iones de calcio están
atrapados dentro de una solución iónica y un
coloide).
El diferente comportamiento de difusión del
colorante rojo y azul es más probable debido a la
diferencia en la estructura química y la carga
entre los dos materiales. La figura 6 proporciona
la estructura química de los colorantes
contenidos en las soluciones de tintes
alimentarios:
Figura 6. Estructura química de los colorantes
utilizados.
Como puede verse, los dos colorantes tienen una
estructura química muy diferente. No es la
intención entrar en detalle en este tema, que
requiere una comprensión avanzada de la
química, no conveniente para el grupo de edad
de alumnado objeto de este experimento. Se
sugiere plantear la cuestión de la diferencia
química entre los tintes, centrándose en cómo
esto podría influir en la forma en que el tinte está
"atrapado" dentro de la perla y su "voluntad" de
separarse de ella. El objetivo final es lograr que
los estudiantes comprendan que al diseñar un
sistema de administración de fármacos, los
científicos deben considerar numerosas variables,
entre ellas el tipo de fármaco que debe ser
encapsulado y transportado: la cápsula debe
portar el fármaco pero luego liberarlo !
Figura 7. Las perlas azules y rojas utilizadas en el
experimento.
4. Reconocimientos
Los autores desean agradecer al programa
Erasmus + de la Unión Europea por la
The European Commission support for the production of this publication does not constitute an endorsement of the contents which reflects the
views only of the authors, and the Commission cannot be held responsible for any use which may be made of the information contained therein.

5. financiación del proyecto TIPS en virtud de la
subvención 2015-1-ES01-KA219-015719_1.
5. Referencias
1. B. Criswell «Connecting acids and bases
with encapsulation...and chemistry and
nanotechnology», Journal of Chemical
Education (2007), 84:7, 1136-1139
2. H. G. Bagaria et al., «Self-assembly and
nanotechnology: real-time, hands-on, and
safe experiments for K-12 students», Journal
of Chemical Education (2011), 88, 609-614
3. L. Filipponi, D. Sutherland,
"Nanotechnologies, Principles, Applications,
Implications and Hands-On Activities, A
compendium for educators", 2013, free to
download at:
http://ec.europa.eu/research/industrial_tech
nologies/publications-reports_en.html . See
in particular pages: 166-171
4. ”A step toward minute factories that produce
medicine inside the body”:
http://portal.acs.org/portal/acs/corg/conten
t?
_nfpb=true&_pageLabel=PP_ARTICLEMAIN&
node_id=223&content_id=CNBP_030456&use
_sec=true&sec_url_var=region1&_uuid=d9bfe
4ed-47b3-427c-8a8e-a9383841664f
The European Commission support for the production of this publication does not constitute an endorsement of the contents which reflects the
views only of the authors, and the Commission cannot be held responsible for any use which may be made of the information contained therein.