Aplicaciones de nanopartículas para recubrimientos antibioincrustantes

Una de las líneas de investigación más apasionantes del CIQA que se ha desarrollado en los últimos años, ha sido la síntesis de nanopartículas (NPs) y su aplicación a diferentes sectores como energía, medio ambiente, biotecnología y materiales avanzados, etc.

Entre las nanopartículas (NP) estudiadas se encuentran, NP metálicas y cerámicas (Cu, Ag, ZnO, ZrO₂, TiO₂, CuAg, etc.), NPs orgánicas (quitosán, carbono, celulosa, etc), NPs de otros elementos (SiO₂, Se, B, Ca, etc.) y NPs híbridas (Grafeno-NPs Metálicas, Carbon Black-NP-metálicas, CNT-NP-metálicas, etc.). La variedad de nanopartículas es muy amplia y se cuenta con procesos que permiten su escalamiento en la mayoría de los casos.

Las nanopartículas sintetizadas deben ser modificadas superficialmente en la mayoría de los casos, con el fin de pasivarlas y estabilizarlas, ya que su tamaño a nanoescala las vuelve muy reactivas químicamente e incrementa su capacidad física de agregación. Modificar su reactividad es un punto crucial para ser usadas en dosis bajas y satisfacer las necesidades de aplicación.

Aplicaciones multifuncionales y amigables con el medio ambiente

Entre los modificadores superficiales usados en las NP-CIQA se encuentran el quitosán, poli (vinil alcohol), la goma arábiga, goma rosina, polietilenos modificados con grupos hidroxilos, polipropileno modificado con anhídrido maleico, poliaminas, derivados de aminoácidos, heterociclos de nitrógeno y azufre y ácido orgánicos [1]. Las diferentes interacciones químicas con la superficie oxihidroxilada de las partículas evita su aglomeración y favorece su dispersión en diferentes medios como agua, disolventes orgánicos y polímeros fundidos.

Las nanopartículas se pueden usar funcionalizadas o sin funcionalizar. Algunas de las aplicaciones estudiadas en CIQA son en la agricultura [2], adsorción de toxinas y contaminantes [3], purificación del aire (adsorción de CO₂) [4], materiales antiflama [5], materiales termoconductores de calor y electricidad [6], materiales antimicrobianos [7], entre otras.

La mayoría de estas NP son multifuncionales y pueden servir para varios propósitos, la elección del tipo de funcionalización superficial es fundamental para determinar el número de aplicaciones que puede tener una sola NP. Esto es una ventaja en la investigación debido a que solo debemos jugar con la estructura de las NP para obtener el mayor beneficio de las mismas.

Además, gran parte de las NP que maneja el CIQA son consideradas de baja toxicidad, esto permite desarrollar productos que puedan ser comercializados con mayor rapidez.

Las NP de cobre merecen una atención especial debido a que este material presenta propiedades excelentes, es muy barato, abundante y manejando dosis bajas de aplicación, se pueden conseguir resultados destacados en las diferentes aplicaciones, por esta razón las NP de cobre son la base de un gran número de aplicaciones a nivel mundial.

Para disponer de nanopartículas de cobre amigables con el medio ambiente es necesario funcionalizarlas, es decir cubrir su superficie con ligantes orgánicos o algún otro elemento como selenio, silicio, aluminio, boro, etc. Con la finalidad de controlar la liberación de iones y su toxicidad.

Por otro lado, la actividad antimicrobiana de las NP, probablemente ha sido la más explotada en la última década, debido a que varios microorganismos evolucionaron y otros fueron creados.

Algunos microorganismos producen un ensuciamiento biológico conocido como bioincrustación o biofouling, cuando las condiciones ambientales son propicias para la bioincrustación pocos son los materiales que no se ven afectados por esta suciedad indeseable (fouling).

Soluciones sostenibles y eficientes

Todos los tipos de materiales son afectados por la bioincrustación, hablando específicamente del sector marítimo, este fenómeno es producido por una inmensa variedad de microorganismos y organismos, se registran entre 1700 y 4000 especies distintas.

En las embarcaciones este fenómeno aumenta su peso y acelera los procesos de corrosión, lo que conduce al aumento de gastos de mantenimiento y afecta al uso efectivo del combustible. Estas situaciones son de gran importancia debido a que más del 80 % del transporte internacional se realiza por medio de embarcaciones y un pequeño aumento en los costos en el sector afecta los precios de importación y exportación de los productos que se consumen en todos los países.

La contaminación biológica no solo afecta el precio de los alimentos y las fuentes de trabajo, también afecta el medio ambiente al emitir un mayor número de toneladas de CO₂ a la atmósfera. No existen datos precisos, pero se considera que el fouling puede incrementar el consumo de combustible hasta un 40 %. Las emisiones de CO₂ del tráfico marítimo constituyen un 3.5-8.0 % de las emisiones totales de CO₂, según datos de la Organización Marítima Internacional.

Si la reducción se aplica a cada embarcación de la flota mundial, la cantidad de CO₂ que no se expulsaría a la atmósfera podría ser de 90 millones de toneladas anuales, es decir la cantidad de CO₂ que emitirían 90 millones de automóviles funcionando durante todo un año [8].

Las pinturas antifouling a base de cobre han demostrado su éxito en ambientes marinos, pero varias señales indican que su futuro es incierto, nuevos productos antifouling a base de siliconas y polímeros fluorados parecen ser la mejor alternativa. Muchos de estos productos se basan en propiedades super hidrofóbicas y de alta rugosidad.

Las estrategias para combatir el biofouling son muy diversas, por ejemplo, el proyecto DAMA (Descubrimiento Acelerado de Materiales Antibioincrustantes), resultante de la convocatoria Ciencia de Frontera del CONACYT [9], contempla el uso de resinas base agua y nanoparticulas de bajo impacto ambiental, que funcionen por mecanismos biológicos y físicos.

Hasta el momento se estudian nanopartículas de baja toxicidad y funcionalizadas con ligantes inocuos. Los resultados son muy prometedores, se pueden generar recubrimientos con diferente rugosidad o “diferente piel”, se espera que los recubrimientos con “nueva piel” liberen iones y su morfología superficial elimine fácilmente la adherencia de microorganismos (Figura 1). 

 

Uno de los problemas más comunes encontrados en la síntesis de recubrimientos antimicrobianos que usan nanopartículas metálicas es la escasa actividad antimicrobiana (AA) frente a bacterias y hongos, a pesar de que las NPs metálicas presentan actividad antimicrobiana elevada antes de ser incorporadas a la resina acrílica. Las NP pierden su AA debido a que quedan completamente atrapadas en el recubrimiento al momento de secarse a temperaturas entre 120-150°C.

Superficies funcionales y soluciones innovadoras

Los recubrimientos acrílicos generalmente presentan buena adherencia a diferentes sustratos y no dejan filtrar agua a pesar de que su espesor sea de pocas micras. La solución es depositar las nanopartículas en la superficie de tal manera que queden parcialmente embebidas en el recubrimiento, la aplicación de diferentes capas con diferente capacidad hidrofóbica es una solución a este problema.

Para asegurar que las NP queden en la superficie del recubrimiento y no se lixivien rápidamente se deben usar NP soportadas en recubrimientos orgánicos, en la Figura 2, se ilustra el esquema de la propuesta presentada.

El proyecto DAMA es una excelente alternativa para jóvenes que desean incursionar en diferentes áreas, donde pueden capacitarse para desarrollar proyectos de alto impacto científico y social. Actualmente participan en el proyecto DAMA 4 estudiantes de licenciatura, 3 de maestría y 2 de doctorado.

Cambiar las propiedades de superficies con una “nueva piel” y que proporcionen beneficios al medio ambiente y a la sociedad es una satisfacción que buscamos muchos científicos. Recientemente el concepto se aplica a la industria espacial con la finalidad de reducir el consumo de combustible. Lufthansa y BASF están trabajando para ampliar el uso de su ‘piel de tiburón’ a diferentes modelos de aviones de grandes superficies. Según los cálculos iniciales, si se expande el uso de recubrimientos de “piel de tiburón” se podrían evitar hasta un tres por ciento de las emisiones globales de CO₂ [10].

Agradecimientos: Los autores y Marissa Pérez Alvarez agradecen el apoyo obtenido de los proyectos CONACyT-SENER-Sustentabilidad Energética, Centro Mexicano de Innovación en Energía del Océano No. 0249795 y FORDECYT-PRONACES/845101/2020, No. 845101, así como la beca otorgada al Dr. Sergio Mancillas-Salas