Autor: Energeia Graphenemex

La revolución del grafeno en la construcción

Publicado el | por Energeia Graphenemex

La revolución del grafeno en la construcción:

hacia estructuras más resistentes y duraderas 

“La prueba de resistencia a la compresión suele ser el parámetro más utilizado como indicador de calidad del concreto; sin embargo, su valor no determina por sí solo su durabilidad, es decir, además de la resistencia mecánica, la permeabilidad y la resistencia química también influyen en su vida útil”

La permeabilidad del concreto se entiende como el paso de agua y de iones agresivos a través de los capilares existentes entre los áridos y la pasta de cemento; este es un fenómeno complejo y depende sobre todo de la estructura atómica de los iones que penetran. Una de las sustancias más dañinas para el concreto son los iones cloruro, estos pueden estar presentes desde el inicio en la mezcla fresca, es decir, disueltos en los agregados, aditivos o en el agua, o bien, permear desde el exterior, siendo este caso el que expone mayor riesgo de corrosión. Aunque en general se puede decir que, la durabilidad del concreto ante los agentes atmosféricos depende fundamentalmente de la permeabilidad al agua, mientras que la durabilidad respecto a las sales agresivas, tanto para el concreto como para las armaduras depende de su resistencia al ingreso de cloruros por distintas vías.

“La penetrabilidad de los cloruros se manifiesta principalmente por la difusión de los iones en el concreto, mejor que por la penetración de toda la disolución en las muestras. Es decir, la penetración de los cloruros no depende únicamente de la permeabilidad del agua”

Para proteger al concreto contra la corrosión existen dos tipos principales de productos, por un lado, están los aditivos para las mezclas en concreto fresco cuya función es actuar sobre la superficie metálica anulando la reacción anódica, catódica o ambas y por otro, están los recubrimientos para la protección del concreto endurecido. No obstante, cualquiera que sea el producto utilizado, la protección anticorrosiva suele ser temporal, sobre todo cuando las estructuras se encuentran sujetas a movimientos, cargas o temperaturas que pudiesen afectar el desempeño de la protección o barrera colocada.

En el artículo anterior titulado Hacia una construcción sostenible se habló sobre la importancia del componente nanométrico clave en la resistencia del cemento, conocido como silicatos cálcicos hidratados (C-S-H) o gel de tobermorita y de su interesante interacción con las nanopartículas de óxido de grafeno (GO), una estructura nanométrica derivada del grafito y de reciente interés para el desarrollo de estructuras más resistentes, durables y amigables con el medio ambiente.

El GO está formado por láminas nanométricas de átomos de carbono enlazados en un patrón hexagonal y por una serie de grupos oxigenados anclados a su superficie que le facilita su dispersión en agua y combinarse otros materiales, por ejemplo, con las nanopartículas presentes en el cemento (C-S-H).

A este respecto, estudios internacionales demuestran que la forma y química superficial del GO, le permite actuar como una plataforma para acelerar la hidratación del cemento y promover la creación de grandes cantidades de partículas C-S-H, a partir de la formación de un nuevo enlace GO/ C-S-H.  Esta fuerte interacción da lugar a una red más densa de cristales de cemento entrelazados que, además de favorecer las propiedades mecánicas de las estructuras, también actúa como una barrera contra la infiltración de agua a través de los poros capilares, pero con un efecto que proyecta tener mayor duración que los aditivos actualmente disponibles. Esta propiedad es extremadamente importante para la durabilidad del concreto y, en particular, para la prevención de la reacción álcali-sílice (ASR), una reacción de expansión que ocurre en presencia de humedad entre la pasta de cemento alcalina y la sílice amorfa reactiva causando agrietamientos.

Resistividad eléctrica y la velocidad de corrosión

Otra importante prueba para el concreto es la resistividad eléctrica y se define como la resistencia de un material al paso de cargas eléctricas; su medición en concreto es una prueba común para identificar la presencia de humedad, así como para predecir el periodo de iniciación de corrosión en el concreto armado basándose en la relación inversa entre la resistividad eléctrica y la difusividad de los iones. Esto es, a mayor resistividad menor movimiento de cargas eléctricas causada por una menor porosidad. La participación de las nanopartículas de óxido grafeno en esta propiedad también ha sido evaluada en distintos estudios que confirman que la interacción GO/C-S-H produce un concreto más compacto o menos poroso que, además de reducir la permeabilidad del agua y de iones, también limita el movimiento de cargas eléctricas brindando mayor protección anticorrosiva de las estructuras metálicas del concreto.

Energeia Fusion (Graphenemex®), la empresa mexicana líder en América Latina en la investigación y producción de materiales grafénicos, desde hace más de 10 años se dio la tarea de materializar con fundamento científico los beneficios del grafeno para convertirlo en aplicaciones reales. Fue así como después de un largo camino de investigación y con resultados equiparables a los reportados por diversos estudios internacionales respecto al uso del óxido de grafeno en distintos productos, entre ellos el concreto, en 2018 logró lanzar al mercado Graphenergy construcción®, el primer aditivo para concreto con óxido de grafeno en el mundo; un aditivo multifuncional base agua que contribuye a mejorar distintas propiedades de las estructuras base cemento con una sola aplicación, como:

  1. Remodelación de la microestructura de la pasta de cemento con mejor enlace interfacial GO/C-S-H,
  2. Mejor compacidad del cemento,
  3. Menor movimiento de cargas eléctricas;
  4. Disminución en el proceso de extensión de grietas,
  5. Reducciones significativas en el índice de dirección del hidróxido de calcio,
  6. Mayor resistencia mecánica al mejorar su microestructura,
  7. Mayor durabilidad de las estructuras por mejoras en impermeabilidad, resistencia a la penetración de cloruros y reducción de la profundidad de penetración.

Es importante recordar que, los efectos mencionados pueden variar ya que además del tipo de grafeno u óxido de grafeno utilizado, las propiedades finales de las estructuras base cemento también dependen de factores como la relación agua- cemento, grado de compactación de la mezcla; las características del cemento, agregados, aditivos, entre otros, pero que con un adecuado manejo y seguimiento de los aditivos grafénicos los resultados pueden llegar a ser muy interesantes.

Redacción: EF/DHS

Fuentes

  1. Ultrahigh Performance Nanoengineered Graphene- Concrete Composites for Multifunctional Applications. Adv. Funct. Mater. 2018; 28: 1705183;
  2. The role of graphene/graphene oxide in cement hydration. Nanotechnology Reviews. 2021;10(1): 768;
  3. Experimental study of the effects of graphene nanoplatelets on microstructure and compressive properties of concrete under chloride ion corrosión. Construction and Building Materials, 2022; 360, 129564;
  4. Effect Of On Graphene Oxide the Concrete Resistance to Chloride Ion Permeability. IOP Conf. Ser. 2018: Mater. Sci. Eng. 394 032020;
  5. Effects of graphene oxide on early-age hydration and electrical resistivity of Portland cement paste. Constr Build Mater. 2017; 136, 506;
  6. Recent progress on graphene oxide for next-generation concrete: Characterizations, applications and challenges. “J. Build. Eng. 2023; 69, 106192;
  7. Graphene nanoplatelet reinforced concrete for self-sensing structures – A lifecycle assessment perspective. J. Clean. Prod. 2019; 240, 118202;
  8. Graphene opens pathways to a carbon-neutral cement industry. Science Bulletin. 2021; 67;
  9. Reinforcing Effects of Graphene Oxide on Portland Cement Paste. J. Mater. Civ. Eng. 2014; A4014010-1;
  10. A review on the properties, reinforcing effects, and commercialization of nanomaterials for cement-based materials. Nanotechnology Reviews 2020; 9: 303–322, 10;
  11. Permeabilidad a los cloruros del hormigón armado situado en ambiente marino sumergido. Revista Ingeniería de Construcción. 2007; 22: 1, 15;
  12. Penetrabilidad del hormigón al agua y a los iones agresivos como factor determinante de su durabilidad. Materiales de Construcción, 1973; 23: 150;
  13. La resistividad eléctrica como parámetro de control del hormigón y de su durabilidad. Revista ALCONPAT, 2011; 1(2),90;
  14. Portland cement blended with nanoparticles. Dyna, 2007; 74:152, 277;
  15. Improvement in concrete resistance against water and chloride ingress by adding graphene nanoplatelet. Cem concr res, 2016; 83: 114

Hacia una construcción sostenible

Publicado el | por Energeia Graphenemex

Hacia una construcción sostenible:

cómo el óxido del grafeno incrementa la resistencia del concreto y favorece la reducción de las emisiones de CO2

La investigación de nuevas tecnologías para la industria del cemento y del concreto no solo se limita a mejorar su durabilidad, sino también a buscar estrategias para controlar su influencia en el cambio climático, teniendo como antecedente que esta industria es la tercera fuente más grande de emisiones de dióxido de carbono (CO2) y que el reto global para el 2030 es reducir dichas emisiones en al menos el 16%.

Nanotecnología

La nanotecnología para la industria del cemento no es un concepto nuevo, de hecho, el cemento es considerado un material nanoestructurado debido a que, el 50 a 60% de su composición consta de nanopartículas de aproximadamente 10 nm conocidas como silicatos cálcicos hidratados (C-S-H) o gel de tobermorita. Este importante componente nanométrico es el fundamento para el desarrollo de nuevas formulaciones aplicando otras nanopartículas como el Nano Sílice (n. SiO2), Nano Óxido de Titanio (n. TiO2), Nano Óxido Férrico (n. Fe2O3), Nano Óxido de Aluminio o alúmina (n. Al2O3), Nanopartículas de arcilla y Nanopartículas de carbono, como los nanotubos de carbono, nanopartículas de grafeno u óxido de grafeno.

“El C-S-H llena los espacios vacíos en el cemento, mejora la densidad, la cohesión, la impermeabilidad y la resistencia del cemento”

El óxido de grafeno (GO) es una nanopartícula de carbono que se obtiene a partir de la oxidación y exfoliación del gafito. Sus conocidas propiedades mecánicas y de impermeabilidad, combinadas con un efecto nucleante y de densificación en la microestructura del cemento captaron la atención de científicos e industriales al descubrir que el uso de bajas concentraciones de este nanomaterial permite el desarrollo de estructuras más resistentes, durables y amigables con el medio ambiente.  

“El GO promueve la formación de C-S-H para mejorar y acelerar la hidratación del cemento a través de un nuevo enlace químico”

¿Cómo interactúa el GO con el cemento?

Si bien está perfectamente documentado que el C-S-H es el responsable del 60 al 80% de la resistencia del cemento, las recientes investigaciones han demostrado que el GO favorece aún más estos resultados y que no es exclusivo para mejorar la resistencia mecánica, sino que también contribuye con otras propiedades como impermeabilidad, anticorrosividad y/o aislamiento térmico. Los beneficios que el GO aporta al cemento propiamente dicho o bien, a los materiales base cemento, se atribuyen a la interacción entre los grupos carboxilo (COOH) del GO con el C-S-H del cemento para formar fuertes enlaces químicos GO/C-S-H. Esto ocurre de la siguiente manera, cuando el cemento entra en contacto con el agua, este se disuelve y libera grandes cantidades de iones; por su parte, el GO al presentar una extensa superficie de área y buena capacidad para aumentar la movilidad de los iones Ca2+ en la pasta de cemento, el GO permite que estos se adsorban en él. En otras palabras, el GO actúa como plataforma para potenciar el efecto de nucleación o de promoción para formar una gran cantidad de partículas C-S-H (fig. 1.), fenómeno que finalmente facilita el proceso de hidratación a edad temprana y que a su vez conduce a la formación de microestructuras más densas, más resistentes y menos permeables. 

“La hidratación es el proceso mediante el cual el cemento en presencia del agua reacciona químicamente, desarrolla propiedades aglutinantes y se transforma en un agente de enlace”

Fig. 1. Representación esquemática sobre la interacción de la pasta de cemento en presencia de grafeno y óxido de grafeno. 
Tomado de: Nanotechnology Reviews (2021), vol. 10, no. 1, 768

Resistencia mecánica Vs. menores emisiones de CO2

La prueba de resistencia a la compresión es la medida más común para controlar la calidad del concreto y, por lo tanto, es también la técnica más utilizada para evaluar el efecto del GO en estas estructuras. De acuerdo con pruebas realizadas en laboratorio, la presencia del GO en el concreto puede superar el 50% de la resistencia esperada, mientras que las evaluaciones en campo reportan fluctuaciones de mejora en el rango del 5% hasta el 50%. Esta variación se debe a que, además del tipo de GO y dosificación estudiada, como toda estructura de concreto, la resistencia también depende de factores como la relación agua- cemento, el grado de compactación de la mezcla; las características del cemento, agregados y aditivos; la edad del concreto; la temperatura e higrometría del ambiente de curado. No obstante, estos valores son lo suficientemente atractivos para aprovecharse no solo en el diseño de estructuras más resistentes, sino también con menor contenido de cemento para contribuir con la reducción de las emisiones de CO2. De hecho, en 2019 un estudio realizado por investigadores de la Universidad de Cambridge reveló que, si la adición de nanopartículas de grafeno lograse reducir tan solo el 5 % del cemento en la mezcla de concreto, su efecto en el calentamiento global se reduciría en un 21%”.

Por lo anterior y, a partir de la 21ª Conferencia de las Partes de la Convención Marco de las Naciones Unidas sobre el Cambio Climático (COP 21) celebrada en 2015, que concluyó con la adopción de la Decisión y del Acuerdo de París que, desde 2020 promueve un desarrollo con bajas emisiones de carbono para mantener el aumento de la temperatura global por debajo de los 2°C, empresas de países como Inglaterra, España, Estados Unidos, Vietnam y México, han acelerado sus esfuerzos para promover los beneficios de la nanotecnología grafénica en favor del medio ambiente.  

Energeia Fusion, la empresa mexicana líder en América Latina en la producción de materiales grafénicos y el desarrollo de aplicaciones, en 2018 lanzó al mercado Graphenergy construcción®, el primer aditivo para concreto con óxido de grafeno en el mundo; un aditivo multifuncional base agua que contribuye a mejorar distintas propiedades de las estructuras base cemento con una sola aplicación. Asimismo, en el corto plazo espera tener disponible un cemento reforzado con grafeno y contribuir a lograr los compromisos medioambientales.  

Fuentes

  1. Ultrahigh Performance Nanoengineered Graphene- Concrete Composites for Multifunctional Applications. Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1705183;
  2. The role of graphene/graphene oxide in cement hydration. Nanotechnology Reviews. 2021;10(1): 768;
  3. Experimental study of the effects of graphene nanoplatelets on microstructure and compressive properties of concrete under chloride ion corrosión. Construction and Building Materials, 2022, 360, 129564;
  4. Effect Of On Graphene Oxide the Concrete Resistance to Chloride Ion Permeability. IOP Conf. Ser. 2018: Mater. Sci. Eng. 394 032020;
  5. Effects of graphene oxide on early-age hydration and electrical resistivity of Portland cement paste. Constr Build Mater. 2017, 136, 506;
  6. Recent progress on graphene oxide for next-generation concrete: Characterizations, applications and challenges. “J. Build. Eng. 2023, 69, 106192;
  7. Graphene nanoplatelet reinforced concrete for self-sensing structures – A lifecycle assessment perspective. J. Clean. Prod. 2019, 240, 118202;
  8. Graphene opens pathways to a carbon-neutral cement industry. 2021, Science Bulletin 67;
  9. Reinforcing Effects of Graphene Oxide on Portland Cement Paste. J. Mater. Civ. Eng. 2014. A4014010-1;
  10. A review on the properties, reinforcing effects, and commercialization of nanomaterials for cement-based materials. Nanotechnology Reviews 2020; 9: 303–322, 10;
  11. Permeabilidad a los cloruros del hormigón armado situado en ambiente marino sumergido. Revista Ingeniería de Construcción. 2007, 22, 1, 15;
  12. Penetrabilidad del hormigón al agua y a los iones agresivos como factor determinante de su durabilidad. Materiales de Construcción, 1973, 23, 150;
  13. La resistividad eléctrica como parámetro de control del hormigón y de su durabilidad. Revista ALCONPAT, 2011, 1(2),90;
  14. Portland cement blended with nanoparticles. Dyna, 2007, 74, 152, 277

El aditivo grafénico para concreto

Publicado el | por Energeia Graphenemex

El aditivo grafénico para concreto:

un revolucionario aislante térmico en la construcción

En los últimos años, la industria de la construcción ha intentado mejorar las propiedades del mortero y el concreto, para incrementar su durabilidad, especialmente en estructuras expuestas a ambientes agresivos o extremos. Entre las propiedades que se buscan mejorar, es la resistencia a la compresión, la resistencia a la tensión por compresión, así como disminuir el agrietamiento. Con el aumento de volumen de concreto en los proyectos de ingeniería civil, se ha prestado mas atención a las grietas térmicas que se producen. La experimentación ha demostrado que durante el proceso de hidratación del mortero y/o concreto se genera calor, debido a las reacciones exotérmicas que se producen. Una mala disipación de calor provoca un gradiente entre el interior de la masa y su superficie, lo que genera tensiones internas y puede llegar a provocar un craqueó o agrietamiento térmico en el concreto.

Hoy en día, el óxido de grafeno (GO), un material precursor del grafeno ha atraído mucha atención debido a que es un material aislante, de baja propiedad térmica y posee extraordinarias propiedades mecánicas. El GO posee una gran área superficial (2600 m2/g) y la presencia de grupos oxigenados le confiere propiedades únicas que hace que se disperse fácilmente en agua, lo que lo convierte en un nanomaterial ideal para el desarrollo de aditivos para el concreto.

Aunque las propiedades mecánicas de los compuestos y estructuras a base de cemento son importantes en la infraestructura de los edificios, la propiedad de aislamiento térmico es muy importante para reducir el consumo de energía para la climatización y calefacción en los edificios. Por lo tanto, el GO es un buen candidato debido a sus propiedades de baja conductividad térmica. La conductividad térmica, se define como la capacidad de un material para transferir el calor. Es el fenómeno por el cual se propaga el calor de zonas de alta temperatura (más calientes) hacia zonas más frías dentro del material.  Para el caso del GO, la presencia de huecos y grupos funcionales en la superficie del GO provocan una tensión o inestabilidad local, lo que resulta en una reducción de la conductividad térmica de hasta de 2 a 3 órdenes de magnitud (<100 W/m-K). En el GO, la propagación de flujo de calor se produce en las regiones vacantes (huecos) y en los grupos funcionales oxigenados de la superficie del GO (Figura 1). Cuando un flujo de calor intenta atravesar el GO por algún defecto o vacante, el flujo de calor no solo se propaga fuera del plano, sino que también perturba el flujo de calor alrededor del hueco del plano basal.

Figura 1. Imagen esquemática de lámina óxido de grafeno (GO) con defectos de vacantes o defectos
y grupos funcionales oxigenados distribuidos aleatoriamente.

Recientes investigaciones han reportado, la mejora de las propiedades de aislamiento térmico de materiales compuestos a base de cemento mediante la adición de diferentes concentraciones de GO, así como el efecto de esté en el incremento de la resistencia a la compresión y mayor impermeabilidad de iones cloruro y agua en el concreto. La incorporación de GO disminuyó la microfisuración, la porosidad del material (disminuye el volumen de poros) y mejora la compactación. Las láminas de GO se convierten en una barrera para la propagación de las grietas, lo que mejora las propiedades mecánicas. La resistencia a la compresión de los especímenes de los compuestos con concentraciones de GO de 0,05 % en peso aumentó hasta en un 18,7% y un 13,7% a una edad de curado de 7 y 28 días, respectivamente.   En el caso de las evaluaciones de las propiedades térmicas de los compuestos, la conductividad térmica fue de 0.578 W/m K para el espécimen sin GO (control) y 0.490 W/m K para el compuesto con 0.1 % en peso de GO, mientras que los valores de difusividad térmica oscilan entre 0.38× 10-6 y 0.33× 10-6 m2/s (Figura 2). La conductividad térmica disminuye con el aumento del contenido de GO debido a la baja conductividad o el excelente efecto aislante de las láminas de GO y buenas interacciones entre mortero y las láminas de GO. Generalmente, el material con valores de conductividad térmica inferiores a 0.250 W/m K se conoce como un aislante térmico. Por lo tanto, el aislante térmico del mortero es mejorado en los compuestos con la incorporación de GO.

Figura 2. a) Gráficos comparativos de las resistencias a la compresión de los compuestos a diferentes concentraciones de GO a la edad de curado de 3, 7, 21, 28 y 77 días. b) Conductividad y difusividad térmicas de los compuestos, a la edad de curado de 7 días.

Energeia -Graphenemex® desarrolló y tiene a la venta, un aditivo para concreto con óxido de grafeno (Graphenergy). Un aditivo nanotecnológico que permite mejorar la resistencia mecánica, la impermeabilidad y provee un efecto antimicrobiano a cualquier material a base de cemento. El aditivo también puede conseguir reducir el número final de poros del producto fraguado, lo que se traduce en un producto más compacto y de mayor impermeabilidad al paso de agua, mejorando la protección contra la corrosión de las almas de acero en el concreto.

La propiedad de aislamiento térmico del aditivo puede lograr una reducción de la temperatura de estructuras, infraestructura o edificios a base de concretos en una temperatura más agradable en el interior (hasta de 3 °C), reduciendo el consumo de energía para la climatización y/o calefacción en los edificios.

Referencias

  1. Janjaroen, Khammahong. The Mechanical and Thermal Properties of Cement CAST Mortar/Graphene Oxide Composites MaterialsInt J Concr Struct Mater (2022).
  2. Yi Yang, Jing Cao y col.Thermal Conductivity of Defective Graphene Oxide: A Molecular Dynamic Study. Molecules 2019, 24, 1103.
  3. Guojian Jing, Zhengmao Ye y col. Introducing reduced graphene oxide to enhance the thermal properties of cement composites. Cement and Concrete Composites 109 (2020) 103559.

Grafeno y nanomedicina: la combinación perfecta para una salud mejorada

Publicado el | por Energeia Graphenemex

Grafeno y nanomedicina:

la combinación perfecta para una salud mejorada

Parte lll. Odontología- Implantología

La aplicación de la nanotecnología en la nanomedicina se fundamenta en que la mayoría de las moléculas biológicas desde el ADN, aminoácidos y proteínas hasta constituyentes como la hidroxiapatita y las fibrillas de colágeno, entre otros, existen y funcionan en la escala nanométrica.

Nanómetro (nm): millonésima parte de 1 milímetro.

Los materiales grafénicos son nanopartículas de carbono en forma de láminas de dos dimensiones (2D) que han ganado popularidad en el campo de las ciencias biomédicas no sólo por sus increíbles propiedades mecánicas, térmicas, eléctricas, ópticas y biológicas, sino también por su capacidad de transferir estas propiedades a otros materiales permitiendo la posibilidad de crear nuevos compuestos con características avanzadas. En Odontología y en particular en lo relacionado con la implantología, esta transferencia de propiedades ha permitido abrir numerosas líneas de investigación con grandes expectativas debido al interesante efecto sinérgico entre el control de infecciones y su capacidad regenerativa.1

Nanopartícula: partícula que mide entre 1 y 100 nm.

El grafeno como nueva estrategia para el diseño y manipulación de implantes dentales y regeneración tisular. Tomado de Tissue Eng Regen Med. 2017; 14(5): 481

¿Cuáles son los problemas que el grafeno podría resolver?

Osteointegración

Una de las principales preocupaciones después de la colocación de un implante es el fracaso en su osteointegración. Esto puede ocurrir porque en la interfase hueso- implante en lugar de crecer células óseas, crece un tejido fibroso que no permite la estabilización del implante. Una alternativa para favorecer las condiciones del sitio donde ocurrirán las interacciones celulares es la modificación de la superficie del implante por medio de métodos físicos o químicos para crear nanoporosidades que aumenten la superficie de área y favorezcan la actividad celular. 2

Oseointegración: conexión firme, estable y duradera entre un implante y el hueso que lo rodea. Su éxito depende de factores biológicos y sistémicos del paciente, además de las características del implante.

En el caso de los materiales grafénicos, además de su extensa y extremadamente fina superficie de área de un átomo de espesor, otro de sus valores agregados es la nube de electrones que los rodea y la presencia de algunos grupos oxigenados les permite interactuar con las proteínas séricas para formar una adhesión focal. Es decir, el carácter hidrofóbico/hidrofílico de estos nanomateriales en combinación con la rugosidad de la superficie coadyuva en la interacción con las proteínas y posteriormente con las células, actuando como andamio para promover el crecimiento, diferenciación y anclaje de las células óseas en el implante, favoreciendo el camino para una osteointegración estable y predecible con una mejor proyección de la vida útil.3,4 

El Impacto regenerativo de los materiales grafénicos reside en su gran habilidad para adsorber proteínas creando una capa entre las células y las superficies de los materiales para promover la adhesión y proliferación celular.1

Control de infecciones

Otra causa para el fallo de un implante es la aparición de infecciones peri- protésicas o peri- implantares; para evitarlas es común utilizar técnicas como impregnación con antibióticos, sistemas locales de administración de fármacos y el recubrimiento de implantes con nanotubos de titanio, nanopartículas de plata o con nano- películas polipeptídicas para la liberación controlada de antibióticos.5 No obstante, el preocupante aumento de la resistencia a antibióticos ha desencadenado que estas estrategias sean cada vez menos efectivas.

Los materiales grafénicos además de su biocompatibilidad, cuentan con propiedades antimicrobianas intrínsecas con ventajas sobre los antibióticos tradicionales al tener menos posibilidades de desarrollo de resistencia microbiana. Estos efectos desde hace varios años son explorados por la odontología sobre materiales biocerámicos como la alúmina y el zirconio, metales como el titanio, materiales de restauración como el ionómero de vidrio y materiales poliméricos como el polimetilmetacrilato (PMMA), por mencionar algunos. En general, los mecanismos antimicrobianos aceptados para estas nanoestructuras son: 1) daño físico a la membrana, 2) estrés oxidativo, 3) inactivación por extracción de electrones, 4) aislamiento contra el paso de nutrientes y finalmente, 5) en el caso de los recubrimientos, el control de la hidrofobicidad y la energía de superficie también puede impedir la unión de células con baja afinidad y prevenir la formación de biopelículas.6,7

Biopelícula: Capa de microorganismos que crecen y se adhieren a la superficie de una estructura natural como los dientes (placa dentobacteriana) o artificial como un dispositivo médico (catéteres intravasculares).

En 2021 un grupo de científicos de la universidad de Gwangju, Corea, publicó un estudio en el cual recubrieron implantes de zirconio con óxido de grafeno por el método de plasma de argón. Sus resultados reportaron que esta modificación redujo en un 58.5% la presencia del Streptococcus mutans, la bacteria de mayor influencia en la formación de la placa dentobacteriana y de la caries dental, concordando con una importante reducción en el espesor de la biopelícula del 43.4%. Además del efecto antimicrobiano también evidenciaron un aumento estadísticamente significativo del 3.2% y 15.7% en la proliferación y diferenciación de las células óseas.8 Estos resultados son consistentes con lo reportado por la  Universidad Jiao Tong, Shanghái, sobre un material híbrido de titanio con grafeno sintetizado por la técnica de sinterización por plasma de chispa (SPS). De igual manera, la investigación demostró una interesante disminución de la formación de biopelículas multibacterianas compuestas por Streptococcus mutans, Fusobacterium nucleatum y Porphyromonas gingivalis, acompañada poruna mejora en la actividad de los fibroblastos gingivales humanos, uno de los grupos celulares más importantes que participan en la cicatrización.9 Además de la sinergia entre el control de infecciones y su capacidad regenerativa, otros estudios relacionados con la implantología dental, también están enfocando su atención en las propiedades mecánicas para el diseño de nuevos implantes o materiales de restauración. 10- 12

Energeia- Graphenemex, la empresa mexicana pionera en América Latina en la investigación y desarrollo de aplicaciones con materiales grafénicos, a lo largo de 10 años de carrera ha superado numerosos retos científicos y comerciales para llegar al mercado con productos para distintas industrias. Y siendo consiente que para llegar al sector salud es fundamental realizar  exhaustivas evaluaciones, hace una atenta invitación a todas aquellas empresas y/o centros de investigación que estén interesados en seguir explorando los beneficios de los materiales grafénicos y sentar bases cada vez más sólidas sobre su uso seguro para aplicaciones biomédicas. 

Redacción: EF/DHS

Referencias

  1. ¿Can Graphene Oxide Help to Prevent Peri-Implantitis in the Case of Metallic Implants? Coatings 2022, 12, 1202.
  2. New design of a cementless glenoid component in unconstrained shoulder arthroplasty: a prospective medium term analysis of 143 cases. Eur J Orthop Surg Traumatol 2013. 23(1):27–34 7. European Journal of Orthopaedic Surgery & Traumatology (2018) 28:1257
  3. Graphene-Based Biomaterials for Bone Regenerative Engineering: A Comprehensive Review of the Field and Considerations Regarding Biocompatibility and Biodegradation. Adv. Healthc. Mater. 2021, 2001414.
  4. Nanotechnology and bone regeneration: a mini review. 2014 Int Orthop 38(9):1877–1884 /1. European Journal of Orthopaedic Surgery & Traumatology (2018) 28:1257
  5. Graphene: ¿An Antibacterial Agent or a Promoter of Bacterial Proliferation? iSciencie. 2020.  23, 101787
  6. Graphene: The game changer in dentistry. IP Annals of Prosthodontics and Restorative Dentistry 2022;8(1):10
  7. Antibacterial Activity of Graphene Depends on Its Surface Oxygen Content.
  8. Direct-Deposited Graphene Oxide on Dental Implants for Antimicrobial Activities and OsteogenesisInt. J. Nanomedicine 2021 :16 5745
  9. Graphene-Reinforced Titanium Enhances Soft Tissue Seal. Front. Bioeng. Biotechnol. 2021. 9:665305.
  10. Graphene-Doped Polymethyl Methacrylate (PMMA) as a New Restorative Material in Implant-Prosthetics: In Vitro Analysis of Resistance to Mechanical Fatigue. J. Clin. Med. 2023, 12, 1269.
  11. Mechanical Characterization of Dental Prostheses Manufactured with PMMA–Graphene Composites. Materials 2022, 15, 5391
  12. Fabrication and properties of in situ reduced graphene oxide-toughened zirconia composite ceramics. J. Am. Ceram. Soc. 2018, 101, 8

Innovación en la producción de materiales compuestos: el uso del grafeno en la pultrusión

Publicado el | por Energeia Graphenemex

Innovación en la producción de materiales compuestos:

el uso del grafeno en la pultrusión

Los compuestos poliméricos reforzados con fibra son utilizados ampliamente en los sectores aeroespacial, automovilístico, naval y de generación de energía eólica debido a sus propiedades de ligereza y alta resistencia mecánica. Estos materiales son una alternativa en auge para sustituir a otros materiales como los metales.

En la actualidad existen diferentes métodos para la fabricación de compuestos reforzados con fibras, entre los que destaca el método de pultrusión. Un método altamente eficiente y automatizado que permite el control de los parámetros del proceso (mayor precisión y exactitud), reduciendo la variabilidad en la producción de las piezas.

La pultrusión es un proceso de producción de materiales reforzados donde se pueden distinguir dos componentes, la matriz o fase continua y el refuerzo o fase discontinua. La matriz actúa como un agente de adhesión, en la que el refuerzo queda embebido. Las funciones de la matriz, es transferir la carga a las fibras, mantener las fibras en su posición, evitar la propagación de fisuras, proveer propiedades físicas y químicas del compuesto y también delimita el rango de temperatura que podra soportar el material compuesto. La matriz es termoestable o termofija (poliéster insaturado, resinas epoxi o resinas vinil-ester). Por otro lado, el refuerzo tiene como propósito agregar alguna propiedad que la matriz no posea, como incrementar la resistencia mecánica, la rigidez, la resistencia a la abrasión o mejorar su desempeño cuando es expuesto a temperaturas elevadas. La eficiencia del refuerzo es mayor, cuanto menor sea el tamaño de las partículas o el diámetro de la fibra y más homogéneamente estén distribuidas en la matriz. Las fibras más utilizadas son de vidrio, carbono y aramida debido a su alta resistencia de tracción.

El proceso de pultrusión (Figura 1), es continuo y se utiliza para la fabricación de piezas con un perfil transversal constante, como postes, varillas, molduras automotrices, etc. En la primera etapa de alimentación las fibras de refuerzo pasan por una placa perforada para su alineación, después pasan por un pre-moldeo donde se agrega un tejido para reforzar la fibra. Después en la segunda etapa, las fibras se impregnan de resina liquida y pasan a una etapa de pre-formado donde se orientan las fibras antes de entra al molde. En la tercera etapa (moldeado), se da forma a la sección transversal de la pieza y mediante la aplicación de calor se endurece la resina. Durante la aplicación de calor en el molde, hay tres fases: pre-calentamiento de la matriz y del refuerzo, activación del catalizador de polimerización y curado del material. Después, el perfil sale del molde como material termofijo y pasa hacia un mecanismo de tracción continuo que tira o jala el material a una velocidad constante (cuarta etapa)). Finalmente, en la quinta etapa, una sierra de disco corta el perfil con la longitud deseada. El perfil del compuesto reforzado obtenido es un material completamente rígido, que no se reblandece e insoluble con capacidad de soportar temperaturas elevadas.

Figura 1. Esquema General del proceso de pultrusión: (1) Alimentación, (2) Impregnación, (3) Moldeo, (4) Dispositivo de tracción y (5) Sierra (Corte).

Actualmente las principales aplicaciones de este proceso se centran en la fabricación de materiales para la construcción, transporte y consumibles, por ejemplo: construcción de vehículos, aislante térmico, conductos para cable, cubiertas y rejillas para plantas de tratamiento de aguas, perfiles para vigar, fachadas de edificios, ventanas, puentes, escaleras, entre otros.

Sin embargo, aún existen limitantes en esta tecnología, la baja interacción química de la fibra con la matriz (resina) conduce a una fuerza de unión de interfaz débil entre ambas fases (baja adhesión química), lo que hace que hace que el comportamiento de cizallamiento interlaminar y desempeño de los materiales compuestos no sea del todo satisfactorio. Es decir, si la matriz es frágil se puede generar una rotura espontánea, este comportamiento permite medir la resistencia a la cizalladura interlaminar. Dependiendo del tipo de rotura, se puede caracterizar la resistencia del material de la matriz o la calidad de la unión fibra-matriz.

En años reciente, se ha reportado que la introducción de óxido de grafeno (GO) funcionalizado sobre la superficie de las fibras es un método eficaz para mejorar las propiedades interfaciales de los materiales compuestos, ya que la gran área superficial del óxido de grafeno permite cubrir la superficie de las fibras, incrementando la fuerza de unión química entre la fibra y la matriz, mejorando con ello la resistencia mecánica de los compuestos reforzados. Además, el óxido de grafeno ayuda a mejorar la resistencia a la fractura interlaminar del material compuesto, inhibiendo la iniciación y propagación de grietas.

La adición de óxido de grafeno a los compuestos poliméricos reforzados ofrece numerosas ventajas para el desarrollo de materiales avanzados en una gran variedad de aplicaciones debido a su gran área superficie, la cual tiene un fuerte impacto sobre las propiedades de resistencia mecánica, mejorar en gran medida propiedades tales como módulo, tenacidad y fatiga. Por otro lado, el óxido de grafeno puede proveer a los compuestos mayor resistencia al fuego. Su eficiencia está asociada que el óxido de grafeno tiene un fuerte efecto barrera, alta estabilidad térmica y gran capacidad de absorción superficial que son favorables para reducir eficazmente la transferencia de calor y masa.

Actualmente Energeia – Graphenemex®, empresa mexicana lider en América Latina en investigación y producción de materiales grafénicos para el desarrollo de aplicaciones a nivel industrial, tiene a la venta grafeno y óxido de grafeno que puede incorporar o dispersar en cualquier matriz (resina) durante el proceso de pultrusión y con ellos mejorar las propiedades mecánicas de los perfiles o productos.

La incorporación de materiales grafénicos (grafeno, óxido de grafeno) en el proceso de pultrusión, brindan mejoras en las características del producto final, que incluyen:

  • Mayor resistencia a la tracción. La resistencia a la tensión puede incrementar hasta en un 30% con respecto a un perfil estándar sin grafeno.
  • Producción de perfiles de menor peso, ya que el grafeno permite reducir el peso del producto sin afectar sus propiedades mecánicas.
  • Perfiles con mayor módulo de elasticidad.
  • Mayor resistencia a la corrosión y propiedades ignifugas.
  • Mayor resistencia a fracturas o fisuras.

Referencias

  1. Yuxin He, Qiuyu Chen. Effect of multiscale reinforcement by fiber surface treatment with polyvinyl alcohol/graphene oxide/oxidized carbon nanotubes on the mechanical properties of reinforced hybrid fiber composites. Composites Science and Technology 204 (2021).108634.
  2. Jonas H. M. Stiller, Kristina Roder, David Lopitz. Combining Pultrusion with carbonization: Process Analysis and materials properties of CFRP. Ceramics 2023, 6. 330-341.
  3. Dittrich B, Wartig K-A, Hofmann D, Mu¨lhaupt R, Schartel B. Flame retardancy through carbon nanomaterials: carbon black, multiwall nanotubes, expanded graphite, multi-layer graphene and graphene in polypropylene. Polym Degrad Stab 98:1495.

La seguridad del grafeno en la salud humana: lo que la ciencia dice al respecto

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La seguridad del grafeno en la salud humana:

lo que la ciencia dice al respecto

Parte ll. ¿Son seguros los materiales grafénicos para los seres humanos?

La familia de los materiales grafénicos comprende una amplia gama de nanoestructuras de carbono de dos dimensiones (2D) en forma de láminas que se diferencian entre sí por las particularidades derivadas del método de producción o bien, por las innumerables funcionalizaciones que se pueden realizar después de su obtención. En 2022 la revista Nature, una de las revistas científicas más importantes a nivel mundial publicó un estudio en el cual se analizaron 36 productos de proveedores de grafeno de países como Estados unidos, Noruega, Italia, Canadá, India, China, Malaysia e Inglaterra, concluyendo que los grafenos representan una clase heterogénea de materiales con características y propiedades variables1 ya sea mecánicas, térmicas, eléctricas, ópticas, biológicas, etc., que se pueden transferir a una gran cantidad de compuestos tridimensionales (3D) para modificar o crear nuevos productos.

“Indudablemente el grafeno y la nanotecnología en general siguen siendo temas controversiales pues nos enfrentan a un mundo difícil de ver y comprender, pero con efectos simplemente sorprendentes”

¿Son seguros los materiales grafénicos?

Los materiales grafénicos prometen ser una importante herramienta dentro de las tecnologías biomédicas; en principio sus beneficios se pueden aprovechar para el diseño de elementos diagnóstico como sensores y dispositivos para imagenología hasta interfases neuronales, terapia génica, entrega de medicamentos, ingeniería de tejidos, control de infecciones, fototerapia para el tratamiento del cáncer, medicina bioelectrónica y estomatológica, entre otras. Pero para que puedan ser realmente utilizados en este tipo de tecnologías primero se deben comprender sus interacciones con el medio biológico o en su defecto, asegurar que su presencia no altere el entorno natural de las células. En este sentido, se han realizado numerosos estudios con las diferentes formas, presentaciones y concentraciones disponibles de grafeno cuyos hallazgos gradualmente han ido allanando el camino para un uso seguro en las tecnologías biomédicas:   

i) Materiales grafénicos en su forma libre. En pruebas in vitro, la exposición de células epiteliales de pulmón humano a láminas de grafeno a concentraciones menores de 0.005 mg/ml no provocó cambios importantes en su morfología o adhesión,2,3 tampoco se identificó actividad citotóxica en células madre derivadas de tejido adiposo humano, ligamento periodontal y pulpa dental expuestas a 0.5 mg /ml de GO,4 incluso y comprendiéndose un posible efecto dosis- tamaño dependiente, otras investigaciones reportan concentraciones seguras por debajo de los 40 mg/ml o bien, que no excedan el 1,5 % p/v. 5-8  

Finalmente, uno de los estudios in vivo más recientes publicado por la Universidad de Manchester, Reino Unido, sobre la respuesta pulmonar de ratones expuestos al óxido de grafeno (GO) en vías respiratorias, no identificó daños significativos o fibrosis pulmonar a 90 días de seguimiento. Estos resultados dan bases sólidas sobre la seguridad de estas nanoestructuras sin desestimar las medidas de seguridad básicas, como el hecho de evitar su inhalación.9 Asimismo, científicos de la Universidad de Trieste, Italia, analizaron el impacto de los materiales grafénicos en la piel, reportando baja toxicidad sobre las células.10

“Es poco probable que los materiales grafénicos en su forma libre se utilicen para estar en contacto con el medio biológico, generalmente se funcionalizan o inmovilizan en otros materiales para desarrollar una aplicación”

ii) Materiales grafénicos funcionalizados. Funcionalización es el término que hace referencia a la modificación química de un nanomaterial para otorgarle una “función”, es decir, para facilitar su incorporación con otros compuestos o para beneficiar su biocompatibilidad y dirigir mejor su uso mediante el anclaje de grupos funcionales, moléculas o nanopartículas. Un estudio publicado por la revista Nature Communications sobre las bioapliaciones del grafeno, remarca la importancia de su funcionalización con grupos amino para que sean más compatibles con las células inmunitarias humanas.11,12

“La funcionalización más común del grafeno es el anclaje de grupos oxigenados en su superficie, a este material se le conoce como óxido de grafeno”

iii) Inmovilización en polímeros. El uso de los materiales grafénicos como nano- relleno de plásticos, resinas, recubrimientos, etc., es la forma más común en la que estas nanoestructuras son utilizadas. Para el sector biomédico su inmovilización en polímeros ha demostrado buena biocompatibilidad y estimulación de la proliferación celular; actividad antimicrobiana y mejora de las propiedades mecánicas de los polímeros, siendo clasificados como excelentes candidatos para la fabricación de dispositivos de fijación ósea, andamios moleculares, implantes en ortopedia o materiales dentales.13- 15

Ante el gran potencial de los materiales grafénicos en las ciencias de las salud, pero también debido a las numerosas interrogantes sobre su seguridad, un equipo internacional de investigación del proyecto europeo Graphene Flagship, dirigido por el EMPA (acrónimo alemán del Instituto Federal de Pruebas e Investigación de Materiales), realizó un estudio para evaluar los posibles efectos sobre la salud de los materiales grafénicos inmovilizados dentro de un polímero; los resultados demostraron que las partículas de grafeno liberadas de dichos compuestos poliméricos después de la abrasión inducen efectos poco significativos.16

“Es tranquilizador ver que este estudio muestra efectos insignificantes, lo que confirma la viabilidad del grafeno para aplicaciones masivas. Andrea C. Ferrari, Oficial de Ciencia y Tecnología del Graphene Flagship”.17,18

Energeia- Graphenemex, la empresa mexicana pionera en América Latina en la investigación y desarrollo de aplicaciones con materiales grafénicos, a lo largo de 10 años de carrera ha superado numerosos retos científicos e industriales para llegar al mercado con productos de uso industrial.  En 2018 comenzó a explorar las capacidades antimicrobianas de sus productos con excelentes resultados in vitro y en ambiente relevante; actualmente y en conjunto con otros centros de investigación se encuentra realizando evaluaciones para explorar el potencial de sus materiales como nano- refuerzo de biopolímeros.

Redacción: EF/DHS

Referencias

  1. Cytotoxicity survey of commercial graphene materials from worldwide. npj 2D Materials and Applications (2022) 6:65
  2. Biocompatibility of Pristine Graphene Monolayers, Nanosheets and Thin Films. 2014, 1406.2497.
  3. Preliminary In Vitro Cytotoxicity, Mutagenicity and Antitumoral Activity Evaluation of Graphene Flake and Aqueous Graphene Paste. Life 2022, 12, 242
  4. Biological and physico-mechanical properties of poly (methyl methacrylate) enriched with graphene oxide as a potential biomaterial. J Oral Res 2021; 10(2):1
  5.  Graphene substrates promote adherence of human osteoblasts and mesenchymal stromal cells. Carbon. 2010; 48: 4323–9
  6. Multi-layer Graphene oxide in human keratinocytes: time-dependent cytotoxicity. Prolifer Gene Express Coat 2021; 11:1
  7. Cytotoxicity assessment of graphene-based nanomaterials on human dental follicle stem cells. Colloids Surf B Biointerfaces. 2015; 136:791
  8. Arabinoxylan/graphene-oxide/nHAp-NPs/PVA bionano composite scaffolds for fractured bone healing. 2021. J. Tissue Eng. Regen. Med. 15, 322.
  9. Size-Dependent Pulmonary Impact of Thin Graphene Oxide Sheets in Mice: Toward Safe-by-Design. Adv. Sci. 2020, 7, 1903200
  10. Differential cytotoxic effects of graphene and graphene oxide on skin keratinocytes. 2017. Sci Rep 7, 40572
  11. Amine-Modified Graphene: Thrombo-Protective Safer Alternative to Graphene Oxide for Biomedical Applications. ACS Nano 2012, 6, 2731
  12. Single-cell mass cytometry and transcriptome profiling reveal the impact of graphene on human immune cells. Nature Communications, 2017, 8: 1109,
  13. In-vitro cytotoxicity of zinc oxide, graphene oxide, and calcium carbonate nano particulates reinforced high-density polyethylene composite. J. Mater Res. Technol. 2022. 18: 921
  14. Graphene-Doped Polymethyl Methacrylate (PMMA) as a New Restorative Material in Implant-Prosthetics: In Vitro Analysis of Resistance to Mechanical FatigueJ. Clin. Med. 2023, 12, 1269
  15. High performance of polysulfone/ Graphene oxide- silver nanocomposites with excellent antibacterial capability for medical applications. Matter today commun. 2021. 27
  16. Hazard assessment of abraded thermoplastic composites reinforced with reduced graphene oxide. J. Hazard Mater. 2022. 435. 129053
  17. https://www.empa.ch/web/s604/graphene-dust
  18. https://www.graphene-info.com/researchers-asses-health-hazards-graphene-enhanced-composites

El grafeno en la protección contra la radiación electromagnética

Publicado el | por Energeia Graphenemex

El grafeno en la protección

contra la radiación electromagnética

El desarrollo de la tecnología en comunicación junto con los dispositivos electrónicos ha generado una gran preocupación en relación con la radiación electromagnética emitida por estas tecnologías.

La radiación electromagnética es un tipo de campo electromagnético, es decir, una combinación de campos eléctricos y magnéticos oscilantes, que se propaga a través del espacio transportando energía de un lugar a otro. La radiación electromagnética puede manifestarse de diversas maneras, como ondas de radio, microondas, radiación infrarroja, luz visible, radiación ultravioleta, rayos X o rayos gamma y corresponden a diferentes longitudes de onda, que van del orden de kilómetros (ondas de radio) hasta el orden de picómetros (rayos gamma). El rango completo de longitudes de onda es lo que se denomina espectro electromagnético (Figura 1.).

Figura 1. Espectro Electromagnético.

Las radiaciones electromagnéticas pueden ser de alta frecuencia (radiaciones de telefonía móvil e inalámbrica, radiofrecuencias, ondas de TV, microondas, radares, señales de satélite, Wifi, Bluetooth) y de baja frecuencia (campos generados por cables o consumidores eléctricos).

El calor y la radiación electromagnética (radiación EM) son subproductos inevitables en los dispositivos electrónicos, especialmente los que funciona a altas frecuencias. A medida que los dispositivos electrónicos disminuyen de tamaño, estos funcionan a frecuencias cada vez más altas, generando incluso más calor y ondas electromagnéticas.

Las radiaciones electromagnéticas de alta frecuencias no solo degradan los dispositivos en sí mismos (produciendo calor), sino que también tienden a interferir con los aparatos electrónicos vecinos y lo más importante, es que tiene un efecto adverso sobre la salud humana ya que puede provocar muchas enfermedades, como leucemia, abortos espontáneos y cáncer cerebral.

Por lo que, el bloqueo o protección (blindaje) contra la radiación electromagnética podría ser una de las soluciones para minimizar riesgos a la salud y para la protección de equipos y/o aparatos electrónicos. Los metales son materiales de bloqueo electromagnético naturales, capaces de reflejar las ondas electromagnéticas debido a sus electrones libres, lo que explica su alta conductividad eléctrica y su escasa profundidad de penetración. Sin embargo, su elevado peso, el costo y la susceptibilidad de los metales a la corrosión, hacen que su uso sea limitado si no que imposible.

El uso de recubrimientos o pinturas conductoras para el bloqueo de radiación electromagnética es la opción más viable para dar solución a la problemática. Actualmente el grafeno es el aditivo nanotecnológico más revolucionario en la industria de recubrimientos. Debido a que el grafeno posee extraordinarias propiedades, las cuales incluyen alta conductividad eléctrica, elevada conductividad térmica y resistencia mecánica. Además, posee otras propiedades distintivas, incluida, la impermeabilidad a los gases, resistencia química, potencial antibacteriano y gran área superficial.

La capacidad de conducción eléctrica y la conductividad térmica del grafeno, puede ser aprovechada en la formulación de recubrimientos de blindaje contra la radiación EM, ya que el grafeno forma una red continua a lo largo de la superficie del recubrimiento, creando películas homogéneas que bloquean la radiación electromagnética mientras disipa el exceso de calor.

En estudios recientes, se ha reportado que la incorporación de nanoestructuras a base de carbono, como es el grafeno en recubrimientos o pinturas, permite el desarrollo de recubrimientos con alta conductividad eléctrica para el blindaje o protección contra las interferencias de electromagnéticas (EMI). La forma de actuar respecto a las ondas electromagnéticas de alta frecuencia es por refracción. Las ondas electromagnéticas rebotarán (reflexión) sobre la superficie tratada similar al efecto de un espejo respecto a la luz (Ver Fig. 2). El efecto-barrera en la propagación podría atribuirse a la contribución proveniente de la capacidad de reflexión, la absorción y múltiples reflexiones internas. La eficiencia de blindaje incrementa con la adición de mayor concentración de grafeno en la matriz polimérica del recubrimiento. Estos recubrimientos con grafeno pueden llegar a bloquear más del 99.98 % de la radiación electromagnética de alta frecuencia.

Figura 2. Porcentaje de Reflexión, absorción y transmisión de epóxico pristine (a) y epóxico con grafeno (b).
Tomado de Adv. Electron. Mater. 2019, 5. 1800558

Estos recubrimientos contra la radiación electromagnético pueden actuar tanto para la alta frecuencia como para baja frecuencia, con una excelente calidad de atenuación (disminución de intensidad de señales u ondas eléctricas) de hasta 38 dB, con una mano, y de 47 dB si se aplican dos manos.

Energeia – Graphenemex®, empresa mexicana lider en América Latina en investigación y producción de materiales grafénicos para el desarrollo de aplicaciones a nivel industrial, a través de su línea Graphenergy, está en constante investigación y desarrollo de nuevos recubrimientos multifuncionales y actualmente tiene a la venta una amplia gama de recubrimientos nanotecnológicos con grafeno.

Actualmente se están desarrollando y evaluando recubrimientos de blindaje contra la radiación electromagnética. Recubrimientos con alta conductividad eléctrica, para reducir los campos eléctricos de alta y baja frecuencia respectivamente. Estos recubrimientos, ofrecerán también protección anticorrosiva y antimicrobiana. Además, de brindar alta resistencia al desgaste, resistencia a los rayos UV, impermeabilidad y una extraordinaria adherencia.

Referencias

  1. Suneel Kumar Srivastava, Kunal Manna, Recent advancements in the electromagnetic interference shielding performance of nanostructured materials and their nanocomposites: a review, Journal of Materials Chemistry A, 10.1039/D1TA09522F, 10, 14, (7431-7496), (2022).
  2. Kargar, F., Barani, Z., Balinskiy, M., Magana, A. S., Lewis, J. S., Balandin, A. A., Adv. Electron. Mater. 2019, 5, 1800558.
  3. Seul Ki Hong et al 2012 Nanotechnology 23 455704.
  4. Lekshmi Omana, Anoop Chandran*, Reenu Elizabeth John, Runcy Wilson. Recent Advances in Polymer Nanocomposites for Electromagnetic Interference Shielding: A Review. Omega 2022, 7, 30, 25921–25947

Grafeno: La próxima revolución en aplicaciones biomédicas

Publicado el | por Energeia Graphenemex

Grafeno:

La próxima revolución en aplicaciones biomédicas

Parte I. Ingeniería de Tejidos

Los avances en la medicina han llegado a niveles hasta hace poco tiempo, inimaginados. Entre ellos, la ingeniería de tejidos tiene una participación importante. Con ella es posible combinar células, biomateriales y moléculas biológicamente activas con el objetivo de reparar o replicar tejidos u órganos con un funcionamiento similar al de la estructura original. En principio, los biomateriales son utilizados como andamios moleculares para que actúen como soporte o guía tridimensional (3D) para el anclaje y crecimiento de las células que se encargarán de formar el nuevo tejido.

Los primeros andamios moleculares se diseñaron con materiales naturales como el colágeno, glicosaminoglicanos (GAGs), quitosano y alginatos; después con compuestos artificiales como el poliácido láctico (PLA), ácido poliglicólico (PGA), ácido poli (láctico-co-glicólico) (PLGA), poliuretanos (PUs), politetrafluoroetileno (PTFE), polietilentereftalato (PET); biocerámicas como la hidroxiapatita (HA) y fosfato tricálcico; metales como el acero inoxidable, aleaciones cromo-cobalto (Co-Cr) o aleaciones de titanio (Ti) y recientemente, las nuevas investigaciones se orientan al uso de la nanotecnología.

La relación entre la nanotecnología y la ingeniería de tejidos se debe a que la matriz extracelular (MEC) que ayuda a que las células se unan y se comuniquen entre sí, está formada por una red de fibras de tamaño nanométrico compuesta por moléculas bioactivas. Es en este punto donde la nanotecnología abre nuevas posibilidades a la medicina regenerativa, pues se ha comprobado que el uso de materiales que actúen en la misma escala nanométrica de la MEC favorece para mimetizar el entorno fisiológico del organismo para estimular el crecimiento y diferenciación celular en un ambiente más natural.

Entre los nanomateriales más estudiados en los últimos años están los materiales grafénicos,que consisten en láminas nanométricas de átomos de carbono organizados en redes hexagonales de dos dimensiones (2D). Entre las propiedades más interesantes para la ingeniería de tejidos destacan su extensa superficie de área, resistencia mecánica, conductividad térmica, biocompatibilidad y finalmente, una extraordinaria capacidad para compartir sus propiedades con otros materiales para mejorar sus características originales.

Por ejemplo, el uso de materiales grafénicos dentro de la arquitectura 3D de ciertos biopolímeros en pruebas realizadas sobre tejidos de corazón, hígado, hueso, cartílago y piel, ha demostrado mejoras sustanciales de sus propiedades fisicoquímicas, mecánicas, eléctricas y biológicas, logrando excelente respuesta para la adhesión y diferenciación de células madre.

En 2022 el centro tecnológico Andaltec (España) reportó el desarrollo de un material a partir de polímeros derivados del grafeno por impresión 3D con gran potencial para la regeneración de tejido muscular. Ellos demostraron que en presencia de los derivados de grafeno las células se contraen y se expanden sin que exista un estímulo externo, por lo tanto, tiene grandes posibilidades para su uso en medicina regenerativa.

Por otro lado, la División de Estudios de Posgrado e Investigación (DEPeI) en Odontología, UNAM y la Escuela Nacional de Estudios Superiores (ENES) Unidad León, Mx., a través de un estudio publicado en el J Oral Res 2021 respalda las posibilidades del óxido de grafeno (GO) en el diseño de biomateriales para uso odontológico. Los resultados de la investigación realizada sobre muestras de GO (Graphenemex®) concluyeron que este nanomaterial en combinación con el polimetilmetacrilato (PMMA), además de mejorar sus propiedades físico-mecánicas, también demostró buena compatibilidad y una interesante estimulación de la proliferación celular al ser evaluado sobre cultivos con fibroblastos-gingivales, células-pulpares-dentales y osteoblastos humanos.

En 2020, investigadores de la Universidad de Málaga (España) publicaron otro estudio que de igual manera identificó al GO como el material idóneo para la medicina regenerativa. El estudio realizado sobre un modelo animal evidenció alta biocompatibilidad de distintos tipos de óxido de grafeno con células dopaminérgicas, favoreciendo su maduración y protegiéndolas de las condiciones tóxicas de la enfermedad de Parkinson, esto resultados postulan al GO como un andamio adecuado para probar nuevos fármacos o desarrollar construcciones para la terapia de reemplazo de células de la enfermedad de Parkinson.

A pesar de la gran cantidad de investigaciones sobre las interacciones de los materiales grafénicos con los medios biológicos, aún queda un largo camino por recorrer para tener estos biomateriales disponibles y en funcionamiento clínico. Energeia- Graphenemex, la empresa mexicana pionera en América Latina en la investigación y desarrollo de aplicaciones con materiales grafénicos, en colaboración con otras compañías y centros de investigación busca contribuir con la ciencia para comprender estas interacciones en un marco de seguridad, para sentar bases sólidas sobre el uso de la nanotecnología grafénica en el sector biomédico en beneficio de la sociedad.

Redacción: EF/DHS

Referencias

  1. Graphene and its derivatives: understanding the main chemical and medicinal chemistry roles for biomedical applications. J Nanostructure Chem, 2022, 12:693
  2. Biological and physico-mechanical properties of poly (methyl methacrylate) enriched with graphene oxide as a potential biomaterial. J Oral Res 2021; 10(2):1
  3. Graphene-Based Antimicrobial Biomedical Surfaces. ChemPhysChem 2021, 22, 250
  4. Functionalized Graphene Nanoparticles Induce Human Mesenchymal Stem Cells to Express Distinct Extracellular Matrix Proteins Mediating Osteogenesis. Int J Nanomed 2020:15 2501
  5. Graphene Oxide and Reduced Derivatives, as Powder or Film Scaffolds, Differentially Promote Dopaminergic Neuron Differentiation and Survival. Front. Neurosci., 21 December 2020. Sec. Neuropharmacology Volume 14
  6. International Journal of Nanomedicine 2019:14 5753
  7. Biocompatibility Considerations in the Design of Graphene Biomedical Materials. Adv. Mat. Interfaces 2019, 6, 1900229
  8. Graphene based scaffolds on bone tissue engineering. Bioengineered, 2018, 9:1, 38
  9. When stem cells meet graphene: Opportunities and challenges in regenerative medicine. Biomaterials, 2018, 155, 236
  10. Graphene-based materials for tissue engineering. Adv. Drug Deliv. Rev. 2016,105, 255
  11. Capítulo 92e: Ingeniería de tejidos, Anthony Atala. 2023 McGrawHill.

Tomado de Journal of Nanostructure in Chemistry (2022) 12:693

Mejora la seguridad con compuestos poliméricos retardantes a la llama con óxido de grafeno

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Mejora la seguridad con compuestos poliméricos

retardantes a la llama con óxido de grafeno

Los compuestos poliméricos (plásticos de ingeniería) son utilizados ampliamente en la industria automotriz, la construcción, la industria alimenticia, la aeroespacial y otros sectores. Su uso esta basado en la relación peso/resistencia, estabilidad física, resistencia química y resistencia a la corrosión.

Sin embargo, la mayoría de los polímeros, debido a su naturaleza, son inflamables y combustibles. Es decir, son materiales que se incendian rápidamente cuando son expuestos al fuego, sufriendo degradación y liberación calor para posteriormente iniciar la propagación de las llamas. Durante la combustión de los polímeros, liberan humo (hollín) y gases tóxicos que son un peligro para la seguridad de la vida humana y los bienes materiales.


Durante la combustión de materiales poliméricos intervienen cuatro componentes clave: calor, oxígeno, combustible y reacción de radiales libres. La retardancia a la flama de los materiales compuestos poliméricos puede conseguirse inhibiendo o perturbando uno o varios de estos componentes.


En los últimos años, se han realizado múltiples investigaciones para desarrollar aditivos que ayuden a inhibir o reducir la inflamabilidad de los polímeros, estos aditivos son conocidos como retardantes a la flama.

Los retardantes a la flama convencionales pueden clasificarse en dos principales categorías, en función de sus componentes: retardantes de flama inorgánicos y retardante de flama orgánicos. Los primeros incluyen hidróxido, óxido metálico, fosfato, silicato entre otros. Tiene excelente estabilidad térmica, no son tóxicos, son de bajo costo y no producen contaminación. Sin embargo, los retardantes de flama inorgánicos están limitados por elevada carga, baja compatibilidad y agregación. Por otro lado, los retardantes de flama orgánicos incluyen retardantes de flama que contienen halógenos, fósforo, fósforo-nitrógeno, etc. Estos últimos presentan alta eficacia y buena compatibilidad con los polímeros. Su principal desventaja es que tienen restricción porque pueden liberar gases tóxicos y ser nocivos durante la combustión, poniendo en peligro la salud de las personas y el medio ambiente.

Actualmente el óxido de grafeno (GO), es el nanomaterial más novedoso para su uso como retardante de flama, debido a que exhibe alta eficacia como retardante con bajas cargas y no es tóxico. Su eficiencia está asociado que el óxido de grafeno tiene un fuerte efecto barrera, alta estabilidad térmica y gran capacidad de absorción superficial que son favorables para reducir eficazmente la transferencia de calor y masa.

Los retardantes de flama a base de grafeno pueden mejorar la resistencia a la flama de los polímeros mediante la inhibición de los dos términos clave: calor y combustible. Más concretamente, el óxido de grafeno puede funcionar como retardante de flama de diferentes formas sinérgicas.

  1. En primer lugar, el GO posee una estructura de capas bidimensional única y puede promover la formación de una densa capa continua de carbón durante el proceso de combustión. El carbón puede actuar como barrera física para impedir la transferencia de calor desde la fuente de calor y retrasar el escape de productos (pirolisis) del sustrato polimérico.
  2. En segundo lugar, el GO tienen una gran área superficial específica y puede adsorber eficazmente compuestos orgánicos volátiles inflamables o dificultar su liberación y difusión durante la combustión.
  3. En tercer lugar, el GO contienen abundantes grupos reactivos que contienen oxígeno (grupo carboxilo en los bordes, así como grupos epoxi e hidroxilo en los planos basales en las láminas). Por ejemplo, los grupos que contienen oxígeno pueden sufrir descomposición y deshidratación a baja temperatura, absorbiendo así calor y enfriando el sustrato polimérico durante la combustión. Mientras tanto, los gases generados por deshidratación pueden diluir la concentración de oxígeno alrededor de la periferia de ignición, disminuyendo el riesgo de propagación de fuego.
  4. También puede modificar el comportamiento reológico del polímero e impedir su goteo, dificultando así la liberación y difusión de productos volátiles de descomposición a través del ”efecto laberinto” y afectando a la retardancia a la flama de los compuestos (por ejemplo, modificando la clasificación UL-94, el índice de oxígeno (OI) y el tiempo de ignición (TTI).

En estudios realizados, se ha encontrado que la incorporación de óxido de grafeno funcionalizado (5 % en peso) en Polipropileno (PP), incremento el módulo de Young y el límite elástico del PP en un 53 % y un 11 %, respectivamente. Mientras que en los resultados de la prueba de flamabilidad (UL-94), indica que la presencia de GO produce un cambio en el comportamiento de la masa fundida y evita que el material gotee.

Por otro lado, se han reportado la preparación de compuestos poliméricos en mezclado en fundido (extrusión), de Poliestireno/GO, donde se encontró que el GO (5 %) puede promover la carbonización en la superficie del polímero (capa de material carbonizado) y en el interior la presencia de un carga o relleno que presenta alta resistencia al calor y contribuye a la formación de residuos de carbón, mejorando la resistencia a la flama de los compuestos a base de poliestireno.

Actualmente Energeia – Graphenemex®, empresa mexicana lider en América Latina en investigación y producción de materiales grafénicos para el desarrollo de aplicaciones a nivel industrial, a través de su línea de Graphenergy Masterbatch, ha desarrollado y tiene a la venta una amplia gama de masterbatches con óxido de grafeno, basados en varios polímeros, como PP, HDPE, LDPE, PET y PA6.

La incorporación de grafeno y derivados de grafeno (GO) a matrices poliméricas, ha permitido el desarrollo de compuestos poliméricos con mejores propiedades mecánicas, con mayor estabilidad térmica, capacidad de barrera contra gases y reducir la flamabilidad de los compuestos poliméricos.


Referencias

  1. Han Y, Wu Y, Shen M, Huang X, Zhu J, Zhang X. Preparation and properties of polystyrene nanocomposites with graphite oxide and graphene as flame retardants. J Mater Sci 48:4214.
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  3. Dittrich B, Wartig K-A, Hofmann D, Mu¨lhaupt R, Schartel B. Flame retardancy through carbon nanomaterials: carbon black, multiwall nanotubes, expanded graphite, multi-layer graphene and graphene in polypropylene. Polym Degrad Stab 98:1495.