Categoría: Grafeno

Innovaciones Textiles II

Publicado el | por Energeia Graphenemex

Innovaciones Textiles:

Explorando las Tendencias del Grafeno en la Industria

Parte II

En el artículo anterior sobre Innovaciones textiles se abordaron las tendencias del grafeno en la industria enfocadas en aplicaciones prácticas aprovechando sus propiedades eléctricas, térmicas, resistencia al fuego y mecánicas sobre textiles; a continuación se describirán las ventajas del grafeno tomando en consideración el resto de sus beneficios multifuncionales como el efecto barrera con enfoque impermeable y antimicrobiano, así como sus aportaciones en cuanto a protección contra la radiación Uv y confort.

Resistencia mecánica.

La alta resistencia mecánica del grafeno es ampliamente conocida, con un módulo de Young de ~1100 Gpa y una tensión mecánica a la rotura de 42 N/m, por lo que una sola capa de grafeno es 200 veces más resistente que el acero en igualdad de espesor. Esta fuerza se puede utilizar en compuestos modificados con grafeno, de tal manera que puedan soportar grandes esfuerzos sin deformarse y obteniendo mayor resistencia con menor calibre.

En tejidos de lana se ha encontrado una excelente linealidad con más del 20% de alargamiento, resistencia a la humedad del 30 al 90% y buenas propiedades eléctricas y mecánicas. En fibras producidas con un 25% de contenido de lana, la modificación con un compuesto grafénico exhibió una mayor resistencia mecánica (~ 327 MPa) con reducciones en su diámetro de hasta ~ 70% (~ 30 a ~ 20 µm), en comparación con otras fibras como púas de plumas (~ 161 MPa), fibras de queratina (~ 138 MPa), fibras de lana (~ 173 MPa), fibras compuestas de alpaca / PAN (~ 297 MPa) y fibras de viscosa (~ 276 MPa), reportadas en la literatura. Estos cambios pueden explicarse por el efecto del compuesto grafénico sobre la reducción de los defectos en la superficie interna de la fibra y en su contribución para mejorar la orientación molecular de la cadena polimérica de la fibra. 

Propiedades de barrera

La naturaleza hidrofóbica del grafeno, el tamaño de sus nanocanales y la elevada densidad de electrones sobre su superficie lo vuelve una estructura altamente impermeable a materia particulada, líquidos y gases. Por otro lado, la manera que tienen los compuestos grafénicos de interactuar con otros materiales y de organizar a nivel molecular la estructura tridimensional de los mismos, permite crear compuestos con arquitecturas más densas y organizadas a nivel molecular disminuyendo la porosidad de los materiales y creando compuestos además de impermeables, también más resistentes mecánicamente y con importantes índices de recuperación o de resistencia a la deformación.

Barrera antimicrobiana

Otra ventaja del uso del grafeno en la industria textil es su capacidad antimicrobiana, considerando la persistencia y aparición de nuevos retos como el riesgo que conlleva el anclaje, proliferación y propagación de microorganismos sobre las prendas utilizadas particularmente por el sector médico.

Mecanismos de barrera antimicrobiana

– Exclusión por tamaño. El tamaño de los microorganismos puede variar desde los 10 nm hasta 3 micrómetros, por lo tanto, no logran permear a través de la barrera que provee la distancia interatómica de átomos de carbono de las láminas del grafeno (0.142 nm- 0.9 nm).

– Estrés oxidativo. Las interacciones entre los extremos polares de los fosfolípidos de las membranas celulares con el grafeno generan estrés oxidativo irreversible y muerte microbiana. Además, su gran capacidad de anclaje a proteínas puede inhibir la capacidad enzimática de algunos microorganismos.

– Daño a la membrana. Los bordes cortantes de las láminas del grafeno dañan físicamente la estructura de los microorganismos, evitando la adherencia microbiana a las superficies, pero sin tener efectos adversos sobre la piel.

Protección UV.

El espectro de absorción del grafeno abarca todo el espectro electromagnético, con un pico de absorción alrededor de 281 nm, por lo que puede absorber radiación UV con una longitud de onda comprendida entre 100 y 281 nm. Para longitudes mayores a 281 nm, la reflexión que provee el grafeno juega un papel importante en cuanto a la resistencia a la radiación UV y por lo tanto a la mayor durabilidad de los materiales, sobre todo aquellos expuestos a la intemperie.

Confort

Textiles como el algodón, el lino o las telas de seda, son altamente hidrófilas, pero tienen poca capacidad de transporte de moléculas de agua, es decir, pueden absorber la humedad del vapor y la transpiración líquida, pero no pueden desorber el agua hacia la superficie exterior, por lo tanto, el agua retenida en la tela hará que las telas estén húmedas o pegajosas siendo incómodo para el usuario; la hidrofobicidad de los compuestos grafénicos repele o evita el transporte de agua hacia la capa interior y a la vez transporta el agua inversamente a su superficie exterior, además, su excelente capacidad de regulación térmica evita que el calor y la humedad se concentre, evitando que se genere un ambiente propicio para la proliferación de microorganismos como hongos, bacterias virus, ácaros, y por lo tanto infecciones, manchas y malos olores.    

En Energeia- Graphenemex® como líderes en América latina en la producción y desarrollo de aplicaciones con grafeno, estamos convencidos del gran potencial de este maravilloso material para atender las necesidades de sectores industriales como la industria textil. Asimismo, estamos sensibilizados sobre las necesidades científicas, técnicas, económicas y éticas que cada proyecto involucra para su materialización en un producto diferenciado. Por esta razón, somos un aliado estratégico para otras compañías interesadas en innovar y mejorar sus productos y/o procesos a partir de la conformación de equipos multidisciplinarios que allanen el camino para la introducción de nuevas tecnologías como el grafeno en el mercado. Esperamos tener pronto los primeros textiles con grafeno en México.

Redacción: EF/DHS

Referencias

  1. Graphene Modified Multifunctional Personal Protective Clothing. Adv. Mater. Interfaces 2019, 6, 1900622;
  2. Graphene-based fabrics and their applications: a review. RSC Advances. 2016, 6:68261;
  3. Fabrication of a graphene coated nonwoven textile for industrial applications. Australian Institute for Innovative Materials – Papers. 2016, 2173;
  4. New Perspectives on Graphene/ Polymer Fibers and Fabrics for Smart Textiles: The Relevance of the Polymer/Graphene Interphase. Front. Mater. 2018, 5:18;
  5. Graphene applied textile materials for wearable e-textile. 5 th International Istanbul Textile Congress 2015: Innovative Technologies Inspire to Innovate‖ September 11th -12th 2015 Istanbul, Turkey;
  6. The Effect of Graphene Oxide on Flame Retardancy of Polypropylene and Polystyrene. Materials Performance and Characterization 2020, 9, 1, 284;
  7. Engineering Graphene Flakes for Wearable Textile Sensors via Highly Scalable and Ultrafast Yarn Dyeing Technique. ACS Nano 2019, 13, 4, 3847;
  8. Highly Conductive, Scalable, and Machine Washable Graphene-Based E-Textiles for Multifunctional Wearable Electronic Applications. Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 2000293;
  9. Moisture- Resilient graphene – dyed wool fabric for strain sensing. ACS App. Mater. Interfaces. 2020, 12, 11,13265;
  10. Creating Smart and Functional Textile Materials with Graphene. Nanomaterials and Nanotechnology Biomedical, Environmental, and Industrial Applications. 2021, Chapter 13.;
  11. Graphene oxide incorporated waste wool/PAN hybrid fibres. Sci Rep 2021, 11, 12068;
  12. Moisture-Resilient Graphene-Dyed Wool Fabric for Strain Sensing. ACS Applied Materials & Interfaces 2020, 12, 11, 13265;
  13. Thermal Degradation and Flame-Retardant Mechanism of the Rigid Polyurethane Foam Including Functionalized Graphene Oxide. Polymers 2019, 11, 78;
  14. Tuning sound absorbing properties of open cell polyurethane foam by impregnating graphene oxide. App Acoustics. 151, 2019, 10;
  15. Intumescent flame-retardant polyurethane/reduced graphene oxide composites with improved mechanical, thermal, and barrier properties. Journal of Materials Science. 2014, 49, 243;
  16. Production and characterization of Graphene Nanoplatelet-based ink for smart textile strain sensors via screen printing technique. Materials & Design. 198, 15 2021, 109306;
  17. Caracterización de un tejido mezcla poliéster/ algodón aplicando grafeno mediante el proceso de adsorción. Tesis 2020;
  18. Síntesis y formulación de nuevas espumas de poliuretano flexibles con propiedades mejoradas. Tesis 2018.

Innovaciones Textiles

Publicado el | por Energeia Graphenemex

Innovaciones Textiles:

Explorando las Tendencias del Grafeno en la Industria

Parte I

El grafeno es un nanomaterial bidimensional a base de átomos de carbono que está revolucionado la ciencia de los materiales y la nanotecnología, ya que es el único material conocido por el hombre en el convergen una gran cantidad de propiedades térmicas, eléctricas, mecánicas, ópticas, etc., y que además tiene la capacidad de combinarse con otras estructuras para compartir sus propiedades, modificando y mejorando sustancialmente sus características de origen. Desde su aislamiento en 2004, una gran cantidad de investigadores e industrias alrededor del mundo han intentado aprovechar sus extraordinarios beneficios explorando gradualmente cada una de sus propiedades, sin embargo, los altos costos de producción y la dificultad para obtener cantidades suficientes para su aplicación industrial, han limitado la llegada de productos al mercado.

Aún frente a estas dificultades, la industria textil no se ha quedado inmóvil ante las oportunidades que la nanotecnología grafénica representa y durante la última década ha estudiado no solo al grafeno y sus derivados, sino a otros nanomateriales como las nanopartículas de cobre (CuNp´s), plata (AgNp´s), oro (AuNp´s), óxido de zinc (ZnO), dióxido de (TiO2) y nanotubos de carbono por mencionar algunos, con la finalidad de proveer a los textiles de propiedades antimicrobianas, retardantes a la flama, resistencia mecánica, conductividad eléctrica, entre muchas otras. La diferencia principal es que, mientras que la mayoría de las nanopartículas suelen tener una propiedad específica, el grafeno ofrece capacidades multifuncionales, es decir, puede proveer o mejorar más de un beneficio.  

¿Qué beneficios tiene el grafeno en la industria textil?

La lista de propiedades del grafeno es muy amplia y compleja, que parte de beneficios mecánicos hasta de barrera que son de gran interés para incontables usos. En cuanto a la industria textil se refiere, de todas las propiedades del grafeno, las primeras que despertaron interés fueron la conductividad eléctrica y térmica, pero gracias a su extensa investigación, el día de hoy se tiene identificada una amplia gama de beneficios que correlacionan su multifuncionalidad.

Es importante tener en mente que las extraordinarias características de los materiales grafénicos descritas en la literatura generalmente corresponden a mediciones realizadas sobre los nanomateriales en su forma pura, pero que para aprovechar realmente sus beneficios en aplicaciones tangibles, es necesario combinarlo con materiales tridimensionales sobre los cuales sea posible transferir sus propiedades. En este aspecto, las matrices poliméricas han demostrado ser altamente eficientes como soporte de los materiales grafénicos a través de procesos amigables para su integración y con interesantes mejoras en sus propiedades físico- químicas, donde, uno de los retos más importantes reside en la naturaleza de la interfase grafeno/polímero, siendo que, entre más fuerte y estable es la interfase, mejor será la transferencia de propiedades.

¿Cómo interactúa el grafeno con los materiales textiles?

En la escala nanométrica, los mecanismos de interacción dependen de múltiples factores, pero en general ocurren a través de interacciones electrostáticas, fuerzas de Van der Waals, puentes de hidrógeno, interacciones π-π o interacciones hidrofóbicas; en la escala macrométrica dicha interacción puede comprenderse mejor sobre con el tipo de grafeno, del material textil y del método o momento de integración. Este último punto es de suma importancia, porque no es suficiente tener el grafeno adecuado para proveer o mejorar determinada propiedad, sino que su anclaje y permanencia en toda la estructura de las fibras textiles naturales o sintéticas son variables que aumentan su complejidad. Es decir, en la mayoría de los casos son necesarias modificaciones químicas adicionales al grafeno, aunque también debe considerarse la implementación de otros aditivos para la modificación de cargas que favorezcan las interacciones y el autoensamblaje del nanomaterial con las fibras o incluso emplear otras herramientas o tecnologías para mejorar la interacción de todos los componentes como la infiltración al vacío, prensado o métodos de teñido.

Pero el tema no es tan simple, diversos estudios han identificado que si bien la presión y calor, en efecto ayudan a la penetración y homogeneidad del grafeno dentro de la fibra, reduce las escamas y mejoran la suavidad de la tela, estos métodos pueden ser superficiales y no proveer de beneficios mecánicos o de retardo al fuego. Para este tipo de modificaciones lo ideal es que el grafeno esté perfectamente integrado en toda la estructura de la fibra como ocurre en las telas no tejidas a base de polímeros termoplásticos, porque como es bien conocido, el éxito de la transferencia de las multifunciones del grafeno a otros materiales no solo depende de la presencia del grafeno sino de la identificación o creación de nuevas tecnologías que garanticen su distribución y permanencia en toda la estructura del material de soporte.

Por lo extenso del tema, el presente artículo ha sido dividido en dos secciones. En esta primera parte hablaremos sobre los usos de las propiedades eléctricas, térmicas (resistencia al fuego) y mecánicas del grafeno en textiles; en la siguiente publicación se concluirá la descripción sobre las propiedades de barrera, protección contra radiación Uv y confort.

Conductividad eléctrica

La gran conductividad eléctrica del grafeno es sumamente interesante para la fabricación de textiles inteligentes con la adaptación de sensores, microprocesadores, indicadores luminosos, fibra óptica, etc., textiles con protección electromagnética y antiestática en vías de ser implementados en la industria petrolera, minera, militar y médica, ya que, además de proveer alta eficiencia conductora, el grafeno, al ser láminas monoatómicas de carbono, es libre de corrosión, no agrega volumen, peso, ni disminuye su flexibilidad, como lo suelen hacer las fibras metálicas.

También se ha estudiado para la incorporación de componentes digitales o electrónicos a las prendas como sensores para monitoreo de glucosa, monitoreo cardiaco, sensores de gas, sensores para monitoreo de tensión, torsión, movimiento, acústico, pulso, etc., o incluso para captación de energía solar.

Conductividad térmica

Entre las propiedades más conocidas del grafeno es su conductividad térmica que en diversos materiales, incluyendo los textiles, favorece la rápida disipación del calor, por lo tanto, su incorporación en materiales viscoelásticos para colchones o en textiles utilizados para prendas de verano ayuda a mantener un equilibrio térmico asociado al confort y descanso. Aunque esta misma propiedad también está siendo estudiada con fines terapéuticos para estimular la circulación sanguínea y ayudar a recuperar los músculos de la fatiga.

Por otro lado, los textiles con grafeno también se han utilizado como elementos calefactores en componentes de calefacción industrial y residencial como alfombras, asientos de automóviles y deshielo de las vías de acceso de los aviones; de igual manera, al estar el grafeno libre de corrosión y permitir menor peso, ofrece ventajas adicionales sobre los elementos calefactores metálicos.

Resistencia al fuego

La estabilidad térmica de los materiales grafénicos va a depender de su estructura química y puede estar en el rango de los 500 °C hasta 3000 °C, sin embargo, estas condiciones pueden variar cuando han sido funcionalizados o combinados con otros materiales, en los cuales el grafeno puede aumentar la temperatura de descomposición y el tiempo de ignición. La participación del grafeno es actuar como una barrera de gas debido a la tortuosa estructura interna entre sus nanocanales, es decir, reduce la difusión del gas combustible a la fuente de la llama, reduce la difusión de oxígeno, retarda la combustión inicial y previene la reignición. Por lo tanto, el grafeno mejora la estabilidad térmica de los polímeros al disminuir la tasa de liberación de calor del polímero, evita la propagación del fuego y disminuye el tiempo de ignición.

En algunos polímeros, la presencia del material grafénico puede acelerar el tiempo de ignición, pero una vez que se forma la capa de carbón, este cubre la superficie del polímero y protege la subcapa de la propagación del fuego. Esto se puede explicar porque el material grafénico actúa como una barrera durante el período de ignición y dificulta el deterioro de la cadena de la estructura del polímero, además de que, al formar rápidamente carbón en la superficie externa del polímero, que actúa como una barrera térmica física y disuade los combustibles en la llama. Finalmente, la composición química del grafeno está libre de halógenos, por lo tanto, no se liberan furanos y dioxinas causantes de problemas ambientales.

En Energeia- Graphenemex® como líderes en América latina en la producción y desarrollo de aplicaciones con grafeno, estamos convencidos del gran potencial de este maravilloso material para atender las necesidades de sectores industriales como la industria textil. Asimismo, estamos sensibilizados sobre las necesidades científicas, técnicas, económicas y éticas que cada proyecto involucra para su materialización en un producto diferenciado. Por esta razón, somos un aliado estratégico para otras compañías interesadas en innovar y mejorar sus productos y/o procesos a partir de la conformación de equipos multidisciplinarios que allanen el camino para la introducción de nuevas tecnologías como el grafeno en el mercado. Esperamos tener pronto los primeros textiles con grafeno en México.

Redacción: EF/DHS

Referencias

  1. Graphene Modified Multifunctional Personal Protective Clothing. Adv. Mater. Interfaces 2019, 6, 1900622;
  2. Graphene-based fabrics and their applications: a review. RSC Advances. 2016, 6:68261;
  3. Fabrication of a graphene coated nonwoven textile for industrial applications. Australian Institute for Innovative Materials – Papers. 2016, 2173;
  4. New Perspectives on Graphene/ Polymer Fibers and Fabrics for Smart Textiles: The Relevance of the Polymer/Graphene Interphase. Front. Mater. 2018, 5:18;
  5. Graphene applied textile materials for wearable e-textile. 5 th International Istanbul Textile Congress 2015: Innovative Technologies Inspire to Innovate‖ September 11th -12th 2015 Istanbul, Turkey;
  6. The Effect of Graphene Oxide on Flame Retardancy of Polypropylene and Polystyrene. Materials Performance and Characterization 2020, 9, 1, 284;
  7. Engineering Graphene Flakes for Wearable Textile Sensors via Highly Scalable and Ultrafast Yarn Dyeing Technique. ACS Nano 2019, 13, 4, 3847;
  8. Highly Conductive, Scalable, and Machine Washable Graphene-Based E-Textiles for Multifunctional Wearable Electronic Applications. Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 2000293;
  9. Moisture- Resilient graphene – dyed wool fabric for strain sensing. ACS App. Mater. Interfaces. 2020, 12, 11,13265;
  10. Creating Smart and Functional Textile Materials with Graphene. Nanomaterials and Nanotechnology Biomedical, Environmental, and Industrial Applications. 2021, Chapter 13.;
  11. Graphene oxide incorporated waste wool/PAN hybrid fibres. Sci Rep 2021, 11, 12068;
  12. Moisture-Resilient Graphene-Dyed Wool Fabric for Strain Sensing. ACS Applied Materials & Interfaces 2020, 12, 11, 13265;
  13. Thermal Degradation and Flame-Retardant Mechanism of the Rigid Polyurethane Foam Including Functionalized Graphene Oxide. Polymers 2019, 11, 78;
  14. Tuning sound absorbing properties of open cell polyurethane foam by impregnating graphene oxide. App Acoustics. 151, 2019, 10;
  15. Intumescent flame-retardant polyurethane/reduced graphene oxide composites with improved mechanical, thermal, and barrier properties. Journal of Materials Science. 2014, 49, 243;
  16. Production and characterization of Graphene Nanoplatelet-based ink for smart textile strain sensors via screen printing technique. Materials & Design. 198, 15 2021, 109306;
  17. Caracterización de un tejido mezcla poliéster/ algodón aplicando grafeno mediante el proceso de adsorción. Tesis 2020;
  18. Síntesis y formulación de nuevas espumas de poliuretano flexibles con propiedades mejoradas. Tesis 2018.

Grafeno y Tribología

Publicado el | por Energeia Graphenemex

Grafeno y Tribología:

El Futuro de los Lubricantes y la Eficiencia Energética en la Industria.

La tribología es la ciencia que estudia la fricción, el desgaste y la lubricación, tanto de sistemas naturales como artificiales en movimiento relativo; su estudio es importante puesto que todos los sistemas mecánicos en movimiento que nos rodean consumen grandes cantidades de energía debido a la fricción. Esto puede generar una deformación estructural y fatiga, o causar el inicio y propagación de grietas que finalmente lleva a la formación de restos de desgaste sueltos en los mecanismos.

A medida que las superficies se desgastan se vuelven más rugosas y altamente reactivas por la formación de defectos provocando una mayor disipación de energía convirtiéndose en un ciclo altamente dañino. Esto se debe a que cuando una superficie se desliza tangencialmente sobre otra se presenta una resistencia al movimiento causado principalmente por interferencia entre las rugosidades, en ocasiones macroscópicas entre dos superficies. Esta resistencia se llama fricción y se presenta en forma de desgaste, aumento de temperatura y deformación; aún en presencia de una película lubricante, cuando la capacidad de carga es grande o el tiempo de deslizamiento es prolongado, la película lubricante pierde espesor o en su defecto, se rompe generando calor y fricción, provocando fallos importantes en las piezas de los equipos metalúrgicos.

“La fricción y el desgaste no solo afectan la operación y el mantenimiento de los equipos industriales, sino que la pérdida de energía causada por estos fenómenos representa 1/3 el consumo de energía industrial del mundo, mientras que el 80% de las fallas en las piezas derivan en importantes impactos económicos”

La amplia investigación sobre las propiedades tribológicas del grafeno y sus derivados lo ha colocado como un importante elemento bidimensional nano-lubricante, con efecto antifricción, anti- desgaste y anticorrosivo debido a los siguientes mecanismos:

  • Capa Protectora Nanométrica: Las láminas de grafeno, gracias a su morfología laminar y energía superficial, forman una película protectora que evita el contacto directo entre las superficies deslizantes. Este escudo minimiza la fricción y el desgaste, incluso en micro y nanoniveles.
  • Deslizamiento Continuo: Los débiles enlaces entre las láminas de grafeno permiten un deslizamiento continuo, evitando el contacto entre las superficies en movimiento. Cuando estos enlaces se rompen, las láminas se redistribuyen, manteniendo la integridad de la película protectora.
  • Supresión de Degradaciones: El grafeno suprime degradaciones abrasivas, adhesivas y corrosivas, reduciendo la fricción y evitando el desgaste.
  • Mecanismos de Disipación de Energía: El estiramiento y flexión de los compuestos grafénicos actúan como mecanismos eficientes de disipación de energía.

Estudios teóricos sugieren que, al aumentar la temperatura, la fuerza de fricción disminuye debido a la acumulación de carga entre átomos de carbono e hidrógeno, generando repulsión electrostática. Estas propiedades han llevado a coeficientes de fricción desde 0.05 hasta 0.0003, sin desgaste superficial significativo.

Energeia-Graphenemex®: Líder en Desarrollo de Tecnologías con Grafeno

Energeia-Graphenemex®, empresa pionera en América Latina, se destaca por su enfoque en el desarrollo industrial del grafeno. Su experiencia en la creación de métodos de producción asequibles a gran escala garantiza la disponibilidad de materiales grafénicos para diversas aplicaciones, desde productos propios hasta colaboraciones estratégicas con otras empresas que buscan incorporar la técnología del grafeno en sus productos.

Un punto importante por considerar es que, la efectividad de los materiales grafénicos no solo radica en su simple presencia dentro de un nuevo material, es decir, para mejorar su desempeño como lubricante pueden requerirse modificaciones químicas adicionales p.ej., con nitrógeno, elementos metálicos y sus óxidos, polímeros, compuestos como el disulfuro de molibdeno, nitruro de boro, tetraóxido de dimanganeso, ácido esteárico, ácido oleico, alquilamina, entre otros que están siendo estudiados. En Energeia- Graphenemex® esperamos pronto tener disponible el primer lubricante grafénico en México.  

Redacción: EF/DH

Referencias

  1. Bao Jin. Lubrication properties of graphene under harsh working conditions. Mater. Today Adv. 2023, 18, 100369;
  2. Liu. Yanfei, Xiangyu Ge, Jinjin Li, Graphene Lubrication, Appl. Mater. Today. 2020, 20, 100662;
  3. Jianlin Sun and Shaonan Du. Application of graphene derivatives and their nanocomposites in tribology and lubrication: a review. RSC Adv., 2019, 9, 40642;
  4. Zhiliang Li, Chonghai Xu, Guangchun Xiao, Jingjie Zhang, Zhaoqiang Chen and Mingdong Yi. Lubrication Performance of Graphene as Lubricant Additive in 4-n-pentyl-40 -cyanobiphyl Liquid Crystal (5CB) for Steel/Steel Contacts. Mater. 2018, 11, 2110;
  5. J. Li, X. Ge, J Luo, Random occurrence of macroscale superlubricity of graphite enabled by tribo-transfer of multilayer graphene nanoflakes, Carbon. 2018, 138, 154;
  6. T. Arif, G. Colas, T Filleter, Effect of humidity and water intercalation on the tribological behavior of graphene and graphene oxide, ACS Appl. Mater. Inter- faces, 2018, 10,26, 22537;
  7. Y. Liu, J. Li, X. Chen, J Luo, Fluorinated graphene: A promising macroscale solid lubricant under various environments, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019, 11, 43, 40470;
  8. O.L. Luévano-Cabrales, M. Alvarez-Vera, H.M. Hdz-García, R. Muñoz-Arroyo, A.I. Mtz-Enriquez, J.L. Acevedo-Dávila, et al., Effect of graphene oxide on wear resistance of polyester resin electrostatically deposited on steel sheets, Wear 2019, 426, 296;
  9. R.K. Upadhyay, A. Kumar, Effect of humidity on the synergy of friction and wear properties in ternary epoxy-graphene-MoS 2 composites, Carbon, 2019, 146, 717.

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

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

Publicado el | por Energeia Graphenemex

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

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

El grafeno como una alternativa sostenible para la purificación del agua

Publicado el | por Energeia Graphenemex

El grafeno como una alternativa sostenible

para la purificación del agua

Los materiales grafénicos, es decir, el Grafeno, Óxido de Grafeno (GO) y Óxido de Grafeno reducido (rGO), son nanoestructuras de carbono que, gracias a su tamaño, área y química superficial permiten diseñar nuevos materiales tridimensionales y multifuncionales con altas probabilidades para resolver las problemáticas asociadas a la escasez de agua.

Por ejemplo, son potenciales agentes coagulantes/ floculantes, esto se debe a que cuentan con una extensa área superficial a lo largo de la cual existen múltiples puntos de anclaje capaces de captar una gran cantidad de materia orgánica e inorgánica, es decir, altamente útiles para la captación de contaminantes.

Principales estrategias del uso de materiales grafénicos para la captación de contaminantes. Tomado de Environ. Sci. Technol., 2012, 46, 7717.

También son químicamente inertes y al estar inmovilizados en un sustrato evitan que la materia orgánica se adhiera a las superficies. Esta propiedad al ser implementada en la tecnología de membranas permitiría un flujo de agua casi sin fricción, en otras palabras, el uso de los materiales grafénicos podría lograr que el paso de agua se mantenga constante por más tiempo y por lo tanto provea de una mayor eficiencia energética.

Asimismo, su tamaño nanométrico, la disposición de sus láminas y la presencia de millones de nanocanales entre ellas los hacen altamente impermeables actuando como tamizaje de moléculas o contaminantes.

Transporte de iones y agua a través de los nanocanales de grafeno.
Tomado de J. Phys. Chem. C 2020, 124, 31, 17320.

Finalmente, las importantes propiedades antimicrobianas y fotocatalíticas del grafeno y sus derivados además de reducir la carga microbiana mediante el aprovechamiento de la luz solar, también ayudarían a disminuir los requerimientos de agentes biocidas.

Representación esquemática del grafeno en estructuras 3D para purificación de agua.
Tomado de Gels 2022, 8, 622.

La identificación, comprensión y aprovechamiento de las propiedades del grafeno para el desarrollo de productos reales no ha sido una tarea sencilla. Sin en embargo, el pasado 3 de noviembre de 2022 el Graphene flagship, el proyecto multidisciplinario en el cual hace casi 10 años la Comisión Europea invirtió 1,000 millones de euros para la investigación del Grafeno, anunció los resultados del Proyecto Graphilque consistió en el desarrollo de un nuevo filtro de polisulfona con Óxido de grafeno que actúa como una red mecánica más eficiente para atrapar partículas contaminantes como metales pesados, antibióticos, virus, bacterias, toxinas, etc., permitiendo a su vez el paso de agua limpia y segura.

Por su parte, 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, se suma a esta búsqueda de estrategias para mejorar la disponibilidad y calidad del agua mediante el uso del grafeno, esperando en el corto plazo tener todos estos beneficios disponibles para la sociedad.

Referencias:

  1. Yu Z, Wei L, Lu L, Shen Y, Zhang Y, Wang J, Tan X. Structural Manipulation of 3D Graphene-Based Macrostructures for Water Purification. Gels. 2022, 29; 8(10):622.
  2. Alessandro Kovtun, Antonio Bianchi, Massimo Zambianchi, Cristian Bettini, Franco Corticelli Giampiero Ruani, Letizia Bocchi,Francesco Stante,Massimo Gazzano, Tainah Dorina Marforio, Matteo Calvaresi, Matteo Minelli,Maria Luisa Navacchia, Vincenzo Palermo and Manuela Melucci. Core–shell graphene oxide– polymer hollow fibers as water filters with enhanced performance and selectivity. Faraday Discuss., 2021, 227, 274.
  3. Sebastiano Mantovani,Sara Khaliha, Laura Favaretto, Cristian Bettini,Antonio Bianchi, Alessandro Kovtun, Massimo Zambianchi, Massimo Gazzano,  Barbara Casentini, Vincenzo Palermo and Manuela Melucci. Scalable synthesis and purification of functionalized graphene nanosheets for water remediation. Chem. Commun., 2021, 57, 3765
  4. Sara Khaliha, Tainah D. Marforio, Alessandro Kovtun, Sebastiano Mantovani, Antonio Bianchi, Maria Luisa Navacchia, Massimo Zambianchi, Letizia Bocchi. Nicoals Boulanger. Artem Iakunkov, Matteo Calvaresi, Alexandr V. Talyzin, Vincenzo Palermo, Manuela Melucci. Defective graphene nanosheets for drinking water purification: Adsorption mechanism, performance, and recovery. FlatChem., 2021, 29 100283.
  5. Yunzhen Zhao, Decai Huang, Jiaye Su, and Shiwu Gao. Coupled Transport of Water and Ions through Graphene Nanochannels. J. Phys. Chem. C 2020, 124, 31, 17320
  6. F. Guo, G. Silverberg, S. Bowers, S.-P. Kim, D. Datta, V. Shenoy and R. H. Hurt, Environmental Applications of Graphene-Based Nanomaterials. Environ. Sci. Technol., 2012, 46, 7717
  7. https://graphene-flagship.eu/graphene/news/graphene-applications-graphil/

Protección contra bacterias, virus y hongos con recubrimientos grafénicos

Publicado el | por Energeia Graphenemex

Recubrimientos Protección contra bacterias, virus y hongos con

recubrimientos grafénicos

En menos de 20 años el mundo ha enfrentado a una serie de fenómenos anormales causados por patógenos altamente infecciosos. La fácil y rápida transmisibilidad de las infecciones obliga a buscar estrategias cada vez más eficientes para reforzar los servicios sanitarios, además de representar un cambio radical en nuestro estilo de vida, donde las extremas técnicas de higiene se ubican en el primer lugar de importancia para evitar la propagación y contagio masivo dentro y fuera de los hospitales.

Enfermedades virales de mayor impacto.

  • 2002-2003. Síndrome respiratorio agudo grave (SARS-Cov).
  • 2012. Síndrome respiratorio de medio oriente (MERS- Cov).
  • 2014- 2016. Ébola.
  • 2019- 2022. SARS-Cov-2.

>6.5 millones de muertes.

Bacterias peligrosas para la salud humana:

  • Staphylococcus aureus.
  • Streptococcus pneumoniae.
  • Pseudomonas aeruginosa.
  • Haemophilus influenzae.
  • Helicobacter pylori.

Hongos frecuentes en ambiente doméstico:

  • Aspergillus spp.
  • Cladosporium spp.
  • Alternaria spp.
  • Acremonium spp.
  • Epiccocum spp.
  • Penicillium spp.
  • Stachybotrys spp.


El Grafeno como coadyuvante en el control de infecciones

En 2018 Energeia- Graphenemex® lanzó al mercado la línea Graphenergy antimicrobiano integrada por dos recubrimientos especializados de base vinílica y vinil acrílica con Óxido de grafeno cuyo potencial antimicrobiano es 400 veces superior a los productos comunes, ayudando a mantener las superficies libres de hongos y bacterias por tiempo prolongado.

Estudios in vitro y en ambiente relevante realizados por el Laboratorio de Patología, Bioquímica y Microbiología de la Facultad de Estomatología de la U.A.S.L.P., demostraron que las superficies protegidas con Graphenergy antimicrobiano se mantienen libres de microorganismos por más de 6 meses, sin necesidad de químicos adicionales. Figura 1.

Fig. 1. Resultados a 2, 4 y 6 meses sobre la protección de Graphenergy antimicrobiano comparados con un grupo control (Sin Óxido de Grafeno).
Importante: Una superficie limpia se encuentra en un rango de 1-10 UFC/cm2.

En 2022, la alianza estratégica entre las empresas Energeia-Graphenemex® y Oxical® se prepara para lanzar al mercado un nuevo recubrimiento 100% natural, sin compuestos tóxicos (COVs), altamente impermeable, transpirable y altamente antimicrobiano elaborado a partir de Cal de alta pureza modificada con nanopartículas de Grafeno, bajo la marca Graphenecal ecológico.

Su extraordinaria capacidad antimicrobiana no solo es un gran coadyuvante para mantener los espacios libres de microorganismos, sino que también protege contra el biodeterioro de las superficies, particularmente de aquellas con alto valor histórico. Figura 2.

Fig. 2. La pintura a la cal sin grafeno presenta una biopelícula microbiana en más del 90% de su superficie. El área recubierta con Graphenecal ecológico se mantuvo libre de contaminación por más de 100 días de incubación. El efecto antimicrobiano de Graphenecal ecológico es altamente eficaz, con una reducción de microorganismos de 7 Log10.

¿La nanotecnología grafénica es segura?

Sí, los recubrimientos antimicrobianos Graphenergy y Graphenecal son tan seguros como cualquier pintura o recubrimiento convencional. Las nanopartículas de Grafeno y Óxido de grafeno contenidas en sus formulaciones no se desprenden ni liberan sustancias tóxicas al medio ambiente.

“No todos los microorganismos son peligrosos, pero es mejor mantenerlos alejados”

¿Cómo actúan los materiales grafénicos?


  1. Barrera física- Alta impermeabilidad. Los materiales grafénicos suelen presentarse en millones de bloques compuestos por 1 hasta 10 láminas nanométricas similar a un paquete de naipes, existiendo entre cada lámina múltiples caminos sinuosos que actúan como una barrera externa que suprime la entrada de nutrientes esenciales para el crecimiento microbiano.

  2. El Grafeno y sus derivados pueden actuar como donadores o aceptores de electrones alterando la cadena respiratoria del microorganismo o bien, extrayendo sus electrones. Este desequilibrio a manera de nano- circuito es tan rápido que no le da tiempo al microorganismo de recuperarse y, por lo tanto, lo inactiva antes de adherirse a la superficie.

  3. Daño estructural. Los bordes de las láminas del nanomaterial actúan como pequeñas navajas que dañan o rompen la membrana celular del microorganismo, alterando su funcionamiento y evitando su viabilidad.

¿Los materiales grafénicos tienen actividad antiviral?

El efecto antiviral de los materiales grafénicos parece no ser muy distinto al descrito contra hongos y bacterias. Las hipótesis están dirigidas hacia un interesante efecto sinérgico entre impermeabilidad, daño estructural e interacciones electrostáticas por la polaridad positiva de algunos virus (SARS- Cov- 2) y la polaridad negativa del Óxido de grafeno, además de su gran capacidad de anclaje a proteínas.

Energeia- Graphenemex® es la empresa mexicana pionera en América Latina enfocada en la investigación y producción de materiales grafénicos para el desarrollo de aplicaciones a nivel industrial.  Además de agregar valor a sus productos con las propiedades multifuncionales del Grafeno y sus derivados, la compañía también tiene como objetivo crear alianzas estratégicas para apoyar desarrollos de innovación con nanotecnología grafénica.

Referencias

  1. García-Contreras R, Guzmán Juárez H, López-Ramos D & Alvarez Gayosso C. Biological and physico-mechanical properties of poly (methyl methacrylate) enriched with graphene oxide as a potential biomaterial. J Oral Res 2021; 10(2):1-9. Doi:10.17126/joralres. 2021.019
  2. UM.D. Giulio, R. Zappacosta, S.D. Lodovico, E.D. Campli, G. Siani, A. Fontana, L. Cellini, Antimicrobial and antibiofilm eficacy of graphene oxide against chronic wound microorganisms. Antimicrob. Agents Chemother. 62(7), e00547-18 (2018). https://doi.org/10.1128/AAC.00547-18
  3. H.E. Karahan, C. Wiraja, C. Xu, J. Wei, Y. Wang, L. Wang, F. Liu, Y. Chen, Graphene materials in antimicrobial nanomedicine: current status and future perspectives. Adv. Healthc. Mater. 7(13), 1701406 (2018). https://doi.org/10.1002/ adhm.201701406
  4. Sydlik SA, Jhunjhunwala S, Webber MJ, Anderson DG, Langer R. In vivo compatibility of graphene oxide with differing oxidation states. ACS Nano. 2015. 9: 3866
  5. Yang K, Zhang S, Zhang G, Sun X, Lee ST, Liu Z. Graphene in mice: ultrahigh in vivo tumor uptake and efficient photothermal therapy. Nano Lett. 2010. 10: 3318.
  6. Bhattacharya K, Farcal LR, Fadeel B. Shifting identities of metal oxide nanoparticles: focus on inflammation. 2014. MRS Bull; 39: 970
  7. Huang PJ, Pautler R, Shanmugaraj J, Labbé G, Liu J. Inhibiting the VIM-2 metallo-β-lactamase by graphene oxide and carbon nanotubes. ACS Appl Mater Interfaces 2015; 7: 9898.
  8. Moghimi SM, Wibroe PP, Wu L, Farhangrazi ZS. Insidious pathogen-mimicking properties of nanoparticles in triggering the lectin pathway of the complement system. Eur J Nanomedicine. 2015; 7: 263.
  9. Bhattacharya K, Mukherjee SP., Gallud A., Burkert SC., Bistarelli S., Bellucci S., Bottini, M., Star A., Fadeel B. Biological interactions of carbon-based nanomaterials: From coronation to degradation. Nanomedicine: Nanotechnology, Biology, and Medicine. 2016. 12. 333

El grafeno: una revolución en la industria papelera

Publicado el | por Energeia Graphenemex

El Grafeno:

una revolución en la industria papelera

La industria papelera representa un mercado muy amplio y versátil, de hecho y pese a los retos que afronta por el impacto de los medios digitales y por su competencia con el plástico, su producción mundial sigue siendo considerable superando los 400 millones de toneladas distribuidas en productos para envase y embalaje, de uso higiénico y sanitario, así como papel para impresión, escritura y prensa.

“Se estima que para fines del 2022 el cartón represente dos tercios de la producción mundial de papel”

Por otro lado, la continua necesidad de innovación así como la búsqueda de soluciones para las problemáticas inherentes a estos productos como su fácil contaminación y permeabilidad, han logrado que la nanotecnología se mantenga como una herramienta importante con el uso de distintos nanomateriales como los nano- cristales y nano- fibras de celulosa, nanopartículas de óxido de silicio (SiO2), dioxido de titanio (TiO2), dioxido de zinc (ZrO2) y recientemente los materiales grafénicos como el grafeno y óxido de grafeno (GO) 1 con el objetivo de diseñar bloques de construcción a nano- escala para obtener redes más densas y menos porosas que, además de mejorar la calidad del producto final también diversifiquen su uso.

“La celulosa, además de ser uno de los polímeros naturales más abundantes en la tierra, también es la materia prima principal de la industria papelera. El grafeno se obtiene del grafito, un mineral de carbono muy abundante en México”

¿Cómo benefician los materiales grafénicos a la industria papelera?

Cuando se habla del grafeno los principales puntos de referencia son su resistencia, impermeabilidad, flexibilidad, conductividad, ligereza, biocompatibilidad, etc., todo en un solo material. Ante esto es importante comprender que el comportamiento de los materiales grafénicos dependerá entre otras cosas, del tipo de grafeno, funcionalización y concentración, pero también de los procesos involucrados en cada industria y de la naturaleza de los materiales con los que se combinará para transferir sus propiedades y, por lo tanto, no hay una fórmula exacta para cada objetivo de uso, por ejemplo:

Resistencia mecánica- En el caso de las películas de celulosa la presencia de tan solo 0.5% de GO puede mejorar significativamente la resistencia a la tracción, el alargamiento a la rotura y la energía de fractura en un 78%, 172% y 397%, respectivamente; útil para su aplicación en películas bioplásticas de alto desempeño2.

Protección antimicrobiana- Entre los beneficios de interés para la industria papelera están su biocompatibilidad, sus propiedades de barrera física y su actividad antimicrobiana. P. ej., un estudio que preparò un recubrimiento para papel con 0.05% de GO redujo en un 73% y 53% la tasa de crecimiento de bacterias como E. coli y S. aureus, respectivamente3,4. Esto gracias a que el GO ayuda a limitar la adhesión, replicación y penetración microbiana.

Protección contra la radiación UV- De acuerdo con otro reporte, el uso de 2% de GO en películas de celulosa bloquea la radiación UVA y UBV en un 66,7% y 54,2% respectivamente, sin afectar la transmisión de la luz visible, propiedad interesante para el diseño de materiales de protección y embalaje.5

Propiedades de barrera- Los materiales grafénicos presentan nano- canales entre sus láminas que representan un camino tortuoso para el paso de moléculas de gran tamaño y, por lo tanto, es ampliamente investigado tanto por su gran impermeabilidad contra líquidos y gases, pero también por sus potenciales beneficios para la descontaminación, purificación e incluso desalinización de agua de mar. Investigaciones realizadas sobre membranas de acetato de celulosa (CA) para desalinización describieron que, el uso de 1% de GO mejora la morfología, hidrofilia, porosidad, rugosidad, resistencia mecánica, estabilidad térmica y, por ende, su eficiencia de funcionamiento, así como ha ocurrido con otro tipo de membranas como las de polisulfona, en las que una concentración de 0.2% de GO puede ser suficiente para mejorar hasta en un 72% su desempeño, en términos de flujo de agua y rechazo de sal en pruebas con sulfato de sodio6,7. Lo anterior no solo se ve reflejado en la eficiencia de filtración y/o desalinización, sino también la optimización recursos de mantenimiento y consumo energético de dichos sistemas.

Energeia- Graphenemex®, la empresa líder en Latinoamérica en el diseño y desarrollo de aplicaciones con materiales grafénicos, trabaja continuamente para resolver los obstáculos que el grafeno enfrenta para llegar al mercado y, mediante alianzas estratégicas con otras industrias busca lograr que esta tecnología se convierta en la solución de distintas problemáticas.

Referencias

  1. Trache, D., Thakur, V. K., & Boukherroub, R. 2020., Cellulose nanocrystals/graphene hybrids—a promising new class of materials for advanced applications. Nanomaterials, 10(8), 1523.
  2. M. Akhtari, M. Dehghani-Firouzabadi, M. Aliabadi, M. Arefkhani. Effect of graphene oxide nanoparticle coatings on the strength of packaging paper and its barrier and antibacterial properties. 2019., Bois et Forêts des Tropiques. 342, 69.
  3. W. Hu, Ch. Peng, W. Luo, M. Lv, X. Li, D. Li, Q. Huang, and Ch. Fan. Graphene-Based Antibacterial Paper. 2010. ACS Nano, 4, 7, 4317–4323
  4. X. Liu, T. Zhang, K. Pang, Y. Duan and J. Zhang. Graphene oxide/cellulose composite films with enhanced UV-shielding and mechanical properties prepared in NaOH/urea aqueous solution. 2016., RSC Adv., 6, 73358
  5. Zhang, X. F., Song, L., Wang, Z., Wang, Y., Wan, L., & Yao, J. 2020., Highly transparent graphene oxide/cellulose composite film bearing ultraviolet shielding property. International journal of biological macromolecules, 145, 663.
  6. S. M. Ghaseminezhad, M. Barikani, M. Salehirad.  Development of graphene oxide-cellulose acetate nanocomposite reverse osmosis membrane for seawater desalination. Composites Part B: Engineering. 2019., 161, 15, 320.
  7. B.M. Ganesh, Arun M. Isloor, A.F.Ismail., Enhanced hydrophilicity and salt rejection study of graphene oxide-polysulfone mixed matrix membrane. 2013., Desalination., 313, 199.