Hasta junio de 2024 el Instituto Nacional de Estadística y Geografía (INEGI) registró que, alrededor del 50% del territorio mexicano se encontraba en sequía severa, 30% en sequía extrema y 11% en sequía excepcional, habiendo tenido en consecuencia repercusiones importantes no solo en el abastecimiento de agua potable, siendo que en México solo el 52.3% de la población cuenta con dicho servicio, sino también afectaciones para el desarrollo de numerosas actividades económicas, como el sector agrícola y ganadero.
Pero la crisis hídrica no es un problema nacional, de acuerdo con la OMS/UNICEF más de 2000 millones de personas en todo el mundo carecen de agua potable por ello, dichos organismos definieron objetivos para el desarrollo sostenible hacia el 2030, en vías de garantizar la disponibilidad del agua y para cuyo cumplimiento es crítico mejorar la educación en materia de higiene; la protección y restablecimiento de los ecosistemas; el uso eficiente los recursos hídricos; la inversión en infraestructuras e instalaciones de saneamiento, así como fomentar el uso de nuevas tecnologías del agua, por ejemplo, para sistemas de riego, recolección de agua de lluvia y métodos para su tratamiento y reutilización.
Dentro de las nuevas tecnologías se encuentra la tecnología nano, misma que ha sido revolucionada desde hace 20 años por el aislamiento del Grafeno, un nanomaterial multifuncional base carbono perteneciente a la familia del diamante y del grafito, sobre el cual se han desarrollado numerosas investigaciones para evaluar sus efectos en las propiedades de los materiales utilizados en las tecnologías del agua, p.ej. membranas de filtración, medios floculantes, entre otros. El interés despertado para el estudio del grafeno en dichas aplicaciones resulta de sus extraordinarias características fisicoquímicas mismas que pueden ser controladas y compartidas con otros materiales tridimensionales. Desde el inicio de su estudio como nanorelleno de matrices principalmente poliméricas se identificaron interesantes mejoras mecánicas, antiadherentes, antifricción, antimicrobianas y filtrantes que le permitieron incrementar su tiempo de vida, reducir las incrustaciones principalmente de materia orgánica sobre su superficie y con ello mantener constante el flujo del agua y, por lo tanto, la eficiencia de filtración.
Por ejemplo, investigadores del Instituto de Tecnología de Madrás y la Universidad de Tel Aviv en Israel desarrollaron con éxito un aerogel de sílice con óxido de grafeno para la descontaminación de aguas residuales, mientras que científicos de la Universidad Palacký de Olomouc, República Checa, pertenecientes al proyecto 2D-CHEM financiado por el Consejo Europeo de Investigación del Graphene flagship, diseñaron un grafeno ácido sintetizado a partir del fluorografeno con la facultad de remover metales pesados como el plomo y cadmio, así como metales nobles como el paladio, galio o indio.
Cabe destacar que los atractivos resultados de las investigaciones sobre el grafeno en las tecnologías del agua finalmente salieron de los laboratorios para llegar al mercado. Las empresas que hasta el momento han logrado explotar sus beneficios son la empresa australiana CLEAN TEQ WATER experta en el tratamiento de agua, con presencia en Melbourne, Beijing, Tianjin, y África que, a través de su filial NematiQ desarrolló exitosamente membranas de nanofiltración con grafeno más duraderas y capaces de reducir el consumo de energía; recientemente la compañía obtuvo la certificación WaterMark como producto seguro para la filtración de agua. Por su parte, la empresa británica EVOVE antes conocida como G2O Water Technologies ya utiliza entre otras tecnologías, recubrimientos hidrófilos de óxido de grafeno para mejorar el rendimiento de las membranas cerámicas o poliméricas convencionales.
Finalmente, el trabajo conjunto entre científicos del Graphene flaship y los lideres europeos en la industria de la purificación de agua como Icon Lifesaver, Medica SpA y Polymem S.A, a través del proyecto GRAPHIL buscan posicionar un nuevo sistema de filtración a partir de membranas poliméricas de fibra hueca mezcladas con grafeno para la gestión segura de agua potable, principalmente para uso doméstico.
Es así como los avances del grafeno gradualmente han ido ganando terreno fuera de las fronteras académicas para contribuir a solucionar una de las problemáticas más importantes en el mundo. Energeia- Graphenemex® la empresa mexicana pionera en América Latina en la producción y desarrollo de aplicaciones con materiales grafénicos en colaboración con otras compañías y centros de investigación se suma a la búsqueda de estrategias para mejorar la disponibilidad y calidad del agua, esperando en el corto plazo tener nuevas aplicaciones con grafeno en el mercado.
Grafeno como Solución Sostenible a la Crisis de Litio
En la última década, el aumento global en la demanda de baterías de iones de litio ha sido impulsado por la creciente popularidad de dispositivos electrónicos, desde dispositivos portátiles como tabletas, consolas y teléfonos celulares, hasta vehículos eléctricos. Según el Fondo Monetario Internacional, se prevé que para 2050 la demanda de baterías supere la oferta en un 40%, lo que plantea una potencial crisis para las industrias que dependen de ellas si no se implementan alternativas viables.
Las problemáticas de las baterías de iones de litio no se limitan solo al equilibrio oferta-demanda. El litio es un recurso finito cuya extracción y desecho tienen impactos negativos en el medio ambiente y la salud humana. Además, las baterías presentan riesgos de seguridad significativos, como inestabilidad, sobrecarga, sobrecalentamiento e incendios.
El grafeno, un nanomaterial bidimensional de carbono con estructura de lámina extremadamente delgada, transparente y resistente, ha captado la atención de los expertos en baterías. Su arquitectura única permite una alta conductividad eléctrica y estabilidad química, características esenciales para mejorar el rendimiento de baterías de iones de litio (LIB), litio-azufre (LSB) y litio-oxígeno (LOB).
Beneficios del grafeno en las baterías:
Mayor capacidad de almacenamiento energético: El grafeno tiene una estructura con una extensa área superficial, lo que facilita una mayor cantidad de sitios de intercalación para los iones de litio. Esto se traduce en una mejora significativa en la capacidad de almacenamiento energético de las baterías.
Mejora en la conductividad eléctrica: Los enlaces π-π del grafeno permiten un transporte eficiente de electrones entre los materiales activos de los electrodos y los colectores de corriente. Esto reduce la resistencia interna de las baterías y mejora su potencia de salida, lo que es crucial para aplicaciones que requieren altas tasas de carga y descarga.
Estabilidad mejorada y mayor durabilidad: El grafeno promueve la estabilidad de los materiales de los electrodos al prevenir la degradación prematura durante los ciclos de carga y descarga. Esto no solo prolonga la vida útil de las baterías, sino que también asegura una mayor estabilidad cíclica, manteniendo un rendimiento constante a lo largo del tiempo.
Perspectivas futuras y alternativas:
A pesar del crecimiento continuo del mercado de baterías de iones de litio, sus riesgos ambientales y limitaciones técnicas están impulsando la investigación hacia alternativas más sostenibles y eficientes. Algunas de estas alternativas incluyen sistemas de baterías basados en sodio/azufre, quitina/zinc, silicio/carbono, y combinaciones de grafeno con otros materiales avanzados.
En Energeia-Graphenemex, nos enorgullece estar a la vanguardia de estas innovaciones, explorando cómo el grafeno y otros materiales nanotecnológicos pueden seguir transformando la industria de las baterías y contribuyendo a un futuro energético más limpio y sostenible.
Redacción: EF/ DHS
Referencias
A. Ali, P.K. Shen, Nonprecious metal’s graphene-supported electrocatalysts for hydrogen evolution reaction: fundamentals to applications, Carbon Energy 2 (2020) 99.
A. Ali, P.K. Shen, Recent progress in graphene-based nanostructured electrocatalysts for overall water splitting, Electrochem. Energy Rev. 3 (2020) 370;
A. Ali, P.K. Shen, Recent advances in graphene-based platinum and Palladium electrocatalysts for the methanol oxidation reaction, J. Mater. Chem. 7 (2019) 22189–22217; 4. Moreno-Brieva, Fernando, & Merino-Moreno, Carlos. (2020). Scientific and Technological Links from Samsung On Lithium Batteries and Graphene. Journal of technology management & innovation, 15(4), 81
Yu Yang, Renjie Wang, Zhaojie Shen, Quanqing Yu, Rui Xiong, Weixiang Shen, Towards a safer lithium-ion batteries: A critical review on cause, characteristics, warning and disposal strategy for thermal runaway, Advances in Applied Energy, 11, 2023, 100146
El Grafeno como Motor de la Revolución Energética:
Avances en Eficiencia y Almacenamiento de Energía Renovable
En el ámbito actual, la preocupación por el medio ambiente y el cambio climático ha dejado de ser una moda para convertirse en una prioridad. Esto ha dado lugar a la creación de equipos multidisciplinarios a nivel global, enfocados en encontrar soluciones tecnológicas más sostenibles para los desafíos energéticos, como la generación y almacenamiento de energía, con el objetivo adicional de reducir al máximo las emisiones.
En este contexto, la gestión de la energía térmica mediante tecnologías pasivas, como la solar, ha adquirido una importancia significativa. Su aprovechamiento como una alternativa ecológica y energéticamente eficiente ha experimentado un crecimiento considerable, desde su aplicación en entornos domésticos hasta sistemas de generación eléctrica.
Sin embargo, la intermitencia natural de la energía solar debido a los ciclos diurnos y nocturnos plantea desafíos a largo plazo. Por esta razón, es necesario considerar tecnologías complementarias, como los materiales de cambio de fase (PCM por sus siglas en inglés). Estos materiales tienen la capacidad de absorber energía térmica del entorno para cambiar su estado, liberando esta energía almacenada para aplicaciones de calefacción o refrigeración en diversos sectores, incluyendo la construcción, dispositivos electrónicos y aplicaciones aeroespaciales, entre otros.
Dentro de los PCM más conocidos se encuentra la parafina, cuya capacidad de cambio de fase sólido-líquido le permite almacenar calor latente al absorber energía térmica hasta alcanzar su punto de fusión. Aunque las parafinas presentan ventajas como ser materiales seguros, confiables y económicos, así como tener una estabilidad aceptable para ciclos largos de cristalización-fusión, también enfrentan desafíos, como su baja conductividad térmica y su fuga en estado líquido.
Afortunadamente, los PCM, incluyendo la parafina, se benefician de los avances en nanotecnología, especialmente al ser modificados con nanopartículas como el Grafeno. La incorporación de Grafeno en PCM como la parafina mejora significativamente la conductividad térmica y la eficiencia energética, facilitando el almacenamiento y conversión de energía solar a térmica.
¿Qué hace tan especial al Grafeno?
El Grafeno gracias a sus excepcionales características fisicoquímicas es uno de los nanomateriales más prometedores como coadyuvante en la resolución de las problemáticas energéticas. A diferencia de otras nanoestructuras de carbono como el diamante, grafito, carbón activado, fullerenos o nanotubos, el Grafeno tiene mejores propiedades eléctricas y mecánicas, con la ventaja adicional de que se combina fácilmente con otros compuestos como los PCM para compartir sus características y mejorar su desempeño. Por ejemplo, comparado con los nanotubos, una de las nanoestructuras de carbono más conocidas y estudiadas, el Grafeno tiene una mayor movilidad de cargas (200.000 cm2 V 1 s 1 Vs. 150.000 cm2 V 1 s 1), mayor conductividad eléctrica (6,6 MS m -1 Vs. 0,35 MS m -1), y mayor transmitancia (97,0% Vs. 95,7%) que lo hacen sumamente atractivo para su uso en materia energética.
¿Cómo se relacionan el Grafeno con los PCM para el aprovechamiento de la energía solar?
Históricamente desde el punto de vista sostenible y como aplicación real, la arquitectura es uno de los claros ejemplos en el aprovechamiento de la energía solar. Partiendo en la antigüedad con la fabricación de paredes de adobe para atrapar el calor del día y liberarlo durante la noche, hasta la infraestructura moderna con el uso de calentadores o paneles solares hasta la implementación de muros Trombe como herramienta de calefacción pasiva. Por ejemplo, estos últimos constan de un sistema de materiales como el vidrio, madera, acero, aluminio, concreto y PCM como la parafina, dispuestos en configuraciones especiales que en conjunto permiten absorber el calor para conducirlo lentamente hacia la vivienda. A partir la identificación de las propiedades multifuncionales del Grafeno y de la exploración de sus beneficios en distintos sectores, pudo identificarse que su incorporación en la parafina utilizada para la fabricación de sistemas de calefacción pasiva puede mejorar la conductividad térmica o la fuerza impulsora hasta en un 164%, mostrando una evidente superioridad sobre las nanopartículas híbridas de alta eficiencia como el Cu-TiO2 o Al2O3-MWCNT, cuyos beneficios normales oscilan entre el 50 y 70%. Esto quiere decir que, en caso de lograr integrar estas tecnologías a los sistemas de calefacción pasiva además de mejorar el confort térmico durante todo el año también representaría ahorros energéticos importantes, además de reducir las emisiones de CO2.
Celdas solares
Otra conocida aplicación potencial de la nanotecnología en el sector energético, es el diseño de la cuarta generación de paneles solares, que incluye el uso de nanomateriales bidimensionales como el disulfuro de molibdeno (MoS2), Diseleniuro de wolframio (WSe2) y nuevamente, el Grafeno.
Entre las ventajas más representativas que el Grafeno ha demostrado sobre otros materiales está, además de su resistencia mecánica, su alta movilidad de cargas, gran transmitancia, ligereza, flexibilidad y estabilidad, que han logrado que en menos de 10 años su desempeño para el diseño de paneles solares haya tenido importantes avances al incrementar su eficiencia del 1.5% al 15%, casi comparable con la eficiencia de las celdas actuales que oscila entre el 20 y 22%. No obstante, y en vías de mejorar aún más estos porcentajes, los expertos en la materia continúan explorando metodologías a partir del dopaje del Grafeno con otras estructuras como el silicio, hexafluoruro de molibdeno, óxido de molibdeno, cloruro de tionilo, ácido trioxionítrico, cloruro de oro, boro, oxígeno, nitrógeno, fósforo o azufre, para reducir su resistencia y aprovechar mejor la energía de la luz solar.
En Energeia- Graphenemex, la empresa líder en Latinoamérica en el diseño y desarrollo de aplicaciones con materiales grafénicos somos sensibles de los retos que, como cualquier tecnología emergente, el Grafeno enfrenta, y nos es grato formar parte del selecto grupo de investigadores e industriales que a nivel mundial busca beneficiar a la sociedad, a la economía y al medio ambiente con las bondades que estos maravillosos materiales pueden ofrecer.
Gracias a nuestro equipo multidisciplinario en muy poco tiempo hemos logrado vencer los obstáculos que han limitado la llegada de este material al mercado en aplicaciones reales, comenzando con su producción a gran escala, con calidad controlada y a un costo asequible, así como con el desarrollo de nuevos productos con nanoingeniería grafénica sobre los cuales ha sido fundamental controlar su estabilidad y compatibilidad con los compuestos y procesos utilizados en cada aplicación o industria.
Probablemente el Grafeno como aliado de las energías renovables aún está en etapas incipientes y no propiamente por su manipulación, sino por la complejidad que este sector representa, sin embargo, no se deben desestimar los importantes avances logrados a lo largo de la última década, puesto que son las bases para las siguientes generaciones de equipos y/o tecnologías.
Redacción: EF/DHS
Referencias
Jafaryar M, Sheikholeslami M. Simulation of melting paraffin with graphene nanoparticles within a solar thermal energy storage system. Sci Rep. 2023, 26;13(1):8604;
R. Bharathiraja, T. Ramkumar, M. Selvakumar. Studies on the thermal characteristics of nano-enhanced paraffin wax phase change material (PCM) for thermal storage applications. J. Energy Storage, 73, Part C, 2023, 109216;
Li-Wu Fan, Xin Fang, Xiao Wang, Yi Zeng, Yu-Qi Xiao, Zi-Tao Yu, Xu Xu, Ya-Cai Hu, Ke-Fa Cen, Effects of various carbon nanofillers on the thermal conductivity and energy storage properties of paraffin-based nanocomposite phase change materials, Applied Energy, 110, 2013, 163;
Top Khac Le., et al., Advances in solar energy harvesting integrated by van der Waals graphene heterojunctions. RSC Adv., 2023, 13, 31273
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.
Graphene-based fabrics and their applications: a review. RSC Advances. 2016, 6:68261;
Fabrication of a graphene coated nonwoven textile for industrial applications. Australian Institute for Innovative Materials – Papers. 2016, 2173;
New Perspectives on Graphene/ Polymer Fibers and Fabrics for Smart Textiles: The Relevance of the Polymer/Graphene Interphase. Front. Mater. 2018, 5:18;
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;
The Effect of Graphene Oxide on Flame Retardancy of Polypropylene and Polystyrene. Materials Performance and Characterization 2020, 9, 1, 284;
Engineering Graphene Flakes for Wearable Textile Sensors via Highly Scalable and Ultrafast Yarn Dyeing Technique. ACS Nano 2019, 13, 4, 3847;
Highly Conductive, Scalable, and Machine Washable Graphene-Based E-Textiles for Multifunctional Wearable Electronic Applications. Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 2000293;
Creating Smart and Functional Textile Materials with Graphene. Nanomaterials and Nanotechnology Biomedical, Environmental, and Industrial Applications. 2021, Chapter 13.;
Thermal Degradation and Flame-Retardant Mechanism of the Rigid Polyurethane Foam Including Functionalized Graphene Oxide. Polymers 2019, 11, 78;
Tuning sound absorbing properties of open cell polyurethane foam by impregnating graphene oxide. App Acoustics. 151, 2019, 10;
Intumescent flame-retardant polyurethane/reduced graphene oxide composites with improved mechanical, thermal, and barrier properties. Journal of Materials Science. 2014, 49, 243;
Production and characterization of Graphene Nanoplatelet-based ink for smart textile strain sensors via screen printing technique. Materials & Design. 198, 15 2021, 109306;
Caracterización de un tejido mezcla poliéster/ algodón aplicando grafeno mediante el proceso de adsorción. Tesis 2020;
Síntesis y formulación de nuevas espumas de poliuretano flexibles con propiedades mejoradas. Tesis 2018.
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.
Graphene-based fabrics and their applications: a review. RSC Advances. 2016, 6:68261;
Fabrication of a graphene coated nonwoven textile for industrial applications. Australian Institute for Innovative Materials – Papers. 2016, 2173;
New Perspectives on Graphene/ Polymer Fibers and Fabrics for Smart Textiles: The Relevance of the Polymer/Graphene Interphase. Front. Mater. 2018, 5:18;
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;
The Effect of Graphene Oxide on Flame Retardancy of Polypropylene and Polystyrene. Materials Performance and Characterization 2020, 9, 1, 284;
Engineering Graphene Flakes for Wearable Textile Sensors via Highly Scalable and Ultrafast Yarn Dyeing Technique. ACS Nano 2019, 13, 4, 3847;
Highly Conductive, Scalable, and Machine Washable Graphene-Based E-Textiles for Multifunctional Wearable Electronic Applications. Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 2000293;
Creating Smart and Functional Textile Materials with Graphene. Nanomaterials and Nanotechnology Biomedical, Environmental, and Industrial Applications. 2021, Chapter 13.;
Thermal Degradation and Flame-Retardant Mechanism of the Rigid Polyurethane Foam Including Functionalized Graphene Oxide. Polymers 2019, 11, 78;
Tuning sound absorbing properties of open cell polyurethane foam by impregnating graphene oxide. App Acoustics. 151, 2019, 10;
Intumescent flame-retardant polyurethane/reduced graphene oxide composites with improved mechanical, thermal, and barrier properties. Journal of Materials Science. 2014, 49, 243;
Production and characterization of Graphene Nanoplatelet-based ink for smart textile strain sensors via screen printing technique. Materials & Design. 198, 15 2021, 109306;
Caracterización de un tejido mezcla poliéster/ algodón aplicando grafeno mediante el proceso de adsorción. Tesis 2020;
Síntesis y formulación de nuevas espumas de poliuretano flexibles con propiedades mejoradas. Tesis 2018.
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
Bao Jin. Lubrication properties of graphene under harsh working conditions. Mater. Today Adv. 2023, 18, 100369;
Jianlin Sun and Shaonan Du. Application of graphene derivatives and their nanocomposites in tribology and lubrication: a review. RSC Adv., 2019, 9, 40642;
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;
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;
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;
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;
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;
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.
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
¿Can Graphene Oxide Help to Prevent Peri-Implantitis in the Case of Metallic Implants? Coatings 2022, 12, 1202.
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
Graphene-Based Biomaterials for Bone Regenerative Engineering: A Comprehensive Review of the Field and Considerations Regarding Biocompatibility and Biodegradation. Adv. Healthc. Mater. 2021, 2001414.
Nanotechnology and bone regeneration: a mini review. 2014 Int Orthop 38(9):1877–1884 /1. European Journal of Orthopaedic Surgery & Traumatology (2018) 28:1257
Graphene: ¿An Antibacterial Agent or a Promoter of Bacterial Proliferation? iSciencie. 2020. 23, 101787
Graphene: The game changer in dentistry. IP Annals of Prosthodontics and Restorative Dentistry 2022;8(1):10
Antibacterial Activity of Graphene Depends on Its Surface Oxygen Content.
Direct-Deposited Graphene Oxide on Dental Implants for Antimicrobial Activities and OsteogenesisInt. J. Nanomedicine 2021 :16 5745
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.
Mechanical Characterization of Dental Prostheses Manufactured with PMMA–Graphene Composites. Materials 2022, 15, 5391
Fabrication and properties of in situ reduced graphene oxide-toughened zirconia composite ceramics. J. Am. Ceram. Soc. 2018, 101, 8
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
Cytotoxicity survey of commercial graphene materials from worldwide. npj 2D Materials and Applications (2022) 6:65
Biocompatibility of Pristine Graphene Monolayers, Nanosheets and Thin Films. 2014, 1406.2497.
Preliminary In Vitro Cytotoxicity, Mutagenicity and Antitumoral Activity Evaluation of Graphene Flake and Aqueous Graphene Paste. Life 2022, 12, 242
Biological and physico-mechanical properties of poly (methyl methacrylate) enriched with graphene oxide as a potential biomaterial. J Oral Res 2021; 10(2):1
Graphene substrates promote adherence of human osteoblasts and mesenchymal stromal cells. Carbon. 2010; 48: 4323–9
Multi-layer Graphene oxide in human keratinocytes: time-dependent cytotoxicity. Prolifer Gene Express Coat 2021; 11:1
Cytotoxicity assessment of graphene-based nanomaterials on human dental follicle stem cells. Colloids Surf B Biointerfaces. 2015; 136:791
Arabinoxylan/graphene-oxide/nHAp-NPs/PVA bionano composite scaffolds for fractured bone healing. 2021. J. Tissue Eng. Regen. Med. 15, 322.
Size-Dependent Pulmonary Impact of Thin Graphene Oxide Sheets in Mice: Toward Safe-by-Design. Adv. Sci. 2020, 7, 1903200
Differential cytotoxic effects of graphene and graphene oxide on skin keratinocytes. 2017. Sci Rep 7, 40572
Amine-Modified Graphene: Thrombo-Protective Safer Alternative to Graphene Oxide for Biomedical Applications. ACS Nano 2012, 6, 2731
Single-cell mass cytometry and transcriptome profiling reveal the impact of graphene on human immune cells. Nature Communications, 2017, 8: 1109,
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
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
High performance of polysulfone/ Graphene oxide- silver nanocomposites with excellent antibacterial capability for medical applications. Matter today commun. 2021. 27
Hazard assessment of abraded thermoplastic composites reinforced with reduced graphene oxide. J. Hazard Mater. 2022. 435. 129053
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 materialesnaturales 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
Graphene and its derivatives: understanding the main chemical and medicinal chemistry roles for biomedical applications. J Nanostructure Chem, 2022, 12:693
Biological and physico-mechanical properties of poly (methyl methacrylate) enriched with graphene oxide as a potential biomaterial. J Oral Res 2021; 10(2):1
Functionalized Graphene Nanoparticles Induce Human Mesenchymal Stem Cells to Express Distinct Extracellular Matrix Proteins Mediating Osteogenesis. Int J Nanomed 2020:15 2501
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
International Journal of Nanomedicine 2019:14 5753
Biocompatibility Considerations in the Design of Graphene Biomedical Materials. Adv. Mat. Interfaces 2019, 6, 1900229
Graphene based scaffolds on bone tissue engineering. Bioengineered, 2018, 9:1, 38
When stem cells meet graphene: Opportunities and challenges in regenerative medicine. Biomaterials, 2018, 155, 236
Graphene-based materials for tissue engineering. Adv. Drug Deliv. Rev. 2016,105, 255
Capítulo 92e: Ingeniería de tejidos, Anthony Atala. 2023 McGrawHill.
Tomado de Journal of Nanostructure in Chemistry (2022) 12:693
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