Categoría: Óxido de Grafeno

Un Átomo de Espesor, Máxima Sensibilidad: Grafeno para Cuidar el Aire que Respiramos 

Publicado el | por Energeia Graphenemex

Un Átomo de Espesor, Máxima Sensibilidad:

Grafeno para Cuidar el Aire que Respiramos 

El monitoreo ambiental es fundamental para entender la calidad del aire y, con ello, diseñar políticas que protejan tanto la salud humana como el entorno que nos rodea. No obstante, las herramientas de medición actuales aún presentan limitaciones técnicas, operativas y económicas que afectan la precisión y disponibilidad de los datos. Por esta razón, la ciencia sigue buscando desarrollar sensores no solo más sensibles, sino también portátiles, flexibles, accesibles y capaces de generar información en tiempo real y a gran escala. En esa búsqueda, el grafeno y sus derivados han emergido como materiales especialmente prometedores  

“De acuerdo con la Organización Mundial de la Salud (OMS), el 99 % de la población mundial respira aire que supera los límites recomendados de calidad”. 

Propiedades del grafeno 

El grafeno es una nanoestructura de carbono de un solo átomo de espesor dispuesta en una red hexagonal que, en términos teóricos tiene una superficie que puede superar los 2600 m²/g y una movilidad electrónica mayor a los 15 000 cm²/V·s; estas características son las responsables de su gran sensibilidad a los cambios superficiales que a la vez le permiten detectar variaciones mínimas cuando gases u otras moléculas se adsorben sobre él.  

A diferencia de los sensores convecionales basados en óxidos metálicos que requieren altas temperaturas para funcionar, los sensores de grafeno además de mejorar su sensibilidad, también pueden operar a temperatura ambiente, lo que permite reducir el consumo energético, así como a favorecer su integración en dispositivos portátiles o textiles inteligentes, como se mencionó en el artículo Wearables con grafeno: la nueva frontera entre la tecnología, la salud y la ciencia de materiales. 

La evolución del grafeno para el monitoreo ambiental 

Las bases del uso del grafeno para diseñar sensores de alta sensibilidad fueron establecidas por los científicos André Geim y Konstantin Novoselov, de la Universidad de Manchester, galardonados con el Premio Nobel de Física en 2010 por lograr aislar este material en 2004. Entre las muchas propiedades que descubrieron, demostraron que el grafeno podía responder a variaciones extremadamente pequeñas en su entorno electrónico y que, incluso, era capaz de detectar la presencia de un solo átomo o molécula de gas adsorbida. 

Estos descubrimientos abrieron un nuevo panorama para el monitoreo ambiental y aceleraron la investigación en torno al grafeno. Por lo que, en poco tiempo, se demostró que, por primera vez, un material de apenas un átomo de espesor podía registrar variaciones electrónicas asociadas a gases como dióxido de nitrógeno (NO₂), amoníaco (NH₃) y compuestos orgánicos volátiles (COVs), con mayor sensibilidad que los sensores convencionales.  

“El potencial del grafeno como sensor de alta eficiencia radica en que su interacción con los gases modifica sus propiedades eléctricas, permitiendo una detección más precisa y sensible”. 

Avances recientes en grafeno para el monitoreo ambiental 

A continuación se presentan de manera breve, algunos resultados de investigaciones recientes que ilustran la evolución del grafeno en el campo del monitoreo Ambiental: 

2025-México  

Investigadores del Laboratorio de Nanotecnología Avanzada del Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada de Baja California, México, presentaron los resultados de un estudio experimental- computacional sobre los mecanismos de detección de un material híbrido de dióxido de titanio (TiO₂) y grafeno para la detección de gas LP. El híbrido preparado mediante la técnica de depósito por capa atómica (ALD) que permite depositar con precisión películas ultrafinas de pocos nanómetros tuvo una respuesta eléctrica evidente ante el gas, superando las limitaciones del TiO₂ puro, como son la alta temperatura de operación y la baja selectividad, con una importante mejora en la sensibilidad y velocidad de respuesta respecto a los sensores convencionales.  

2025-China 

 Científicos de la Universidad normal de Guangxi, en Guilin, China, utilizaron el método hidrotermal de un solo paso para desarrollar un sensor híbrido de grafeno con óxido de cobre (CuO) para la deteccion de hexanal, un compuesto orgánico volátil relacionado con contaminantes ambientales; el nuevo sensor tuvo un cambio de resistencia o respuesta de hasta 26% frente a 100 ppm de hexanal a temperatura ambiente, manteniento su rendimiento tras múltiples ciclos de prueba y con muy poca interferencia de otros gases, lo que indica buena selectividad.  

2022-India 

 Investigadores del Departamento de Ingeniería Química del Instituto de Tecnología Química, del Grupo de Materiales del Centro de Investigación Atómica Bhabha, y el Instituto Nacional Homi Bhabha (India), desarrollaron un aerogel basado en nanotubos de carbono y óxido de grafeno (GO) para detectar compuestos orgánicos volátiles (COVs) asociados a cáncer. El material hibrido triplicó la sensibilidad con un límite de detección de 70 ppb, muy por debajo del rango habitual de sensores comerciales basados en óxidos metálicos. Esta favorable respuesta del GO es gracias a los grupos oxigenados (16%) presentes en su estructura; sin embargo, si el contenido es demasiado alto (30 %) su sensibilidad cae notablemente porque el material se vuelve más aislante, además de que la humedad (60 %) puede aumentar artificialmente la señal. Por esta razón los resultados con grafeno y óxido de grafeno reducido (rGO) suelen ser mejores, de acuerdo con otros estudios.  

2019-España 

El grupo de Nanosensores y Sistemas Inteligentes (NOySI) del Instituto de de Tecnologías Físicas y de la Información del Consejo Superior de Investigaciones Científicas, España, preparó sensores resistivos con grafeno, óxido de grafeno y óxido de grafeno reducido mediante la técnica de drop- casting y electrospray sobre sustratos poliméricos y de silicio para su evaluación sobre la detección de gases contaminantes como NO₂ (dióxido de nitrógeno) y O₃ (ozono) a temperatura ambiente. Entre las conclusiones más importantes del estudio y que coinciden con otras aplicaciones, está que no todos los grafenos responden igual, a la vez que su desempeño se relaciona con su concentración y con el método de aplicación. En este sentido, por un lado está el óxido de grafeno (aislante) que tiene una resistencia tan alta que no permite realizar ninguna medición y por otro, está el grafeno y óxido de grafeno reducido (conductores) que desde 1 µg ofrecieron respuesta frente a los contaminantes.  

2015-Finlandia 

Investigadores del Departamento de Micro y Nanociencias de la Universidad Aalto (Finlandia) en colaboración con otras instituciones, desarrollaron un prototipo de sensor de grafeno depositado por crecimiento epitaxial, que logró detectar desde 1 ppb de dióxido de nitrógeno (NO₂), es decir, con una sensibilidad notoriamente mayor que sensores comerciales de óxidos metálicos, que comúnmente requieren concentraciones superiores a 5–10 ppb para generar señales confiables. Esta mejora en el límite de detección, combinada con una operación a temperatura ambiente y un consumo prácticamente nulo de energía, resaltó la importancia del grafeno sobre otros materiales tradicionales que para funcionar adecuadamente operan entre 150 y 400 °C. 

Conclusión 

Esta breve línea del tiempo expone cómo el grafeno gradualmente y con bases solidas se consolida como herramienta importante para el monitoreo ambiental. Especialmente porque la capacidad de detección de la mayoría de los sensores de partes por millón (ppm), mientras que los modificados con grafeno pueden aumentar su sensibilidad a decenas de partes por billón (ppb), con el valor agregado de poder funcionar a temperatura ambiente. No obstante, pese a todas estas ventajas, tal parece que tendremos que esperar para su llegada oficial al mercado, pues aún es necesario optimizar los tiempos de recuperación, la variabilidad con la humedad ambiental, así como los procesos de producción asequibles y reproducibles en entornos reales.  

Redacción: EF/DHS 

Referencias 

  1. Rodríguez Hueso, J.E. 2025. Estudio experimental-computacional de los mecanismos de detección del híbrido TiO₂–GR en presencia de gas LP. Tesis de Doctorado en Ciencias. Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada, Baja California. 87 pp. 
  1. Xiaoni Wei. 2025 J. A room-temperature hexanal gas sensor based on graphene/copper oxide composite. Phys.: Conf. Ser. 3084 012028.  
  1. Biranje, P. M., et. al. 2022. Ultra-fast detection and monitoring of cancerous volatile organic compounds in environment using graphene oxide modified CNT aerogel hybrid gas sensor. Sensors and Actuators B: Chemical, 375, 132934.  
  1. Sanz Montero, Irene. 2019. Preparación de sensores de gases basados en grafeno para la detección de contaminantes atmosféricos. Trabajo Fin de Grado / Proyecto Fin de Carrera, E.T.S.I. Industriales (UPM), Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales. 
  1. Novikov, S., et. al. 2055. Graphene Based Sensor for Environmental Monitoring of NO2. Procedia Engineering, 120, 586-589 

Wearables con grafeno: la nueva frontera entre la tecnología, la salud y la ciencia de materiales 

Publicado el | por Energeia Graphenemex

Wearables con grafeno:

la nueva frontera entre la tecnología, la salud y la ciencia de materiales 

El grafeno ha revolucionado la tecnología vestible al ofrecer sensores flexibles y sensibles capaces de monitorear parámetros médicos en tiempo real. Este nanomaterial destaca por su piezoresistencia, lo que permite detectar movimientos y presiones sin sacrificar comodidad. Además, su versatilidad le permite interactuar con diversos materiales, mejorando la conductividad y flexibilidad de los wearables. Entre estos materiales, sobresalen los polímeros, nanopartículas metálicas y otros compuestos de carbono. Finalmente, la producción del grafeno involucra diferentes métodos, y sus propiedades pueden optimizarse mediante combinaciones con otros materiales. 

A principios del siglo XXI la tecnología vestible o “wearable” parecía ser un tema de ficción. Sin embargo, la creciente preocupación por la salud y el bienestar aceleró su evolución al grado que hoy día no solo son dispositivos reales, sino que, para muchos usuarios, ya son artículos de primera necesidad, sobre todo en términos médicos, ya que algunos “wearables” permiten monitorear parámetros importantes como la glucosa, el oxígeno o la frecuencia cardiaca para un seguimiento médico en tiempo real. Incluso, se espera que en el corto plazo estos dispositivos dejarán de dar solo datos, pues gracias a la integración de la inteligencia artificial también podrán interpretar y emitir recomendaciones de forma personalizada para atender cada situación. Naturalmente, esto conlleva cuestiones éticas y de seguridad que deben contemplarse y protegerse adecuadamente.  

Wearables con grafeno 

En el estricto sentido, el grafeno es un nanomaterial compuesto por una o varias capas de átomos de carbono organizados de manera hexagonal, pero en el sentido práctico, estas características le permiten actuar como un material piezoresistivo excelente, debido a que su resistencia eléctrica puede variar significativamente ante deformaciones mecánicas. 

“Cuando se estira o deforma un sensor de grafeno, la distancia y el solapamiento entre sus átomos carbonados cambian, modificando la movilidad de los electrones y, por consiguiente, la resistencia eléctrica. Este efecto se llama piezoresistencia y es la base para la detección de fuerzas, presiones y movimientos en sensores flexibles usados en wearables”. 

Gracias a la excelente capacidad de interacción con algunos materiales, el  es una base ideal para el desarrollo de sensores capaces de detectar movimiento, temperatura o presión, sin comprometer la comodidad ni la flexibilidad de las prendas que lo incorporan. 

¿Con qué materiales interactúa bien el grafeno? 

El grafeno es un material sumamente versátil que puede interactuar por enlaces covalentes, interacciones π-π, fuerzas de Van der Waals o enlaces de hidrógeno, dependiendo del tipo de material con el que se combine, desde metales, cerámicos, biomateriales y polímeros, por mencionar algunos ejemplos.  

Respecto a los materiales utilizados en la tecnología vestible, resalta su afinidad con polímeros como el poliuretano termoplástico (TPU), que permite que el material se estire, se doble o se lave sin perder conductividad; también con nanopartículas metálicas como el oro y la plata que ayudan a incrementar la conductividad sin perder flexibilidad; con los nanotubos de carbono que ayudan a formar una red más estable y sensible al movimiento, así como con otros materiales de carbono como el negro de humo que favorece la formación de una red conductiva híbrida actuando como puente entre las hojas del grafeno para mejorar la sensibilidad al cambio de resistencia cuando la estructura se deforma. 

¿Cómo se fabrica un wearable con grafeno? 

Para fabricar este tipo de productos, el primer paso es sintetizar o producir el grafeno, ya sea por el método de deposición química de vapor (CVD), por exfoliación mecánica o por oxidación química. Sobre esto es importante mencionar, que cada grafeno obtenido por cualquiera de estos métodos tiene características distintas entre sí, y es fundamental tener el conocimiento técnico sobre sus alcances, y, por lo tanto, también se pueden considerar realizar funcionalizaciones adicionales con otros materiales para mejorar su desempeño.  

Una vez que se tiene el material grafénico con o sin modificaciones, el siguiente paso es integrarlo o inmovilizarlo dentro de una matriz flexible como el polidimetilsiloxano (PDMS) o poliuretano (TPU), que facilite la colocación del sensor en forma de película delgada sobre otro material (p.ej. textil) y que a su vez pueda conectare mediante electrodos a circuitos electrónicos para la adquisición y el procesamiento de señales, para que cuando se encuentre en movimiento, el sensor se deforme, cambie su resistencia eléctrica y se convierta en datos digitales para monitorear parámetros de movimiento, presión, etc.  

Avances en la investigación de Wearebles 

2025 – Científicos de la Universidad de Cambridge, en conjunto con la Universidad Médica de la Capital de China y la Universidad de Beihang presentaron un sistema con grafeno para el monitoreo del sueño, integrado en prendas inteligentes, lavables y compatibles con la piel; el sistema detecta las vibraciones de la laringe mediante una matriz de sensores de deformación de seis canales colocados en la tela colocada en el cuello para reconocer y analizar patrones de sueño. 

2022 – Investigadores de la universidad de Pensilvania, desarrollaron un parche de polidimetilsiloxano (PDMS) con grafeno para monitorear la temperatura corporal; los hallazgos demostraron una mejora de la conductividad térmica del 24%. Además, su combinación con un software de lectura para análisis y procesamiento en una terminal inteligente facilitó el monitoreo en tiempo real con un gran potencial de aplicación en situaciones complejas de salud pública, como lo ocurrido en la pandemia por el SAR-Cov-2. 

2021– Científicos de la Escuela de Ingeniería Mecánica y de Potencia de la Universidad de Wuhan, Hubei, China, fabricaron sensores flexibles de grafeno y negro de humo con gran sensibilidad, estabilidad y excelente relación entre deformación y resistencia eléctrica.  

2019 – El Graphene Flagship en colaboración con el Instituto de ciencias fotónicas (España), presentó uno de los primeros prototipos de wearables de grafeno con puntos cuánticos, capaz de medir signos vitales múltiples (p.ej., frecuencia cardíaca, tasa respiratoria, saturación de oxígeno, exposición UV) mediante óptica flexible, demostrando que el grafeno podría usarse para sensores ópticos con formas muy ligeras y cómodas. 

2017 – Investigadores de Tsinghua University y Shanghai Jiao Tong University, China, desarrollaron un dispositivo ultradelgado para el cuello capaz de detectar movimientos de las cuerdas vocales, y de emitir sonido. Entre lo destacable de este prototipo fue su gran sensibilidad con cambios relativos de resistencia de hasta ~150 % a ~133 Ω y una emisión sonora de ~75 dB a 0.38 W a 2 mm de distancia.  

2017 – Científicos del Centro de Investigación y Aplicación de Nanotecnología de la Universidad Sabancı, Estambul, desarrollaron una prenda inteligente con electrodos textiles con grafeno para monitoreo de biopotenciales (electrocardiográficos) de muñecas y cuello. En comparación con los electrodos convencionales el prototipo de grafeno tuvo un rendimiento casi equivalente al estándar clínico, pero más cómodo. 

Dearrollos Comerciales 

Si bien la mayoría de las investigaciones continúan en etapas experimentales o de prototipo,  ya existen algunas compañías que han logrado traspasar las barreras de los laboratorios científicos para llegar al mercado:   

GraphWear (Estados Unidos):  Desarrolló un wearable con grafeno para monitoreo de glucosa sin punción.  Este dispositivo consiste en una fina lámina de grafeno que se adhiere a la parte posterior del reloj o a una pegatina que se puede llevar en el abdomen. 

Graphene Newton (India): Lanzó al mercado una línea de uniformes y wearables con grafeno para monitoreo de salud, ubicación y el rendimiento militar. 

Versarien (Reino Unido): Mediante su tecnología Graphene-Wear™ ofrece a sus usuarios una mayor transmisión térmica, una gestión superior de la humedad y un secado más rápido, manteniendo la permeabilidad al aire y al vapor de agua. Además, recientemente recibió la certificación del sistema OEKO-TEX® que certifica que Graphene-Wear™ es una tecnología sostenible que cumple con los requisitos legales y estándares de la industria aplicables, sin representar ningún riesgo para la salud humana. 

Redacción: EF/DHS 

Referencias 

  1. Y. Chen et al., “Graphene-based wearable piezoresistive physical sensors,” Materials Today, vol. 36, pp. 158-179, 2020. DOI: 10.1016/j.mattod.2019.12.004 
  1. K.-Y. Chen, Y.-T. Xu, Y. Zhao et al., “Recent progress in graphene-based wearable piezoresistive sensors: From 1D to 3D device geometries,” Mater. Sci. Eng., 2023. 
  1. M.K.H. Chowdhury et al., “Sensing the future with graphene-based wearable sensors,” Sci. Rep., 2024. 
  1. F. Saeedi et al., “Recent Advances of Graphene‐Based Wearable Sensors,” Adv. Mater. Interfaces, 2025. 
  1. R. Huang et al., “Highly Stretchable and Sensitive SBS/Graphene Composite Fiber for Strain Sensors,” Compos. Sci. Technol., 2019. 
  1. J. Li et al., “Flexible, Highly Sensitive, and Wearable Pressure and Strain Sensors with Graphene Porous Network Structure,” ACS Appl. Mater. Interfaces, 2016. 
  1. Flexible graphene photodetectors for wearable fitness monitoring.’ Polat et al., Sci. Adv. 2019; 5: eaaw7846. 
  1. Huang J, Huang D. Graphene-Enhanced Polydimethylsiloxane Patch for Wearable Body Temperature Remote Monitoring Application. Sensors (Basel). 2022 Dec 2;22(23):9426.  
  1. Yapici MK, Alkhidir TE. Intelligent Medical Garments with Graphene-Functionalized Smart-Cloth ECG Sensors. Sensors (Basel). 2017 Apr 16;17(4):875. doi: 10.3390/s17040875. PMID: 28420158; PMCID: PMC5424752. 
  1. L. Ma, Y. Gao, S. Li, X. Lei, X. Li and F. Liu, “Flexible piezoresistive sensors with 3D CB/graphene conductive networks,” 2021 5th IEEE Electron Devices Technology & Manufacturing Conference (EDTM), Chengdu, China, 2021, pp. 1-3,  
  1. Aznar, P.R.D.; Junior, H.L.O. Advances and Applications of Graphene-Enhanced Textiles: A 10-Year Review of Functionalization Strategies and Smart Fabric Technologies. Textiles 2025, 5, 28 
  1. https://graphene-flagship.eu/about/first-10-years/spearheads/c2-sh06-weargraph 
  1. https://www.graphene-info.com/researchers-develop-graphene-based-intelligent-wearable-artificial-throat 
  1. https://www.graphene-info.com/graphwear-closes-205m-series-b-needle-free-graphene-powered-glucose-monitor 
  1. https://graphene-newton.com/service/smart-wearables-uniforms 

Del carbono amorfo al grafeno: desafíos en la obtención de materiales grafénicos a partir de desechos 

Publicado el | por Energeia Graphenemex

Del carbono amorfo al grafeno:

desafíos en la obtención de materiales grafénicos a partir de desechos 

Al grafeno se le reconoce como la unidad estructural fundamental del grafito, pero, a diferencia de él, que es un material tridimensional (3D), el grafeno solo tiene dos dimensiones (2D) compuestas por átomos de carbono dispuestos en forma de lámina y con un arreglo hexagonal que le confiere una gran cantidad de propiedades mecánicas, térmicas, eléctricas, de barrera, etc., sumamente atractivas para la ciencia y tecnología. 

El grafeno al estar conformado esencialmente por carbono, para su obtención se utilizan fuentes de carbono de alta pureza, como el grafito  e incluso gases como el metano, aplicados en distintas metodologías como la exfoliación en fase líquida, oxidación química o deposición química de vapor; pero en la búsqueda de métodos más sostenibles, económicos y escalables, particularmente para su aplicación industrial, se abrió la puerta a otras fuentes de carbono, como la biomasa o residuos plásticos.  

El reto es que estos procesos generan inicialmente carbono amorfo, que tiene una estructura desordenada, baja conductividad y sin las propiedades propias del grafeno. Por lo tanto, es importante determinar si los productos generados son verdaderamente grafeno u otro material de carbono, menos ordenado y con propiedades diferentes. 

“Anualmente a nivel global se liberan 140 000 millones de toneladas de biomasa del sector agrícola, 181 500 millones de residuos forestales y agrícolas, y alrededor de 464 millones de toneladas de residuos plásticos, de los cuales solo el 20 % se recicla, el 25 % se incinera y el 55 % se deposita en vertederos” 

Grafeno a partir de Biomasa 

La biomasa, no es más que materia orgánica de origen animal o vegetal, que comprende fragmentos de ramas de árboles, productos de actividades agrícolas, forestales o fracciones biodegradables de basura, por mencionar algunos ejemplos; su composición a base de carbono, hidrógeno y oxígeno es la razón por la cual se ha estudiado como materia prima para la obtención de grafeno, mediante procesos térmicos como la pirolisis, gasificación y carbonización hidrotermal.  

Estudios recientes han demostrado que, con el uso de catalizadores metálicos como nitrato de manganeso y un control preciso de temperatura, es posible convertir directamente biomasa en carbono grafítico, es decir, una estructura similar a la del grafeno, evitando la formación de carbono amorfo intermedio. No obstante, la clave para el éxito de este método está en el control del proceso para estimular la grafitización durante la pirolisis, y evitar la carbonización incompleta que generaría carbono amorfo.  

Grafeno a partir de la Pirolisis de Plástico 

Pirolisis – es la descomposición de un compuesto químico por acción del calor y en ausencia de oxígeno que, aplicada a residuos plásticos hace posible la generación de combustible como gasolina, diésel y otros compuestos, como en este caso, el grafeno. Solo que para este proceso son necesarios catalizadores como el hidróxido de potasio (KOH), sales metálicas o arcillas para facilitar el rompimiento de los enlaces poliméricos y el reordenamiento del carbono para conformar la estructura aromática plana característica del grafeno.  

Un ejemplo de este proceso es el calentamiento rápido o Flash Joule Heating (FJH), donde el material plástico es calentado a temperaturas extremadamente altas en fracción de segundos para la generación de un material similar al grafeno turbostrático, es decir, con múltiples capas apiladas desordenadamente.  

¿Qué se produce realmente? 

Para lograr un grafeno verdadero a partir de las metodologías mencionadas, es esencial el uso de catalizadores que promuevan la grafitización, un control térmico riguroso, y métodos adicionales para exfoliar y estabilizar las láminas del material grafénico producido. Si estas condiciones no se cumplen, el producto podría ser carbono amorfo, que, si bien es útil para determinadas aplicaciones, no cuenta con las propiedades del grafeno. 

“El carbono amorfo no tiene un patrón repetitivo de átomos que se extienda a lo largo del material, mientras que el grafeno turbostrático presenta un ordenamiento parcial en capas hexagonales” 

Conclusión 

Aunque es verdad que la producción de grafeno a partir de biomasa y plástico es una vía prometedora para aprovechar los desechos y reducir su impacto ambiental, los inminentes retos son el control de calidad y pureza del producto resultante así como controlar las emisiones de CO2.  

Los materiales resultantes suelen tener una mayor cantidad de defectos y en algunos casos puede ser una mezcla de grafeno, grafeno parcialmente oxidado y carbono amorfo. La clave es identificar y aprovechar adecuadamente cada material de acuerdo con sus características o propiedades diferenciadas.  

Redacción: EF/DHS 

Referencias 

  1. Mensah, R. A., et al. (2025). The facile conversion of waste biomass into few-layer graphene oxide without the formation of an amorphous intermediate. Scientific Reports, 15, Article 12345; 
  1. Saha, J. K., & Dutta, A. (2021). A Review of Graphene: Material Synthesis from Biomass Sources. Materials, 14(18), 5384;  
  1. Le, P. A., et al. (2025). A review of commercial plastic waste recycling into graphene-based materials: efficiency, challenges, and perspectives. RSC Advances, 15, 12345-12368;  
  1. Wyss, K. M., et al. (2021). Converting plastic waste pyrolysis ash into flash graphene. Carbon, 183, 351-360;  
  1. Nagendran, S., et al. (2024). Sustainable production of graphene using biomass waste: a review. Journal of Cleaner Production, 387, 135833;  
  1. Seah, C. C., et al. (2023). Co-pyrolysis of biomass and plastic: Circularity of wastes and comprehensive review of synergistic mechanism. Results in Engineering, 19, 100884.   

Nanotecnología Grafénica: Transformando el Vidrio en un Material Multifuncional 

Publicado el | por Energeia Graphenemex

Nanotecnología Grafénica:

Transformando el Vidrio en un Material Multifuncional 

El vidrio es un material por todos conocido y ampliamente utilizado tanto en arquitectura, automoción, electrónica, energía, embalaje hasta en cocina. De todos los tipos de vidrio, posiblemente, el más común es el vidrio flotado o recocido, pero también es el más débil y menos seguro, ya que cuando se rompe, los fragmentos suelen ser pequeños, afilados y, en consecuencia, peligrosos. Por esta razón y para aplicaciones especiales o que demandan mayor resistencia o seguridad, para su fabricación se utilizan métodos como el templado térmico, recubrimientos cerámicos o laminación con polímeros. Esto independientemente del entintado, esmerilado, etc.  

Si bien es cierto que el vidrio tal y como lo conocemos, es un material que satisface adecuadamente las necesidades del mercado, y que aparentemente no habría razón para modificar ninguna de sus características o procesos, vale la pena considerar la existencia de nuevas tecnologías como la nanotecnología grafénica, que de implementarse correctamente podrían dar un valor agregado no solo al vidrio, sino a otros materiales o productos, para ampliar y/o mejorar su campo de aplicación.  

¿Qué es la nanotecnología grafénica? 

Se refiere a la tecnología que utiliza grafeno, una estructura de tamaño nanométrico y en forma de lámina, conformada por capas extremadamente delgadas de átomos de carbono fuertemente entrelazados en una configuración similar a la de un panal de abeja, para el desarrollo de nuevos materiales o aplicaciones. Desde su aislamiento en 2004, las investigaciones en torno a sus propiedades abrieron un mundo de posibilidades en ciencia y tecnología gracias a su extraordinaria resistencia mecánica, ligereza, flexibilidad, conductividad térmica y, eléctrica, entre otras características que no solo están presentes en el, sino que también se pueden transferir a otros materiales. 

¿Cómo se pueden aprovechar las propiedades del grafeno en el vidrio? 

La modificación del vidrio con nanopartículas de grafeno no es algo nuevo, de hecho, las investigaciones se han focalizado en dos maneras principales para su integración. La primera se basa en la aplicación del grafeno en forma de recubrimiento superficial, con la finalidad de incrementar la resistencia al rayado y la abrasión. A este respecto, los reportes indican que las películas ultradelgadas de grafeno actúan como una armadura transparente que dispersa la energía de contacto y reduce la fricción, aumentando considerablemente su resistencia al rayado entre un 30 y 40%. Otra forma de incorporar el grafeno en el vidrio es mediante los polímeros utilizados para el laminado, es decir, el grafeno se utiliza para reforzar los polímeros intermedios que unen distintas capas de vidrio. Esto permite mejorar la adhesión del polímero al vidrio y, posteriormente en caso de impacto, disipar entre un 25 y 30% la energía en caso de impacto.   

Cabe mencionar, que existe una tercera ruta, muy poco explorada o documentada sobre la integración del grafeno a lo largo de toda la matriz del vidrio. Es decir, distinta a colocar el grafeno únicamente en las capas intermedias o superficiales del vidrio, sino distribuido como nanorelleno dentro y fuera de él. 

 ¿Cuál es el valor agregado del grafeno como nanorelleno del vidro?  

Además de seguramente mejorar el desempeño mecánico al estar distribuido en toda la matriz, la multifuncionalidad del grafeno en términos de conductividad eléctrica, de resistencia a la radiación y de barrera química, también podría permitir:  

  1. Fabricar vidrios inteligentes (calefactables o con funciones antiempañantes y de regulación de entrada de calor y luz); 
  1. Reducir la temperatura interior de los automóviles, casas o edificios; 
  1. Disminuir o retrasar la degradación de los materiales o mobiliario interior pero expuesto a la radiación solar; 
  1. Mejorar las propiedades antiadherentes (p.ej., polvo, sarro, biopelículas) 

Un punto clave es, lograr todos estos beneficios sin afectar la transparencia del vidrio que, naturalmente en la mayoría de sus usos es crucial esta propiedad.   

En conclusión, podemos decir que el grafeno representa un camino prometedor para transformar al vidrio en un material no solo más resistente y seguro, sino también inteligente y multifuncional. Aunque la implementación de esta tecnología ha enfrentado barreras de costo y escalabilidad, los avances en producción y desarrollo tecnológico demuestran que su incorporación no solo en vidrio, sino en numerosos materiales o compuestos es cada vez más viable.  

Redacción: EF/DHS 

Referencias 

  1. Zhu, Y. et al. (2022). Role of graphene in enhancing indentation and scratch properties of glass. Surface & Coatings Technology. 
  1. Ali, A. et al. (2023). Polyvinyl butyral/Graphene Oxide Composite Coating for Enhanced Mechanical and Barrier Properties. Journal of Coatings Technology and Research. 
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  1. Kumar, R. et al. (2024). Effect of Graphene Oxide Nanoparticles on Polymer Interlayers for Laminated Glass Applications. Polymer Composites. 
  1. Ashfaq, J. et al. (2023), Enhancement of Thermal and Gas Barrier Properties of Graphene Based Nanocomposite Films. ACS Omega 

Desempeño del Concreto Reforzado con Macrofibras Poliméricas con Óxido de Grafeno: Reporte de Resultados Graphenergy® Construcción

Publicado el | por Energeia Graphenemex

Desempeño del Concreto Reforzado con Macrofibras Poliméricas con Óxido de Grafeno:

Reporte de Resultados Graphenergy® Construcción

Las macrofibras poliméricas son pequeños filamentos de material sintético resistente, esparcido en toda la mezcla de concreto para reforzarlo desde adentro. Su distribución aleatoria crea un efecto de refuerzo tridimensional discontinuo y homogéneo que le permite al concreto mejorar su tenacidad y ductilidad en cada punto de la estructura.  

Los materiales utilizados para la fabricación de este tipo de producto suelen ser polipropileno, polietileno, poliéster o nylon en distintos calibres o dimensiones, pero muy efectivos para el refuerzo de pavimentos y carreteras, losas, prefabricados, concreto lanzado e incluso, en algunas ocasiones puede sustituir la malla electrosoldada. Dada la gran diversidad de productos, antes de su utilización es importante asesorarse adecuadamente y considerar que, no siempre las macrofibras incrementan la resistencia a la compresión o flexión del concreto, porque en su mayoría se utilizan para el control de la microfisuración y, por lo tanto, no están indicadas para la sustitución total de refuerzo estructural como acero. 

La empresa mexicana Energeia- Graphenemex® a través de su división de polímeros, integró la multifuncionalidad del óxido de grafeno para lanzar al mercado las Macrofibras poliméricas Graphenergy® con la finalidad de mejorar el desempeño del concreto ante intensos esfuerzos.  

Las macrofibras poliméricas Graphenergy® representan una innovación en el refuerzo tridimensional secundario para concreto gracias a la integración de polietileno, polipropileno y óxido de grafeno dentro de su formulación. A diferencia de fibras convencionales, el diseño nanotecnológico y la superficie ondulada de estas macrofibras mejoran notablemente su desempeño dentro del concreto. 

“El óxido de grafeno es uno de los materiales más interesantes para mejorar las características de una gran cantidad de polímeros; consiste en láminas de grafeno o de carbono puro estabilizadas con grupos oxigenados que lo vuelve una estructura multifacética, compatible con el agua, afín con los cristales de cemento y fácilmente combinable con otros compuestos para diseñar materiales con propiedades nuevas o mejoradas” 

¿Por qué utilizar óxido de grafeno para la fabricación de macrofibras sintéticas? 

  • Mejora las características mecánicas de los polímeros y, por lo tanto, aumenta la resistencia de cada fibra ante las cargas. 
  • Mejora la compatibilidad de las fibras con el concreto, lo que resulta en una excelente distribución dentro del concreto en estado fresco. 
  • Genera una mejor interfaz fibra- cemento y, en consecuencia, favorece el anclaje de las fibras dentro del concreto endurecido.  

Ciencia basada en evidencia 

Como evidencia de los beneficios que las macrofibras sintéticas con óxido de grafeno ofrece al concreto, a continuación, presentamos los resultados de un estudio cuyo objetivo fue analizar a 7 días el comportamiento de un concreto reforzado con distintas dosificaciones de Macrofibras Graphenergy®.  

Cabe mencionar que, para este estudio se establecieron tanto normativas como límites de acuerdo con las necesidades de un proyecto específico y, en consecuencia, la información reportada es únicamente con fines informativos. 

¿Cómo se evalúa el concreto reforzado con fibra? 

Las pruebas más importantes se enfocan en determinar cómo las fibras mejoran la resistencia y tenacidad del concreto, especialmente después de la aparición de fisuras. Por lo tanto, por un lado, se utiliza la norma ASTM C78 para determinar la resistencia a la flexión del concreto simple (sin refuerzo con fibra), que nos ayuda a conocer cuánta fuerza soporta el concreto cuando se dobla antes de romperse. Y, por otro lado, se atiende la ASTM C1609 para determinar la resistencia a la flexión del concreto reforzado con fibra. Es decir, para medir qué tan resistente sigue siendo el concreto una vez que aparece la primera grieta, así como para evaluar su comportamiento cuando trata de romperse al ser traccionado o “jalado”. 

¿Qué materiales se usaron? 

Los materiales fueron seleccionados para cumplir con la normativa aplicable de acuerdo con el diseño de concreto y limites establecidos, incluyendo: arena, grava, cemento tipo II, agua, un aditivo reductor de agua y, la variable más importante para este estudio: las macrofibras sintéticas Graphenergy® en una proporción de 35,000 a 47,000 fibras por m3 de concreto.  

Tabla de resultados 

Interpretación  

Módulo de ruptura  

Antes de aparecer la primera grieta, el concreto dosificado con las macrofibras Graphenergy® resistió entre 36 y 41 kg/cm2, cumpliendo con la especificación de un concreto razonablemente fuerte en flexión.  

Es importante destacar que para esta prueba es relativamente irrelevante la presencia o ausencia de fibras, puesto que depende directamente de la pasta de concreto, agregados y curado. Por lo tanto, era de esperarse que las fibras no tuvieran aportaciones importantes en los resultados o una relación clara entre dosificación y resistencia. Lo que sí es importante mencionar es que, el cumplimiento de la especificación es el primer dato de una buena distribución de las fibras dentro de la mezcla.  

Relación mínima equivalente de resistencia a la flexión 𝑅D𝑇,150  

La aportación verdaderamente importante de las macrofibras es notable con esta determinación. La cual nos habla de la resistencia del concreto después de agrietarse y que, de acuerdo con las especificaciones, debería resistir al menos el 21% de su fuerza original. Sorprendentemente, el refuerzo con las macrofibras Graphenergy soportó desde un 69 hasta un 94%, en conformidad con el incremento en el número de fibras. Esto demuestra cómo las fibras continúan trabajando incluso cuando hay grietas.  

Resistencia residual mínima con deflexión neta l/150 fd150 

Este resultado se interpreta como el comportamiento del concreto post- fisuración en cuanto a su capacidad para controlar la apertura de grietas. Es entonces como los resultados expresados en la tabla respaldan el valor agregado de las macrofibras en la resistencia del concreto desde edad temprana, ofreciendo una diferencia que supera el 300% respecto a la especificación (7.7 kg/cm2).  

Conclusión  

Es evidente que el concreto reforzado con las macrofibras Graphenergy® cumple y supera ampliamente las especificaciones del proyecto. Y, aunque no en todos los casos existe una linealidad entre cantidad de fibra respecto a la resistencia del concreto, como ocurre con el módulo de ruptura, este reporte de resultados permite apreciar como las macrofibras mejoran sustancialmente la capacidad post-fisuración y tenacidad del concreto, surgiendo como una novedosa alternativa altamente recomendable para el refuerzo del concreto sometido a impactos, cargas cíclicas o donde la ductilidad es esencial. 

Redacción: EF/DHS 

Hidrogeles y Grafeno: La Fusión Tecnológica que Revoluciona la Ciencia de los Materiales 

Publicado el | por Energeia Graphenemex

Hidrogeles y Grafeno:

La Fusión Tecnológica que Revoluciona la Ciencia de los Materiales 

Los hidrogeles son redes poliméricas con una estructura hidrófila que les permite retener grandes cantidades de agua en sus redes tridimensionales. Desde sus primeras referencias en 1900 hasta los avances de Wichterle y Lim en la década de 1960, la tecnología de los hidrogeles ha evolucionado a tal grado que, hoy en día son soluciones importantes tanto para el sector médico, con la liberación controlada de fármacos o de agentes biológicamente activos; ambiental, para la adsorción de contaminantes o remediación de suelos; agrícola, para la retención de agua o acondicionamiento del suelo; alimentario, desde agentes texturizantes hasta envasado inteligente y almacenamiento de energía, por mencionar algunos ejemplos.  

“En 1900 el término «hidrogel» apareció por primera vez en la literatura científica para describir un gel coloidal de sales inorgánicas” 

Los hidrogeles pueden estar reticulados químicamente por enlaces covalentes, físicamente mediante interacciones no covalentes o por una combinación de ambas y se clasifican en naturales, incluyendo proteínas (colágeno y gelatina) y polisacáridos (almidón, alginato y agarosa); en sintéticos, a partir de  métodos de polimerización química e híbridos. Pero, como es de esperarse, los materiales sintéticos han reemplazado casi en su totalidad a los naturales por una mejor capacidad de absorción de agua, mayor vida útil y amplia variedad de materias primas.  

“La capacidad de absorción de agua de los hidrogeles se debe a los grupos funcionales hidrófilos unidos a su estructura polimérica, mientras que su resistencia a la disolución resulta de los enlaces cruzados entre las cadenas de la red” 

En general, los hidrogeles son fundamentalmente conocidos y utilizados por su excelente capacidad de absorber grandes cantidades de agua sin modificar su estructura. Pero su baja resistencia mecánica y sensibilidad a otros estímulos externos como la temperatura, la luz, o los campos eléctricos pueden favorecer o perjudicar su rendimiento en entornos variables. A continuación, mencionaremos algunos ejemplos: 

Sensibilidad a la temperatura: Este tipo de hidrogeles experimentan cambios en volumen o en solubilidad al momento en que se expanden o contraen ante el calor o frío. Esto permite que puedan liberar desde contaminantes adsorbidos hasta fármacos o agentes bioactivos, haciéndolos adecuados para procesos dinámicos de tratamiento de aguas residuales o para terapia médica. Sin embargo, el desafío de este tipo de materiales es su estabilidad a largo plazo y la capacidad de respuesta precisa a cambios de temperatura.  

Fotosensibilidad: La inclusión de agentes fotoactivos dentro de su red polimérica puede mejorar la degradación de contaminantes, activar y liberar determinados medicamentos o incluso mejorar las condiciones para el crecimiento y diferenciación celular para la ingeniería de tejidos. Aunque probablemente el reto más representativo para esta aplicación sea la foto degradación del material, como generalmente ocurre con la exposición continua a la radiación Uv.   

Sensibilidad a los campos eléctricos: El diseño de los hidrogeles electroactivos es a partir de la incorporación de grupos iónicos que, ante la aplicación de un campo eléctrico se mueven y modifican la estructura del hidrogel, de tal forma que alteran su permeabilidad permitiendo o impidiendo el paso de sustancias. Esta sensibilidad es de gran utilidad para el tratamiento de aguas residuales en cuanto a la captación y liberación de contaminantes o para la agricultura en cuanto a la liberación controlada de agua o nutrientes en el suelo. Desafortunadamente, la durabilidad y el alto costo, puede que sean las condiciones más retadoras para esta tecnología.  

Sensibilidad al pH: Esto se logra incorporando grupos funcionales ionizables (carboxilo o amino) en la estructura del polímero, en vías de que, en respuesta a cambios en el pH del entorno, estos grupos puedan ganar o perder protones y cambien sus interacciones intermoleculares para hincharse y absorber agua o contraerse para liberarla, dependiendo de la acidez o alcalinidad del medio.  

¿De qué manera la nanotecnología beneficia el desempeño de los hidrogeles? 

El campo interdisciplinario que se centra en la manipulación y fabricación de materiales y dispositivos a escala atómica, molecular y supramolecular se denomina nanotecnología. Lo cual se refiere al control de la materia en tamaños extremadamente pequeños, que van desde 1 hasta 100 nanómetros (nm) pero que pueden lograr grandes cambios.  

De hecho, se sabe que desde principios de la década de los 90`s la nanotecnología ha contribuido a mejorar la robustez mecánica de los hidrogeles, pero también ha hecho aportaciones para desarrollar funciones inteligentes y ampliar su campo de aplicación, sobre todo en materia médica y ambiental, teniendo siempre como premisa que cada tipo de nanopartícula brinda propiedades específicas.  

“Para dimensionar la escala nanométrica, tenemos que el espesor promedio de un cabello es de aproximadamente 60,000 nm y un nanómetro es la millonésima parte de un milímetro”. 

¿Cuál es el valor agregado del Grafeno en el desempeño de los Hidrogeles? 

El grafeno es una lámina de carbono nanométrica y bidimensional (2D) de un átomo de espesor con una estructura similar a la del anillo de benceno, de gran interés para los investigadores de diferentes campos, debido a sus excepcionales propiedades como conductividad térmica, resistencia mecánica, flexibilidad, biocompatibilidad, entre otras que pueden ser transferidas a las matrices de los hidrogeles.  

1. Resistencia Mecánica 

Como se mencionó anteriormente, una de las principales limitaciones de los hidrogeles es su baja resistencia mecánica. Esto dificulta su uso en aplicaciones donde se requiere durabilidad y resistencia a la deformación. El grafeno, conocido por su excepcional resistencia y flexibilidad, puede reforzar significativamente la estructura de los hidrogeles, aumentando su resistencia y estabilidad mecánica.  

2. Estabilidad Térmica 

Los hidrogeles pueden ser sensibles a los cambios de temperatura y, por lo tanto, son propensos a afectar su rendimiento en entornos variables. La adición de grafeno puede mejorar la estabilidad térmica de los hidrogeles, permitiendo que mantengan sus propiedades funcionales en un rango más amplio de temperaturas.  

3. Protección antimicrobiana y biocompatibilidad 

Aunque los hidrogeles suelen ser seguros para el medio biológico, la evidencia científica sustenta que la adición de grafeno puede mejorar su estabilidad y biocompatibilidad. Además, sus propiedades antimicrobianas intrínsecas pueden ser transferidas a los hidrogeles, haciéndolos más seguros para aplicaciones donde el control de infecciones es crucial. 

5. Respuestas eléctricas 

Una propiedad del grafeno de gran utilidad para la ingeniería de tejidos es la transmisión de señales eléctricas, para favorecer la comunicación entre células y con su entorno, sobre todo en tejidos eléctricamente activos (como nervioso, muscular o cardíaco). Además, permite liberar también de manera controlada, moléculas (fármacos) bajo aplicación intermitente de voltaje, a la vez que previene sobrecalentamiento durante estimulación eléctrica. 

Si bien hasta el momento no se registran hidrogeles con grafeno en el mercado, sí existen numerosos desarrollos nanotecnológicos experimentales alrededor del mundo que gradualmente están sentando las bases para aplicaciones futuras, como se describe a continuación: 

  1. A principios de 2025, un estudio realizado por el Consejo Superior de Investigaciones Científicas, en colaboración con el Hospital Nacional de Parapléjicos de Toledo, España, logró reconectar médula espinal totalmente seccionada en ratas usando una espuma de óxido de grafeno reducido (rGO) como andamio, mejorando conexiones neuronales y funcionalidad tras varios meses. Entre otras observaciones, los investigadores encontraron que al colocar el andamio con rGO en la médula espinal, aparecieron gran cantidad de vasos sanguíneos, fundamentales para nutrir el nuevo tejido. 
  1. En 2025, la Facultad de Agronomía de la Universidad de Buenos Aires (FAUBA), el CONICET y el INTI desarrollaron hidrogeles que resisten múltiples ciclos de hidratación y deshidratación, basados en la nanofiltración para la eliminación de virus, bacterias, hongos y metales pesados del agua. Cabe mencionar que el Laboratorio de Agro-Nanotecnología de la UBA tiene diferentes líneas de investigación enfocadas en el sector agropecuario y en las que se han estudiado 30 nanopartículas distintas con aplicación a la fertilización y al tratamiento de enfermedades de cultivos. 
  1. En 2023 en la revista Environmental Science & Technology, se publicó un estudio en el que se exploró la eliminación de metales pesados utilizando hidrogeles con grafeno. Los resultados reportaron una eficiencia de hasta el 95% para la eliminación del ion plomo en soluciones acuosas. 
  1. En 2022 en la revista Biomaterials Translational se presentaron los resultados obtenidos con un hidrogel de ácido hialurónico- óxido de grafeno (GO) y el fármaco Senexin A, un medicamento en evaluación para tratar la enfermedad vascular oclusiva. Durante la investigación, el GO se funcionalizó no covalentemente con Senexin A, y se logró una liberación sostenida del fármaco durante 21 días con una cinética de liberación ajustable y buena biocompatibilidad. Este novedoso hidrogel abrió el camino como sistema de administración perivascular de fármacos para el tratamiento de enfermedades vasculares oclusivas. 
  1. En 2022, en la revista Applied Materials & Interfaces se reportó un hidrogel de grafeno utilizado como andamio para la remodelación de cartílago. La investigación encontró una acelerada y equilibrada reparación del tejido, con expresión de fibrillas de colágeno tipo II demostrando un crecimiento celular estable a lo largo del andamio.   
  1. En 2018, un equipo de la Universidad del País Vasco (UPV/EHU) desarrolló un hidrogel de almidón y grafeno pensado para aplicaciones médicas, como electrodos flexibles para implantes cerebrales. El grafeno se combinó con extracto de salvia para mejorar su estabilidad en agua, además de conferir propiedades antibacterianas y eléctricas importantes. 
  1. En 2017, en la revista Environmental Science & Technology se publicaron los resultados de una investigación en la que se desarrolló un hidrogel poroso con óxido de grafeno (3D) como material super adsorbente para diferentes contaminantes del agua. Los científicos concluyeron que, al lograr un medio de soporte más estable, adecuados nanocanales de transporte y puentes de hidrógeno entre el grafeno y los contaminantes se pudo mejorar la capacidad adsorbente del material.  
  1. En 2017 en la revista Biomaterials se reportó un hidrogel suave e inyectable sintetizado a partir de PEGDAmelamina con óxido de grafeno (GO). En la experimentación in vivo sobre modelos de rata con infarto de miocardio, la inyección de este hidrogel produjo mejoras en la fracción de eyección (FE) y de acortamiento (FS); también mostró una neovascularización superior en comparación con otras muestras. Además, los resultados indicaron que el hidrogel redujo el tamaño del infarto y el área de fibrosis, sugiriendo una mejora en la recuperación de la función cardíaca. 

En resumen, los hidrogeles con grafeno, o con cualquiera de sus derivados ofrecen mejoras estructurales y funcionales. Su avance representa un salto hacia sistemas más inteligentes y adaptativos en biomedicina, agricultura y remediación ambiental. Pero como toda tecnología emergente para su introducción masiva, primero será necesario superar barreras regulatorias y de fabricación a gran escala a bajo costo. 

Redacción: EF/ DHS 

Referencias 

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  1. https://cadenaser.com/nacional/2025/01/30/cientificos-del-csic-logran-reconectar-la-medula-espinal-totalmente-seccionada-de-una-rata-cadena-ser 

Conductividad y control: grafeno en la evolución de materiales antiestáticos

Publicado el | por Energeia Graphenemex

Conductividad y control:

Grafeno en la evolución de materiales antiestáticos

A inicios del siglo XVIII, científicos comenzaron a observar que algunos materiales al frotarse se atraían entre sí, pero que otros, sobre todo aquellos de distinta naturaleza, siempre se repelían. Después de numerosas observaciones del mismo fenómeno, los estudiosos coincidieron en que, entre ciertos objetos se transferían fluidos invisibles o cargas, que posteriormente denominarían fuerzas de atracción y repulsión.

Fue Benjamín Franklin quien concluyó que entre los objetos solo se intercambiaba un fluido, y que las dos cargas distintas eran un exceso o una deficiencia de este. Para tal conclusión Franklin experimentó con cera y lana e interpretó que, al frotarse, la lana extraía el fluido invisible de la cera, causando un exceso de carga en ella y una deficiencia en la cera. En consecuencia, esta diferencia de cargas sería la que mantendría unidos ambos cuerpos por las mencionadas fuerzas de atracción, y a la vez que el fluido intentaría recuperar el equilibrio entre ambos materiales.

“Tiempo después se descubrió que el misterioso “fluido invisible” estaba compuesto por diminutos fragmentos de materia llamados electrones. Los portadores de carga eléctrica más pequeños conocidos”

Hoy en día sabemos que la carga eléctrica es la transferencia de electrones que se produce cuando dos cuerpos generadores de tensiones electrostáticas entran en contacto. Sin embargo, en materiales aislantes como el plástico ocurre algo distinto. En ellos la carga tiende a permanecer en reposo o estática en la zona de contacto localizada y, cuando dicho plástico entra en contacto con un cuerpo a un potencial diferente, como una persona o un microcircuito, esta electricidad estática puede descargarse mediante un arco o una chispa que a su vez puede causar daños a equipos electrónicos o incluso incendios y explosiones, sobre todo en presencia de líquidos, sólidos o gases inflamables. De aquí la importancia del uso de materiales antiestáticos en productos plásticos para la construcción, dispositivos electrónicos, centros de almacenamiento, textiles, entre muchos otros. 

“La carga en reposo también se conoce como electricidad estática o electrostática”

Como bien sabemos los plásticos se encuentran en prácticamente cualquier entorno y, aunque atienden incontables necesidades, la electricidad estática que se forma puede limitar sus aplicaciones. Por esta razón, es común el uso de aditivos antiestáticos que les ayuden a reducir su resistencia eléctrica y los vuelvan adecuados para la producción por ejemplo, de embalajes antiestáticos para la industria electrónica, automotrizo química,ya sea fabricados con biopolímeros biodegradables como el ácido poli láctico (PLA) y acetato de celulosa (CA) o con plásticos petroquímicos no biodegradables como el polietileno (PE), polipropileno (PP) y tereftalato de polietileno (PET) o bien, para la producción de insumos de la construcción con PVC o caucho para plantas químicas, gasolineras y minas de carbón, por mencionar algunos.

¿Cuántos tipos de aditivos antiestáticos existen?

La familia de los aditivos antiestáticos es amplia. Pueden ser iónicos, no iónicos, polímeros conductores, aditivos con fósforo y materiales de carbono. Pero como es habitual, en este artículo nos enfocaremos en los materiales de carbono, como el negro de humo, el grafito y principalmente, en el grafeno.

“Según la norma ASTMD257-78, la resistividad superficial de los materiales antiestáticos se encuentra entre de 1,0× 105 a 1,0× 1012 Ω/sq”

El grafeno es una nanoestructura de carbono cuya reconocida conductividad eléctrica (0,96×108 Ω·m-1) le permite actuar como agente antiestático. A diferencia del grafito, que es una forma tridimensional del carbono compuesta por millones de láminas de grafeno apiladas y del negro de humo cuya configuración amorfa lo hace propenso a formar grandes agregados, el grafeno tiene una estructura bien organizada en forma de lámina y con una extensa superficie de área de gran accesibilidad a sus dos superficies que le permite interactuar íntimamente con otras moléculas y de esta manera modificar las propiedades de una gran cantidad de materiales, en este caso de los polímeros, no solo en materia antiestática, sino en resistencia mecánica, térmica y propiedades de barrera.

En el estricto sentido, el grafeno se compone únicamente de átomos de carbono, pero en la realidad práctica, se dice que existen tantos tipos de grafeno o de materiales grafénicos, como métodos de producción, ya sea para la obtención de grafeno propiamente dicho, de óxido de grafeno (GO) o de óxido de grafeno reducido (rGO), y cualquiera de ellos con alguna funcionalización desde su producción o bien, posterior a ella. Toda vez que cada grafeno puede requerir modificaciones químicas adicionales que mejoren su interacción con las diversas matrices poliméricas y les confiera una o varias propiedades, incluidas la que nos ocupa, es decir, la propiedad antiestática, por ejemplo:

Para integrar el grafeno en el PLA de los productos para embalaje antiestático, se pueden utilizar como vehículo los plastificantes como el timol, polietilenglicol (PEG) y el sebacato de dibutilo (DBS), no solamente para fines antiestáticos, sino también para mejorar la resistencia mecánica y propiedades de barrera del polímero original. De acuerdo con lo reportado en la literatura, la presencia de grafeno en el PLA puede incrementar la conductividad eléctrica de 1.39E-12 S/cm hasta 2.83E-4 S/cm. No así en el caucho para piso antiestático, para el cual el grafeno se puede funcionalizar con metacrilato de zinc para reducir hasta en tres órdenes de magnitud su resistividad eléctrica.

Por otro lado, y como es bien sabido, un punto crítico para el correcto desempeño del grafeno en cualquier aplicación es su buena dispersión e integración con la matriz que lo soporta. Lo complejo es que no siempre se logra con la misma metodología. Por ejemplo, para tener una buena dispersión con el caucho, el grafeno se puede funcionalizar con 3-glicidiloxipropiltrimetoxisilano, un agente de acoplamiento entre compuestos orgánicos e inorgánicos; pero en el caso del PET, se puede utilizar óxido de grafeno (GO) funcionalizado con p-fenilendiamina (PPD), el cual es un agente reticulante que además de mejorar la dispersión del grafeno, también favorece su estabilidad térmica y finalmente, su rendimiento antiestático aumentando hasta en 8 órdenes de magnitud la conductividad del PET.

En cuanto al acetato de celulosa (CA), un polímero biodegradable con gran auge como material de empaque, existen metodologías que, gracias a la gran afinidad entre ambos materiales, permiten una funcionalización directa del grafeno con moléculas del CA desde el momento de su producción. Estos métodos no solo mejoran la integración entre ambos materiales, sino la dispersión del grafeno y una eficiente disipación de la electricidad estática al reducir la resistividad superficial del CA registrada en 1,09× 1012 Ω/sq hasta 1,51× 109 Ω/sq. Un procedimiento similar se puede lograr con el PVC y el ftalato de dioctilo (DOP). Este último es un compuesto orgánico empleado como plastificante en la fabricación de plásticos y caucho, pero que utilizado durante la exfoliación del grafito puede ayudar a obtener un grafeno más afín al PVC y a la vez reducir su resistividad de 1016 Ω -cm hasta 2,5 ×106 Ω/sq.

Con todo lo anterior es claro que el grafeno representa un salto tecnológico en el desarrollo de plásticos avanzados. Su capacidad para actuar como aditivo antiestático eficaz, sumada a sus beneficios multifuncionales, lo convierte en una herramienta clave para impulsar la innovación en materiales. Sin embargo, su desempeño depende de una adecuada selección del tipo de grafeno, su funcionalización y una integración eficiente con la matriz polimérica. A medida que la investigación avanza, el grafeno se consolida como una solución de vanguardia para responder a los desafíos de seguridad, funcionalidad y sostenibilidad de la industria plástica moderna.

Redacción: EF/DHS

Referencias

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Grafeno y Bioplásticos: Innovación para una Sostenibilidad Mejorada

Publicado el | por Energeia Graphenemex

Grafeno y Bioplásticos:

Innovación para una Sostenibilidad Mejorada

La concientización sobre el cuidado del medio ambiente y el cumplimiento de los objetivos de la agenda de desarrollo sostenible 2030 de la Organización de las Naciones Unidas (ONU) ha impulsado el crecimiento de la industria del bioplástico, tratando de tomar la delantera dentro de la carrera contra los productos sintéticos que, si bien muchos de ellos son materiales no tóxicos y reciclables, no todos tienen la capacidad de ser biodegradables.

“Actualmente, solo el 1% del plástico total producido es bioplástico”

¿Qué es el bioplástico?

Los bioplásticos son materiales de origen natural y químico, producto de recursos renovables o derivados del petróleo y que en consecuencia tienen las grandes ventajas de ser completamente biodegradables, altamente reciclables y de generar una mínima huella de carbono. Aunado a esto, también tienen buenas propiedades ópticas, mecánicas, antioxidantes y antimicrobianas. No obstante, y como la mayoría de los materiales, los bioplásticos también tienen limitaciones. Las dos más conocidas son: poca resistencia a la tracción y a la humedad.

Pese a estas deficiencias y debido a que lo que se busca es reducir al máximo la huella de carbono y la circulación de polímeros sintéticos o de un solo uso, la industria del bioplástico ha tratado de evolucionar y de superar sus limitaciones gracias a la incorporación de agentes de refuerzo, como cargas, compatibilizantes, plastificantes o incluso, por la aplicación de la nanotecnología mediante el uso de nanopartículas. 

Los bioplásticos más conocidos son el ácido poliláctico (PLA), polihidroxibutirato (PHB), derivados de celulosa, el almidón y el quitosano. Pero es el PLA el polímero termoplástico biodegradable, aprobado por la FDA, que en los últimos años ha tomado gran fuerza como alternativa para reemplazar a los polímeros fósiles no biodegradables tradicionalmente utilizados en la industria alimenticia, médica, agrícola, textil y automotriz, ya que es un material con características similares a las de algunos plásticos derivados del petróleo. Tan es así, que en el mercado ya existen numerosos productos fabricados a base de PLA como botellas moldeadas por soplado, tazas, cucharas y tenedores moldeados por inyección, tazas y bandejas termoformadas, recubrimientos de papel, fibras para la industria textil hasta insumos médicos.

“Más de 160 toneladas de PLA para embalaje se producen anualmente; esto corresponde a aproximadamente al 13% de todos los bioplásticos, siendo el segundo más utilizado del sector, después del almidón”

El PLA se produce a partir de ácido láctico a través de la fermentación de recursos renovables, como arroz, trigo, maíz, caña, papa, betabel, etc., y, como es de esperarse por su naturaleza, comparte las mismas limitaciones mecánicas y de barrera que otros biomateriales. Razón por la cual se han desarrollado diversas alternativas para mejorar sus características. Por ejemplo, para mejorar su cristalinidad y biodegradabilidad, el PLA se combina con polímeros como el polietilenglicol, alcohol vinílico de etileno o el poli (adipato de butileno-co-tereftalato); para mantener su compostabilidad se realizan mezclas reactivas con otros biopolímeros a base de almidón, como el maíz, la yuca y betabel y, finalmente, para mejorar la impermeabilidad, la resistencia a la tracción y la estabilidad térmica, el grafeno es el material que ha surgido como una gran promesa.  

“Otras nanopartículas que también se utilizan en la industria del bioplástico son la plata, el óxido de magnesio, óxido de zinc, dióxido de titanito, hidroxiapatita, sílice, alúmina, magnetita, óxido de zirconio, carbonato de calcio y, recientemente, el grafeno”

¿Qué es el grafeno?

El grafeno es una nanoestructura que se extrae generalmente del grafito, el cual es un mineral compuesto únicamente por carbono. Pero, a diferencia de él, el grafeno es un material sustancialmente más pequeño, conformado por una o pocas láminas de átomos de carbono fuertemente entrelazados y que se pueden combinar con una gran cantidad de compuestos para mejorar sus propiedades mecánicas, térmicas, eléctricas, de barrera, antimicrobianas, etc.

Los beneficios que el grafeno aporta a biopolímeros como el PLA son diversos, por ejemplo, algunos estudios han integrado bajos porcentajes de grafeno para la fabricación de películas compostables de PLA con almidón termoplástico de yuca para uso alimenticio y agrícola. Sorprendentemente, el uso de tan solo el 0.1% de grafeno ha podido mejorar:

  • la resistencia a la elongación en:~ 75%,
  • la tenacidad de la película en un ~500%,
  • el módulo de elasticidad en 100%
  • la impermeabilidad al oxigeno entre el 35 y 50%.

En relación con las mejoras mecánicas, los estudios concluyen que, en los polímeros reforzados con grafeno expuestos a esfuerzos de tensión, las fracturas creadas en la superficie del polímero encuentran una vía de propagación libre o bien, una lámina de grafeno y, dado que el grafeno es un material rígido, la fractura se ve forzada a encontrar una vía alterna que continúa con la propagación de la fractura, hasta romper al material durante la deformación plástica. Con esto se genera un aumento de la energía de deformación, que finalmente se traduce en altos valores de elongación a la rotura.

“Bajas concentraciones de grafeno son suficientes para crear un mecanismo de puenteo de grietas durante los esfuerzos de tensión. Pero altas concentraciones pueden llevar a una aglomeración del nanomaterial y tener un efecto totalmente opuesto”

En lo que respecta al aumento en la impermeabilidad tanto al oxígeno como a la humedad, se debe al trayecto sinuoso que generan las láminas de grafeno dentro del polímero y que dificultan la penetración y el paso de las moléculas. Este fenómeno se relaciona con una buena compatibilidad y dispersión del grafeno dentro del polímero que evite la agregación del material. A este respecto, una manera de mejorar la compatibilidad del grafeno con los polímeros es la modificación química con grupos oxigenados, que da origen a su variante más conocida como Óxido de grafeno (GO) en el cual, la presencia de moléculas de oxígeno e hidrogeno a su vez permite funcionalizaciones adicionales con otras nanopartículas (p.ej., nanocristales de celulosa o de óxido de zinc) o compuestos (p.ej. grupos amina o amida) que modifican su comportamiento de acuerdo con el objetivo deseado.

Por ejemplo, en 2023 la revista Polymer testing publicó un estudio en el que se evaluaron los cambios en las propiedades de barrera del PLA utilizando GO funcionalizado con dos tipos de alquilaminas (decilamina (DA) y octadecilamina (ODA) con la finalidad de mejorar su desempeño en el empaque de alimentos. Los resultados reportaron una importante reducción en la permeabilidad al oxígeno del 30% con el uso de 0.7% del GO funcionalizado y una disminución en la permeabilidad del vapor de agua del 50% al utilizar 0.2% de GO, contribuyendo con esto a aumentar el tiempo en anaquel de los productos. De hecho, se prevé que, si el PLA lograse mejorar de manera importante sus propiedades, podría sustituir a materiales como el poliestireno o el PET, es decir, a los materiales más utilizados en la industria del empaque.

Protección Antimicrobian del Grafeno

Finalmente, y no menos importante, otra de las ventajas que el grafeno ofrece no solo al PLA sino a otros materiales, es su ampliamente documentada capacidad antimicrobiana y que no propiamente resulta de una actividad biocida. Es decir, uno de los mecanismos del grafeno es evitar la adhesión de microorganismos a las superficies mediante diversas vías y sin importar su naturaleza.

Para el caso específico del PLA con grafeno también existe información que la sustenta. En este caso los resultados de los estudios refieren que con el uso de 1% de GO, en películas de PLA no solo se reduce la porosidad de la película y con ello, la permeabilidad al oxígeno, sino que también demuestra una actividad antimicrobiana importante contra Staphylococcus aureus y Escherichia coli, fortaleciendo sus capacidades para el envasado y conservación de alimentos.

Para el desarrollo del presente artículo se tomó como modelo el PLA para ejemplificar las bondades que el grafeno puede ofrecer a la industria del bioplástico. Sin embargo, en la literatura pueden encontrarse otros biomateriales que también son susceptibles de ser mejorados como el quitosano, la celulosa o el almidón.

En general, los estudios demuestran que el grafeno tiene la capacidad de mejorar distintas características de un material, pero para ello es necesario:

  1. Identificar al grafeno adecuado,
  2. Su concentración óptima,
  3. Realizar modificaciones químicas que mejoren su desempeño dependiendo de los componentes y procesos de cada aplicación.

Siendo fundamental lograr un equilibrio favorable entre las propiedades mecánicas, de barrera, ópticas, etc.   Aprovechando las características únicas del grafeno, la industria del bioplástico puede avanzar hacia materiales sostenibles y de alto rendimiento con un menor impacto ambiental.

Redacción: EF/DHS

Referencias

  1. Remilson Cruz, et al., Development of biodegradable nanocomposites based on PLA and functionalized graphene oxide. Polymer Testing 124 (2023) 108066
  2. Mulla, et al., Poly Lactic Acid (PLA) Nanocomposites: Effect of Inorganic Nanoparticles Reinforcement on Its Performance and Food Packaging Applications. Molecules 2021, 26, 1967
  3. Saranya Ramesh Kumar et. al., Bio-based and biodegradable polymers – State-of-the art, challenges and emerging trends. Current Opinion in Green and Sustainable Chemistry 2020, 21:75
  4. De Carvalho, A.P.A.; Conte Junior, C.A. Green strategies for active food packagings: A systematic review on active properties of graphene-b Trends Food Sci Technol, 103, 2020, 130
  5. Anibal Bher et. al., Toughening of Poly(lactic acid) and Thermoplastic Cassava Starch Reactive Blends Using Graphene Nanoplatelets. Polymers 2018, 10, 95
  6. Yasir Ali Arfat et. al., Polylactide/graphene oxide nanosheets/clove essential oil composite films for potential food packaging applications. Int. J. Biol. Macromol, 107, 2018, 194
  7. Valapa, R.B.; et. al., Effect of graphene content on the properties of poly(lactic acid) nanocomposites. RSC Adv. 2015, 5, 28410
  8. Ahmadi-Moghadam, et. al., Effect of functionalization of graphene nanoplatelets on the mechanical response of graphene/epoxy composites. Mater. Des. 2015, 66, 142
  9. Seshadri, M.; Saigal, S. Crack bridging in polymer nanocomposites. J. Eng. Mech. 2007, 133, 911

Biocompatibilidad y Biodegradabilidad del Grafeno: Avances y Evidencias Científicas

Publicado el | por Energeia Graphenemex

Biocompatibilidad y Biodegradabilidad del Grafeno:

Avances y Evidencias Científicas

El grafeno es ampliamente reconocido por sus propiedades excepcionales y su potencial para revolucionar diversas industrias. Sin embargo, al tratarse de una tecnología relativamente reciente y con aplicaciones emergentes, han surgido cuestionamientos sobre su impacto en la salud humana y el medio ambiente. Por ello, es fundamental analizar los estudios científicos que han evaluado su biocompatibilidad y biodegradabilidad, proporcionando evidencia sobre su seguridad y comportamiento en distintos sistemas biológicos.

Biocompatibilidad: Definida como la ausencia de reacciones adversas alérgicas o inmunitarias en el organismo frente a un material)

A lo largo de la última década, múltiples estudios han demostrado que el grafeno y sus derivados pueden ser biocompatibles bajo ciertas condiciones. Investigaciones sobre su interacción con la sangre, diferenciación celular, función renal, activación neuronal y regeneración ósea han arrojado resultados positivos. Destacan los siguientes hallazgos clave:

2012- Compatibilidad con sangre y respuesta de macrófagos. Se evalúa la nanotoxicidad sobre macrófagos a partir de los efectos del grafeno sobre su actividad metabólica, integridad de membrana, inducción de estrés oxidativo, hemólisis, activación y agregación plaquetaria, cascada de coagulación, inducción de citocinas, así como la activación y supresión de células inmunes.

Los resultados arrojaron que, si bien el grafeno sí interactúa con los macrófagos, la toxicidad se reduce significativamente por la funcionalización de la superficie. En cuanto a la compatibilidad con la sangre, el grafeno con y sin funcionalización tuvo una excelente compatibilidad con glóbulos rojos, plaquetas, vías de coagulación plasmática, y una alteración mínima en la expresión de citocinas por células mononucleares de sangre periférica humana. Además, no se identificó ninguna activación o supresión prematura de células inmunes hasta una concentración relativamente alta de grafeno (75 μg mL-1) después de 72 h de incubación in vitro.

Conclusión: Una posible toxicidad del grafeno se evita fácilmente mediante la funcionalización de su superficie.

A. Sasidharan, et. al., Hemocompatibility and Macrophage Response of Pristine and Functionalized Graphene, Small, 2012, 8, 1251

2014- Diferenciación de células cardiacas. Se analiza el efecto del grafeno sobre la diferenciación cardiomiogénica de las células madre embrionarias humanas (hESC). El grafeno fue sintetizado por CVD y depositado sobre vidrio cubierto con vitronectina, una proteína multifuncional que se encuentra en el plasma, las plaquetas y la matriz extracelular, para garantizar la viabilidad de las hESC. Las células se cultivaron durante 21 días y se encontró que el cultivo de hESC en grafeno promovió la expresión de genes involucrados en la diferenciación gradual en células de linaje mesodérmico y endodérmico y, posteriormente, la diferenciación cardiomiogénica en comparación con el cultivo en vidrio sin grafeno.

Conclusión: el grafeno puede proporcionar una plataforma para el desarrollo de terapias con células madre para enfermedades cardíacas al mejorar la diferenciación cardiomiogénica de las células madre embrionarias humanas.

Tae-Jin Lee, et. al., Graphene enhances the cardiomyogenic differentiation of human embryonic stem cells, Biochem Biophys Res Commun, 2014, 452(1):174

2016- Impacto sobre la función renal. Se estudió el efecto a nivel renal del óxido de grafeno administrado a ratones por vía intravenosa. Los resultados arrojaron que el GO fue excretado por orina, lo que indica un tránsito rápido a través de la barrera de filtración glomerular (GFB), sin nefrotoxicidad. El análisis concluyó ausencia de deterioro de la función renal hasta 1 mes después de la inyección de GO en dosis crecientes. El examen histológico no encontró daño en las regiones glomerulares y tubulares de los riñones. El análisis ultraestructural tampoco mostró daño ni cambios en el tamaño de las hendiduras de los podocitos, la fenestra de las células endoteliales o el ancho de la membrana basal glomerular. Los cultivos de células endoteliales y podocitarias recuperaron su función de barrera después de >48 h de la exposición al GO, y la captación celular fue significativa en ambos tipos de células después de 24 h.

Conclusión: el GO no es tóxico para los riñones.

Dhifaf A. Jasim, et. al., The Effects of Extensive Glomerular Filtration of Thin Graphene Oxide Sheets on Kidney Physiology. ACS Nano 2016, 10, 12, 10753

2018- Efecto en la activación neuronal. Se evalúa el efecto del grafeno monocapa en la activación neuronal. Se identificó que el grafeno modifica las funciones asociadas a la membrana en las células cultivadas, es decir, ajusta la distribución de iones extracelulares en la interfaz con las neuronas, un regulador clave de la excitabilidad neuronal. Los cambios en la membrana fueron: corrientes de iones de potasio más fuertes con un cambio en la fracción de fenotipos de activación neuronal de adaptación a activación tónica. La hipótesis del estudio fue que las interacciones grafeno-ion se maximizan cuando el grafeno de una sola capa se deposita sobre sustratos eléctricamente aislantes.

Conclusión: el óxido de grafeno puede actuar como sustrato para la interacción neuronal.

N. P. Pampaloni, et. al., Single-layer graphene modulates neuronal communication and augments membrane ion currents, Nat. Nanotechnol., 2018, 13, 755

2018- Coadyuvante en la proliferación de células pulmonares y neuronales. Se fabrican “papeles” de óxido de grafeno de distinto tamaño y espesor como sustrato para el cultivo de células pulmonares y células neuronales humanas, evaluando su capacidad para la adhesión y proliferación celular, así como una posible respuesta citotóxica a partir de la detección de lactato deshidrogenasa (LDH) en los sobrenadantes celulares.

Conclusión: el óxido de grafeno puede actuar como sustrato celular biocompatible para el crecimiento celular y sin efectos citotóxicos, abriendo mayores posibilidades para la ingeniería de tejidos, la medicina regenerativa, y las aplicaciones biónicas.

D. A. Jasim, et. al., Graphene-based papers as substrates for cell growth: Characterisation and impact on mammalian cells, FlatChem, 2018, 12, 17

2020- Biocompatibilidad del grafeno en materiales dentales- Se estudió la biocompatibilidad de un material de restauración y un cemento dental con grafeno sobre el defecto mandibular de un modelo animal. La citotoxicidad se evaluó in vitro a 24 h sobre células madre de folículos dentales humanos y sobre queratinocitos orales. Los estudios in vivo se realizaron a las 7 semanas posteriores a la implantación. Para ello se recolectó tejido óseo para su análisis histológico. Asimismo, se realizaron análisis de bioquímica plasmática, estrés oxidativo y toxicidad orgánica subcrónica.

Los resultados in vitro demostraron quelos materiales no generaron toxicidad sobre las células; in vivo los modelos animales no presentaron síntomas de toxicidad aguda o inflamación local. No se detectaron alteraciones en los pesos de los órganos; histológicamente no hubo alteraciones a nivel hepático y renal. Se confirmó la falta de toxicidad sistémica de los materiales en los órganos.

Conclusión: El estudio aporta más pruebas sobre la capacidad de los materiales dentales con grafeno para la regeneración ósea y la biocompatibilidad.

A. Dreanca, et. al., Systemic and Local Biocompatibility Assessment of Graphene Composite Dental Materials in Experimental Mandibular Bone Defect. Materials 2020, 13, 2511; doi:10.3390/ma13112511

2022- Riesgos del grafeno en microplásticos. El estudio se llevó a cabo sobre un compuesto de poliamida 6 o Nylon-6, un plástico de uso común en la industria automotriz y deportiva, reforzado óxido de grafeno reducido (rGO 2.5%). Posteriormente el material se sometió a desgaste tratando de emular los procesos naturales a lo largo de su vida útil, desprendiendo partículas de tamaño aproximado entre 1.9 µm y 3.2 µm. Para analizar los efectos de las partículas desgastadas a lo largo de las vías de exposición más probables se utilizaron in vitro modelos celulares humanos de pulmones, tracto gastrointestinal, piel y sistema inmune, así como un modelo animal para estudiar la exposición pulmonar in vivo.

Al terminar el estudio únicamente se encontraron respuestas agudas limitadas después de la exposición a los microplasticos en los diferentes modelos. Sólo el rGO libre indujo efectos adversos importantes, en particular en los macrófagos.

Conclusión: Los microplasticos con grafeno sugieren un riesgo bajo para la salud humana. Los materiales grafénicos no deben ser inhalados.

S. Chortarea, et. al., Hazard assessment of abraded thermoplastic composites reinforced with reduced graphene oxide, Journal of Hazardous Materials 435 (2022) 129053.

2023- Función pulmonar. Se analiza la respuesta biológica, distribución y biopersistencia de cuatro tipos de grafeno en pulmones de ratones hasta 28 días después de una única aspiración orofaríngea. Los resultados arrojaron que ninguno de los materiales indujo una respuesta inmunitaria pulmonar fuerte, observando que los neutrófilos internalizan, degradan y eliminan mejor las láminas de grafeno pequeñas (~50nm) que los macrófagos, debido a que las de mayor tamaño (~8µm) pueden tener mayor persistencia.

Conclusión: el grafeno no causa respuesta inflamatoria en pulmones, sin embargo, es importante considerar el tamaño de las láminas, siendo las de menor tamaño las más fáciles de eliminar de las vías aéreas y, por lo tanto, las más seguras.

Thomas Loret, et. al., Lung Persistence, Biodegradation, and Elimination of Graphene-Based Materials are Predominantly Size-Dependent and Mediated by Alveolar Phagocytes, Small, 2023,19(39): e2301201

2024- Función pulmonar y cardiovascular. Se realiza un estudio in vivo para evaluar el efecto de la inhalación de óxido de grafeno sobre la función pulmonar y cardiovascular en humanos sanos. Para el ensayo 14 voluntarios inhalaron durante 2 horas en visitas repetidas, laminas pequeñas y ultrapequeñas de óxido de grafeno a una concentración controlada. La frecuencia cardíaca, presión arterial, función pulmonar y los marcadores inflamatorios no se vieron afectados independientemente del tamaño de las partículas; el análisis de sangre tuvo pocas proteínas plasmáticas diferenciales y la formación de trombos aumentó levemente en un modelo ex vivo de lesión arterial.

Conclusión: la inhalación de óxido de grafeno puede ser tolerada y no se asocia con efectos perjudiciales evidentes en humanos sanos. El estudio sienta las bases para más estudios en humanos que analicen un mayor número de individuos, así como diferentes tipos y dosis de grafeno.

Jack P. M. Andrews, First-in-human controlled inhalation of thin graphene oxide nanosheets to study acute cardiorespiratory responses. Nature nanotechonoly, 2024, 19, 705.

Biodegradación: Proceso mediante el cual una sustancia es descompuesta por organismos vivos a través de mecanismos enzimáticos o metabólicos

Uno de los aspectos más relevantes en la evaluación de la seguridad del grafeno es su capacidad de biodegradación. Investigaciones realizadas en el marco del proyecto Graphene Flagship han demostrado que el grafeno y el óxido de grafeno pueden ser degradados exitosamente, como se verá a continuación:

2018- Investigadores asociados al Graphene Flagship de la Unión Europea adscritos al Centro Nacional de Investigación Científica (CNRS) de Francia, Universidad de Estrasburgo, Instituto Karolinska y a la Universidad de Castilla-La Mancha (UCLM), a través de los estudios “Dispersibility-Dependent Biodegradation of Graphene Oxide by Myeloperoxidase (2015)”, “Graphene oxide is degraded by neutrophils and the degradation products are non-genotoxic (2018)” y “Peroxidase mimicking DNAzymes degrade graphene oxide (2018)” descubrieron que la enzima mieloperoxidasa (MPO) biodegrada con éxito tanto al grafeno como al óxido de grafeno. 

Mieloperoxidasa (MPO): enzima liberada por los neutrófilos, células que se encargan de la eliminación de cualquier cuerpo extraño o bacteria que entre en el cuerpo y que se encuentra en los pulmones. Si se detecta un cuerpo extraño o bacteria dentro del cuerpo, los neutrófilos lo rodean y secretan MPO para destruir la amenaza.

El profesor Andrea C. Ferrari, responsable de Ciencia y Tecnología de Graphene Flagship y presidente de su comité de gestión, mencionó: “El informe sobre una vía exitosa para la biodegradación del grafeno es un paso muy importante para garantizar el uso seguro de este material en las aplicaciones. El Graphene Flagship ha situado la investigación de los efectos del grafeno sobre la salud y el medio ambiente en el centro de su programa desde el principio. Estos resultados fortalecen nuestra hoja de ruta de innovación y tecnología”.

https://graphene-flagship.eu/materials/news/biodegradable-graphene/#:~:text=Ferrari%2C%20Science%20and%20Technology%20Officer,our%20innovation%20and%20technology%20roadmap%22

Cristina Martın, et al., Biocompatibility and biodegradability of 2D materials: graphene and beyond, Chem. Commun., 2019, 55, 5540

Este descubrimiento es crucial, ya que confirma que el grafeno no es un material acumulativo en el cuerpo humano ni en el medio ambiente, sino que puede ser procesado y eliminado de manera natural, reduciendo los riesgos de toxicidad a largo plazo.

Conclusión

El grafeno y sus derivados han demostrado un alto grado de biocompatibilidad y una degradabilidad controlada en diversos estudios científicos. Si bien todavía existen desafíos por abordar, la evidencia actual respalda su seguridad en aplicaciones biomédicas, industriales y ambientales.

La clave para su correcto uso radica en la selección del tipo de grafeno y su funcionalización, lo que permite minimizar riesgos y potenciar sus beneficios. Gracias a los avances en la investigación, cada vez es más clara la viabilidad del grafeno como un material innovador, seguro y sostenible, con aplicaciones que van desde la medicina regenerativa hasta la nanotecnología avanzada.

El continuo desarrollo de estudios científicos permitirá consolidar aún más su posicionamiento como una de las tecnologías clave del futuro, asegurando su implementación responsable y efectiva en distintas industrias.

Redacción: EF/DHS