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NUEVOS MATERIALES

Menores y más eficientes

Las nanofibras harán avanzar los procesos de filtrado de microorganismos y la liberación controlada de fármacos

Nanofios_AbreEDUARDO CESARSofisticados filtros capaces de retener virus, bacterias y partículas sólidas sumamente finas de líquidos o gases, cápsulas revestidas por membranas bioabsorbibles que liberan medicamentos en el organismo en forma controlada en determinado período de tiempo y sustratos para el crecimiento de órganos y tejidos biológicos, son materiales avanzados que se encuentran en fase de desarrollo en varios puntos del mundo y cuentan con las nanofibras poliméricas como materia prima principal. Este material, que también se halla en fase de perfeccionamiento, posee un proceso de producción dominado por pocos centros de investigación en el mundo, incluyendo ahora a Brasil, mediante el trabajo de la profesora del Laboratorio de Reología del Departamento de Ingeniería de Materiales perteneciente a la Universidad Federal de São Carlos (UFSCar).

El equipo desarrolló y solicitó la patente de dos tipos de producción de nanofibras mediante un proceso conocido con el nombre de electrohilado, basado en la aplicación de corriente eléctrica. El primer pedido, relativo a la producción de nanofibras de poliamida 66 (o nailon 66), fue financiado por la multinacional francesa Rhodia, que participó de la investigación y depositó la patente en Francia. El segundo, relacionado con la producción de nanofibras de nanocompósitos poliméricos de poliamida 66 (PA66) con arcilla montmorillonita (MMT), contó con el apoyo financiero de la FAPESP y la patente fue depositada en Brasil. La poliamida 66 es un polímero muy utilizado para la producción de hilos textiles, refuerzo interno de neumáticos, suturas, cuerdas e hilo para cañas de pescar.

Las nanofibras poliméricas son un tipo de hilo plástico compuesto por polímeros o compuestos poliméricos con un espesor nanométrico (la millonésima parte de un milímetro). Son miles de veces más finas que un cabello o una fibra textil común. Actualmente las emplean unas pocas empresas en el mundo, entre ellas la americana eSpin Technologies, la surcoreana Nanotechnics y la japonesa Kato Tech, para la fabricación de filtros capaces de retener contaminantes de dimensiones micrométricas. Una de sus principales características es su elevada área superficial, lo cual permite una superficie de contacto con el medio externo muchas veces superior a la de las fibras producidas por métodos tradicionales y con dimensiones macroscópicas capaces de ser visualizadas por el ojo humano. El área superficial por volumen o específica de una fibras, es inversamente proporcional a su diámetro. Eso significa que las nanofibras presentan mayor área para un mismo volumen de fibras, lo cual resulta muy importante para diversas aplicaciones, explica Rosario Bretas. Todos los procesos relacionados con fenómenos de superficie, como el de filtración, por ejemplo, se potencian mediante la creación de esa enorme área superficial, complementa el ingeniero de materiales Thomas Canova, gerente de investigación y desarrollo de Rhodia Poliamida.

Así, cuanto mayor sea la superficie de la fibra, por ejemplo, mayor será la cantidad de fármacos liberados en el organismo por las membranas bioabsorbibles (que son absorbidas por el organismo humano en forma de cápsulas o también como adhesivos sobre la piel) en un determinado lapso de tiempo. Lo propio sucede con los dispositivos con el crecimiento de células de órganos y vasos capilares, y también en el filtrado de partículas o contaminantes. En este último caso, cuanto mayor sea la superficie de la fibra, más elevada es su cantidad de poros y mejor la capacidad de retener partículas.

Otra importante característica de las nanofibras de compósitos poliméricos es la posibilidad de fabricación de hilos con propiedades superiores a las convencionales. Esto es posible debido a que esos compósitos se elaboran con base en una la mezcla de un polímero con una partícula de dimensiones nanométricas. Estas partículas, a su vez, son capaces de mejorar las propiedades mecánicas de un producto, tales como la elasticidad y la resistencia a la ruptura, y la capacidad para funcionar como barrera para varios gases, además de elevar el índice de biodegradabilidad. Resulta como adicionar fibras de vidrio al nailon para elevar su resistencia, dice Rosario. La partícula adicionada al polímero creado por la investigadora fue la montmorillonita, un tipo de arcilla que confiere al nailon 66 una mayor resistencia mecánica. El desafío de mejorar las propiedades del compuesto radica en lograr que cada nanopartícula se encuentre bien dispersa y distribuida por todo el polímero.

Nanofios_agulhaEduardo CesarAunque la poliamida 66 no sea biodegradable, el grupo de la UFSCar ya se encuentra desarrollando nanofibras de nanocompósitos poliméricos biodegradables y bioabsorbibles utilizando como matriz los polímeros policaprolactona, poliácido láctico y polihidroxibutirato, entre otros. En todos los casos, se utiliza la arcilla montmorillonita y los nanotubos de carbono, unas partículas cilíndricas conformadas por láminas de átomos de carbono. Nuestro objetivo principal con estos nuevos estudios, iniciados hace dos años, es producir estructuras compuestas poliméricas bioabsorbibles para soporte del crecimiento celular in situ (en la propia piel o en la mucosa humana para la liberación de drogas o contribuir para el crecimiento celular) y comppositos conductores de electricidad, comenta Rosario.

El trabajo conjunto con Rhodia, según la profesora de la UFSCar, fue fundamental para el éxito de la investigación. La empresa proveyó la poliamida 66 sintetizada especialmente para el electrohilado, o sea, con peso molecular específico y una composición química adecuada. Esto hizo posible que la solución polimérica contase con la viscosidad, la conductividad y la tensión superficial ideales para el electrohilado, destaca.  Según la investigadora, mientras que las fibras poliméricas con diámetros micrométricos pueden fabricarse por métodos tradicionales de hilado (fundido y por coagulación, por ejemplo), la única técnica capaz de producir fibras poliméricas nanométricas es el electrohilado. Este método, creado hace más de 70 años, ya originó más de 30 patentes sólo en Estados Unidos.

Un sistema de electrohilado consiste básicamente de cuatro equipamientos: un capilar, que puede ser una jeringa con aguja, un electrodo de cobre u otro metal, una fuente de alta tensión de hasta 30 kilovoltios y un aparato para recoger las nanofibras, como por ejemplo, un tambor rotativo. Durante el proceso de electrohilado, la solución polimérica el polímero con el agregado del solvente se ubica dentro del capilar. En función de la tensión superficial, ésta permanece allí dentro, sin fluir. Seguidamente, se introduce el electrodo de metal en la solución y se lo conecta a la fuente de alta tensión. Se aplica la tensión eléctrica y, cuando se alcanza determinado campo eléctrico, la solución polimérica dentro de la jeringa comienza a fluir en forma de chorro.

Ese fluir ocurre porque cuando se aplica la tensión eléctrica en la solución polimérica, se induce una carga eléctrica en la superficie de la gota que se halla en el extremo del capilar. La repulsión mutua de cargas produce una fuerza directamente opuesta a la tensión superficial, explica Rosario. A medida que se aumenta la intensidad del campo eléctrico, la superficie de la gota de solución en el extremo del capilar se estira, adquiriendo un formato cónico. En el momento en que el campo eléctrico alcanza un valor crítico, cuando la fuerza eléctrica repulsiva supera la fuerza de la tensión superficial, se produce un chorro de la solución polimérica en la punta de ese cono. Mientras el chorro se esparce por el aire, el solvente de la solución se evapora, conformando una nanofibra polimérica. Ésta, finalmente, se deposita bajo el colector en la forma de una manta de nanofibras no tejida.

De acuerdo con Rosario, el electrohilado es la única técnica conocida para la fabricación de nanofibras poliméricas. Para la producción de nanofibras metálicas, se puede recurrir a la electrodeposición química. La utilización de tensiones eléctricas relativamente elevadas, la baja productividad del proceso y la necesidad de utilización de solventes, algunos de ellos tóxicos, son las principales desventajas del electrohilado en comparación con los métodos tradicionales de hilado. Los solventes empleados en el proceso requieren de evaporación. Por ello, lo ideal es no utilizar solventes tóxicos. Para nuestras investigaciones, utilizamos agua, acetona, diclorometano y ácido fórmico, que no son considerados solventes altamente tóxicos, dice Rosario, quien afirma desconocer la existencia de otro grupo de investigación brasileño que haya logrado desarrollar nanofibras de compósitos poliméricos de poliamida 66 con montmorillonita. En Brasil, un grupo del Instituto de Química de la Universidad de São Paulo trabaja con esa técnica desde hace mucho tiempo, pero con otros polímeros.

Nanofios_1Márcia Brancifort/UFSCARLas investigaciones del grupo de la UFSCar cuentan con la colaboración de investigadores de Brasil y del exterior. Los profesores Rodrigo Lambert Oréfice y Alfredo Góes, ambos de la Universidad Federal de Minas Gerais (UFMG), son los encargados de conducir el crecimiento de células óseas en las estructuras compuestas desarrolladas por Rosario. Otra cooperación se lleva a cabo con el químico Luc Averous, del Laboratorio de Ingeniería de Polímeros para Altas Tecnologías de la Universidad de Estrasburgo, Francia, creador de un nuevo método de electrohilado en vía de patentarse y experto en la síntesis de polímeros biodegradables y bioabsorbibles. En ese caso se firmó un convenio con doble objetivo. El primero es la utilización en futuras investigaciones, de nuevos polímeros bioabsorbibles sintetizados por él, y el segundo es la realización de estudios comparativos del método pionero de electrohilado desarrollado por su grupo con los dos investigadores de la UFSCar.

También se estableció una colaboración con la Universidad de Alberta, Canadá, que tiene en la mira los estudios del ingeniero químico y profesor Uttandaraman Sundararaj, quien logró desarrollar nanofibras de cobre y plata mediante un proceso de electrodeposición en óxido de alúmina. Con ese material logró fabricar nanocompósitos adicionando poliestireno, que pueden utilizarse como sensores piezoeléctricos (que generan un campo eléctrico bajo la acción de un esfuerzo mecánico), sistemas de descarga eléctrica y escudos contra interferencias electromagnéticas, entre otras aplicaciones. Nuestra propuesta es construir estos nanocompósitos con nanofibras de compuestos de un polímero conductor con nanotubos de carbono. Los ensayos eléctricos se harían en la Universidad de Alberta, dice Rosario.  Las colaboraciones con las universidades de Minas Gerais, Francia y Canadá cuentan con el apoyo de la FAPESP y forman parte de un proyecto temático coordinado por la investigadora y que cuenta en sus filas en calida de investigadores principales con los profesores Elias Hage Júnior y José Alexandrino de Sousa, ambos de la UFSCar.

Además de las dos patentes ya solicitadas, el proyecto para la producción de nanofibras poliméricas, iniciado en 2003, rindió la publicación de cuatro artículos científicos en periódicos nacionales y extranjeros. Ya fueron presentados otros dos trabajos en el 41th International Symposium on Macromolecules Macro 2006, realizado en Río de Janeiro en julio de 2006, y en el Annual Meeting of the Polymer Processing Society, realizado en Italia en junio de 2008. Las investigaciones realizadas en la UFSCar también contaron con el apoyo del Consejo Nacional de Desarrollo Científico y Tecnológico (CNPq), que financió tres becas de estudio.

Los proyectos
1. Sistemas poliméricos nanoestruturados: procesamiento y propiedades (nº 06/61008-5); Modalidad Proyecto Temático; Coordinadora Rosario Elida Suman Bretas – UFSCar; Inversión R$ 1.182.988,99 y US$ 643.499,18 (FAPESP)
2. Obtención de nanofibras por eletrohilado (nº 07/57359-0); Modalidad Programa de Apoyo a la Propiedad Intelectual; Coordinadora Rosario Elida Suman Bretas-UFSCar; Inversión R$ 6.000,00 (FAPESP)

Artículo científico
GUERRINI, L. M. et al. Electrospinning and Characterization of Polyamide 66 Nanofibers with different Molecular Weights. Materials Research. v. 12, n.2. 2009.

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