Nanocelulosa, el material que revolucionará la ciencia y la tecnología

Por Danya Irene Villegas

Ciudad de México. 29 de junio de 2017 (Agencia Informativa Conacyt).- La nanocelulosa es un material innovador que se extrae de plantas y bacterias no patogénicas. Su aplicación en la biotecnología ha contribuido con la evolución de la calidad óptica de sensores y biosensores que sirven para la detección de enfermedades y otras funciones. Eden Morales Narváez, investigador del Centro de Investigaciones en Óptica (CIO), asegura que el aporte de la nanocelulosa ha sido tal para la ciencia y el medio ambiente que podría suplir materiales como el plástico y el vidrio en la creación de nuevos dispositivos accesibles para los usuarios. 

Picture of purified nanaopaper. Fotografía cortesía

La celulosa es de los materiales más abundantes en la naturaleza. Cuando se potencializan las múltiples estructuras en nanoescala que posee, surgen nuevas propiedades de carácter flexible, poroso, biocompatible y otras que se exploran más adelante. 

Nanopaper as an Optical Sensing Platform. Fotografía cortesía.En el CIO —que forma parte del Sistema de Centros Públicos del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (Conacyt)—, Eden Morales Narváez, doctor en ingeniería biomédica y miembro nivel I del Sistema Nacional de Investigadores (SNI), junto con un equipo de investigadores de Irán y Barcelona, realiza una investigación práctica en la que combina la nanocelulosa con otros nanomateriales. La intención primigenia es generar biosensores más sofisticados en su funcionalidad y más sencillos de utilizar.

¿De dónde surge la nanocelulosa?

La nanocelulosa se genera en materiales orgánicos y hay dos formas de extraerla. Una es a partir de la mezcla de ciertas plantas que generan una pulpa con estructuras en nanoescala, y la otra, sintetizarla mediante una bacteria no patogénica y probiótica (Acetobacter xylinum) que comúnmente se encuentra en el suelo y en las frutas en estado de putrefacción. Los dos métodos de extracción devienen en propiedades distintas por lo que Eden Morales y su equipo de investigación centran sus experimentos en la aplicación de nanocelulosa bacteriana.

“En particular, nosotros trabajamos con nanocelulosa derivada de la síntesis que hace una bacteria no patogénica, se llama Acetobacter xylinum. Al momento de cultivarla, las bacterias se van multiplicando y forman una especie de tejido de este nanomaterial. El resultado es una película de nanocelulosa, la cual es muy pura y no tiene contaminantes, además de poseer una cristalinidad muy alta y fibras de alrededor de unos cincuenta nanómetros. La diferencia con la nanocelulosa extraída de plantas es que esta generalmente se disuelve al contacto con el agua”.

En un estado más avanzado de la experimentación, los investigadores modifican la nanocelulosa con otros nanomateriales ópticamente activos. Un nanomaterial o una nanoestructura debe encajar entre uno y cien nanómetros, esto significa que son mil millones de veces más pequeños que un metro.

Los nanomateriales que se combinan con la nanocelulosa son nanopartículas metálicas de metales nobles tales como la plata o el oro. También utilizan quantum dots, nanocristales semiconductores con propiedades fotoluminiscentes que cuando son iluminados con la longitud de onda, generalmente responden con una longitud de onda de energía más baja y, por lo tanto, distinta.

La nanocelulosa en acción

El objetivo de la aplicación tecnológica y médica de este nanomaterial es la simplificación de novedosos dispositivos y métodos de medición que tengan la facilidad de detectar una variedad de fenómenos, por ejemplo, las proteínas relacionadas con el cáncer, sensores de pH, sensores de movimiento, biomarcadores de glucosa, detectores de frescura de alimentos naturales y cárnicos, detección de sustancias peligrosas como el cianuro o el amoníaco y el desarrollo de plataformas para amplificar técnicas electroscópicas.

Visual detection of volatile compounds in a piece of plasmonic nanopaper. Fotografía cortesía.El objetivo de Eden Morales y sus colegas es elaborar dispositivos de uso sencillo para que, al comercializarlos, la gente los pueda aplicar en la piel y detectar algún parámetro que sea de su interés.

“La idea es hacer dispositivos que sean de nanopapel y que puedan ser aplicados fácilmente. De hecho, también tenemos cubetas ópticas, tenemos microplacas para leer pequeñas cantidades de analitos que sean ópticamente activos y sobre todo que sean muy fáciles de utilizar. También buscamos que sean integrables a tecnologías preexistentes para que sean compatibles”, declaró Eden Morales.

El grafeno es una sustancia con múltiples funciones que está compuesta por una monocapa de carbono. Eden Morales ha investigado este material y su incorporación a los biosensores durante largo tiempo, por lo que ahora se dispone a combinar las cualidades ópticas de la nanocelulosa y las cualidades ópticas que tiene el grafeno al desactivar la fluorescencia para generar nuevas herramientas en dispositivos y biosensores.

Un nanomaterial ecosustentable

La nanocelulosa es sumamente valiosa para este tipo de aplicaciones y, según Eden Morales, es muy probable que en un futuro reemplace al plástico y al vidrio debido a sus propiedades biodegradables. Este nanomaterial es totalmente noble en oposición con el plástico, que representa un grave problema en el impacto ambiental. Las fibras de la nanocelulosa bacteriana tienen un diámetro de cincuenta nanómetros, por lo que entre sus propiedades se cuenta la plasticidad.

El nanomaterial en cuestión resiste altas temperaturas, es un material transparente, flexible, muy fácil de modificar químicamente, se puede trabajar también en suspensión, tiene baja densidad, alta porosidad y es biocompatible. Todo eso sin generar residuos contaminantes en lo absoluto.

Nanocellulose in biosensing. Fotografía cortesía.“Lo que urge es generar técnicas de fabricación que sean escalables y amigables con el medio ambiente. Esto es urgente porque la nanocelulosa bacteriana se puede generar de manera relativamente sencilla en los laboratorios pero creo que hace falta una iniciativa pública para hacer esto mucho más escalable y que el material tenga mayor expansión”.

El carácter biocompatible de la nanocelulosa la ha popularizado en otros sectores y campos incluyendo la ingeniería, la optoelectrónica, la medicina, la industria alimenticia, cosmética y el diseño de moda; además de ser muy asequible por los bajos costos que implica su producción y extracción.

En países como Tailanda, es conocida como "nata de coco" y se ingiere en estado puro. También en la industria cosmética se utiliza en forma de crema, hidrogel o tratamiento de regeneración celular. Incluso, afirma Eden Morales, hay diseñadores que están produciendo ropa con fibras textiles reciclables y biodegradables.

La investigación práctica en torno a este material se encuentra en proceso de desarrollo. Aun así, los proyectos de innovación tecnológica y científica que se están perfeccionando en el CIO a cargo de Eden Morales Narváez, y en otras latitudes Hamed Golmohammadi, Tina Naghdi y Arben Merkoçi, trasgreden las fronteras mecánicas, ópticas, térmicas y fisicoquímicas por las que navega esta investigación. La nanocelulosa, “el material del futuro”, marcará un progreso patente en el desarrollo de la ciencia en México.

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