Síntesis de Nanopartículas Metálicas y Estudio de sus Aplicaciones.

 Dr. Gregorio Cadenas Pliego.

Departamento de Síntesis de Polímeros del CIQA.

En la ultima década el desarrollo de proyectos de investigación que involucran el uso de nanopartículas se incrementó mundialmente. En el centro de investigación en química aplicada (CIQA) diversos grupos de investigación han incursionado en el área de nanotecnología con gran éxito, se han desarrollado diferentes proyectos relacionados con nanopartículas (NPs) orgánicas e inorgánicas. Las NPs metálicas son uno de los materiales más fascinantes para ser estudiados debido al enorme potencial en distintos campos de aplicación y que son importantes para el ser humano. Algunas de las aplicaciones potenciales que presentan las NPs incluyen desde catalizadores, aditivos para lubricantes, nanofluidos de transferencia de calor, fabricación de dispositivos electrónicos y ópticos, tintas conductoras, materiales para conversión de energía solar, biosensores, agentes anti-incrustantes, agentes antimicrobianas, tratamientos de células cancerosas, entre otros. Las nanopartículas metálicas con capacidad antimicrobianas, han despertado interés científico desde hace muchos años y este se incremento con la aparición de la pandemia COVID-19. En la Figura 1 se ilustra algunas aplicaciones de nanopartículas de cobre (NPs Cu) estudiadas en CIQA.

Figura 1.- Aplicaciones de NPs Cu exploradas en CIQA

En la actualidad existen nanopartículas de una gran variedad de metales y aleaciones, sin embargo, las NPs más empleadas comercialmente son de fierro, oro y plata, las cuales se usan principalmente como agentes antimicrobianos de recubrimiento de instrumental médico, en textiles de uso clínico, en diagnósticos y como agentes terapéuticos en la medicina. El éxito de comercialización de estas NPs radica en su baja toxicidad así es que su empleo en diferentes productos no tiene ninguna restricción ambiental y sanitaria. El cobre es un material mucho más barato que el oro y la plata, también posee excelentes propiedades antimicrobianas pero su desarrollo comercial se ha visto obstaculizado debido a que se considera tóxico. Estudios recientes demuestran que el cobre no es tan tóxico como lo han etiquetado durante muchos años, además se conoce que la toxicidad de un metal se disminuye al ser recubierta su superficie con moléculas pequeñas y/o polímeros. El destino del cobre podría cambiar en los próximos años, la agencia de protección ambiental de estados unidos (EPA) lo ha registrado como el primer y único metal con propiedades antimicrobianas, esta aprobación permite que productos con cobre anuncien sus bondades contra algunas bacterias.

Los efectos antimicrobianos del cobre que se han estudiado en los últimos 20 años, arrojan resultados sorprendentes, el cobre es capaz de eliminar virus de la gripa porcina o gripe A (MERS) y coronavirus 229E, un virus muy parecido al SARS-CoV-2 y que provoca resfriado común y neumonía. En realidad las gran capacidad antimicrobiana del cobre se conoce desde 3000 a.C. cuando se usaban piezas de cobre para desinfectar heridas y evitar infecciones.

Otro estudio interesante que demuestra el poder del cobre fue realizado en hospitales, el uso de cobre en diferentes superficies (reposa brazos, barandillas, etc.), fue estudiado durante 43 meses y demostró una reducción del 83% de microbios en todos los objetos de cobre, en relación con los que estaban fabricados con otros materiales. La conclusión fue contundente las infecciones hospitalarias redujeron en un 58%.

Un estudio reciente demostró que la pandemia COVID-19 podría controlarse con el cobre, las superficies de cobre resultaron ser las mas eficientes para eliminar el SARS-Cov-2, solo se requieren de cuatro horas de contacto para eliminar el virus, mientras que en otros materiales los virus pueden permanecer hasta 3 días.

Es conocido que el cobre es eficaz contra los microbios, pero parece que esta propiedad no la estamos aprovechando en el mundo, muy probablemente porque el cobre ha sido satanizado injustamente. Afortunadamente, muchas empresas están apostando por este material y se considera que deberá tener menos regulaciones en un futuro.

En nuestro grupo de investigación se considera que el cobre podría dar solución a varios problemas nacionales aplicando pocos recursos, a continuación, se describen algunos proyectos que hemos desarrollado en diferentes áreas.

La síntesis de NPs de cobre solas o combinadas con otros elementos (plata, selenio y óxido de zinc) son metodologías de preparación que hemos reportado en diferentes artículos científicos y patentes [1-6]. El tamaño y forma de las NPs se pueden controlar con los métodos de preparación que se han estudiado, esto es importante por que no sólo las NPs de forma esférica y de unos cuantos nanómetros tienen aplicaciones (Figura 2).

 

Figura 2.- A) Micrografía de TEM de NPs Cu, B) Micrografía de SEM NPsCu

Las pinturas antifouling marinas, normalmente contienen en su formulación entre 40-55% de micropartículas de óxido de cobre (CuO), este biocida será remplazado en los próximos años y es necesario buscar alternativas. En CIQA se emplearon NPs Cu en este tipo de pinturas y con 3.0 % de este biocida se logró formular una pintura antifouling con características semejantes a las comerciales.

Figura 3.- A) Micrografía de NPs CuSe, B) Micrografía de TEM NPs CuAg

Las NPs Cu son factibles a oxidarse fácilmente, en nuestras NPs sintetizadas la oxidación no es un problema; no obstante, las combinamos con otros elementos como selenio y plata para incrementar su resistencia a la oxidación, en la Figura 3 se ilustran NPs de este tipo, las micrografías fueron tomadas a alta resolución, la diferencia de tonalidades puede indicar la presencia de cobre y plata (Figura 3B).

Las pinturas base agua, para casa habitación iniciaron su comercialización recientemente en México, en CIQA formulamos una pintura comercial con un aditivo de cobre que fue capaz de eliminar microorganismos desde 50-100 ppm, el poder antimicrobiano se puede incrementar en función del contenido de cobre [7].

Además, las NPs Cu se pueden mezclar con polímeros para formar nanocompuestos, desplegando muchas aplicaciones; por ejemplo, nanocompuestos de cobre con Nylon 6 y polipropileno muestran excelentes propiedades antimicrobianas y térmicas [8-9]

El tema de las nanopartículas y sus aplicaciones de manera general brinda muchas oportunidades profesionales y empresariales para desarrollar proyectos de gran impacto, en especial las NPs Cu podrían ofrecer a los jóvenes investigadores una herramienta poderosa para fortalecer su carrera científica. Es necesario tomar esta oportunidad, que ofrece la nanotecnología para avanzar a nivel profesional y convertirse en pioneros de nuevos descubrimientos importantes para nuestro país México. Es urgente evolucionar hacia un futuro que no se imaginaba hace algunos años y la nanotecnología aplicada a polímeros nos brinda esta enorme oportunidad, solo debemos conocerla muy bien.

REFERENCIAS

1. Synthesis of copper nanoparticles coated with nitrogen ligands. Journal of nanomaterials 2014, http://dx.doi.org/10.1155/2014/361791.
2. Synthesis of Copper Nanoparticles Using Mixture of Allylamine and Polyallylamine. Journal of Nanomaterials, 2015. doi:10.1155/2015/367341.
3. Oxidation of copper nanoparticles protected with different coatings and stored under ambient conditions. Journal of Nanomaterials 2018. https://doi.org/10.1155/2018/9512768
4. The application of selenium and copper nanoparticles modifies the biochemical responses of tomato under stress by Alternaria solani. ; Int. J. Mol. Sci. 2019, 20, 1950; doi:10.3390/ijms20081950.
5. Se nanoparticles induce changes in growth, antioxidant responses and fruit quality in tomato developed under NaCl stress. Molecules, 2019, 24, 3030, 1-17.https://doi.org/10.3390/molecules24173030.
6. Effect of three nanoparticles (Se, Si and Cu) and saline stress on the bioactive compounds of bell pepper fruits. Plants 2021, 10, 217. https://doi.org/10.3390/plants10020217.
7. Recubrimiento acrílico base agua formulado con nanopartículas de cobre modificadas superficialmente con ligantes bifuncionales. Gregorio Cadenas Pliego. Expediente MX/a/2013/015220; Folio: MX/E/2013/094758
8. Synthesis and thermomechanical characterization of nylon 6/Cu nanocomposites produced by an ultrasound-assisted extrusion method. Advances in Materials Science and Engineering. Volume 2018, doi.org/10.1155/2018/4792735.
9. Antimicrobial Property of Polypropylene Composites and Functionalized Copper Nanoparticles. Polymers. 2021, 13, 1694. https://doi.org/10.3390/polym13111694.