(Noticias de Nanowerk) Los microplásticos, diminutas partículas de plástico que se encuentran hoy en día en el aire, el agua y el suelo en todo el mundo, se reconocen cada vez más como un grave peligro de contaminación y se han encontrado en el torrente sanguíneo de animales y humanos en todo el mundo.
Algunos de estos microplásticos se agregan intencionalmente a una amplia gama de productos, incluidos agroquímicos, pinturas, cosméticos y detergentes; según la Agencia Europea de Sustancias Químicas, se estima que cada año se usan unas 50 000 toneladas solo en la Unión Europea. La UE ya ha declarado que estos microplásticos no biodegradables añadidos deben eliminarse para 2025, lo que ha llevado a la búsqueda de sustitutos adecuados que actualmente no existen.
Ahora, un equipo de científicos del MIT y otros lugares han desarrollado un sistema basado en seda que podría proporcionar un reemplazo económico y fácil de fabricar. El nuevo proceso se describe en un artículo de la revista Pequeña («Microencapsulation of High-Content Actives Using Biodegradable Silk Materials»), escrito por el postdoctorado del MIT Muchun Liu, el profesor de ingeniería civil y ambiental del MIT Benedetto Marelli y otros cinco en la empresa química BASF en Alemania y EE. UU.
Generalizados en productos industriales, los microplásticos generalmente protegen un ingrediente activo específico (o ingredientes) de la degradación por el aire o la humedad hasta que se necesiten. Aseguran una liberación lenta del ingrediente activo durante un período de tiempo específico y minimizan los efectos negativos en el medio ambiente. Por ejemplo, las vitaminas a menudo se suministran en forma de microcápsulas envasadas en una pastilla o cápsula, y los pesticidas y herbicidas se encapsulan de manera similar. Sin embargo, los materiales que se utilizan hoy en día para este tipo de microencapsulaciones son plásticos que permanecen en el medio ambiente durante mucho tiempo. Hasta ahora, no ha habido un sustituto práctico y económico que sea naturalmente biodegradable.
Gran parte de la carga de microplásticos en el medio ambiente proviene de otras fuentes, p. B. la degradación de objetos plásticos más grandes como botellas y envases con el tiempo y el desgaste de los neumáticos de los automóviles. Cada una de estas fuentes puede requerir su propio tipo de soluciones para reducir su propagación, dice Marelli. La Agencia Europea de Sustancias Químicas ha estimado que los microplásticos agregados intencionalmente representan alrededor del 10-15 por ciento del total en el medio ambiente, pero esa fuente podría abordarse con relativa facilidad con este sustituto biodegradable basado en la naturaleza, dice.
«No podemos resolver todo el problema de los microplásticos con una solución que se adapte a todos», dice. “El diez por ciento de un número grande sigue siendo un número grande. … Resolveremos el cambio climático y la contaminación del mundo en forma porcentual”.
A diferencia de los hilos de seda de alta calidad utilizados para telas finas, la proteína de seda utilizada en el nuevo material alternativo está más disponible y es menos costosa, dice Liu. Si bien los capullos de gusanos de seda deben desenrollarse minuciosamente para producir los hilos finos necesarios para las telas, los capullos de grado no textil se pueden usar para este uso, y las fibras de seda se pueden desintegrar fácilmente mediante un proceso escalable a base de agua. El procesamiento es tan fácil y personalizable que el material resultante se puede adaptar a los equipos de fabricación existentes, lo que podría proporcionar una solución «directa» simple utilizando las fábricas existentes.
La seda se considera segura para uso alimentario o medicinal, ya que no es tóxica y se descompone naturalmente en el cuerpo. En las pruebas de laboratorio, los investigadores demostraron que el material de recubrimiento a base de seda podría usarse en las instalaciones de fabricación estándar basadas en aerosol para producir un producto herbicida microencapsulado soluble en agua estándar, que luego se probó en una planta de maíz en un invernadero. La prueba mostró que funcionó incluso mejor que un producto comercial existente y causó menos daño a las plantas, dice Liu.
Mientras que otros grupos han propuesto materiales de encapsulación degradables que podrían funcionar a pequeña escala de laboratorio, dice Marelli, «existe una gran necesidad de lograr una encapsulación de drogas de alto nivel para abrir la puerta a la explotación comercial. La única forma en que podemos marcar la diferencia es si no solo podemos reemplazar un polímero sintético con una contraparte biodegradable, sino también obtener el mismo rendimiento, si no mejor”.
El secreto para hacer que el material sea compatible con el equipo existente, según Liu, radica en la capacidad de ajuste del material de seda. Al ajustar con precisión las disposiciones de la cadena de polímeros de los materiales de seda y agregar un tensioactivo, es posible ajustar con precisión las propiedades de los recubrimientos resultantes después del secado y el curado. El material puede ser hidrofóbico (repelente al agua), aunque se fabrique y procese en una solución acuosa, o puede ser hidrofílico (atrae el agua), o cualquier cosa intermedia, y para una aplicación dada puede adaptarse a las propiedades de el material que se pretende reemplazar.
Para llegar a una solución práctica, Liu tuvo que desarrollar una forma de congelar las gotas de formación de materiales encapsulados durante su formación para estudiar el proceso de formación en detalle. Hizo esto utilizando un sistema especial de congelación por aspersión y pudo observar de cerca cómo funciona la encapsulación para un mejor control. Algunos de los materiales de «carga útil» encapsulados, ya sean pesticidas, nutrientes o enzimas, son solubles en agua, otros no, e interactúan con el material de recubrimiento de diferentes maneras.
«Para encapsular diferentes materiales, necesitamos estudiar cómo interactúan las cadenas de polímeros y si son compatibles con diferentes materiales activos en suspensión», dice. El material de carga útil y el material de recubrimiento se mezclan en una solución y luego se rocían. A medida que se forman las gotas, la carga útil tiende a incrustarse en una cubierta de material de recubrimiento, ya sea el plástico sintético original o el nuevo material de seda.
El nuevo método puede usar seda de baja calidad, que no se puede usar para telas y grandes cantidades de las cuales actualmente se desechan porque no tienen un uso significativo, dice Liu. También se puede usar tela de seda usada y desechada, eliminando la necesidad de que este material vaya al vertedero.
Actualmente, el 90 por ciento de la producción mundial de seda tiene lugar en China, dice Marelli, pero eso se debe en gran parte a que China ha perfeccionado la producción de hilos de seda de alta calidad necesarios para las telas. Sin embargo, debido a que este proceso utiliza seda a granel y no requiere este nivel de calidad, si este proceso se generaliza, la producción podría aumentar fácilmente en otras partes del mundo para satisfacer la demanda local, dice.
«Este elegante e inteligente estudio describe un sustituto a base de seda sostenible y biodegradable para los materiales de encapsulación de microplásticos, que plantean un desafío ambiental urgente», dice Alon Gorodetsky, profesor asociado de ingeniería química y biomolecular en la Universidad de California, Irvine, quien no fue «La modularidad de los materiales descritos y la escalabilidad de los procesos de fabricación son ventajas clave que se adaptan bien para su implementación en aplicaciones reales».
Este proceso «representa un avance potencialmente muy significativo en la administración de medicamentos para varias industrias, en particular la agricultura», dice Jason White, director de la Estación Experimental Agrícola de Connecticut, quien tampoco participó en este trabajo. «Ante los desafíos actuales y futuros relacionados con la inseguridad alimentaria, la producción agrícola y un clima cambiante, se necesitan con urgencia estrategias novedosas como estas».
