Según una nueva investigación de la Universidad Estatal de Carolina del Norte, los materiales con estructura mejorada derivada de crustáceos y algas marinas podrían ser parte de una respuesta de próxima generación al desafío de reemplazar las películas plásticas a base de petróleo.

La combinación de quitosano, un biopolímero que endurece los caparazones de los cangrejos, con agarosa, un biopolímero extraído de algas marinas que se utiliza para fabricar geles, crea películas compuestas de biopolímeros únicas con mayor resistencia. Las películas también son biodegradables, tienen propiedades antibacterianas, repelen el agua y son transparentes. Los hallazgos podrían eventualmente conducir a películas de embalaje sostenibles para alimentos y bienes de consumo.

"¿Cómo encontramos sustitutos sostenibles para los polímeros sintéticos?" preguntó Orlin Velev, S. Frank y Doris Culberson, Profesor Distinguido de Ingeniería Química y Biomolecular en NC State y autor correspondiente de un artículo que describe la investigación.

"Los polímeros sintéticos forman películas muy buenas, pero queremos reemplazarlos con biopolímeros naturales. La pregunta es cómo ajustamos la estructura conjunta de estos polímeros naturales (en nuestro caso, agarosa y quitosano) para que podamos tener todas las propiedades deseables de ¿Polímeros sintéticos dentro de una película sostenible y biodegradable?"

Puede que no sea suficiente simplemente mezclar quitosano y agarosa. Velev dice que esfuerzos anteriores para producir este tipo de mezclas reportaron mejoras en las propiedades, pero cuando se secaron, crearon películas arenosas que pueden carecer de la resistencia adecuada.

En cambio, Velev y sus colaboradores adoptaron un enfoque diferente, reforzando las películas de agarosa con material de escamas coloidales fibriladas, llamados coloides dendríticos blandos, elaborados a partir de quitosano. Las fuertes fibrillas de quitosano a micro y nanoescala están ramificadas jerárquicamente para proporcionar resistencia y estabilidad a la película de agarosa donde están incrustadas.

"Es un desafío modificar químicamente los polímeros naturales, pero podemos alterar su morfología y usarlos como compuestos", dijo Yosra Kotb, Ph.D. de Carolina del Norte. graduado y primer autor del artículo.

"Usamos partículas dendríticas de quitosano para reforzar la matriz de agarosa debido a que la compatibilidad de ambos materiales conduce a buenas propiedades mecánicas; las partículas de quitosano también tienen una carga opuesta a la de la agarosa. Cuando se mezclan, estas cargas se neutralizan, por lo que los materiales resultantes también se vuelven más resistentes a agua."

Los compuestos de biopolímeros son aproximadamente cuatro veces más fuertes que las películas de agarosa solas, según muestra la investigación, y también resisten a E. coli, una bacteria comúnmente estudiada. El artículo también mostró que una lámina hecha de películas compuestas de biopolímero se degradó en gran medida después de un mes bajo tierra, mientras que, en comparación, una bolsita de plástico común para sándwich permaneció completamente intacta después del mismo período bajo tierra.

"Curiosamente, nuestro compuesto es inicialmente fuertemente antibacteriano", dijo Velev, "pero debido a que está hecho de materiales naturales, después de algún tiempo las bacterias aún lo colonizarán, por lo que después de un mes bajo tierra, se biodegradará fácilmente".

Velev añadió que su laboratorio seguirá trabajando para realizar mejoras en la estructura de las películas compuestas de biopolímeros con el objetivo de igualar las propiedades de las de polímeros sintéticos.

"Si envasas alimentos, querrás que el paquete sea impermeable al oxígeno y al agua", dijo. "Pero los materiales naturales son permeables, por lo que seguiremos trabajando para hacer que nuestras películas sean más impermeables al agua y al oxígeno".

Aumentar la escalabilidad del proceso de producción de materiales también es uno de los objetivos futuros. "¿Cómo se fabrica la película sustituta de polímero en un proceso continuo que sea lo suficientemente rápido como para producirla en cantidades suficientemente grandes, como la fabricación de papel?" dijo Velev.

Los hallazgos aparecen en Cell Reports Physical Science. .

Más información: Yosra Kotb et al, Películas compuestas de biopolímeros reforzados jerárquicamente como sustitutos de plásticos multifuncionales, Cell Reports Physical Science (2023). DOI:10.1016/j.xcrp.2023.101732

Información de la revista: Informes celulares de ciencias físicas

Proporcionado por la Universidad Estatal de Carolina del Norte