Muchos contaminantes producidos por el hombre en el medio ambiente resisten la degradación a través de procesos naturales, y alterar los sistemas hormonales y de otro tipo en mamíferos y otros animales. La eliminación de estos materiales tóxicos, que incluyen pesticidas y disruptores endocrinos como el bisfenol A (BPA), con los métodos existentes, a menudo es costoso y requiere mucho tiempo.

En un nuevo artículo publicado esta semana en Comunicaciones de la naturaleza , Investigadores del MIT y la Universidad Federal de Goiás en Brasil demuestran un método novedoso para usar nanopartículas y luz ultravioleta (UV) para aislar y extraer rápidamente una variedad de contaminantes del suelo y el agua.

Ferdinand Brandl y Nicolas Bertrand, los dos autores principales, son ex postdoctorados en el laboratorio de Robert Langer, el profesor del Instituto David H. Koch en el Instituto Koch para la Investigación Integrativa del Cáncer del MIT. (Eliana Martins Lima, de la Universidad Federal de Goiás, es el otro coautor). Tanto Brandl como Bertrand están capacitados como farmacéuticos, y describen su descubrimiento como un feliz accidente:inicialmente buscaron desarrollar nanopartículas que pudieran usarse para administrar medicamentos a las células cancerosas.

Brandl había sintetizado previamente polímeros que podían separarse mediante la exposición a la luz ultravioleta. Pero él y Bertrand llegaron a cuestionar su idoneidad para la administración de medicamentos, Dado que la luz ultravioleta puede dañar los tejidos y las células, y no penetra a través de la piel. Cuando supieron que la luz ultravioleta se usaba para desinfectar el agua en ciertas plantas de tratamiento, empezaron a hacer una pregunta diferente.

"Pensamos que si ya están usando luz ultravioleta, tal vez también podrían usar nuestras partículas, "Dice Brandl." Luego se nos ocurrió la idea de usar nuestras partículas para eliminar químicos tóxicos, contaminantes, u hormonas del agua, porque vimos que las partículas se agregan una vez que las irradias con luz ultravioleta ".

Una trampa para la contaminación 'por miedo al agua'

Los investigadores sintetizaron polímeros a partir de polietilenglicol, un compuesto ampliamente utilizado que se encuentra en los laxantes, pasta dental, y gotas para los ojos y aprobado por la Administración de Alimentos y Medicamentos como aditivo alimentario, y ácido poliláctico, un plástico biodegradable que se utiliza en vasos y cristalería compostables.

Las nanopartículas fabricadas a partir de estos polímeros tienen un núcleo hidrófobo y una capa hidrófila. Debido a fuerzas de escala molecular, en una solución, las moléculas contaminantes hidrofóbicas se mueven hacia las nanopartículas hidrofóbicas, y adsorber en su superficie, donde efectivamente quedan "atrapados". Este mismo fenómeno se produce cuando la salsa de espagueti mancha la superficie de los recipientes de plástico, volviéndolos rojos:En ese caso, tanto el plástico como la salsa a base de aceite son hidrófobos e interactúan entre sí.

Si se deja solo, estos nanomateriales permanecerían suspendidos y dispersos uniformemente en agua. Pero cuando se expone a la luz ultravioleta, la capa exterior estabilizadora de las partículas se desprende, y, ahora "enriquecidos" por los contaminantes, forman agregados más grandes que luego pueden eliminarse mediante filtración, sedimentación, u otros métodos.

Los investigadores utilizaron el método para extraer ftalatos, productos químicos que alteran las hormonas que se utilizan para ablandar los plásticos, de aguas residuales; BPA, otro compuesto sintético disruptor endocrino ampliamente utilizado en botellas de plástico y otros bienes de consumo resinosos, a partir de muestras de papel de impresión térmica; e hidrocarburos aromáticos policíclicos, compuestos cancerígenos formados por la combustión incompleta de combustibles, de suelo contaminado.

El proceso es irreversible y los polímeros son biodegradables, minimizar los riesgos de dejar productos secundarios tóxicos para persistir, decir, un cuerpo de agua. "Una vez que cambian a esta situación macro, en la que son grandes grupos, "Bertrand dice, "no podrás devolverlos al estado nano de nuevo".

El avance fundamental, según los investigadores, estaba confirmando que las moléculas pequeñas se adsorben pasivamente en la superficie de las nanopartículas.

"A lo mejor de nuestro conocimiento, es la primera vez que se pueden medir directamente las interacciones de moléculas pequeñas con nanopartículas preformadas, "escriben en Nature Communications.

Nano limpieza

Aún más emocionante, ellos dicen, es la amplia gama de usos potenciales, desde la remediación ambiental hasta el análisis médico.

Los polímeros se sintetizan a temperatura ambiente, y no necesita estar especialmente preparado para apuntar a compuestos específicos; son ampliamente aplicables a todo tipo de sustancias químicas y moléculas hidrófobas.

"Las interacciones que aprovechamos para eliminar los contaminantes no son específicas, "Dice Brandl." Podemos eliminar las hormonas, BPA, y pesticidas que están todos presentes en la misma muestra, y podemos hacer esto en un solo paso ".

Y la alta relación superficie-volumen de las nanopartículas significa que solo se necesita una pequeña cantidad para eliminar una cantidad relativamente grande de contaminantes. Por lo tanto, la técnica podría ofrecer un potencial para la limpieza rentable del agua y el suelo contaminados a una escala más amplia.

"Desde la perspectiva aplicada, Demostramos en un sistema que la adsorción de pequeñas moléculas en la superficie de las nanopartículas se puede utilizar para la extracción de cualquier tipo, ", Dice Bertrand." Abre la puerta a muchas otras aplicaciones en el futuro ".

Este enfoque posiblemente podría desarrollarse más, él especula, para reemplazar el uso generalizado de solventes orgánicos para todo, desde café descafeinado hasta la fabricación de diluyentes de pintura. Bertrand cita al DDT, prohibido para su uso como pesticida en los EE. UU. desde 1972, pero todavía se usa ampliamente en otras partes del mundo, como otro ejemplo de un contaminante persistente que podría potencialmente remediarse usando estos nanomateriales. "Y para aplicaciones analíticas en las que no se necesita tanto volumen para purificar o concentrar, esto puede ser interesante "Bertrand dice, ofreciendo el ejemplo de un kit de prueba económico para análisis de orina de pacientes médicos.

El estudio también sugiere el potencial más amplio para adaptar las técnicas de administración de fármacos a nanoescala desarrolladas para su uso en la remediación ambiental.

"Que podemos aplicar algunos de los más sofisticados, herramientas de alta precisión desarrolladas para la industria farmacéutica, y ahora analicemos el uso de estas tecnologías en términos más amplios, es fenomenal, "dice Frank Gu, profesor asistente de ingeniería química en la Universidad de Waterloo en Canadá, y un experto en nanoingeniería para aplicaciones médicas y de atención de la salud.

"Cuando piensas en la implementación de campo, eso está muy lejos en el camino, pero este documento ofrece una oportunidad realmente emocionante para resolver un problema que está presente de manera persistente, "dice Gu, que no participó en la investigación. "Si se adopta el enfoque convencional de ingeniería civil o de ingeniería química para tratarlo, simplemente no lo tocará. Ahí es donde está la parte más emocionante ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.