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2022-07-21La seda ofrece una alternativa a algunos microplásticos

MIT |Los investigadores han desarrollado un sistema biodegradable a base de seda para reemplazar los microplásticos añadidos a productos agrícolas, pinturas y cosméticos.

Los microplásticos, pequeñas partículas de plástico que ahora se encuentran en todo el mundo en el aire, el agua y el suelo, se reconocen cada vez más como una grave amenaza de contaminación y se han encontrado en el torrente sanguíneo de animales y personas en todo el mundo.

Algunos de estos microplásticos se agregan intencionalmente a una variedad de productos, incluidos productos químicos agrícolas, pinturas, cosméticos y detergentes, que ascienden a unas 50 000 toneladas al año solo en la Unión Europea, según la Agencia Europea de Sustancias Químicas. La UE ya ha declarado que estos microplásticos no biodegradables agregados deben eliminarse para 2025, por lo que se está buscando reemplazos adecuados, que actualmente no existen.

Ahora, un equipo de científicos del MIT y otros lugares ha desarrollado un sistema basado en la seda que podría proporcionar un sustituto económico y de fácil fabricación. El nuevo proceso se describe en un artículo publicado en la revista Small , 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.

Los microplásticos ampliamente utilizados en productos industriales generalmente protegen algún ingrediente (o ingredientes) activo específico de ser degradado por la exposición al aire o la humedad, hasta el momento en que se necesitan. Proporcionan una liberación lenta del ingrediente activo durante un período de tiempo específico y minimizan los efectos adversos en su entorno. Por ejemplo, las vitaminas a menudo se entregan en forma de microcápsulas empaquetadas en una pastilla o cápsula, y los pesticidas y herbicidas tienen un envoltorio similar. Pero los materiales que se utilizan hoy en día para este tipo de microencapsulación son plásticos que persisten en el medio ambiente durante mucho tiempo. Hasta ahora, no ha habido ningún sustituto práctico y económico disponible que se biodegrade de forma natural.

Gran parte de la carga de los microplásticos ambientales proviene de otras fuentes, como la degradación con el tiempo de objetos de plástico más grandes, como botellas y envases, 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 Química Europea ha estimado que los microplásticos agregados intencionalmente representan aproximadamente el 10-15 por ciento de la cantidad total en el medio ambiente, pero esta fuente puede ser relativamente fácil de abordar utilizando este reemplazo 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 un uno por ciento a la vez”.

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 ampliamente disponible y es menos costosa, dice Liu. Si bien los capullos de gusanos de seda se deben desenrollar minuciosamente para producir los hilos finos necesarios para la tela, para este uso se pueden usar capullos de calidad no textil y las fibras de seda se pueden disolver simplemente mediante un proceso escalable a base de agua. El procesamiento es tan simple y ajustable que el material resultante se puede adaptar para trabajar en equipos de fabricación existentes, lo que podría proporcionar una solución simple de "incorporación" utilizando las fábricas existentes.

La seda es reconocida como segura para uso alimentario o médico, ya que no es tóxica y se degrada naturalmente en el cuerpo. En las pruebas de laboratorio, los investigadores demostraron que el material de recubrimiento a base de seda podría usarse en equipos de fabricación estándar basados ​​en aerosol para hacer un producto herbicida microencapsulado soluble en agua estándar, que luego se probó en un invernadero en un cultivo de maíz. La prueba mostró que funcionó incluso mejor que un producto comercial existente, infligiendo menos daño a las plantas, dice Liu.

Mientras que otros grupos han propuesto materiales de encapsulación degradables que pueden funcionar a pequeña escala de laboratorio, dice Marelli, “existe una gran necesidad de lograr la encapsulación de activos de alto contenido para abrir la puerta al uso comercial. La única forma de tener un impacto es donde no solo podemos reemplazar un polímero sintético con una contraparte biodegradable, sino también lograr un rendimiento igual, si no mejor”.

El secreto para hacer que el material sea compatible con los equipos existentes, explica Liu, está en la capacidad de ajuste del material de seda. Mediante el ajuste preciso de las disposiciones de la cadena de polímeros de los materiales de seda y la adición de un tensioactivo, es posible ajustar con precisión las propiedades de los recubrimientos resultantes una vez que se secan y endurecen. El material puede ser hidrofóbico (repelente al agua) aunque se fabrique y procese en una solución de agua, o puede ser hidrofílico (atrae el agua), o cualquier punto intermedio, y para una aplicación dada se puede hacer para que coincida con el características del material que se está utilizando para reemplazar.

Para llegar a una solución práctica, Liu tuvo que desarrollar una forma de congelar las gotitas de materiales encapsulados en formación a medida que se formaban, para estudiar el proceso de formación en detalle. Lo hizo usando un sistema especial de congelación por aspersión y pudo observar exactamente cómo funciona la encapsulación para controlarla mejor. Algunos de los materiales de "carga útil" encapsulados, ya sean pesticidas, nutrientes o enzimas, son solubles en agua y otros no, e interactúan de diferentes maneras con el material de recubrimiento.

“Para encapsular diferentes materiales, tenemos que 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 capa del material de recubrimiento, ya sea el plástico sintético original o el nuevo material de seda.

El nuevo método puede hacer uso de seda de baja calidad que no se puede usar para telas, y grandes cantidades de las cuales se descartan actualmente porque no tienen usos significativos, dice Liu. También puede usar tela de seda usada y desechada, evitando que ese material se deseche en vertederos.

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. Pero debido a que este proceso utiliza seda a granel y no necesita ese nivel de calidad, la producción podría aumentar fácilmente en otras partes del mundo para satisfacer la demanda local si este proceso se usa ampliamente, dice.

"Este elegante e inteligente estudio describe un reemplazo a base de seda sostenible y biodegradable para los encapsulantes microplásticos, que son un desafío ambiental apremiante", dice Alon Gorodetsky, profesor asociado de ingeniería química y biomolecular en la Universidad de California en Irvine, quien no fue asociado con esta investigación."La modularidad de los materiales descritos y la escalabilidad de los procesos de fabricación son ventajas clave que auguran una buena traducción a aplicaciones del mundo real".

Este proceso "representa un avance potencialmente muy significativo en la entrega de ingredientes activos para una variedad de industrias, particularmente la agricultura", dice Jason White, director de la Estación Experimental Agrícola de Connecticut, quien tampoco estuvo asociado con este trabajo. “Dados los desafíos actuales y futuros relacionados con la inseguridad alimentaria, la producción agrícola y un clima cambiante, se necesitan estrategias novedosas como esta”.

El equipo de investigación también incluyó a Pierre-Eric Millard, Ophelie Zeyons, Henning Urch, Douglas Findley y Rupert Konradi de la corporación BASF, en Alemania y EE. UU. El trabajo fue apoyado por BASF a través de Northeast Research Alliance (NORA).

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Autor
MIT

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