Muchos contaminantes de origen humano presentes en el medio ambiente resisten la degradación mediante procesos naturales y alteran los sistemas hormonales y de otro tipo de los mamíferos y otros animales. Eliminar estas sustancias tóxicas, que incluyen plaguicidas y disruptores endocrinos como el bisfenol A (BPA), con los métodos existentes suele resultar caro y laborioso.
En un nuevo artículo publicado esta semana en Nature Communications, investigadores del MIT y de la Universidad Federal de Goiás (Brasil) demuestran un método novedoso que utiliza nanopartículas y luz ultravioleta (UV) para aislar y extraer rápidamente diversos contaminantes del suelo y del agua.
Ferdinand Brandl y Nicolas Bertrand, los dos autores principales, son antiguos investigadores posdoctorales en el laboratorio de Robert Langer, profesor David H. Koch del Instituto Koch de Investigación Integrativa del Cáncer del MIT. (Eliana Martins Lima, de la Universidad Federal de Goiás, es la otra coautora). Tanto Brandl como Bertrand se formaron como farmacéuticos y describen su descubrimiento como una feliz casualidad: inicialmente buscaban desarrollar nanopartículas que pudieran usarse para administrar fármacos a células cancerosas.
Brandl había sintetizado previamente polímeros que podían separarse mediante la exposición a la luz UV. Sin embargo, él y Bertrand empezaron a cuestionar su idoneidad para la administración de fármacos, ya que la luz UV puede dañar tejidos y células, y no penetra a través de la piel. Cuando supieron que la luz UV se utilizaba para desinfectar el agua en determinadas plantas de tratamiento, empezaron a plantearse una pregunta diferente.
«Pensamos que, si ya utilizan luz UV, quizá también podrían usar nuestras partículas», dice Brandl. «Entonces se nos ocurrió la idea de usar nuestras partículas para eliminar sustancias químicas tóxicas, contaminantes u hormonas del agua, porque vimos que las partículas se agregan una vez que se irradian con luz UV».
Una trampa para la contaminación «que teme al agua»
Los investigadores sintetizaron polímeros a partir de polietilenglicol, un compuesto de uso generalizado que se encuentra en laxantes, pastas dentífricas y colirios, y que la Administración de Alimentos y Medicamentos de Estados Unidos (FDA) aprobó como aditivo alimentario, y de ácido poliláctico, un plástico biodegradable que se utiliza en vasos y vajillas compostables.
Las nanopartículas fabricadas con estos polímeros tienen un núcleo hidrófobo y una cubierta hidrófila. Debido a fuerzas a escala molecular, en una solución las moléculas de contaminantes hidrófobos se desplazan hacia las nanopartículas hidrófobas y se adsorben en su superficie, donde quedan efectivamente «atrapadas». Este mismo fenómeno se produce cuando la salsa de espagueti mancha la superficie de los recipientes de plástico y los tiñe de rojo: en ese caso, tanto el plástico como la salsa a base de aceite son hidrófobos y interactúan entre sí.
Si se dejaran sin alterar, estos nanomateriales permanecerían en suspensión y dispersos de manera uniforme en el agua. Pero, al exponerlos a la luz UV, la cubierta exterior estabilizadora de las partículas se desprende y, ahora «enriquecidas» 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, sustancias químicas que alteran las hormonas y que se usan para ablandar plásticos, de aguas residuales; BPA, otro compuesto sintético que altera el sistema endocrino y que se utiliza ampliamente en botellas de plástico y otros bienes de consumo a base de resinas, de muestras de papel de impresión térmica; e hidrocarburos aromáticos policíclicos, compuestos cancerígenos que se forman por la combustión incompleta de combustibles, de suelo contaminado.
El proceso es irreversible y los polímeros son biodegradables, lo que minimiza el riesgo de que los productos secundarios tóxicos persistan, por ejemplo, en una masa de agua. «Una vez que pasan a esta situación macro, en la que forman grandes grumos», dice Bertrand, «ya no es posible devolverlos al estado nano».
Según los investigadores, el avance fundamental fue confirmar que las moléculas pequeñas sí se adsorben de manera pasiva en la superficie de las nanopartículas.
«Hasta donde sabemos, es la primera vez que pueden medirse directamente las interacciones de moléculas pequeñas con nanopartículas ya formadas», escriben en Nature Communications.
Limpieza con nanopartículas
Aún más emocionante, afirman, es la amplia gama de posibles usos, desde la remediación ambiental hasta el análisis médico.
Los polímeros se sintetizan a temperatura ambiente y no necesitan prepararse especialmente para atacar compuestos concretos; son de aplicación amplia a todo tipo de sustancias químicas y moléculas hidrófobas.
«Las interacciones que aprovechamos para eliminar los contaminantes no son específicas», dice Brandl. «Podemos eliminar hormonas, BPA y pesticidas presentes en la misma muestra, y podemos hacerlo en un solo paso».
Además, la alta relación superficie-volumen de las nanopartículas significa que solo se necesita una pequeña cantidad para eliminar una cantidad relativamente grande de contaminantes. Así, la técnica podría ofrecer potencial para la descontaminación rentable de agua y suelos contaminados a mayor escala.
«Desde la perspectiva aplicada, demostramos en un sistema que la adsorción de moléculas pequeñas en la superficie de las nanopartículas puede utilizarse para extraer cualquier tipo de sustancia», dice Bertrand. «Abre la puerta a muchas otras aplicaciones en el futuro».
Según especula, este enfoque podría desarrollarse aún más para sustituir el uso generalizado de disolventes orgánicos en todo, desde la descafeinización del café hasta la fabricación de diluyentes para pinturas. Bertrand cita el DDT, prohibido como pesticida en Estados Unidos desde 1972 pero todavía ampliamente utilizado en otras partes del mundo, como otro ejemplo de contaminante persistente que podría remediarse con estos nanomateriales. «Y para aplicaciones analíticas en las que no se necesita tanto volumen para purificar o concentrar, esto podría resultar interesante», dice Bertrand, y ofrece como ejemplo un kit de análisis de orina económico para pacientes médicos.
El estudio también sugiere el potencial más amplio de adaptar técnicas de administración de fármacos a nanoescala desarrolladas para su uso en la remediación ambiental.
«Que podamos aplicar algunas de las herramientas altamente sofisticadas y de alta precisión desarrolladas para la industria farmacéutica, y ahora considerar el uso de estas tecnologías en términos más amplios, es extraordinario», afirma Frank Gu, profesor adjunto de ingeniería química en la Universidad de Waterloo (Canadá) y experto en nanoingeniería para la atención sanitaria y las aplicaciones médicas.
«Cuando se piensa en el despliegue en el terreno, eso queda muy lejos, pero este artículo ofrece una oportunidad realmente emocionante para resolver un problema que está presente de forma persistente», dice Gu, que no participó en la investigación. «Si se adopta el enfoque convencional de la ingeniería civil o de la ingeniería química para tratarlo, simplemente no lo resolverá. Ahí está la parte más emocionante».
Este artículo se publica en colaboración con MIT. La publicación no implica el respaldo de las opiniones por parte del Foro Económico Mundial.
Para estar al día con la Agenda suscríbase a nuestro boletín semanal.
Autor: Jonathan Mingle es corresponsal de MIT News.
Imagen: El tecnólogo sénior Dariusz Czolak sostiene un disco de carburo de silicio cubierto con una capa de grafeno, obtenido mediante el proceso de epitaxia, en el laboratorio del Institute of Electronic Materials Technology (ITME) en Varsovia, el 23 de octubre de 2012. REUTERS/Kacper Pempel.
