Descubren un biomaterial resistente al agua, que aumenta su fuerza cuando se moja y podría sustituir el plástico

Un estudio liderado por el Instituto de Bioingeniería de Catalunya (IBEC) ha descubierto un nuevo biomaterial resistente al agua, que aumenta su fuerza cuando se moja y que podría tener aplicaciones innovadoras. Se produce mediante la incorporación de níquel en la estructura del quitosano, un polímero derivado de la quitina extraída de los caparazones de gambas. La investigación, publicada en Nature Communications, ha demostrado que el material puede aprovechar el agua que lo rodea para conseguir un rendimiento mecánico superior, rompiendo así el paradigma de la era del plástico, que se centra en aislar los materiales del medio ambiente. Podría tener aplicaciones en en la agricultura, el material de pesca, el embalaje, u otros sectores sostenibles.

Los plásticos se han vuelto esenciales en la sociedad moderna por su durabilidad y resistencia en el agua. Sin embargo, estas mismas propiedades los convierten en agentes persistentes de contaminación, acumulándose en los ecosistemas y apareciendo cada vez más en las cadenas alimenticias. Esta situación ha generado alarma sobre los efectos potencialmente nocivos del plástico en la salud humana y ha puesto de relieve la necesidad de alternativas sostenibles.

En un esfuerzo por abordar este reto, se ha explorado ampliamente el uso de biomateriales como alternativa a los plásticos convencionales. Su adopción, sin embargo, se ha visto limitada por un inconveniente fundamental: la mayoría de los materiales biológicos se debilitan cuando se exponen al agua. Tradicionalmente, eso ha obligado a los ingenieros a recurrir a modificaciones químicas o recubrimientos protectores, disminuyendo las ventajas ecológicas de los biomateriales.

Ahora, un estudio liderado por el Instituto de Bioingeniería de Catalunya (IBEC), en colaboración con la Singapore University of Technology and Design (SUTD), ha invertido este paradigma. Inspirándose en la cutícula de los artrópodos, los investigadores han adaptado el quitosano, la segunda molécula orgánica más abundante después de la celulosa, para crear un material biointegrado que aumenta su fuerza cuando se moja, alcanzando valores muy superiores a los de los plásticos convencionales.

Javier G. Fernández, investigador principal del grupo de Materiales e Ingeniería Biointegrados del IBEC, ha explicado que “el material sigue siendo biológicamente puro a los ojos de la naturaleza; sigue siendo esencialmente la misma molécula que se encuentra en los caparazones de los insectos o en los hongos”. Esta pureza permite reintegrar perfectamente el material a los ciclos ecológicos sin necesidad de recuperación y abre la puerta a una producción de residuo cero tanto de consumibles como de objetos de gran tamaño.

El estudio se ha inspirado en una observación fortuita: cuando se elimina el cinc de los colmillos del gusano de arena Nereis virens, estos se vuelven frágiles al sumergirlos en agua. Este hallazgo ha indicado que los metales pueden jugar un papel clave en la interacción de los materiales naturales con el agua. Los investigadores han incorporado níquel al quitosano, derivado de los desperdicios de caparazones de gambas, y lo han procesado en películas delgadas. Los experimentos han mostrado que el material aumenta su fuerza hasta un 50% cuando se sumerge en agua.

En este nuevo material, el agua actúa como un componente estructural activo. Una red de enlaces débiles y reversibles se rompe y se vuelve a formar continuamente gracias a la movilidad de los iones de níquel y de las moléculas de agua circundantes. Esta reconfiguración constante permite en el material absorber la tensión mecánica y reorganizarse, imitando las estructuras biológicas naturales.

El estudio ha desarrollado también un proceso de fabricación de residuo cero. Durante la inmersión inicial, la mayor parte del níquel que no contribuye a los enlaces estructurales se libera. En lugar de rechazarlo, el equipo ha diseñado un ciclo en el que este níquel sirve de materia prima para la siguiente tanda, consiguiendo una eficiencia del 100% y reduciendo de manera significativa el impacto ambiental y los costes. Fernández ha indicado que la quitina se produce a escala global en cien mil millones de toneladas anuales, cosa que equivale a tres siglos de producción de plástico, y que puede obtenerse también localmente a partir de residuos orgánicos urbanos o subproductos fúngicos.

Aplicaciones posibles

Se espera que las primeras aplicaciones aparezcan en agricultura, material de pesca y embalaje, así como en otros sectores que necesitan materiales biodegradables con capacidad para interactuar con el agua. El equipo ha priorizado la escalabilidad industrial y los costes, centrándose inicialmente en aplicaciones agrícolas. Tanto el níquel como el quitosano cuentan con aprobación de la FDA para determinados usos médicos, cosa que podría permitir aplicaciones en el ámbito sanitario, incluidos recubrimientos impermeables para biomateriales.

Los experimentos han demostrado que el material puede formar recipientes estancos, como vasos y láminas de gran tamaño, reforzando su potencial para sustituir algunos plásticos de un solo uso. Fernández ha señalado que es probable que el níquel no sea la única molécula capaz de generar este efecto, y que el principio descubierto abre la puerta a explorar otras combinaciones para reforzar biomateriales con agua.

El equipo del IBEC ha concluido que este descubrimiento representa un cambio de mentalidad con respecto a la era del plástico. En lugar de obligar las moléculas biológicas a comportarse como materiales sintéticos, los investigadores han adoptado la lógica de los sistemas naturales: estructuras dinámicas, producción regional, integración ecológica y cero residuos, con un enfoque que podría transformar la fabricación de materiales sostenibles.