Entrevista a la Dra. Janire Peña Bahamonde
R&D Chemist - Materials Scientific - Polymer Researcher Universidad de Houston, Texas (US)
Dra. Janire Peña
¿Qué tienen en común la mina de un lápiz y un diamante? Seguro que muchos de ustedes conocen la respuesta. Tanto el grafito (mina del lápiz) como el diamante presentan una composición química idéntica, compuesta exclusivamente de carbono. Sin embargo, la disposición u organización de los átomos de carbono en el espacio es totalmente distinta, por lo que se denominan alótropos de carbono. Mientras la estructura del diamante es una red tridimensional compacta de átomos de carbono enlazados, el grafito se estructura en láminas (similares a un panel de abejas) unidas débilmente por los extremos. Así pues, el diamante es uno de los materiales más duros conocidos, mientras que el grafito es muy blando y permite su utilización como material de escritura. Sin embargo, estos no son los únicos sólidos estables o alótropos de carbono.
Como hemos comentado, el grafito está formado por muchas capas individuales unidas débilmente. Pues bien, cada una de esas capas individuales de un espesor diminuto (un átomo de carbono) son otro de los alótropos de carbono, el grafeno. Este tercer material es muy distinto a los dos anteriores principalmente debido a su estructura hexagonal imitando a un panal de abejas con átomos de carbono fuertemente unidos y a su carácter nanométrico, una lámina de grafeno es un millón de veces más fina que una hoja de papel. Estas características físicas confieren al grafeno increíbles propiedades electrónicas, mecánicas, magnéticas, químicas, ópticas y biológicas, convirtiéndose en uno de los materiales más estudiados, versátiles y prometedores de los últimos 20 años. Aunque el grafeno fue descrito en la década de 1930, no fue hasta 2004 cuando los investigadores A. Geim y K. Novoselov consiguieron sintetizar de forma sencilla y estable el grafeno, por lo que fueron galardonados con el Premio Nobel de Física 6 años más tarde.
El grafeno es considerado el material más resistente de la naturaleza, a la vez que uno de los más ligeros (una lamina tamaño folio pesa aproximadamente 60 miligramos, 83 veces menos que un folio de papel común). Además, se considera inerte, biocompatible, conductor térmico y eléctrico, así como flexible, bactericida y ecológico. Por todas estas propiedades este nanomaterial es empleado en diferentes aplicaciones y es considerado uno de los materiales que revolucionarán nuestro futuro cercano.
Para conocer mejor las posibilidades de este material hemos conversado con la Dra. Janire Peña Bahamonde, investigadora en la Universidad de Houston (Texas, USA), quien ha respondido amablemente a nuestras preguntas relacionadas con las diferentes aplicaciones de materiales basados en grafeno. La Dra. Peña ha desarrollado en los últimos años diversos trabajos acerca de la aplicabilidad del grafeno, descritos en numerosas publicaciones científicas en revistas de alto impacto en el área, de las que es autora principal.
Como hemos comentado, el grafito está formado por muchas capas individuales unidas débilmente. Pues bien, cada una de esas capas individuales de un espesor diminuto (un átomo de carbono) son otro de los alótropos de carbono, el grafeno. Este tercer material es muy distinto a los dos anteriores principalmente debido a su estructura hexagonal imitando a un panal de abejas con átomos de carbono fuertemente unidos y a su carácter nanométrico, una lámina de grafeno es un millón de veces más fina que una hoja de papel. Estas características físicas confieren al grafeno increíbles propiedades electrónicas, mecánicas, magnéticas, químicas, ópticas y biológicas, convirtiéndose en uno de los materiales más estudiados, versátiles y prometedores de los últimos 20 años. Aunque el grafeno fue descrito en la década de 1930, no fue hasta 2004 cuando los investigadores A. Geim y K. Novoselov consiguieron sintetizar de forma sencilla y estable el grafeno, por lo que fueron galardonados con el Premio Nobel de Física 6 años más tarde.
El grafeno es considerado el material más resistente de la naturaleza, a la vez que uno de los más ligeros (una lamina tamaño folio pesa aproximadamente 60 miligramos, 83 veces menos que un folio de papel común). Además, se considera inerte, biocompatible, conductor térmico y eléctrico, así como flexible, bactericida y ecológico. Por todas estas propiedades este nanomaterial es empleado en diferentes aplicaciones y es considerado uno de los materiales que revolucionarán nuestro futuro cercano.
Para conocer mejor las posibilidades de este material hemos conversado con la Dra. Janire Peña Bahamonde, investigadora en la Universidad de Houston (Texas, USA), quien ha respondido amablemente a nuestras preguntas relacionadas con las diferentes aplicaciones de materiales basados en grafeno. La Dra. Peña ha desarrollado en los últimos años diversos trabajos acerca de la aplicabilidad del grafeno, descritos en numerosas publicaciones científicas en revistas de alto impacto en el área, de las que es autora principal.
My Scientific Journal. En uno de tus artículos empleáis un derivado del grafeno modificado con un polímero o plástico el cual ofrece características bactericidas. ¿Qué aplicaciones puede tener en nuestra vida cotidiana? Janire Peña Bahamonde. Las polisulfonas son polímeros termoplásticos de altas prestaciones como buena estabilidad química, así como resistencia oxidativa, hidrolítica y térmica. Además, tienen excelentes propiedades mecánicas haciendo que sean buenos candidatos en diferentes aplicaciones en ingeniería, como por ejemplo, membranas de filtración, dispositivos médicos, sistemas de liberación controlada de fármacos, etc.Para producir una mejora de las propiedades de este polímero, nos propusimos diseñar materiales compuestos basados en óxido de grafeno y polisulfona, de forma que se produjera una sinergia entre las propiedades de sus componentes. En nuestro primer intento de producir una mejora en las propiedades de las polisulfonas, nos propusimos realizar una funcionalización superficial de las láminas de óxido de grafeno con cadenas de polisulfona. Como resultado, obtuvimos un nanomaterial biocompatible, es decir, con propiedades antibacterianas, y que no presentaba citotoxicidad en la línea celular estudiada. Para poder emplear este tipo de nanomateriales en aplicaciones directas o indirectas en humanos, se necesitan realizar más estudios pero, por ejemplo, podrían emplearse en cualquier tipo de dispositivo biomédico para prevenir cualquier tipo de biofilm bacteriano, empleándose en membranas de hemodiálisis o implantes biomédicos.
MSCJ. En otros de tus trabajos, realizas la aplicación contraria, es decir, la modificación del mismo polímero con pequeñas cantidades de un derivado del grafeno. La incorporación del derivado de grafeno parece aumentar la resistencia de estos materiales al evitar su biodegradación. ¿De dónde surge esta idea y cuáles son las áreas de aplicación de este material más resistente? JPB. A veces se requiere que los materiales sean duraderos y que tengan una elevada estabilidad. Una de las principales áreas de aplicación de las polisulfonas es en el área de membranas de filtración o implantes biomédicos. Al estar estos materiales expuestos a microorganismos del cuerpo humano y/o del medioambiente, su aplicabilidad puede verse limitada debido a su biodegradación. Es por ello que nos propusimos diseñar nanomateriales basados en óxido de grafeno y polisulfona para intentar mejorar sus propiedades mecánicas, eléctricas y su resistencia a la biodegradación. Los nanomateriales fueron procesados y moldeados mediante extrusión e inyección para obtener probetas con forma de hueso (imagen).La empresa Euroortodoncia S.L. nos ayudó en su preparación, debido a su experiencia con este tipo de materiales poliméricos. Entre las propiedades más destacadas de estos nanocomposites observamos que se produjo una mejora en las propiedades mecánicas (módulo de Young y ductilidad), además de proteger la matriz polimérica de la degradación bacteriana y prevenir la formación de biofilms bacterianos.
MSCJ. Por otro lado, también has estudiado un recubrimiento de membranas empleadas para eliminar contaminantes en tratamientos de aguas cuya composición contiene óxido de grafeno, otro de los derivados más comunes del grafeno. ¿Cuál es la gran ventaja de este material con respecto a otros que no presentan grafeno en su composición? JPB. Con la intención de mejorar las propiedades de filtros de agua comerciales, se realizó una modificación superficial con óxido de grafeno mostrando resultados muy prometedores. Se consiguió una mejora significativa en la eliminación de nitratos, microorganismos, y algunos metales pesados, por ejemplo, cadmio, cromo, cobre, plomo y níquel, con respecto a los filtros comerciales. Además se hicieron estudios de durabilidad y reutilización, observándose que estos materiales son estables durante nueve meses. Otra de las peculiaridades de estas membranas es que la adsorción de cromo sobre el óxido de grafeno no solo produce su eliminación, sino que también lo convierte de Cr(VI) a Cr(III), especie menos tóxica de cromo. Debido a que los resultados preliminares fueron prometedores, antes de comercializar estas membranas se deberían hacer más estudios, por ejemplo, estudios de toxicidad para garantizar la salud humana, aunque seguro que en un futuro, el grafeno o sus derivados, se introducirán en filtros desechables. No obstante, realizando un balance de los costes y durabilidad, pensar en una aplicación a nivel industrial aún está un poco lejos.MSCJ. En una revisión publicada por ti y otros autores en 2018 destacáis el empleo de grafeno como parte fundamental de los biosensores. ¿Podrías explicar de forma sencilla qué son los biosensores y dónde se aplican actualmente, y cuál es la función del grafeno y sus derivados en éstos?JPB. Un biosensor es un dispositivo de análisis formado por un biorreceptor (anticuerpo, ácido nucleico, enzimas, etc.) y un transductor (electroquímico, óptico, térmico, etc.). El grafeno se ha empleado en el diseño de diferentes biosensores para detectar virus, bacterias, hormonas o marcadores tumorales, entre otros. Existen numerosos estudios para la detección de microorganismos usando biosensores de grafeno y óxido de grafeno para la detección de, por ejemplo, Escherichia coli, salmonella, virus Zika, VIH, etc.Actualmente, en España y en otros países, hay varios grupos de investigación trabajando en el desarrollo de sensores para la detección precoz de COVID-19. Los estudios preliminares muestran resultados muy prometedores.
Ejemplos de biosensores basados en grafeno. Fuente: Peña-Bahamonde, et al. J Nanobiotechnol 16, 75 (2018)
MSCJ. Para finalizar nos gustaría saber algo de tu trayectoria como investigadora. ¿Cómo comenzaste con el estudio del grafeno, sus derivados y sus aplicaciones? Y, ¿dónde te ha llevado toda esta investigación actualmente?JPB. La curiosidad por entender el comportamiento de los nanomateriales en el medio ambiente y en el ser humano, así como por desarrollar nuevos materiales biocompatibles y con propiedades específicas, hizo que me embarcara a realizar mis estudios de doctorado en la Universidad Carlos III de Madrid en el Grupo de Polímeros y Composites, el cual tiene una vasta experiencia en nanomateriales y, en particular, en grafeno. Conseguí una beca de doctorado y decidí realizar mis estudios bajo la dirección del Dr. Cabanelas y la Dra. San Miguel.Uno de los grandes retos a los que me enfrenté trabajando con este tipo de nanomateriales es su limitada dispersabilidad en agua y disolventes orgánicos, así como en matrices poliméricas, ya que tienden a formar agregados y aglomerados. Además de ello, otras de las dificultades que se presentan cuando sintetizas óxido de grafeno mediante métodos de oxidación química son controlar el grado de oxidación, la obtención de tamaños homogéneos y la formación de monocapas.
Actualmente me encuentro trabajando en la Universidad de Houston, Texas, en diferentes proyectos de investigación, cuyas líneas principales se centran en el tratamiento de aguas mediante el uso de nanomateriales o membranas poliméricas, la biosíntesis de nanopartículas mediante el uso de microorganismos y la liberación controlada de fármacos empleando nanopartículas poliméricas.
Referencias
Documentación y entrevista
José Luis Cerrillo Olmo para My Scientific Journal 08/11/2020
Jose Luis Cerrillo Olmo Redactor My Scientific Journal