Nanomateriales y su aplicación en la industria química: Desarrollo seguro de nanomateriales, nanocomposites y bionanomateriales

La ventaja de los nanomateriales para avanzar en el desarrollo de nuevos materiales se basa en que, por su elevada superficie específica y relación de aspecto, permiten que haya una alta interacción con los materiales donde se incorporen, pudiendo brindarles de nuevas propiedades requeridas en muchos sectores, como las mecánicas, térmicas, reológicas, ópticas, barrera y activas.

Figura 1.

Para desmitificar y promover la aceptación de este tipo de materiales por parte de la industria y los usuarios finales, el proyecto BIONANOPOLYS, financiado por el programa Horizonte 2020 de la Comisión Europea, persigue fortalecer la circularidad de los nanomateriales biobasados, con un enfoque totalmente alineado con la sostenibilidad, mediante el aprovechamiento de la biomasa procedente de residuos lignocelulósicos, evitando así una pérdida de recursos, y su eliminación en vertederos para desarrollar bionanocompuestos innovadores.

En la primera mitad del proyecto, los centros tecnológicos participantes, entre los que está ITENE, se han centrado en mejorar las tecnologías y procesos realizados en muchas de sus plantas piloto. El propósito de realizar dichas mejoras ha consistido en optimizar los métodos de síntesis y modificación de diversos tipos de nanomateriales para lograr procesos más sostenibles, así como aumentar el rendimiento de los procesos y la capacidad de producción de los mismos, y mejorar el grado de dispersión de los nanomateriales en las matrices biopoliméricas y los sustratos celulósicos, de manera que sus propiedades se puedan equiparar a las que se consiguen con el uso de materiales provenientes de fuentes no renovables. También se ha evaluado la seguridad de aquellos nanomateriales desarrollados en el proyecto que se utilizan en demostradores con aplicaciones críticas como envase cosmético o alimentario. Así pues, los nanomateriales desarrollados han consistido en compuestos de alto valor añadido de origen renovable como las nanofibras y nanocristales de celulosa, la nanolignina, nanopartículas metálicas, copolímeros de bloque, nanocápsulas con propiedades antimicrobianas y antioxidantes, así como nanoarcillas modificadas.

Hasta el momento, algunos de los demostradores más prometedores han consistido en una botella para cosmética producida a partir de biopolímeros biodegradables reforzada con nanoarcillas, con el objetivo de mejorar las propiedades barrera al oxígeno y vapor de agua entre un 30-40% con respecto al material biopolimérico base (Figura 1).

Figura 2.

Figura 3.

En términos de seguridad, los demostradores de los casos de uso asociados a envase alimentario o cosmética, entre otros, también se evalúan para garantizar que no presenten riesgos para la salud.

Para alinear los desarrollos de materiales avanzados con los objetivos estratégicos de la Comisión Europea, existen políticas y recomendaciones para impulsar la implementación y aplicar metodologías y enfoques que permitan desarrollar materiales más seguros y sostenibles.

En este contexto, y con el fin de guiar a la industria química europea hacia un desarrollo sostenible alineado con los objetivos de SSbD, desde ITENE trabajamos activamente en diferentes líneas de trabajo enfocadas a desarrollar e implementar estrategias de SSbD que permitan mitigar los potenciales efectos adversos en la salud humana y ambiental.

Así pues, el proyecto SbD4Nano, financiado por la UE en el marco del programa Horizonte 2020, pretende abordar los retos actuales relacionas con el desarrollo de nanomateriales, NEP y ENMs en lo que respecta a la aplicación e implementación del macro SSbD. Para ello, se ha trabajado en el desarrollo y la validación de nuevos enfoques y herramientas que permiten garantizar la seguridad de procesos y productos, considerando todo el ciclo de vida de los nanomateriales y nanoproductos, desde el propio diseño del material a la implementación de mejoras en el proceso para el mejor control de los riesgos, enfocándose en sectores industriales como recubrimientos, cosméticos, tecnología farmacéutica y sanitaria, y los nanomateriales estructurales y funcionales.

La infraestructura se ha validado en diferentes casos de uso y se está trabajando en su implantación a mayor escala para ayudar y orientar a la industria, los organismos reguladores y la sociedad civil en el diseño de estrategias bien equilibradas de seguridad, funcionalidad y coste. El sistema pretende reducir los posibles riesgos de los nanomateriales y los productos nanotecnológicos en una fase temprana del proceso de desarrollo.

Por su parte, el proyecto DIAGONAL, financiado por el programa Horizonte 2020, que tiene como objetivo aportar nuevas metodologías para garantizar la nanoseguridad a largo plazo a lo largo del ciclo de vida de los MCNM y HARN. El proyecto se basa en la implementación de estrategias de SSbD y metodologías en siete casos industriales, en los que se está validando el rediseño de nanomateriales y la aplicación de estrategias (funcionalización o encapsulación) que buscan reducir la toxicidad. Para ello, en DIAGONAL se han analizado las propiedades fisicoquímicas, la toxicología, el comportamiento y la exposición ambiental de los materiales, así como la seguridad humana a lo largo de su ciclo de vida, desarrollando además herramientas de modelado a multiescala capaces de predecir y caracterizar propiedades nanoespecíficas.

Como resultado final de la validación de las estrategias implementadas en estos siete casos de estudio representativos del ámbito de aplicación de nanomateriales, se elaborará una guía de buenas prácticas de SSbD que pretenderán dar soporte a la industria para el desarrollo de nanomateriales más seguros.