Los científicos publicaron recientemente un estudio en "Nature Communications" que dice que un equipo de la Universidad Rice y la Universidad de Houston en los Estados Unidos logró la alineación direccional de las fibras durante la producción de celulosa bacteriana a través de un proceso simple y escalable, produciendo un material de base biológica con alta resistencia y versatilidad, que se considera prometedor para reemplazar algunos plásticos tradicionales.
La contaminación plástica ha sido durante mucho tiempo un problema global. Los polímeros sintéticos comunes se descomponen en microplásticos en el medio ambiente y liberan sustancias químicas nocivas como el bisfenol A (BPA), ftalatos y algunos carcinógenos. Con este fin, el equipo de investigación dirigido por Mohammad Maqsood Rahman centró su atención en la celulosa bacteriana biopolímera natural, que es rica en fuentes, de alta pureza y biodegradable.
Los estudios han señalado que la propia celulosa bacteriana está compuesta de fibras a nanoescala y tiene una excelente base mecánica. Sin embargo, debido a la dirección desordenada de las fibras durante el proceso de crecimiento natural, el rendimiento general no se ha aprovechado plenamente. Además, cuando se introducen otros nanorellenos en esta densa red tridimensional, también enfrentan dificultades de dispersión y penetración, lo que limita la expansión de las funciones del material. Para resolver los problemas anteriores, el equipo diseñó un biorreactor giratorio que utiliza el movimiento del fluido para guiar la dirección del movimiento de las bacterias productoras de celulosa para que se vean "obligadas a alinearse" durante el proceso de crecimiento, logrando así un crecimiento direccional de la fibra.
M.A.S.R. Saadi, el primer autor del artículo y estudiante de doctorado en la Universidad Rice, dijo que este método equivale a "entrenar un equipo disciplinado de bacterias", permitiendo que las bacterias nadadoras originalmente aleatorias se muevan en una dirección determinada y produzcan celulosa direccionalmente en el proceso. A través de esta estrategia de biosíntesis dinámica, las láminas de celulosa bacteriana orientada producidas por los investigadores tienen una resistencia a la tracción de aproximadamente 436 MPa, comparable en resistencia a la de algunos metales y vidrio. También es flexible, plegable, transparente y respetuoso con el medio ambiente.
En experimentos posteriores, el equipo añadió nanohojas hexagonales de nitruro de boro directamente a la solución nutritiva del cultivo bacteriano, lo que les permitió incorporarse a la red de celulosa in situ durante el proceso de síntesis. La resistencia a la tracción de este material compuesto se ha incrementado hasta un máximo de 553 MPa y su rendimiento térmico también se ha mejorado significativamente. La conductividad térmica es aproximadamente tres veces mayor que la de la muestra de control, lo que ayuda a disipar el calor rápidamente. Los investigadores enfatizaron que este método brinda conveniencia para la "integración inferior" de múltiples nanoaditivos durante la etapa de generación del material y puede adaptar las propiedades mecánicas, térmicas y de otro tipo según los requisitos de la aplicación.
El equipo cree que esta ruta de preparación de un solo paso y de abajo hacia arriba tiene potencial para una ampliación industrial. Gracias a la simplificación del proceso y la amplia gama de fuentes de materiales, se espera que en el futuro se aplique en los campos de embalaje, textiles, materiales estructurales, gestión térmica, dispositivos electrónicos ecológicos y almacenamiento de energía. Rahman señaló que este trabajo demuestra el poder de la investigación interdisciplinaria en ciencia de materiales, biología y nanoingeniería, con el objetivo final de permitir que esta lámina de celulosa bacteriana resistente, multifuncional y ecológica reemplace algunos plásticos en diversos escenarios y reduzca el daño ambiental.
El equipo de investigación concluyó que, al resolver los problemas de larga data de orientación de las fibras y difusión del relleno que han afectado a la celulosa bacteriana, este proceso abre la puerta a materiales de ingeniería de alto rendimiento para este biopolímero natural. Creen que este material de base biológica biodegradable y de rendimiento ajustable proporciona un camino realista para reducir la dependencia de los plásticos tradicionales y también aporta nueva imaginación tecnológica al control global de la contaminación plástica.