Según estimaciones de la ONU, tres de cada cuatro personas en el mundo se verán afectadas por la sequía en 2050, un problema que actualmente afecta a alrededor de 55 millones de personas de forma directa cada año. Esta situación se agravará las próximas décadas por la falta de lluvias y los efectos del cambio climático, con daños graves en los ámbitos medioambiental, económico y social. Ante esta crisis, el desarrollo de tecnologías de bajo coste para la purificación y la desalinización del agua del mar, con materiales 100 % orgánicos y aprovechando un recurso natural como es la radiación solar, es una de las estrategias clave para satisfacer las necesidades actuales y futuras de agua apta para el consumo doméstico.
Para dar solución a este reto se desarrolla el proyecto TherGel, liderado por Elaine Armelin y Joan Torras, investigadores del grupo de investigación Innovación en Materiales e Ingeniería Molecular - Biomateriales para Terapias Regenerativas (IMEM-BRT) y profesores de la Escuela de Ingeniería de Barcelona Este (EEBE) de la Universitat Politècnica de Catalunya - BarcelonaTech (UPC).
El proyecto se centra en desarrollar un hidrogel termosensible conductor, llamado solar absorber hydrogel (SAH, por sus siglas en inglés). Los hidrogeles termosensibles son materiales poliméricos capaces de absorber una gran cantidad de agua, en función de la temperatura a la que se exponen, y que la expulsan libre de sales y contaminantes, al calentarse por encima de 32º C. A este material se le añade un polímero conductor que actúa como absorbente fototérmico y potencia la capacidad de expulsión de agua, es decir, de generación de agua potable.
Diversas muestras del hidrogel. El color negro indica la aplicación de nanopartículas de polímero conductor.
Según explica la investigadora Elaine Armelin, “el resultado es un material que se puede utilizar en sistemas de filtración de agua como membranas de filtración y sistemas de desionización capacitiva de agua salada. El objetivo es desarrollar un prototipo de autopurificación de agua para su aplicación directamente en los hogares, sin necesidad de fuentes eléctricas o equipos a presión, ya que utilizaría únicamente la energía solar para la regeneración del agua salina y la producción de agua potable”.
El investigador Joan Torras explica el funcionamiento de esta tecnología: “A medida que el hidrogel absorbe el agua, esta va subiendo hacia la superficie y se evapora por la acción de la luz solar. A este material añadimos nanopartículas de un polímero conductor, que aporta al material un color negro más intenso, de forma que absorbe mayor radiación solar y al mismo tiempo favorece la evaporación del agua internamente. Es una pequeña desalinizadora para producir agua potable en casa”.
Hasta ahora, el sistema ha obtenido una tasa de evaporación de alrededor de 3,5-4,5 kg/metro cuadrado por hora, lo que representaría unos 80-100 kg/metro cuadrado de agua limpia generada en 24 horas. Los resultados preliminares se han publicado recientemente en la revista científica Advanced Functional Materials.
Pruebas de calentamiento del hidrogel con un simulador solar.
El hidrogel se podría fabricar en el ámbito doméstico, con un kit para prepararlo, ya que no requiere ningún equipamiento industrial, y se podría reutilizar o reciclar también en casa. Además, las buenas propiedades eléctricas del nuevo hidrogel conductor lo hacen potencialmente atractivo para celdas de desionización capacitiva (CDI), como electrodos porosos, para aumentar el caudal de generación de agua purificada. En este caso, como material alternativo a los que se utilizan habitualmente en equipos de desalinización industrial, de elevado coste y muy difíciles de reciclar.
Materiales biomédicos modificados con hidrogel termosensible
La propiedad de los hidrogeles termosensibles de retener líquidos y de responder a los cambios de temperatura los hace idóneos para su aplicación en implantes médicos, como mallas quirúrgicas para la reparación de hernias abdominales, esponjas para el drenaje de fístulas, después de procedimientos quirúrgicos y vendajes para heridas, entre otros. Este es el segundo reto del proyecto TherGel.
La presencia del hidrogel en las mallas quirúrgicas, por ejemplo, facilita la adaptación de estas a los tejidos por la capacidad de adhesión del material y la posibilidad de detección del implante mediante espectroscopia Raman mejorada de superficie (SERS, Surface Enhanced Raman Spectroscopy, por sus siglas en inglés). Tal y como explica la investigadora del grupo de investigación IMEM-BRT Sonia Lanzalaco, “durante la fase de implantación, el hidrogel es capaz de autoabrirse para adaptarse a la temperatura del cuerpo humano y, una vez implantado, puede dar información sobre los cambios de temperatura provocados por una posible infección localizada. Gracias a este hidrogel, la malla podría adaptarse mejor a los órganos, tanto en flexibilidad como en biocompatibilidad”.
Los investigadores han aplicado a la malla quirúrgica nanopartículas biocompatibles que tienen una función terasnóstica, es decir, tanto terapéutica como de diagnóstico. Por un lado, actúan como bactericidas y, por otro, permiten la detección del implante con herramientas de espectroscopia menos invasivas para las células, posibilitando terapias más personalizadas a las necesidades de cada paciente. Además, al ser una malla autoadhesiva, se evita la necesidad de utilización de grapas, tacos o suturas para la fijación, reduciendo los riesgos inflamatorios.
El proyecto de innovación tecnológica TherGel está financiado por la Agencia Estatal de Investigación (AEI) con un presupuesto de 138.545 euros y tiene una duración de tres años.
Investigadores que participan en el proyecto TherGel, en el Laboratorio de Caracterización de Polímeros y Materiales Avanzados del Campus Diagonal-Besòs.
