Materiales y productos ‘seguros y sostenibles desde el diseño’

Sunshine, Diagonal y Susaan son algunos de los proyectos en los que participa Itene, en los que se investigan y desarrollan nuevas estrategias con el objetivo de diseñar y producir nanomateriales funcionales aplicando los conceptos de SbD y SSbD. En el siguiente artículo, la jefa de proyectos  del área de seguridad y monitorización medioambiental del centro tecnológico, Elena Barbero, los describe.

Los productos y sustancias químicas forman parte de nuestra vida cotidiana y juegan un papel fundamental en la mayoría de nuestras actividades diarias. Su uso de manera consciente y controlada puede ser muy beneficioso para la sociedad. 

Sin embargo, la mayoría de los productos químicos tienen propiedades peligrosas intrínsecas (por ejemplo, suelen ser inflamables o irritantes), aunque es cierto que solo algunos presentan alta toxicidad para poder causar daño a la salud humana y al medio ambiente. Este efecto perjudicial en gran medida depende del tiempo de exposición a la sustancia en concreto y el uso que se haga de ella. 

Para poder garantizar un uso seguro y sostenible de estos productos, es importante establecer claramente los conceptos necesarios para la evaluación científica de los riesgos asociados a los mismos. Estos conceptos deben tenerse en cuenta desde el diseño del material, a la hora de aplicar medidas de precaución durante su uso, así como para la toma de decisiones en lo referente a la gestión de sus residuos. 

Se necesita mejorar la eficacia de las superficies antimicrobianas en cuanto a la rapidez de actuación y la durabilidad de los efectos 

La visión de la Comisión Europea está alineada con estas ideas de seguridad y sostenibilidad desde el diseño. Mediante el ‘Pacto verde europeo’, la apuesta por Europa para convertirse en el primer continente climáticamente neutro de aquí a 2050. 

Las iniciativas políticas del Pacto Verde van encaminadas a conseguir cuatro objetivos principales, los cuales harán posible la transición hacia una economía y sociedad sostenibles. Son los siguientes: neutralidad climática, protección de la biodiversidad, economía circular y reducir a cero los niveles de contaminación para garantizar un medio ambiente libre de tóxicos. 

Transición hacia productos químicos seguros

El primer paso para la consecución de los objetivos anteriores ha sido la creación de la Estrategia de Productos Químicos para la Sostenibilidad (CSS), cuyo mayor reto a afrontar es el de la producción y el uso de productos químicos para hacer frente a las necesidades de la sociedad, pero respetando los límites del planeta y evitando daños a los seres humanos y al medio ambiente. De esta forma, la CSS establece una visión para la política química de la UE, que fomenta la lucha por un medio ambiente libre de tóxicos, acompañada de una transición a los productos químicos seguros y sostenibles desde el diseño.

Sostenibilidad y seguridad de nanomateriales

Desde centros tecnológicos como Itene se trabaja por lograr un futuro en el que los productos químicos se produzcan de una manera segura y sostenible desde su conceptualización y diseño, de manera que maximicen sus beneficios para la sociedad mientras se evitan o reducen efectos perjudiciales para los ecosistemas naturales y las personas. 

Los conceptos SbD y SSbD suponen la definición de medidas de seguridad y prevención desde la fase de diseño de una instalación química, un material o un producto químico

En particular, en el área tecnológica de Seguridad y Tecnologías de Monitorización Ambiental de Itene, liderada por el experto en la materia Carlos Fito, estos trabajos se centran en la implementación de los conceptos de 'safe by design' (SbD) y 'safe and sustainable by design' (SSbD). Estos conceptos suponen la definición de medidas de seguridad y prevención desde la fase de diseño de una instalación química, un material o un producto químico.

Uno de los principales retos desde el punto de vista de la seguridad y sostenibilidad de los productos químicos es extender estos principios al incipiente campo de la nanotecnología, garantizando el desarrollo de nanomateriales funcionales y seguros. 

Por nanomaterial se entiende todo aquel material que, al menos, una de sus dimensiones tiene un tamaño comprendido entre 1 y 100 nm. En los últimos años la nanotecnología ha hecho grandes avances en todos los campos y, como resultado, es posible la incorporación de estos nanomateriales en productos cosméticos, materiales plásticos y de construcción, pinturas o en dispositivos médicos, confiriéndole a todos ellos propiedades y funcionalidades mejoradas. 

Sin embargo, la aplicación de los conceptos de SbD y SSbD cuando se trata de nanomateriales es aún muy escasa y a menudo se ve limitada por la falta de datos científicos de calidad, dada a la complejidad de estos materiales, que precisan de un entendimiento adecuado de los efectos de sus propiedades fisicoquímicas (tamaño, forma y la química superficial) sobre el potencial peligro y funcionalidad. 

Analizado los datos bibliográficos de la base de datos Web of Science, se observa que en las últimas dos décadas se han identificado un total de casi 2.380 de publicaciones científicas coincidiendo con los criterios de búsqueda 'safe and sustainable by design'. Sin embargo, solo 140 de ellas (publicadas entre 2008 y 2022) hacen referencia a nanomateriales o nanopartículas.

Desde hace algunos años y para ayudar a superar estas barreras, Itene participa en diferentes proyectos en los que se investigan y desarrollan nuevas estrategias con el objetivo de diseñar y producir nanomateriales funcionales aplicando los conceptos de SbD y SSbD. Entre estos proyectos se encuentran SSbD4Nano, Sunshine, Diagonal y Susaan, todos financiados por el programa Horizonte 2020 de la Unión Europea. 

Además de aportar nuevos y valiosos resultados científicos, se espera que todos estos proyectos aporten grandes beneficios, tanto a nivel social como a nivel económico. Por un lado, con el conocimiento adquirido, las empresas serán capaces desarrollar y poner en el mercado nuevos productos, libres de problemas relacionados con su toxicidad, con el correspondiente beneficio económico para ellas. Por otro lado, el desarrollo de dichos productos con un valor añadido, más seguros y sostenibles, contribuye directamente al bienestar de los ciudadanos.

SSbD4Nano para el desarrollo de una infraestructura informática

En el proyecto SSbD4Nano (2020-2024), coordinado por Itene, se está llevando a cabo el desarrollo de modelos matemáticos integrados dentro de una plataforma software 'e-infrastructure' con el fin de identificar, diseñar e implementar estrategias para el diseño de nanomateriales. 

La infraestructura será validada mediante los llamados casos de estudio, entre los que se encuentran nanomateriales como óxidos de grafeno, nanofibras de carbono o nanopartículas de sílice, proporcionados por las empresas de diferentes sectores que participan en el proyecto, y que han sido modificados siguiendo estrategias de SSbD y SbD.

Se investigan y desarrollan nuevas estrategias con el objetivo de diseñar y producir nanomateriales funcionales aplicando los conceptos de SbD y SSbD

Entre otros resultados, en este proyecto desarrollarán guías para la implementación de estrategias de SbD en empresas, concebidas como una fuente de información robusta y sólida, que ayude a generar y aplicar estrategias de diseño para hacer que los materiales sean lo más seguros posible sin comprometer su funcionalidad. 

El proyecto SSbD4Nano cuenta con 23 socios de 11 países europeos, entre los que hay cinco centros de investigación, tres universidades, tres pymes especializadas en software, dos instituciones especializadas en transferencia tecnológica y diez empresas. 

Itene, además de actuar como coordinador del proyecto, desarrolla tareas centradas en los estudios ecotoxicológicos para la validación de la efectividad de las estrategias de funcionalización de los casos de estudio (un total de 10 nanomateriales). 

Además, el instituto se encarga de la evaluación de la exposición a los materiales y de la eficacia de equipos de protección, así como del desarrollo de un modelo matemático para su determinación teórica y desarrollo de algoritmos para la predicción de las tasas de liberación de nanopartículas en función de parámetros fisicoquímicos y variables de proceso.

Diseño seguro de nanomateriales multicomponentes 

En el caso del proyecto Sunshine (2021-2024), el objetivo es el desarrollo y validación de nuevas estrategias y herramientas para el diseño seguro y sostenible de nanomateriales multicomponente (MCNM) y nanomateriales con una alta relación de aspecto (HARNs). 

Estos nanomateriales son materiales híbridos avanzados, lo que les hace muy atractivos para diferentes aplicaciones dentro de los principales sectores industriales (sector cosmético, sanitario, energético o el de la construcción), que están apostando con fuerza por el desarrollo de MCNM y HARNs para incorporarlos en sus productos y mejorar sus propiedades. 

Falta de normativa regulatoria

Sin embargo, estos nanomateriales suponen un gran reto en cuanto su diseño, ya que plantean problemas relacionados con su potencial toxicidad y, por consiguiente, con los daños que pueden causar en el medioambiente y la salud humana. A esta serie de limitaciones se suma la falta de investigación y normativas regulatorias en la materia. 

Centros tecnológicos como Itene trabajan por lograr un futuro en el que los productos químicos se produzcan de una manera segura y sostenible desde su conceptualización y diseño

Para ayudar a superar estas limitaciones, se desarrollará una infraestructura electrónica fácil de usar para fomentar el diálogo, la colaboración y el intercambio de información entre los actores a lo largo de toda la cadena de suministro de MCNM.

Con este fin, en primer lugar, se han analizado las características y posibles peligros de exposición a estos nanomateriales, así como del impacto de sus complejas interacciones en los procesos de obtención. Posteriormente, se han propuesto una serie de estrategias SSbD para modificarlos, reduciendo de esta forma el riesgo de liberación de MCNM y disminuyendo su peligrosidad. 

Estas estrategias de SSbD se evalúan y validan a través de diferentes casos de estudios, tanto a escala laboratorio como en planta piloto, con el fin de implementar aquellos que resulten más factibles para su producción industrial a gran escala. 

Los casos de estudio seleccionados corresponden a MCNMs representativos de algunos de los principales sectores industriales, por lo que se espera que el impacto del proyecto Sunshine se refleje en todos ellos y, además, se fomente la colaboración intersectorial. Además, esta iniciativa contribuirá significativamente a mejorar la capacidad del sector de la nanotecnología, fomentando así la innovación y competitividad, garantizando al mismo tiempo productos de consumo y lugares de trabajo más seguros.

El consorcio de Sunshine está compuesto por un total de 35 socios, y reúne a científicos, expertos técnicos y empresas de 16 países diferentes. Dentro de este proyecto, Itene lidera las actividades encaminadas al desarrollo de las estrategias de diseño de materiales y procesos, además de su validación en los casos de estudio del proyecto. También lleva a cabo el desarrollo de estrategias de control de riesgos y contribuye al desarrollo de la infraestructura electrónica.

Diseño seguro y sostenible de nanomateriales multicomponentes 

En esta misma línea, el proyecto Diagonal (2021-2024) se plantea el reto de cubrir los manifiestos vacíos de conocimiento en lo referente a los nanomateriales multicomponentes, MCNM y HARNs. El objetivo primordial de este proyecto es identificar nuevas relaciones estructura-propiedad-función (SPF) y estructura-propiedad-peligro (SPH) de estos nanomateriales. 

Además de aportar nuevos y valiosos resultados científicos, se espera que todos estos proyectos aporten grandes beneficios, tanto a nivel social como a nivel económico

Para ello, se proponen actividades de investigación experimental (in vitro) y predictiva (in silico), que permiten determinar las interacciones que tienen lugar entre componentes integrantes de los MCNCs, los productos derivados de su transformación a lo largo de su ciclo de vida y cómo todos ellos impactarán finalmente en medio ambiente.

Para lograr los objetivos del proyecto Diagonal se cuenta con hasta siete casos de estudio industriales, en los cuales se producen o utilizan MCNM/HARN, que participarán proporcionando datos de escenarios reales, validando modelos e implementando los nuevos enfoques y herramientas SbD desarrollados en el proyecto.

Mediante estas investigaciones se espera generar una fuente de conocimiento que ayude a comprender mejor los efectos que estos MCNMs puedan tener en la salud humana y el medio ambiente. El conocimiento adquirido se podrá entonces recopilar y hacer accesible, por ejemplo, mediante la elaboración de guías para el diseño seguro de nanomateriales multicomponentes, incluyendo peligros específicos y propiedades de exposición que exhiben los MCNMs a lo largo de su ciclo de vida, que se pondrán a disposición de la industria. 

El proyecto reúne a 22 socios de 13 países europeos diferentes, incluyendo nueve centros de investigación, diez pymes, una gran empresa y dos universidades. Itene trabajará en el desarrollo de modelos matemáticos de predicción de la exposición potencial a MCNMs y HARNs y también colaborará en la definición de protocolos estandarizados como, por ejemplo, protocolos para la medida de la calidad del aire en puestos de trabajo. Además, el instituto liderará el desarrollo de las estrategias de diseño seguro y sostenible (SbD y SSbD), encaminadas a reducir la toxicidad y a mejorar el control del riesgo de estos nanomateriales. 

Desarrollo de superficies antimicrobianas y antivirales 

Susaan (2022-2025) es uno de los últimos proyectos europeos, dentro del ámbito de la nanoseguridad, en los que Itene está participando. Este proyecto, que comenzó en junio de 2022, se enfoca en desarrollo de nuevos recubrimientos antivirales y antimicrobianos sostenibles, basados en nanomateriales que presentan actividad antiviral y antimicrobiana (tanto de origen biológico como inorgánico). 

Estos recubrimientos tendrán una aplicación directa sobre superficies textiles, plásticas y metálicas, y han de ser probados y validados en tres aplicaciones finales como por ejemplo productos textiles, accesorios de baños y en fabricación de interruptores y enchufes (superficies de alto contacto).

Desde la irrupción de la pandemia de Covid-19, el interés por el desarrollo de este tipo de productos se ha visto en aumento. Esto se debe, en gran medida, a la eficacia demostrada de estos nanorrecubrimientos antimicrobianos y antivirales para reducir y detener la propagación de enfermedades infecciosas, sobre todo en espacios públicos como hospitales o medios de transporte. 

A pesar de ello, aún hay algunos retos y limitaciones a los que enfrentarse. Por un lado, se necesita mejorar la eficacia de las superficies antimicrobianas en cuanto a la rapidez de actuación y la durabilidad de los efectos y, por otro, se necesita garantizar la estabilidad, seguridad y sostenibilidad de dichos recubrimientos a lo largo de su ciclo de vida.

En este proyecto participan un total de 13 socios de siete países, entre ellos hay cuatro grandes empresas, una pyme, siete centros tecnológicos y de investigación, y un laboratorio. Las funciones de Itene se centrarán en la definición de las propiedades finales que ha de tener el recubrimiento. 

Además, llevará a cabo los ensayos de toxicidad y de ecotoxicología in vitro, mientras que estará a cargo de la optimización de los métodos de liberación de los nanomateriales activos de las superficies. 

El proyecto Susaan aún está en sus inicios, pero se espera que los resultados de este contribuyan a una mejora de la salud de los ciudadanos, minimizando el riesgo a contagio de enfermedades infecciosas durante el desarrollo de actividades cotidianas.