Desarrollos en materiales fotosintéticos a base de algas

Por Alison Wibmer 

WTiN investiga el trabajo de la Universidad Tecnológica de Delft, Holanda, que detalla materiales fotosintéticos regenerativos desarrollados a través de la encapsulación de microalgas. Este desarrollo se considerará junto con los productos de Post Carbon Lab, en colaboración con DS Automobiles, un ejemplo de innovación comercial en materiales de algas fotosintéticas. Se compararán estos dos enfoques distintos y se explicarán los beneficios y el valor de la tecnología.

INTRODUCCIÓN

La fabricación de los denominados “materiales vivos” implica la encapsulación de células biológicas vivas dentro de una matriz no viviente [1]. La incorporación de estos organismos vivos en un material puede aprovechar las funcionalidades “inteligentes” inherentes que se han desarrollado a lo largo de la evolución del organismo, como la adaptación a un entorno específico, la capacidad de autocuración y la desintoxicación de compuestos nocivos [2]. Un ejemplo de estas funcionalidades es la capacidad de fotosíntesis: absorber dióxido de carbono del entorno circundante y convertirlo en glucosa y oxígeno, de manera similar a las hojas de una planta.

Con una transición hacia una producción más sostenible, los materiales y las soluciones que pueden utilizar recursos renovables y aprovechar los procesos metabólicos de los sistemas biológicos son de creciente interés [3]. Sin embargo, los organismos vivos tienen requisitos ambientales específicos que deben cumplirse para garantizar la supervivencia: estos parámetros incluyen luz, nutrientes, pH y temperatura [4]. Las algas dependen particularmente del CO2 y la luz para crecer y sobrevivir. La fabricación de materiales que puedan soportar estos requisitos y sustentar la vida de los organismos encapsulados, al tiempo que tengan propiedades físicas y mecánicas deseables, es un desafío para los investigadores [1]. Se ha demostrado que los sistemas de hidrogel mantienen y apoyan el crecimiento de células vivas [5]. Sin embargo, estos pueden ser problemáticos en términos de rendimiento mecánico y robustez, disminuyendo el potencial de incorporar dichos materiales en aplicaciones de la vida real. Los investigadores también se enfrentan al desafío de lograr formas controladas y definidas espacialmente a partir de materiales de alginato [1].

En este perfil de innovación, WTiN investiga la investigación llevada a cabo por el Departamento de Bionanociencia y el Departamento de Ingeniería de Diseño Sostenible de la Universidad Tecnológica de Delft (Países Bajos), y el Departamento de Biología de la Universidad de Rochester (EE. UU.), Sobre “la bioimpresión de materiales vivos fotosintéticos regenerativos ”[1]. Esto implica la impresión 3D de microalgas encapsuladas dentro de una matriz de hidrogel de alginato para lograr una superficie fotosintética definida espacialmente y con patrones, con propiedades mecánicas deseables, en un proceso regenerativo.

Además, este perfil explora proyectos de Post Carbon Lab [6], [7], incluido uno en colaboración con EGONLab y DS Automobiles [8], como ejemplo de innovación comercial en materiales fotosintéticos a base de algas.

OBJETIVO

La fabricación de un material de hidrogel a base de alginato, mecánicamente robusto, espacialmente definido, con capacidad fotosintética y potencial regenerativo.

ACERCARSE

Los investigadores desarrollaron una técnica mediante la cual las células de microalgas vivas se imprimieron en 3D sobre un sustrato de celulosa bacteriana muerta a través de una matriz de hidrogel de alginato de calcio. Esto da como resultado la inmovilización de las células de microalgas dentro del hidrogel. Se utilizó un hidrogel a base de alginato de calcio como medio de impresión. Esto se debe a que son fáciles de modelar y mantener las células de microalgas vivas durante períodos de tiempo relativamente largos durante y después del proceso de impresión. También se utilizó un medio de agar suplementado con carbono para proporcionar nutrientes y apoyar el crecimiento de las algas.

Las algas seleccionadas para esta investigación fueron Chlamydomonas reinhardtii, que pueden crecer: fotoautotróficamente con CO2 como fuente de carbono en presencia de luz; quimiotroficamente / heterotroficamente en ausencia de luz sobre fuentes de carbono alternativas; o fotomixotróficamente, una combinación de los dos modos de crecimiento. Los investigadores investigaron el uso de celulosa bacteriana como una fuente alternativa de carbono para las algas, para permitir el crecimiento fotomixotrófico cuando se coloca sobre un medio de agar suplementado con carbono. Además, la celulosa bacteriana es flexible, resistente y resistente a la distorsión física. Al incorporar esto como sustrato de impresión, se podría crear un material físicamente estable y robusto, con la calidad fotosintética de las algas.

Las ‘bio-tintas’ se prepararon con el cultivo líquido de algas, cultivado en un medio suplementado con carbono durante siete días. Después de volver a suspender las células de algas en un medio nuevo, se añadió alginato de sodio y la suspensión se agitó en vórtice para obtener la ‘tinta’ para la impresión 3D. La concentración de células de microalgas en la tinta fue de 1 x 106 células mL _– 1.

Los investigadores llevaron a cabo la bioimpresión mediante una técnica capa por capa, depositando las biotintas sobre el sustrato. Para investigar el papel y la eficacia de la celulosa bacteriana en el material final, el proceso de impresión se llevó a cabo en celulosa bacteriana colocada sobre un medio de agar (un medio mínimo o un medio suplementado con carbono con cloruro de calcio), o directamente sobre el medio del agar.

Figura 1: El proceso de bioimpresión regenerativa [1]

La celulosa bacteriana y las microalgas bioimpresas, cuando se dejan crecer durante siete días, se pueden eliminar del medio de cultivo para su uso en la aplicación prevista. Se descubrió que las bioimpresiones sobre la celulosa bacteriana podían desprenderse de la capa de soporte de agar para producir un material autoportante. Sin necesidad del soporte de agar, se amplían las posibles aplicaciones del material. El proceso es regenerativo: las microalgas pueden tomarse de las bioimpresiones y usarse nuevamente como insumo en el proceso (Figura 1).

RESULTADOS

Se descubrió que la composición de la biotinta y el sustrato de impresión son importantes para mantener la estructura 3D del material impreso, así como para mantener la vida y la funcionalidad de las células vivas. Las características beneficiosas del material de hidrogel incluyen la capacidad de transmitir luz debido a la transparencia óptica, lo que permite el acceso de la luz y una mayor fotosíntesis y permeabilidad selectiva. Esto permite la transferencia de masa de nutrientes dentro de la matriz de las algas y la difusión de CO2, para permitir el crecimiento de microalgas. Además, la estructura porosa y reticulada de la matriz permite que el oxígeno, un producto de la fotosíntesis, se libere al entorno circundante, mientras se mantiene la posición de las células dentro de la estructura de la matriz. Al imprimir sobre celulosa bacteriana sobre un medio de agar suplementado con carbono,

El proceso de bioimpresión creó con éxito patrones y líneas con resolución de escala milimétrica para hasta seis capas de material impreso. Para las aplicaciones que requieren más capas, se concluyó que se deben investigar las mejoras en la capacidad de impresión 3D para evitar la pérdida de resolución.

Los materiales mostraron una buena retención de forma bajo distorsión física. Se pueden quitar de un sustrato de soporte y volver a unir con éxito (Figura 2A). La robustez mecánica del material se probó doblando, torciendo y triturando las muestras (Figura 2B). Se observó que las bioimpresiones de microalgas sin el soporte de celulosa bacteriana eran frágiles y mostraban roturas tempranas en comparación con las que tenían el soporte. Esto confirma que la celulosa bacteriana mejora las propiedades mecánicas del material. Se observaron valores más altos para los valores de tensión-deformación, resistencia a la tracción y tenacidad en los compuestos de celulosa bacteriana / alginato / microalgas que en las muestras de celulosa bacteriana pura (Figura 2C; Figura 2D; Figura 2E). La presencia de microalgas en la bioimpresión tuvo poco impacto en la resistencia a la tracción y la tenacidad del material: la matriz de alginato pareció ser responsable del aumento del rendimiento mecánico. Cuando la configuración se amplió a 70 x 20 cm, se descubrió que el material de alginato todavía tenía buenas propiedades mecánicas y flexibilidad.

Figura 2: Prueba del biomaterial impreso. A) despegar del sustrato y volver a colocarlo;
B) distorsión física de los materiales; C) curvas tensión-deformación; D) resistencia a la tracción;
E) tenacidad; y F) recuperación y recrecimiento de la ‘bio-tinta’ de algas

La estabilidad del material bioimpreso bajo inmersión en agua se investigó durante seis rondas de prueba: sumergir el material en agua y recuperar las muestras. Además, para investigar los impactos de la exposición a la humedad a largo plazo, las muestras se sumergieron continuamente durante una semana. No se observaron cambios visuales después de la inmersión. Sin embargo, después de una semana de inmersión, la resistencia a la tracción de los materiales se redujo de 110,8 ± 8,9 a 58,2 ± 1,3 MPa. La tenacidad no se vio afectada en gran medida. Después de una semana más fuera del agua, la disminución del contenido de agua aparentemente se restauró y aumentó la resistencia a la tracción a 145 ± 12 MPa.

Además, no se observó liberación visible de células de algas en el agua durante la inmersión: la medición de la densidad óptica del agua antes y después de la inmersión confirmó poca o ninguna liberación de microalgas. Estos resultados son importantes para mitigar las posibles preocupaciones ambientales asociadas con la liberación incontrolada de algas en el medio ambiente.

El recubrimiento bioimpreso mostró un grado de longevidad, con un mayor crecimiento y contenido de clorofila observado durante cuatro semanas, mientras que las microalgas permanecen estables durante tres días después de la eliminación del medio nutritivo. Se demostró que un mayor contacto con los nutrientes después de la eliminación inicial aumenta la longevidad de las algas. El potencial reutilizable y regenerativo del proceso se investigó mediante la disolución y el recrecimiento de la tinta biológica de algas. Aquí, el hidrogel de alginato se disolvió usando citrato de sodio para recuperar las microalgas, que pudieron regenerarse en un medio nutritivo suplementado con carbono durante cuatro días. Después de este tiempo, las células de algas podrían usarse para producir nuevas bioimpresiones, que se volverán a cultivar completamente después de siete días (Figura 2F).

Los investigadores concluyeron que el material es escalable, completamente biodegradable, mecánicamente robusto y rentable, sobre todo utilizando procesos de bioimpresión más baratos que las investigaciones anteriores. Estos hallazgos representan un paso crucial en el desarrollo de materiales vivos regenerativos. Sin embargo, los investigadores reconocen que el impacto ambiental de los materiales requiere una evaluación completa. Particularmente en términos del proceso en sí, así como las posibles implicaciones de la liberación de células de algas al medio ambiente.

IMPACTO

Los beneficios y el valor de esta tecnología residen en aplicaciones de usuario novedosas. Entre ellas se incluyen las prendas biológicas fotosintéticas, que podrían abordar algunos de los impactos negativos de la industria de la moda [9]. Las prendas pueden purificar el aire al eliminar el dióxido de carbono y liberar oxígeno al entorno inmediato. Sin embargo, en el contexto de las prendas biológicas, este material requeriría un alto nivel de cuidado y una suplementación regular con un medio nutritivo o regeneración. Se requiere más investigación sobre cómo esta podría ser una solución útil para el usuario.

Alternativamente, los materiales fotosintéticos también pueden tener un papel en la cicatrización de heridas, utilizando potencialmente la activación por luz, y el oxígeno fomenta la cicatrización después de una infección. Tales aplicaciones médicas podrían incluir injertos de piel fotosintéticos con funcionalidad curativa [9].

También existe la posibilidad de utilizar esta tecnología para la recolección de energía mediante la producción de “hojas” artificiales: utilizando la parte más productiva de la planta sin la necesidad de producir otras partes no generadoras de energía como el tallo y las raíces [9]. Sin embargo, la recolección eficiente de energía solar a través de la fotosíntesis artificial sigue siendo un desafío [10]. A medida que esta investigación se amplíe, también lo hará el alcance del uso de microalgas para producir energía sostenible.

Las deseables propiedades mecánicas y la naturaleza de patrones del material impreso también podrían ofrecer innovaciones en otras industrias. Investigaciones anteriores sobre materiales fotosintéticos de alginato se han orientado hacia materiales arquitectónicos “vivos” y biosensores basados ​​en algas para el cuidado de la salud, lo que sugiere otras posibles aplicaciones de esta tecnología [4], [11]. Las propiedades desmontables y re-acoplables también muestran potencial para su uso como patrones adhesivos fotosintéticos y biodegradables y etiquetas de marca [1].

Como los materiales son regenerativos, los investigadores sugieren que los productos podrían fomentar ‘escenarios innovadores de final de vida’. Por ejemplo, los usuarios finales podrían superar el daño físico del material reparando y volviendo a hacer crecer las células en nuevas estructuras bioimpresas. Estos materiales vivos plantean preguntas sobre cómo los usuarios se preocupan, interactúan y pueden adaptarse a los materiales y productos [3].

Estos materiales requieren más pruebas en estudios de usuarios para comprender la viabilidad de tales escenarios de uso. Se necesita una mayor comprensión de las limitaciones de vida útil del material, así como la durabilidad al lavado y al desgaste, para evaluar el rendimiento y la idoneidad para el uso en la vida real. También es importante realizar pruebas adicionales para detectar posibles impactos en el medio ambiente y la salud humana para confirmar la idoneidad para las aplicaciones previstas.

EJEMPLO DE PRODUCTO: MATERIALES FOTOSINTÉTICOS A BASE DE ALGAS PARA ROPA

La tecnología de las algas ha sido explorada en proyectos comerciales de prendas de vestir por Post Carbon Lab , con sede en Londres, Reino Unido [6]. Aquí, se aplica una capa de algas fotosintéticas vivas como recubrimiento de las telas, para crear prendas que absorben dióxido de carbono y liberen oxígeno a la atmósfera. Esto permitiría a la industria de la moda compensar directamente su huella de carbono y crear productos con carbono negativo, creando en última instancia prendas con un impacto ambiental positivo general.

El uso de prendas fotosintéticas puede mejorar la calidad del aire en el entorno inmediato del usuario. En seis semanas de tratamiento, una camiseta producida por Post Carbon Lab produce suficiente oxígeno para ser equivalente a un árbol de seis años durante el mismo período [7]. Otro ejemplo de un proyecto de colaboración comercial reciente fue una colección de prendas con EGONLab y DS Automobiles de París, Francia [8].

La gama incluye camisetas que han sido revestidas con el tratamiento fotosintético y chaquetas que han sido parcialmente revestidas (como se muestra en la Figura 3). Los fabricantes estimaron que los materiales absorbieron más de 1,4 kg de dióxido de carbono durante 10 semanas durante el teñido y revestimiento de las telas [8]. A pequeña escala, estas prendas pueden tener un impacto limitado en términos de eliminación de carbono, pero tienen la capacidad de mejorar la calidad del aire del entorno inmediato. Sin duda, esto podría tener un impacto más significativo cuando se amplíe.

Figura 3: Una chaqueta, parcialmente recubierta con el tratamiento fotosintético,
de la colaboración entre Post Carbon Lab, EGONLab y DS Automobiles [8]

Estos productos desafían la fabricación de prendas tradicionales, particularmente en términos de la necesidad de consistencia. Existe un control limitado de los colores de los recubrimientos de algas, ya que estos cambian con factores ambientales como el calor y la luz [12]. Sin embargo, es posible lograr una variedad de tonos utilizando otros pigmentos microbianos.

Las prendas realizan la fotosíntesis a velocidades variables después del tratamiento, según el nivel de cuidado y los nutrientes disponibles: garantizar la supervivencia a largo plazo y la regeneración del recubrimiento de algas sigue siendo un problema. Los materiales vivos requieren un mayor nivel de cuidado que las prendas tradicionales. Hasta cierto punto, las necesidades de supervivencia de las algas vivas se pueden abordar con luz artificial y exposición ocasional a la humedad. El revestimiento fotosintético no puede soportar el lavado a máquina, lo que presenta limitaciones para el uso en la vida real. Sin embargo, con el cuidado adecuado, los tejidos de algas pueden sobrevivir durante años, según Post Carbon Lab [12].

Por el momento, parece que estos acabados no conseguirían lo que los consumidores tradicionalmente esperan de la ropa. Sin embargo, el material también puede tener un impacto significativo en el comportamiento del consumidor, incluida la forma en que las personas interactúan y valoran sus prendas y otros productos textiles.

Fuente: https://www.wtin.com