Científicos norteamericanos y rusos están compitiendo por la tecnología del grafeno, un material bidimensional de propiedades físicas fascinantes. El corazón humano no ha pasado desapercibido para estos investigadores que desarrollan prótesis valvulares y tatuajes para reemplazar los actuales marcapasos y desfibriladores para tratar las arritmias cardiacas.

Un material milagroso

El grafeno representa una nueva clase de materiales que tienen el grosor de un átomo, -llamados bidimensionales-, que se extienden en solo dos dimensiones (longitud y anchura). Esta única capa -monocapa- está dispuesta en una perfecta red hexagonal de átomos de carbono. Estas capas, apiladas una encima de la otra, forman el conocido grafito contenido en la mina de los lápices. Dado que un átomo de carbono tiene un grosor de 0,33 nanómetros, existen alrededor de 3 millones de capas de grafeno en una lámina de grafito de 1 milímetro de espesor. Sus propiedades mecánicas, eléctricas y térmicas son realmente asombrosas, por lo que se le atribuye el calificativo de “material milagroso”.

El grafeno es más duro que el diamante y más elástico que el caucho, increíblemente fuerte, unas 200 veces más resistente que el acero, de hecho, el material más fuerte conocido en la Tierra, aunque más ligero que el aluminio. Se ha convertido en uno de los nanomateriales más prometedores debido a sus propiedades excepcionales, como conducir el calor mejor que cualquier otro material, ser un excelente conductor de electricidad (13 veces más rápido que el cobre) y ópticamente transparente. Es impermeable a todos los gases, ni siquiera el helio -átomo de gas más pequeño que existe- puede atravesarlo. Su extensa superficie de 2.630 metros cuadrados por gramo hace que con solamente 6 gramos se pueda cubrir todo un campo de fútbol.

En 2004, el grafeno fue descubierto por dos físicos de la University of Manchester (Reino Unido), Andre Geim y Konstantin Novoselov, que recibieron el Premio Nobel de Física en 2010. Con anterioridad, se argumentaba que los materiales bidimensionales no podían existir al ser termodinámicamente inestables. Cuando Andre Geim comenzó a interesarse por el grafeno, le pidió a uno de sus doctorandos que tratara de pulir un trozo de grafito con la menor cantidad de capas posible, quien llegó a conseguir una escama de grafito de unas 1.000 capas de espesor. Más tarde, este equipo de científicos utilizó una cinta adhesiva para despegar las capas de grafeno de un trozo de grafito de un lápiz común, logrando obtener finalmente una escama de carbono del grosor de solo un átomo -el grafeno-. Este peeling mecánico es el más simple de los métodos de preparación y, sorprendentemente, fue el que hizo realidad la aparición del grafeno, como le conocemos en la actualidad.

Las delgadísimas láminas de grafeno representan los bloques de construcción para otros materiales de su familia. La superposición de millones de capas forma el conocido grafito; cuando se enrollan múltiples capas se originan los nanotubos de carbono; y cuando se cortan y doblan en forma esférica se construyen unas bolas denominadas fullerenos.

Aplicaciones potenciales

El grafeno es extremadamente versátil pudiendo combinarse con otros elementos -metales y gases- para producir nuevos materiales con propiedades superiores. Científicos y empresas de todo el mundo continúan investigando y patentan variantes del grafeno para múltiples aplicaciones, que incluyen generadores de energía, células solares, filtros de agua (para purificar y desalinizar el agua de mar), antenas, computadoras, pantallas táctiles, sensores, baterías que se recargan a gran velocidad, chips 10 veces más rápidos, supercondensadores, secuenciación de ADN, productos deportivos (raquetas de tenis, equipos de esquí o cascos), industria automotriz y nanotecnologías. Algunos modelos de teléfonos inteligentes actuales ya contienen una novedosa tecnología de refrigeración con películas de grafeno. La empresa Ford Motor Company incorpora, en varios de sus modelos de automóvil de alta gama, cubiertas de espuma reforzada con grafeno en sus componentes más ruidosos, resultando muy silenciosos; sus elementos plásticos contienen 0.5 por ciento de grafeno que incrementa un 20 por ciento su resistencia a los impactos y más del 30 por ciento de resistencia a las temperaturas elevadas.

Grafeno en biomedicina

Las propiedades fisicoquímicas del grafeno están ampliando su utilización en el campo de la nanotecnología farmacéutica, pues consiguen optimizar los tiempos de circulación de los fármacos, la identificación de los genes diana y aplicar diversos tratamientos que combinan el diagnóstico y la terapia en el mismo sistema. En este sentido, se ha desarrollado una técnica de administración de fármacos utilizando tiras de grafeno como "alfombras voladoras" para medicamentos contra el cáncer, de forma que cada uno de estos fármacos se dirige a la parte de la célula humana donde será más efectivo. Investigaciones recientes están poniendo de manifiesto la posibilidad de sustituir los antibióticos por agentes fototérmicos de grafeno para eliminar las bacterias invasoras.

La posibilidad de crear músculos artificiales ha constituido un verdadero reto científico durante décadas, habiéndose experimentado con múltiples materiales infructuosamente. La mayor limitación ha sido el denominado actuador, o sea, la capacidad de un material para modificar sus dimensiones bajo la influencia de determinados estímulos. Un grupo de científicos ha demostrado que las nanocintas de grafeno pueden desempeñar este papel de actuador. El grafeno está siendo empleado para la construcción de sistemas microelectromecánicos (SMEM), nanorrobots biomiméticos y dispositivos microfluídicos (llamado, “laboratorio en un chip”).

Láminas de grafeno y nanotubos de carbono se comienzan a utilizar en la siembra de células madre humanas, ya que constituyen extraordinarios andamios biocompatibles que no impiden la proliferación de las células madre mesenquimales, sino que aceleran su crecimiento.



Figura 2

Prótesis valvular cardiaca de grafeno BioHastalex™

Científicos rusos de la Research Institute for Complex Issues of Cardiovascular Diseases (Kémerovo, Rusia) han fabricado una prótesis valvular polimérica construida con un nanocompuesto basado en una mezcla de óxido de grafeno y poliuretano (nombre comercial BioHastalex™). Esta novedosa prótesis cardiaca constituye una esperanzadora alternativaa las prótesis mecánicas y biológicas convencionales, ya que se estima que resultarán más duraderas, biocompatibles y con características hemodinámicas comparables a las propias válvulas humanas.

https://www.nature.com/articles/s41598-020-62122-8



Figura 3

Tatuaje marcapasos de grafeno

Tatuaje de grafeno para las arritmias

Investigadores norteamericanos de Northwestern University (Evanston, Illinois) y The University of Texas at Austin (Austin, Texas) han desarrollado un tatuaje trasparente de grafeno biocompatible, lámina muy delgada, suave y flexible, que se adhiere a la superficie del corazón -epicardio- actuando como biosensor para monitorizar la contractilidad y el ritmo cardiaco, detectando cualquier arritmia y/o aplicando los impulsos necesarios para su control y tratamiento. Esta atractiva tecnología tiene claros beneficios sobre los marcapasos y desfibriladores actuales, puesto que elimina todos los componentes rígidos que podrían interferir con las estructuras anatómicas del corazón, aparte de la facilidad en su colocación epicárdica. Al ajustarse íntimamente a una amplia superficie del corazón ofrece una monitorización muy precisa y proporciona una perfecta conductividad eléctrica.

Esta novedosa tecnología ha abierto el campo de la optocardiografía que permite la utilización de la luz para obtener imágenes y simultáneamente evaluar la electrofisiología cardíaca. Según el profesor Igor R. Efimov del Department of Biomedical Engineering, Northwestern University, “Debido a que el grafeno es ópticamente transparente, nos proporciona una densidad de lectura mucho mayor, puesto que podemos combinar las funciones eléctricas y ópticas en la biointerfaz".

https://doi.org/10.1101/2022.06.28.497825

Resulta sorprendente que desde el descubrimiento el grafito en el siglo XVI y, en particular, tras la invención del lápiz mina por un oficial del ejército de Napoleón,Nicholas Jacques Conté, hemos tenido al lado un material tan fascinante. Sin saberlo, nuestro plumier del colegio contenía un desconocido tesoro, el milagroso grafeno que está cambiando el mundo.

“Si no sabes dónde vas, cualquier camino te lleva”

Alicia en el país de las maravillas (1865) - Charles L. Dodgson (seudónimo, Lewis Carroll)

Matemático y escritor británico