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Las partículas de cobre con dimensiones en la nanoescala han adquirido una gran importancia entre los investigadores debido a su abundancia y su menor coste de producción en comparación a los metales como la plata y el oro. Sin embargo, en la síntesis hay dos factores, la estabilidad y la reactividad, que aún dificultan la integración de las nanopartículas de cobre (CuNPs) en la generación nueva de materiales funcionales avanzados.

Propiedades del cobre. El cobre (Cu) de número atómico 29 de masa atómica 63.546 g/mol-1 y su punto de fusión es a 1085 °C y el de ebullición, 2562 °C. Se trata de un metal de transición de que, junto con la plata y el oro, forma parte de la llamada familia del cobre, se caracteriza por ser uno de los mejores conductores de electricidad (el segundo después de la plata). Gracias a su alta conductividad eléctrica, ductilidad y maleabilidad.

Propiedades antibacterianas del cobre. Las nanopartículas de cobre no se pueden usar directamente debido a que se oxidan fácilmente. Sin embargo, se recubren con una delgada capa de plata así pueden permanecer estables por mucho tiempo y presentan mejor conductividad. Actualmente para reducir el precio de la producción estas se estabilizan con polímeros, carbono o sílice. El mayor uso de este metal sigue siendo en la industria eléctrica debido a su elevada conductividad eléctrica y de calor, así como su resistencia a la corrosión, su maleabilidad y ductilidad. Todas estas propiedades y usos del cobre son muy conocidas, pero al reducir el tamaño de este metal, hasta el nivel de nanopartícula, adquiere nuevas propiedades como son sus propiedades bactericidas, fungicidas y acaricidas. En la actualidad se vienen desarrollando diversos estudios de las nuevas propiedades de las nanopartículas de cobre, uno de los cuales están orientados a lograr su estabilidad, puesto que las nanopartículas de cobre, se aglomeran rápidamente entre sí o son muy sensibles al oxígeno del medio ambiente.

Tecnología desarrollada en Chile permite que las características biocidas del cobre puedan aplicarse en diferentes productos de uso diario. Incluso prótesis de niños atendidos por la Teletón utilizan tecnología que logra prevenir infecciones en la piel.

¿Se imagina usted que, desde el mismísimo norte de Chile, desde el fondo de la tierra en Chuquicamata, salga un pedazo de nuestro mineral nacional y llegue a la puerta de su casa? No piense en una barra de cobre, ni en un lingote, ni una cañería, tampoco un alambre de este material. No, se trata de algo bastante más novedoso, tecnológico y microscópico. Mucho más que microscópico, de tamaño nano. Cuando hablamos de escala nano, hablamos de cosas tan pequeñas que equivale a una millonésima de un milímetro. Es decir, tan pequeño que es imposible de ver por el ojo humano.

Actualmente la nanotecnología en cobre se utiliza en diversos usos como por ejemplo en el interior de lavadoras de ropa, en esponjas para lavar vajilla, en limpiadores de piso, en el interior de ambulancias para mejorar su higiene, etc.

 “En nuestros productos las nanotecnologías de cobre juegan un papel fundamental. Lo más interesante es que generamos valor a través de innovación en tecnología desarrollada 100% en nuestro país y con minerales 100% chilenos”, explica Patricio Jarpa, Gerente General de Nanotec Chile, la primera empresa chilena dedicada a la investigación, producción y comercialización de nanotecnología aplicada. Esto ha permitido nuevos usos para el cobre, mineral que se caracteriza por sus beneficios biocidas (antibacterial, fungicida y antiviral) reconocidos por la FDA y la EPA de Estados Unidos.

Esta innovación también ha llegado a la Teletón. “Hace más de un año que se están aplicando nanopartículas de cobre en la última capa de resina que recubre el interior de las prótesis, y que hace contacto directo con la piel del muñón, cuenta Jarpa.

“La incorporación de este mineral evita infecciones en la piel de quienes usan las prótesis. La piel, al estar encerrada y expuesta a humedad, es propensa a infecciones bacterianas y micóticas que en una década afectan a más del 27% de quienes usan prótesis”, explica la doctora Jacqueline Dote, subdirectora del Laboratorio de Órtesis y Prótesis de la Teletón. “Hemos visto que la cantidad de foliculitis y dermatitis ha disminuido o desaparecido”, señala la experta, quien está completando la primera etapa del control y seguimiento de los pacientes.

¿Nano qué?

La nanociencia es la manipulación de la materia a escala atómica: de 1 a 100 nanómetros. Y la nanotecnología interviene en el diseño, producción y empleo de estructuras y objetos, utilizando partículas mínimas llamadas nanomateriales. Estos tienen propiedades físicas y químicas sorprendentes que pueden ayudar a combatir enfermedades, reducir la contaminación, limpiar la energía y ofrecer mejor calidad de vida de las personas. Estas cosas diminutas que llamamos nanopartículas son capaces de transformar la materia que conocemos, por materias que se modifican a la vista, cambian sus atributos eléctricos, su física, su química y hasta su biología.  Se hacen tremendamente reactivas y eficientes en superficie, por tanto, transforman las propiedades de las cosas que conocíamos. “Las industrias aprovechan esta tecnología, porque con ella podemos hacer materiales más resistentes para la construcción; más livianos, como requiere la aeronáutica; más efectivos y menos invasivos, ideales para tratamientos médicos; más absorbentes, para mejorar insumos aplicados en tratamientos de agua; y más conductivos, ofreciendo cambios relevantes para la electrónica”, comenta Patricio Jarpa.

La Unión Europea ha definido a las nanopartículas como “aquellos materiales cuyos principales componentes poseen un tamaño entre 1 a 100.000 millonésimas de metro”, similar en escala nanométrica entre 1 a 100 nanómetros.

A continuación, se presenta una tabla comparativa de tamaños, que permite comprender la magnitud del diámetro de nuestras nanopartículas de cobre presentes en la tecnología “Nanomit”, cuyo promedio corresponde a 7 nanómetros.

Desde que el cobre y sus aleaciones fueron calificados como materiales antimicrobianos el 2008, este se transformó en la solución ideal para disminuir las altas tasas de infecciones intrahospitalarias que afectan a centros de salud de todo el mundo. Sin embargo, sus elevados costos y limitaciones en su uso han frenado su expansión. Fue en este contexto que un grupo de investigadores del Departamento de Ingeniería Química y Biotecnología de la FCFM, enfocado en el desarrollo de nuevos materiales poliméricos, decidió ampliar sus horizontes y crear una alternativa innovadora y eficiente para expandir la propiedad bactericida de este metal.

Millones de personas en todo el mundo extienden anualmente su estadía en hospitales y clínicas debido al contagio de infecciones intrahospitalarias, situación que implica no solo un peligro para la salud de los pacientes, sino también una carga económica extra al sistema de salud.

Cuando la Agencia de Protección del Medio Ambiente (EPA) de Estados Unidos declaró al cobre y sus aleaciones como el primer material de superficie sólida antimicrobiano del mundo, las miradas se centraron en este sector, pero con ciertas limitaciones a las posibilidades de convertirse en una solución concreta debido a los altos costos del metal y a la poca versatilidad en su utilización.

En este escenario, una idea innovadora surgió en el Laboratorio de Polímeros del Departamento de Ingeniería Química y Biotecnología (DQyB), cuando los académicos Humberto Plaza y Raúl Quijada se preguntaron sobre las posibilidades de unir sus conocimientos a la necesidad de ampliar el carácter bactericida del cobre. “El 2006 comenzamos postulando la hipótesis de que ponerle nano partículas de cobre a una matriz polimérica iba a dar como resultado un polímero antimicrobiano. Con el tiempo pudimos validarla y así iniciamos estudios para profundizar los mecanismos sobre cómo se logran estas propiedades”, explica el Prof. Plaza.

La mezcla de polímeros —constituyentes del plástico— y partículas es una de las muchas maneras para desarrollar nuevos materiales. Estos compuestos o compósitos se realizan a través de procesos como el moldeo por extrusión, donde el polímero es fundido para combinarlo con aditivos específicos según las características que se les quiera dar. Al respecto, una de las novedades de este proyecto fue la incorporación de nanomateriales. “Las nanopartículas optimizan mucho sus propiedades; son partículas tan pequeñas que tienen más áreas específicas por lo que, en general, potencian más sus características en el polímero, mucho más que las micropartículas que usualmente se utilizan”, indica Plaza.

Nuevas tecnologías

Fue así que las investigaciones financiadas principalmente por Fondecyt e Innova Corfo comenzaron a dar sus frutos, las cuales se tradujeron en la creación de dos nuevas tecnologías ligadas al diseño de aditivos basados en cobre para aplicaciones antimicrobianas: un masterbatch y la producción de nanopartículas de cobre híbridas.

“El masterbatch es un concentrado, una tecnología muy usada en la industria del plástico. En nuestro caso, el concentrado es de polímero con nanopartículas de cobre, diseñado de tal manera que cuando se introduce a la extrusora se diluye y genera un producto plástico con la dosificación del cobre que se requiere”, explica el académico. Esta metodología controla diferentes variables por lo que cada polímero y aplicación requiere un diseño puntual de un masterbatch. “Además, desde un punto de vista estratégico es una tecnología que no afecta a la línea de procesamiento de ningún producto, por lo que su uso no requiere gastos adicionales”, agrega.

La segunda tecnología se relaciona con la creación de nanopartículas híbridas. Tal como explica el Prof. Plaza: “el cobre metálico tiene una densidad cercana a 9 g/cm3, lo que es muy pesado para mezclarlo con ciertos materiales. Por lo que tomamos un mineral natural o sintético —que en general son óxidos, con densidades cercanas a 3 g/cm3, y son mucho más baratos—, y le pusimos nanopartículas de cobre en la superficie con el objetivo de hacer a estas últimas más estables. Esta tecnología sirve, por ejemplo, para incorporar la propiedad antimicrobial a las pinturas que son un tipo de polímero, ya que, si pusiéramos solo las nanopartículas de cobre, por su densidad estas decantarían”.

Ventajas

Aunque la propiedad antimicrobiana será más potente en una lámina de cobre —o su aleación— que, en una de plástico con aditivo del metal, la eficacia es similar. “La ventaja de un compósito plástico versus una aleación es que puedes diseñar exactamente cuánto quieres de cobre y cuánto quieres que se libere de él. En cambio, el bronce no se puede manipular por lo que no tienes ninguna capacidad de control”, señala el académico. A esto se suma la disminución en el costo tanto en el proceso de producción como en el material mismo, el abanico de posibilidades de uso del plástico, y la oxidación. “Si bien esta tecnología sí se oxida —el cobre para que sea antimicrobiano tiene que oxidarse—, es mucho menos que en una aleación de cobre, ya que la superficie siempre tiene una película polimérica que la protege, y como son nanopartículas dispersas, el proceso de oxidación es mucho más lento y menor con respecto a una superficie metálica”, explica.

Gracias a los buenos resultados, ambas tecnologías fueron patentadas y posteriormente licenciadas por la Universidad de Chile a la empresa Plasticopper para su futura comercialización. “Para nosotros es importante que la Facultad luzca no solo en investigación sino también en transferencia tecnológica, sobre todo, en este tipo de proyectos donde se han formado estudiantes de doctorado, magíster y pregrado”, señala el Prof. Plaza.

Si bien el proyecto ya está en su etapa final, aún quedan líneas de investigación por cerrar. Actualmente se está trabajando en la creación de mallas de cultivo de salmones. Estas redes, al estar bajo el agua, se cubren rápidamente de bacterias, algas y moluscos —denominado biofouling—, provocando pérdidas en la productividad y aumento del valor de la producción.  Los compósitos de cobre y polímero evitarían el desarrollo de este fenómeno, lo que conllevaría a una disminución de los costos. “Ahora tenemos que probar in situ estas nuevas tecnologías. Queremos validar que estas mallas son antifouling en su uso real, que los plásticos son antimicrobianos en su uso cotidiano. Para eso tenemos que llevar la tecnología al mar, a algunos centros médicos, producir muebles para hospitales; la idea es que todos los implementos plásticos que se utilicen dentro de un hospital sean recubiertos con esta tecnología, y así hacerles un seguimiento”. Comunicaciones FCFM – U. de Chile

Las propiedades antibacterianas, antivirales y antifúngicas del cobre podrían convertir este metal en el mejor aliado de la ciencia y la tecnología para hacer frente a la capacidad de contagio del virus SARS-CoV-2, que causa la enfermedad del COVID-19. Un equipo de investigadores de varias universidades chilenas, coordinado por el doctor Aarón Cortés, está ultimando un estudio que puede probar la eficacia del cobre para eliminar el virus. Las nanopartículas y la tecnología 3D de empresas como Cooper3D permiten además fabricar todo tipo de materiales de fibra de cobre para inactivar el virus al entrar en contacto. 

No es una vacuna, ni la solución para la pandemia de coronavirus que afecta ya a más de 170 países de todo el mundo, pero el cobre, como quiere demostrar este equipo de investigadores chileno, puede atacar a la parte más peligrosa del COVID-19 que es su enorme capacidad de contagio. “El cobre ataca a bacterias, hongos y virus. Cualquier microbio se ve afectado por este metal porque lo que hace es romper la cápsula exterior que tienen todas las partículas virales y eso hace que se inactive el virus y que impida su reproducción”, explica Aarón Cortés, coordinador del equipo formado por investigadores de la Universidad de Chile y la Universidad de los Andes con el apoyo del Instituto de Salud Pública.

Las propiedades antimicrobianas del cobre son muy potentes, comparables sólo con las del oro y la plata, pero estas son mucho más caras para trabajar a gran escala. En Chile, el mayor productor mundial de cobre, ya se conocían sus propiedades antes de la pandemia. De hecho, las primeras líneas de investigación partieron de la industria minera: “Se fabricaron calcetines y ropa interior con fibra de cobre para los mineros, porque ellos estaban expuestos durante muchas horas en ambientes muy húmedos y en un 80 % desarrollaban patologías e infecciones en los pies. La ropa con fibra de cobre tuvo un impacto muy significativo en la mejora de estas patologías”, explica Cortés. También se ha demostrado eficaz contra otros virus como Influenza o el VIH, entre otros. 

Ahora la investigación ha seguido avanzando y con la llegada de la nanotecnología y la tecnología 3D se puede hacer todavía mucho más. “Una cosa que hemos aprendido en el estudio sobre el efecto del cobre en términos antivirales es que cuánto más pequeñas sean las partículas, mayor es el efecto. Por lo tanto, poner una lámina de cobre es útil y una buena estrategia para instrumentos y accesorios en hospitales, pasamanos, transporte público, etc. Pero si se logra poner nanopartículas de cobre en otros materiales, por ejemplo, mascarillas, el efecto es mucho más potente y mucho más rápido a la hora de inactivar el virus”, añade. 

Por eso es tan prometedor el proyecto de la empresa chilena Cooper 3D, referente mundial en la creación de material antimicrobiano para la impresión 3D: unas mascarillas reutilizables, lavables y de bajo coste impresas con material que lleva nanopartículas de cobre, y cuyo código se ha abierto para que quien quiera se lo pueda descargar. Desde entonces han tenido más de 7 millones de descargas (80% son de EE.UU. y Europa). Incluso les han contactado de varios servicios de salud de España, Italia y Francia, además de estudiantes de medicina de Harvard que están asistiendo en centro médicos de Boston.

La gran ventaja que podrían tener estas mascarillas con aleaciones de cobre es que irían desactivando el virus según éste se va depositando a la mascarilla o pasando por sus filtros, como se ha demostrado que hace con la cepa anterior al COVID-19, que efectivamente quedaba destruida al contacto con la mascarilla.

“Hay literatura suficiente que nos indica que el cobre podía eliminar e inactivar el virus SARS-CoV-2”, añade Cortés. Sin embargo, quiere ser muy prudente y evitar extender falsas expectativas. “Este virus es muy parecido al anterior, de hecho, solo hay un 20% de diferencia genética, pero esta diferencia nos puede dar una sorpresa muy desagradable. Si lo comparamos con la influenza, o el SARS-CoV-1 el coronavirus es menos virulento. Su tasa de mortandad es menor, pero como contagia a tanta gente la incidencia de muerte al final es mucho más alta. Toda esta pandemia se va por ese 20% de diferencia entre la cepa actual y la anterior, por la enorme facilidad para contagiarse de una persona a otra”. 

Hasta ahora, solo ha habido un estudio, el publicado en el The New England Journal of Medicine recientemente, que ha probado la duración del SARS-CoV-2 en una superficie de cobre, en concreto en una lámina. Y, según sus responsables, el virus puede quedarse ahí hasta 4 horas. Sin embargo, apunta Aarón Cortés, lo que nosotros queremos probar es cuánto tarda el virus en desaparecer de superficies o materiales que contengan nanopartículas de cobre “porque seguramente la inactivación del virus va a ser mucho más rápida”.

En Chile han surgido empresas que aprovechan las propiedades antimicrobianas del metal rojo para la fabricación de ropa deportiva y uniforme para mineros, innovaciones chilenas que buscan entregar soluciones a problemas globales. Ya desde antes de la pandemia se está utilizando el cobre en ese país en muchas superficies hospitalarias como las barras de las camas, los pasamanos, o en los recipientes para guardar el instrumental. Incluso se están incentivando diferentes estrategias para aumentar el uso del cobre. Ahora, con la pandemia mundial que estamos sufriendo, “lo que falta para dar el gran empujón y poder empezar el desarrollo y la producción masiva de materiales como mascarillas o vestuario hospitalario es finalmente tener ese estudio que demuestre que el COVID-19 se muere rápido al contacto con el cobre”. Y ese momento podría llegar en apenas un mes o mes y medio, antes de que empiece el invierno austral. 

El agua dura provoca más de un 10% de sobre consumo de gas. Sólo un 1 milímetro de incrustación en un sistema térmico reduce la transferencia de calor, lo cual es un gran gasto adicional de energía.
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La dureza del agua en Chile es una de la más alta del mundo desde la región metropolitana hacia el Norte de Chile, llegando a valores en algunas localidades sobre los 900 ppm de carbonato de calcio.

Los valores normales de la dureza del agua se definen en los siguientes intervalos:

• ​Blanda: 60 ppm
• Levemente dura: 60 a 120 ppm
• Dura: 120 a 180 ppm
• Extremadamente dura: más de 180 pp

Calidad del agua es un factor que incide directamente en la salud de los ecosistemas y el bienestar humano: de ella depende la biodiversidad, la calidad de los alimentos, las actividades económicas, etc. Por tanto, la calidad del agua es también un factor influyente en la determinación de la pobreza o riqueza de un país.

El agua es el elemento vital y básico como necesidad para todos los seres vivos del planeta, ya sean; seres humanos, animales y vegetales, etc.

Los organismos acuáticos requieren de mayores niveles de pureza, mientras que para obtener energía hidráulica, por ejemplo, las normas de calidad son mucho menos importantes. Sin embargo, debemos tener en cuenta que después de su uso el agua suele volver de nuevo al sistema hidrológico, de manera que si se deja sin tratamiento puede acabar afectando gravemente al medio ambiente.

La contaminación es uno de los problemas ambientales más importantes que afectan a nuestro planeta y surge cuando se produce un desequilibrio, como resultado de la adición de cualquier sustancia al medio ambiente, en cantidad tal, que cause efectos adversos en el hombre, en los animales, vegetales o materiales expuestos a dosis que sobrepasen los niveles aceptables en la naturaleza.

Las fuentes que generan contaminación de origen antropogénico más importantes son: industriales (frigoríficos, mataderos y curtiembres, actividad minera y petrolera), comerciales (envolturas y empaques), agrícolas (agroquímicos), domiciliarias (envases, pañales, restos de jardinería) y fuentes móviles (gases de combustión de vehículos).

Los contaminantes constituyen la principal causa de la degradación de la calidad de agua en todo el mundo.