La seda de araña inspira una nueva clase de polímeros sintéticos funcionales: El material conductor basado en proteínas puede ser usado en celdas de combustible, baterías o actuar como sensor

He estado trabajando en materiales conductores de protones desde mi doctorado’, dice Portale. Encuentro fascinante saber qué hace que un material transporte un protón, así que trabajé mucho en la optimización de las estructuras a nivel de nanoescala para obtener una mayor conductividad. Pero fue hace sólo unos años que consideró la posibilidad de hacerlas a partir de estructuras biológicas, similares a las proteínas. Llegó a esta idea junto con el profesor Andreas Hermann, un antiguo colega de la Universidad de Groningen, que ahora trabaja en el DWI – Instituto Leibniz de Materiales Interactivos en Alemania. Pudimos ver inmediatamente que los biopolímeros conductores de protones podrían ser muy útiles para aplicaciones como la bioelectrónica o los sensores”, dice Portale.

Grupos más activos, más conductividad

Pero primero, tenían que ver si la idea funcionaría. Portale: “Nuestro primer objetivo era demostrar que podíamos ajustar con precisión la conductividad de los protones de los polímeros basados en proteínas, ajustando el número de grupos ionizables por cadena de polímeros”. Para ello, los investigadores prepararon una serie de biopolímeros no estructurados que tenían diferentes números de grupos ionizables, en este caso, grupos de ácido carboxílico. Su conductividad protónica se escaló linealmente con el número de grupos de ácido carboxílico cargados por cadena. No fue innovador, todo el mundo conoce este concepto. Pero estábamos encantados de haber sido capaces de hacer algo que funcionara como se esperaba’, dice Portale.

Para el siguiente paso, Portale confió en su experiencia en el campo de los polímeros sintéticos: “He aprendido a lo largo de los años que la nanoestructura de un polímero puede influir enormemente en la conductividad. Si tienes la nanoestructura correcta, permite que las cargas se agrupen y aumenten la concentración local de estos grupos iónicos, lo que aumenta drásticamente la conductividad de los protones”. Como el primer lote de biopolímeros era completamente amorfo, los investigadores tuvieron que cambiar a un material diferente. Decidieron utilizar una proteína conocida que tenía la forma de un barril. “Diseñamos esta proteína en forma de barril y añadimos a su superficie filamentos que contienen ácido carbocíclico”, explica Portale. “Esto aumentó la conductividad en gran medida.

El nuevo polímero de seda de la araña

Desafortunadamente, el polímero del barril no era muy práctico. No tenía resistencia mecánica y era difícil de procesar, así que Portale y sus colegas tuvieron que buscar una alternativa. Aterrizaron en un polímero natural muy conocido: la seda de araña. “Este es uno de los materiales más fascinantes de la naturaleza, porque es muy fuerte pero también puede ser usado de muchas maneras diferentes”, dice Portale. Sabía que la seda de araña tiene una nanoestructura fascinante, así que diseñamos un polímero similar a una proteína que tiene la estructura principal de la seda de araña, pero que fue modificado para albergar hebras de ácido carbocíclico.

El nuevo material funcionó como un encanto. Encontramos que se auto-ensambla a nanoescala de manera similar a la seda de araña mientras crea densos grupos de grupos cargados, que son muy beneficiosos para la conductividad de los protones”, explica Portale. Y fuimos capaces de convertirla en una robusta membrana de un centímetro de tamaño. La conductividad de protones medida fue más alta que la de cualquier biomaterial conocido previamente, pero aún no están ahí, según Portale: “Esto fue principalmente un trabajo fundamental. Para aplicar este material, tenemos que mejorarlo y hacerlo procesable”.

Sueños

Pero aunque el trabajo aún no está hecho, Portale y sus colaboradores ya pueden soñar con aplicar su polímero: “Creemos que este material podría ser útil como una membrana en las células de combustible. Tal vez no para las células de combustible a gran escala que se ven en los coches y las fábricas, sino más bien a pequeña escala. Hay un campo creciente de dispositivos bio-electrónicos implantables, por ejemplo, marcapasos con glucosa. En los próximos años, esperamos descubrir si nuestro polímero puede marcar la diferencia allí, ya que ya es biocompatible.

A corto plazo, Portale piensa principalmente en los sensores. La conductividad que medimos en nuestro material está influenciada por factores del entorno, como la humedad o la temperatura. Así que si quieres almacenar algo a una cierta humedad puedes colocar este polímero entre dos electrodos y medir si algo cambia”. Sin embargo, antes de que todos estos sueños se hagan realidad, hay un montón de preguntas por responder. Estoy muy orgulloso de que hayamos podido controlar estos nuevos materiales a escala molecular y construirlos desde cero. Pero todavía tenemos que aprender mucho sobre sus capacidades y ver si podemos mejorarlos aún más.