Un nou estudi liderat per l’Institut de Bioenginyeria de Catalunya (IBEC) ha presentat el primer biomaterial que no només és resistent a l’aigua, sinó que es torna més fort en entrar en contacte amb l’aigua. El material s’obté mitjançant la incorporació de níquel en l’estructura del quitosan, un polímer derivat de la quitina que s’obté de les deixalles de closques de gambes. El desenvolupament d’aquest nou biomaterial, publicat a Nature Communications, mostra com els materials sostenibles poden connectar amb el seu entorn i aprofitar-lo, utilitzant l’aigua que els envolta per aconseguir un rendiment mecànic superior al dels plàstics convencionals i trencant amb la mentalitat de l’era del plàstic basada a aïllar els materials del medi ambient.
Els plàstics s’han convertit en una part integral de la societat moderna gràcies a la seva durabilitat i resistència a l’aigua. Tanmateix, són precisament aquestes propietats les que els converteixen en disruptors persistents dels cicles ecològics. Com a resultat, el plàstic no recuperat s’acumula en els ecosistemes i s’ha tornat un component cada vegada més omnipresent de les cadenes alimentàries mundials, cosa que suscita una creixent preocupació pels seus possibles efectes nocius en la salut humana.
Durant més d’un segle hem assumit que, per funcionar a la natura, els materials se n’han d’aïllar. Aquesta investigació demostra el contrari: els materials poden prosperar interactuant amb el seu entorn en lloc d’aïllar-se’n.
Javier G. Fernández
En un esforç per abordar aquest desafiament, s’ha explorat àmpliament l’ús de biomaterials com a alternativa als plàstics convencionals. Tanmateix, la seva adopció generalitzada s’ha vist limitada per un inconvenient fonamental: la majoria dels materials biològics es debiliten quan s’exposen a l’aigua. Tradicionalment, aquesta vulnerabilitat ha obligat els enginyers i enginyeres a recórrer a modificacions químiques o a recobriments protectors, cosa que acaba per soscavar els avantatges de sostenibilitat que ofereixen les solucions basades en biomaterials.
Ara, un estudi dirigit per l‘Institut de Bioenginyeria de Catalunya (IBEC), en col·laboració amb la Singapore University of Technology and Design (SUTD), li ha donat la volta a aquest paradigma. Inspirant-se en la cutícula dels artròpodes, els investigadors van adaptar el quitosan —la segona molècula orgànica més abundant a la Terra després de la cel·lulosa— per crear un material biointegrat que no només resisteix la hidratació, sinó que augmenta la seva força en mullar-se, assolint valors molt superiors als dels plàstics convencionals.
El més important és que el procés no altera la naturalesa biològica del quitosan. «El material continua sent biològicament pur als ulls de la natura; continua sent essencialment la mateixa molècula que es troba en les closques dels insectes o en els fongs», explica Javier G. Fernández, professor de recerca ICREA en l’IBEC, investigador principal del grup de Materials i Enginyeria Biointegrats i líder de l’estudi. Aquesta puresa permet una reintegració perfecta del material en els cicles ecològics naturals, sense necessitat de ser recuperat.
Aquest mètode innovador, publicat a Nature Communications, demostra el potencial d’un canvi de paradigma en la fabricació, amb una producció de residu zero tant de consumibles com d’objectes de gran mida que podria satisfer la demanda mundial de plàstic.
Un canvi de paradigma inspirat en la natura
Segons Fernández, la majoria dels materials actuals —des dels plàstics fins als biopolímers dissenyats en laboratori— estan concebuts per suportar les condicions ambientals. «Durant més d’un segle hem assumit que, per funcionar a la natura, els materials se n’han d’aïllar», explica. «Aquesta investigació demostra el contrari: els materials poden prosperar interactuant amb el seu entorn en lloc d’aïllar-se’n.»
L’estudi es va inspirar en una observació fortuïta: quan s’elimina el zinc dels ullals del cuc de sorra Nereis virens, aquests es tornen susceptibles a la hidratació i s’estoven en submergir-los en aigua. Aquesta troballa suggereix que els metalls poden exercir un paper clau en la forma en què els materials naturals interactuen amb l’aigua.
Si bé se sap que els metalls reforcen les estructures biològiques, els investigadors van plantejar que també podrien controlar la hidratació dels materials basats en quitina, un polímer natural present en els closques dels crustacis. Per posar a prova aquesta teoria, l’equip es va centrar en el níquel, un oligoelement d’origen natural que interactua fàcilment amb la quitina i es dissol a l’aigua.
Cada any, el món produeix al voltant de cent mil milions de tones de quitina, l’equivalent a tres segles de producció de plàstic.
Akshayakumar Kompa
L’equip va incorporar níquel al quitosan, un material derivat de la quitina que s’obté de les deixalles de closques de gambes, i el va processar en pel·lícules primes. Els científics van observar que el material es torna més fort quan se submergeix en aigua, mostrant un augment de la força de fins a un 50% després de la immersió.
En el nou material, l’aigua esdevé un component estructural actiu. Una xarxa dinàmica d’enllaços febles i reversibles que es trenquen i es tornen a formar contínuament gràcies a la mobilitat dels ions de níquel i les molècules d’aigua circumdants. Aquesta reconfiguració microscòpica constant permet al material absorbir la tensió mecànica i reorganitzar-se, imitant el comportament de les estructures biològiques naturals.
Fernández resumeix això com «un material en què el fet de ser «tou» a escala molecular el fa més fort».
Producció sense residus i a escala global
L’estudi també demostra un procés de fabricació de residu zero. Durant la immersió inicial del material en aigua, la major part del níquel que no contribueix als enllaços estructurals s’allibera. En lloc de rebutjar aquesta barreja, l’equip va dissenyar un cicle en el qual passa a ser el punt de partida per produir la següent tanda de material, aconseguint així una eficiència del 100% en l’ús del níquel.
El nostre objectiu és integrar la producció d’aquests materials en l’ecosistema local utilitzant qualsevol forma de quitosan disponible a la zona.
Akshayakumar Kompa
Aquest enfocament permet recuperar i reutilitzar completament el níquel, la qual cosa redueix de forma dràstica tant l’impacte mediambiental com els costos.
L’aplicació del procés a gran escala és igualment prometedora. Els autors destaquen que els polímers basats en quitina es produeixen en la natura a una escala enorme, cosa que els converteix en candidats ideals per a la fabricació sostenible del futur. «Cada any, el món produeix al voltant de cent mil milions de tones de quitina, l‘equivalent a tres segles de producció de plàstic», afirma Akshayakumar Kompa, investigador postdoctoral del grup de Fernández i primer autor de l’estudi.
A més, el quitosan pot produir-se localment, en lloc de dependre d’una única font global. Si bé les closques de gamba continuen sent la principal font industrial, el quitosan també es pot obtenir mitjançant la bioconversió de residus orgànics, que van des de residus alimentaris urbans fins a subproductes fúngics. «La clau és adaptar-se a les fonts locals», afirma Kompa. «El nostre objectiu és integrar la producció d’aquests materials en l’ecosistema local utilitzant qualsevol forma de quitosan disponible a la zona».
Una alternativa prometedora al plàstic
S’espera que les primeres aplicacions sorgeixin en agricultura, material de pesca o embalatge, així com en altres usos relacionats amb l’ aigua, on existeix una necessitat urgent de materials biodegradables i resistents a l’aigua.
Si bé l’equip ha prioritzat l’escalabilitat industrial i els costos, centrant-se inicialment en aplicacions agrícoles, tant el níquel com el quitosan compten individualment amb l’aprovació de la FDA per a determinats usos mèdics. En conseqüència, els resultats podrien obrir també la porta a aplicacions en l‘àmbit sanitari, inclosos recobriments impermeables per a biomaterials.
A més, la capacitat d’aquest material per formar recipients estancs—demostrada en l’estudi mitjançant la fabricació de gots i làmines de gran mida—subratlla el seu potencial per substituir certs plàstics d’un sol ús.
Els autors assenyalen que és probable que el níquel no sigui l’única molècula capaç de generar aquest fenomen. Ara que es comprèn el principi, altres combinacions podrien ampliar les possibilitats de reforçar biomaterials mitjançant l’aigua.
«Aquest és el primer estudi. Ara que sabem que aquest efecte existeix, nosaltres i d’altres podem buscar nous materials i noves formes d’aconseguir-ho», assenyala Fernández.
Aquest descobriment representa un canvi de mentalitat respecte a l’era del plàstic. En lloc d’obligar les molècules biològiques a comportar-se com a materials sintètics, l’equip de l’IBEC adopta la lògica dels sistemes naturals: estructures dinàmiques, producció regional, integració ecològica i zero residus.
Per a Kompa i Fernández, el missatge és clar: per construir un futur sostenible, hem de dissenyar materials que treballin amb l’entorn, no aïllant-se’n.
Article de referència:
Akshayakumar Kompa and Javier G Fernandez. Stronger when wet: Aquatically robust chitinous objects via zero-waste coordination with metallic ions. Nature Communications (2026). DOI: https://www.nature.com/articles/s41467-026-69037-4
