Un nuevo estudio liderado por el Instituto de Bioingeniería de Cataluña (IBEC) ha presentado el primer biomaterial que no solo es resistente al agua, sino que se vuelve más fuerte al entrar en contacto con el agua. El material se obtiene mediante la incorporación de níquel en la estructura del quitosano, un polímero derivado de la quitina que se obtiene de los desechos de cáscaras de gambas. El desarrollo de este nuevo biomaterial, publicado en Nature Communications, muestra cómo los materiales sostenibles pueden conectar con su entorno y aprovecharlo, utilizando el agua que los rodea para lograr un rendimiento mecánico superior al de los plásticos convencionales y rompiendo con la mentalidad de la era del plástico basada en aislar los materiales del medio ambiente.
Los plásticos se han convertido en una parte integral de la sociedad moderna gracias a su durabilidad y resistencia al agua. Sin embargo, son precisamente estas propiedades las que los convierten en disruptores persistentes de los ciclos ecológicos. Como resultado, el plástico no recuperado se acumula en los ecosistemas y se ha vuelto un componente cada vez más omnipresente de las cadenas alimentarias mundiales, lo que suscita una creciente preocupación por sus posibles efectos nocivos en la salud humana.
Durante más de un siglo hemos asumido que, para funcionar en la naturaleza, los materiales deben aislarse de ella. Esta investigación demuestra lo contrario: los materiales pueden prosperar interactuando con su entorno en lugar de aislarse de él.
Javier G. Fernández.
En un esfuerzo por abordar este desafío, se ha explorado ampliamente el uso de biomateriales como alternativa a los plásticos convencionales. Sin embargo, su adopción generalizada se ha visto limitada por un inconveniente fundamental: la mayoría de los materiales biológicos se debilitan cuando se exponen al agua. Tradicionalmente, esta vulnerabilidad ha obligado a los ingenieros e ingenieras a recurrir a modificaciones químicas o a recubrimientos protectores, lo que termina por socavar las ventajas de sostenibilidad que ofrecen las soluciones basadas en biomateriales.
Ahora, un estudio dirigido por el Instituto de Bioingeniería de Cataluña (IBEC), en colaboración con la Singapore University of Technology and Design (SUTD), le ha dado la vuelta a este paradigma. Inspirándose en la cutícula de los artrópodos, los investigadores adaptaron el quitosano —la segunda molécula orgánica más abundante en la Tierra después de la celulosa— para crear un material biointegrado que no solo resiste la hidratación, sino que aumenta su fuerza al mojarse, alcanzando valores muy superiores a los de los plásticos convencionales.
Lo más importante es que el proceso no altera la naturaleza biológica del quitosano. «El material sigue siendo biológicamente puro a los ojos de la naturaleza; sigue siendo esencialmente la misma molécula que se encuentra en los caparazones de los insectos o en los hongos», explica Javier G. Fernández, profesor de investigación ICREA en el IBEC, investigador principal del grupo de Materiales e Ingeniería Biointegrados y líder del estudio. Esta pureza permite una reintegración perfecta del material en los ciclos ecológicos naturales, sin necesidad de ser recuperado.
Este método innovador, publicado en Nature Communications, demuestra el potencial de un cambio de paradigma en la fabricación, con una producción residuo cero tanto de consumibles como de objetos de gran tamaño que podría satisfacer la demanda mundial de plástico.
Un cambio de paradigma inspirado en la naturaleza
Según Fernández, la mayoría de los materiales actuales —desde los plásticos hasta los biopolímeros diseñados en laboratorio— están concebidos para soportar las condiciones ambientales. «Durante más de un siglo hemos asumido que, para funcionar en la naturaleza, los materiales deben aislarse de ella», explica. «Esta investigación demuestra lo contrario: los materiales pueden prosperar interactuando con su entorno en lugar de aislarse de él.»
El estudio se inspiró en una observación fortuita: cuando se elimina el zinc de los colmillos del gusano de arena Nereis virens, estos se vuelven susceptibles a la hidratación y se ablandan al sumergirlos en agua. Este hallazgo sugiere que los metales pueden desempeñar un papel clave en la forma en que los materiales naturales interactúan con el agua.
Si bien se sabe que los metales refuerzan las estructuras biológicas, los investigadores plantearon que también podrían controlar la hidratación de los materiales basados en quitina, un polímero natural presente en los caparazones de los crustáceos. Para poner a prueba esta teoría, el equipo se centró en el níquel, un oligoelemento de origen natural que interactúa fácilmente con la quitina y se disuelve en el agua.
Cada año, el mundo produce alrededor de cien mil millones de toneladas de quitina, el equivalente a tres siglos de producción de plástico.
Akshayakumar Kompa
El equipo incorporó níquel al quitosano, un material derivado de la quitina que se obtiene de los desechos de cáscaras de gambas, y lo procesó en películas delgadas. Los científicos observaron que el material se vuelve más fuerte cuando se sumerge en agua, mostrando un aumento de la fuerza de hasta un 50 % tras la inmersión.
En el nuevo material, el agua se convierte en un componente estructural activo. Una red dinámica de enlaces débiles y reversibles que se rompen y se vuelven a formar continuamente gracias a la movilidad de los iones de níquel y las moléculas de agua circundantes. Esta reconfiguración microscópica constante permite al material absorber la tensión mecánica y reorganizarse, imitando el comportamiento de las estructuras biológicas naturales.
Fernández resume esto como «un material en el que el hecho de ser «blando» a escala molecular lo hace más fuerte».
Producción sin residuos y a escala global
El estudio también demuestra un proceso de fabricación de residuo cero. Durante la inmersión inicial del material en agua, la mayor parte del níquel que no contribuye a los enlaces estructurales se libera. En lugar de desechar esta mezcla, el equipo diseñó un ciclo en el que pasa a ser el punto de partida para producir la siguiente tanda de material, logrando así una eficiencia del 100% en el uso del níquel.
Nuestro objetivo es integrar la producción de estos materiales en el ecosistema local utilizando cualquier forma de quitosano disponible en la zona.
Akshayakumar Kompa
Este enfoque permite recuperar y reutilizar completamente el níquel, lo que reduce de forma drástica tanto el impacto medioambiental como los costes.
La aplicación del proceso a gran escala es igualmente prometedora. Los autores destacan que los polímeros basados en quitina se producen en la naturaleza a una escala enorme, lo que los convierte en candidatos ideales para la fabricación sostenible del futuro. «Cada año, el mundo produce alrededor de cien mil millones de toneladas de quitina, el equivalente a tres siglos de producción de plástico», afirma Akshayakumar Kompa, investigador posdoctoral del grupo de Fernández y primer autor del estudio.
Además, el quitosano puede producirse localmente, en lugar de depender de una única fuente global. Si bien las cáscaras de gamba siguen siendo la principal fuente industrial, el quitosano también se puede obtener mediante la bioconversión de residuos orgánicos, que van desde residuos alimentarios urbanos hasta subproductos fúngicos. «La clave es adaptarse a las fuentes locales», afirma Kompa. «Nuestro objetivo es integrar la producción de estos materiales en el ecosistema local utilizando cualquier forma de quitosano disponible en la zona».
Una alternativa prometedora al plástico
Se espera que las primeras aplicaciones surjan en agricultura, material de pesca o embalaje, así como en otros usos relacionados con el agua, donde existe una necesidad urgente de materiales biodegradables y resistentes al agua.
Si bien el equipo ha priorizado la escalabilidad industrial y los costes, centrándose inicialmente en aplicaciones agrícolas, tanto el níquel como el quitosano cuentan individualmente con la aprobación de la FDA para determinados usos médicos. En consecuencia, los resultados podrían abrir también la puerta a aplicaciones en el ámbito sanitario, incluidos recubrimientos impermeables para biomateriales.
Además, la capacidad de este material para formar recipientes estancos—demostrada en el estudio mediante la fabricación de vasos y láminas de gran tamaño—subraya su potencial para sustituir ciertos plásticos de un solo uso.
Los autores señalan que es probable que el níquel no sea la única molécula capaz de generar este fenómeno. Ahora que se comprende el principio, otras combinaciones podrían ampliar las posibilidades de reforzar biomateriales mediante el agua.
«Este es el primer estudio. Ahora que sabemos que este efecto existe, nosotros y otros podemos buscar nuevos materiales y nuevas formas de lograrlo», señala Fernández.
Este descubrimiento representa un cambio de mentalidad respecto a la era del plástico. En lugar de obligar a las moléculas biológicas a comportarse como materiales sintéticos, el equipo del IBEC adopta la lógica de los sistemas naturales: estructuras dinámicas, producción regional, integración ecológica y cero residuos.
Para Kompa y Fernández, el mensaje es claro: para construir un futuro sostenible, debemos diseñar materiales que trabajen con el entorno, no aislándose de él.
Artículo de referencia:
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
