Análisis Comparativo Propiedades Electroquímicas, Biomédicas y Térmicas Nanomateriales Naturales vs. Sintéticos

Resumen

En este estudio, sintetizamos y evaluamos nanomateriales naturales —cristal nanocelulosa (CNC) y nanofibra celulosa (NFC)— y nanopartículas carbono sintéticas —nanofibra carbono (CNF) y nanotubo carbono (CNT). Variando sistemáticamente estructura, morfología y área superficial, comparamos rendimiento electroquímico, biomédico y térmico. Nanomateriales naturales exhibieron citotoxicidad despreciable a concentraciones 12.5 µg mL⁻¹ (NFC) y 3.125 µg mL⁻¹ (CNC). En contraste, nanomateriales sintéticos, con áreas superficiales 15.3–21.1 m² g⁻¹ y estabilidad térmica entre 480 °C y 600 °C, mejoraron significativamente salida electrodo mediante mayor área superficial y reducida resistencia flujo corriente.

Antecedentes

Nanomateriales naturales, particularmente nanocelulosa formas CNC y NFC, derivan de cadenas celulosa unidas hidrógeno que forman microfibrilas. Cuando estas microfibrilas reducen a escala nanométrica, resultante nanocelulosa presume alta resistencia mecánica, baja expansión térmica, gran área superficial, renovabilidad, transparencia óptica, biodegradabilidad y toxicidad mínima.

Kenaf, planta tropical con 44–63.5% celulosa, sirve fuente abundante producción nanocelulosa. CNC obtenida vía hidrólisis ácido, mientras NFC resulta defibrilación mecánica. Sus propiedades favorables han permitido aplicaciones desde compuestos poliméricos y películas barrera transparentes a cristales fotónicos, polímeros memoria forma, portadores fármacos y compuestos avanzados.

Nanomateriales carbono, incluyendo CNT y CNF, construidos átomos carbono hibridizados sp² en arquitecturas unidimensionales. Sus propiedades dependen arreglo atómico, diámetro, longitud y morfología. CNFs presentan estructuras cilíndricas con capas grafeno apiladas, mientras CNTs forman redes tubulares. Estos materiales, producidos mediante arco-eléctrico, ablación láser, deposición vapor químico (CVD) o autoensamblaje, exhiben rendimiento excepcional mecánico, térmico, eléctrico y electroquímico, y cada vez más explorados aplicaciones biomédicas.

Hasta la fecha, ningún estudio comparativo integral ha examinado relaciones estructura-propiedad nanomateriales naturales y sintéticos. Este trabajo aborda esa brecha caracterizando CNC, NFC, CNF y CNT en términos cristalinidad, área superficial, estabilidad térmica, citotoxicidad y comportamiento electroquímico usando SEM, TEM, XRD, BET, TGA, CV y ensayos MTT.

Resultados y Discusión

Morfología Nanomateriales

Imágenes SEM y TEM (Fig. 1) revelan morfologías distintas: CNCs aciculares (≈150 nm largo, 12 nm diámetro); NFCs forman fibras altamente enredadas, tipo red (50–200 nm diámetro); CNFs muestran partículas varilla (150–200 nm diámetro) superficies gruesas; CNTs multi-pared, rizados y enredados con espesores pared 10–30 nm.

Espectroscopía Dispersiva Energía Rayos X

Análisis EDX confirma todas nanopartículas consisten principalmente carbono y oxígeno, con traza azufre CNC y níquel residual (~0.5% peso) en CNF y CNT por catalizador CVD. No contaminantes significativos detectados NFC.

Área Superficial BET

Mediciones BET muestran nanomateriales sintéticos poseen mayores áreas superficiales que naturales: CNT (≈21 m² g⁻¹) > CNF (≈15 m² g⁻¹) > NFC (≈4 m² g⁻¹) > CNC (≈3 m² g⁻¹). Mayor área superficial CNT atribuida a su estructura redes, alto ratio aspecto.

Difracción Rayos X

Patrones XRD (Fig. 2) exhiben picos cristalinos agudos CNC (2θ ≈ 22.5°) indicando mayor cristalinidad que NFC. Para nanoestructuras carbono, picos prominentes 2θ ≈ 25.5° (C(002)) y 43° (C(100)) confirman ordenamiento graítico, especialmente CNTs.

Resistencia Térmica

Curvas TGA (Fig. 3) revelan CNC sufre dos pasos degradación ≈180 °C y 300 °C, mientras NFC degrada pico único cerca 300 °C. CNF descompone entre 480 °C y 615 °C, y CNT exhibe incluso mayor estabilidad térmica, descomponiendo entre 600 °C y 690 °C. Superior estabilidad CNT vinculada a su robusta estructura graítica y mayor área superficial.

Resultados Electroquímicos

Voltametrías cíclicas (Fig. 4) demuestran nanomateriales sintéticos (CNF, CNT) producen mayor capacitancia doble-capa electroquímica y comportamiento pseudocapacitivo comparado contrapartes naturales, atribuible mayor porosidad y área superficial. Meseta entre −0.5 V y 0.5 V indica formación SEI electrodos CNC y NFC.

Análisis Citotoxicidad

Ensayos MTT células cáncer mama 4T1 revelan nanomateriales naturales exhiben toxicidad mínima: NFC permanece 100% viable a 12.5 µg mL⁻¹, y CNC reduce viabilidad solo 7% a 100 µg mL⁻¹. Nanomateriales sintéticos, sin embargo, muestran mayor citotoxicidad —CNF mata 34% y CNT 28% células a 100 µg mL⁻¹. A concentraciones menores (12.5 µg mL⁻¹), CNF y CNT aún reducen viabilidad a 4.3% y 1.7% respectivamente, mientras NFC y CNC permanecen largamente no-tóxicos.

Conclusiones

Sintetizamos exitosamente nanomateriales naturales (CNC, NFC) vía hidrólisis ácido y defibrilación mecánica, y nanomateriales sintéticos (CNF, CNT) vía CVD. Análisis estructurales confirmaron CNC cristalino y CNT altamente grafitizado, mientras SEM/TEM revelaron diámetros menores CNC y NFC comparado CNF y CNT. Análisis BET mostró nanomateriales sintéticos poseen áreas superficiales sustancialmente mayores, correlacionando con superior rendimiento electroquímico y estabilidad térmica. Aunque nanopartículas sintéticas superan naturales en métricas electroquímicas y térmicas, nanomateriales naturales demuestran menor citotoxicidad, haciéndolos preferibles para aplicaciones biomédicas.

Métodos

Todos protocolos experimentales diseñados reproducibilidad y transparencia. Procedimientos detallados síntesis, caracterización y pruebas descritos abajo.

Preparación Nanofibras Naturales

Extracción celulosa fibras kenaf siguió Kargarzadeh et al. (2012). CNC producida hidrólisis 65% H₂SO₄ a 50 °C por 40 min, seguida centrifugación, diálisis y dispersión ultrasónica. NFC obtenida cocinando fibras ret-adas en 25% NaOH con antraquinona a 160 °C por 2 h, luego lavado y secado.

Preparación Nanofibras Sintéticas

Ni(NO₃)₂·6H₂O sirvió precursor catalizador. Tras deshidratación 160 °C y calcinación 400 °C, partículas Ni formaron. CNF y CNT sintetizadas a 650 °C y 800 °C respectivamente vía descomposición acetileno (50 sccm) con H₂/N₂ (100/100 sccm) por 30 min. Ni residual removido grabado FeCl₃/HCl, seguido lavado y secado.

Caracterización

• SEM, TEM, EDX para morfología y composición.
• XRD para estructura cristalina.
• BELSORP-mini II para área superficial BET.
• PGSTAT204 para voltametría cíclica (CV) a 0.1 V s⁻¹ en PBS.
• Ensayo MTT citotoxicidad células 4T1 (determinación IC₅₀).
• TGA (Mettle Stare SW 9.10) estabilidad térmica (200–900 °C, 10 °C min⁻¹).

Abreviaturas

CNC

Cristal nanocelulosa

NFC

Nanofibra celulosa

CNF

Nanofibra carbono

CNT

Nanotubo carbono

BET

Brunauer, Emmett, Teller

EDX

Dispersiva energía rayos X

XRD

Difracción rayos X

TGA

Análisis termogravimétrico

CV

Voltametrías cíclicas

SEM

Microscopía electrónica barrido

TEM

Microscopía electrónica transmisión

MTT

3-[4,5-dimetiltiazol-2-il]-2,5-difeniltetrazolio bromuro

SEI

Interfaz electrolito sólido