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Introducción
El carbono es un elemento cautivador. Presenta propiedades únicas que le permiten formar distintos tipos de enlaces y con ello una gran variedad de compuestos consigo mismo y con otros elementos. Adicionalmente, el carbono puede existir en distintas formas o estructuras conocidas como alótropos. Los alótropos más comunes son el grafito y el diamante. Sin embargo, en las últimas décadas el inventario de estos alótropos se ha enriquecido con distintos descubrimientos. La lista agregó, en 1985, la agrupación de 60 átomos de carbono en forma de balón de futbol conocidos como fullerenos; posteriormente, en 1991, se incorporó la forma alargada de estos balones conocida como nanotubos de carbono. Finalmente, en 2004, logró aislarse una única hoja de grafito que permaneció estable bajo condiciones ambientales conocida como grafeno. Es, precisamente, esta última forma alotrópica la que sustenta la materia de este documento.
Grafeno
El grafeno, además de ser famoso, es un material bastante elegante, compuesto por un único elemento: el carbono, el cual se localiza en cada uno de los vértices de anillos fusionados con arreglo hexagonal que dan lugar a una estructura tipo panal de abejas. Este tejido hexagonal extendido, con grosor de un solo átomo, es el que permite que se le identifique como una lámina bidimensional, plana, aunque con ligeras ondulaciones. Sin embargo, la existencia de una capa individual de grafito, que además poseyera un solo átomo de espesor, se antojaba, más bien, imposible, puesto que se creía que una estructura con estas características se plegaría de forma espontánea. Sorprendentemente, en 2004, Andre Geim y Konstantin Novoselov lograron obtener, en lo que ellos mismos denominaron “el experimento del viernes por la noche”, muestras reproducibles de hojuelas de grafeno (Draghi, 2022). La obtención de este material esquivo permitió corroborar las propiedades que le habían sido predichas teóricamente, las cuales se asocian, esencialmente, con su bidimensionalidad y entramado hexagonal.
Entre estas propiedades se encuentra una impresionante conductividad eléctrica, una elevada fortaleza mecánica y flexibilidad, la capacidad de propagar el calor dos veces mejor que el diamante (Berger, 2022). Siendo la fuerza de los enlaces covalentes entre los átomos de carbono que conforman la estructura del grafeno lo que proporciona en gran medida las inusuales propiedades térmicas y mecánicas de este material (Pop et al., 2012). Adicionalmente, dado el hecho de que la red cristalina del grafeno se extiende de forma tal que cada átomo de carbono se encuentra en la superficie y está expuesto al medio circundante, este material presenta una elevada área superficial específica, lo cual significa que ambas caras son susceptibles de interaccionar con su alrededor (Sanchez et al., 2012). La comprobación de estas propiedades despertó un profundo interés que rápidamente se volcó en la búsqueda de estrategias de síntesis que permitieran obtener láminas de grafeno en mayores cantidades. Un método atractivo para tal fin fue la obtención de derivados de grafeno a partir de la oxidación química y exfoliación del grafito. Uno de estos derivados, el óxido de grafeno, es considerado la ruta más prometedora pues, mediante su reducción química o térmica, se obtienen cantidades importantes (aunque con algunos defectos estructurales) de láminas de grafeno. Es interesante observar que el óxido de grafeno es un material con propiedades y características estructurales haciéndolo por sí mismo atractivo y del cual hablaremos en la siguiente sección.
Grafeno oxidado
El grafeno oxidado es una variante del grafeno y, en términos generales, puede visualizarse como una lámina que contiene tanto regiones conjugadas como regiones oxidadas. Las regiones conjugadas son áreas en las que la red de carbono se mantiene intacta mientras que las regiones oxidadas presentan abundantes grupos funcionales covalentemente unidos a los átomos de carbono. Entre los que se encuentran grupos carboxilo, lactona y carbonilo distribuidos en el borde de la lámina, mientras que abundantes grupos epóxido e hidroxilo adornan los planos basales de la hoja ( A. Zhou et al., 2022).
La presencia de grupos oxigenados interrumpe la red altamente ordenada de hexágonos, siendo esto la causa de que el grafeno oxidado exhiba una baja conductividad eléctrica y térmica (Ajala et al., 2022). Más allá de estos inconvenientes, este nanomaterial conserva una elevada área superficial y una notable fortaleza mecánica y es la presencia de funcionalidades oxigenadas la que le confiere nuevas e interesantes propiedades fisicoquímicas (PA et al., 2022); siendo las zonas que conservan intacta la conjugación aromática en el grafeno oxidado las facilitadoras de los contactos hidrofóbicos y las proovedoras de estabilidad mecánica (Dhamodharan et al., 2022). Entre estas propiedades podemos mencionar una mejor dispersión del óxido de grafeno en agua y en otros solventes. La reactividad química también se ve beneficiada al aprovechar los grupos funcionales de las regiones oxidadas como sitios de anclaje para otras especies químicas, permitiendo que sus propiedades puedan ser ajustadas a la medida y facilitando el desarrollo de nanocompositos los cuales implican la integración de dos o más componentes distintos resultando en un material con propiedades mejoradas. Para que las características de los componentes puedan ser aprovechadas, se requiere de una buena dispersión y de un adecuado contacto entre los materiales (Amir et al., 2020; Chen et al., 2018). Adicionalmente, para aplicaciones biológicas la presencia de grupos funcionales en el grafeno oxidado puede facilitar la internalización celular, además, presenta propiedades antibacterianas específicas las cuales están asociadas con la capacidad de este material para actuar como aceptor de electrones gracias a dichas funcionalidades (Seifalian y Alexander, 2022).
Con estos antecedentes, propusimos utilizar las láminas de grafeno oxidado como plataforma de anclaje químico, aprovechando los grupos funcionales en su superficie como sitios de nucleación para nanopartículas plata y de dióxido de titanio y para la decoración con nanoestructuras de hidroxiapatita.
Plata
Las nanopartículas metálicas, en especial las de plata, exhiben interesantes propiedades asociadas con su dimensionalidad y con su elevada área superficial. La notoriedad de estas nanopartículas está vinculada con la actividad antibacteriana bien documentada de la plata iónica, con su excelente conductividad eléctrica y térmica, con sus propiedades ópticas y con la dispersión Raman mejorada (Calderón-Jiménez et al., 2017). Sin embargo, estas nanopartículas tienen la tendencia a agregarse cuando se encuentran en dispersión, resultando en una disminución de sus propiedades y en la pérdida de estabilidad. Dada su particular configuración, el óxido de grafeno es utilizado como una plataforma para depositar las nanopartículas de plata permitiendo que estas se distribuyan a lo largo de la hoja, conservando, con ello, las propiedades asociadas con el nivel nanométrico.
TiO2
El dióxido de titanio (TiO2) es un material semiconductor y fotocatalítico que ha recibido mucha atención debido a su estabilidad química, baja toxicidad, abundancia y asequibilidad (Luo et al., 2018). Entre sus áreas de aplicación se encuentra el desarrollo de tecnologías como las celdas solares de tipo Graetzel gracias a su capacidad de ser excitado a partir de la luz solar. Sin embargo, este material presenta una rápida recombinación de los pares electrón-hueco fotogenerados, lo cual reduce su eficiencia cuántica y limita su implementación. Para superar esta dificultad, el acoplamiento de TiO2 con otros materiales ha demostrado ser una estrategia eficaz para reducir las tasas de recombinación de pares electrón-hueco y mejorar su desempeño. En este sentido, la alta área superficial y la movilidad de los transportadores electrónicos que presenta el grafeno ha resultado en una mejora de las propiedades electrónicas y fotocatalíticas del TiO2 (Ayala‐Fonseca et al., 2020; Kusiak-Nejman et al., 2017; Tayel et al., 2018; Q. Zhou et al., 2016).
Hidroxiapatita
Los huesos están formados por un mineral, la apatita, y un componente orgánico, el colágeno. La apatita biológica se caracteriza por ser deficiente en hidroxilo y rica en carbonatos y por presentar una relación Ca/P menor a 1.67. Interesantemente, la hidroxiapatita sintética presenta similitud química y cristalográfica con la apatita de los huesos por lo cual se le ha empleado como cubierta dental bioactiva, en implantes ortopédicos, en la reparación o sustitución de tejidos duros, para facilitar la adhesión y proliferación celular en la cubierta de prótesis, y otras aplicaciones biomédicas. No obstante, una de las limitaciones de la hidroxiapatita radica en sus propiedades mecánicas al presentar una baja resistencia a la fractura y ser difícil de moldear. Una estrategia para afrontar esta deficiencia es el uso de materiales de refuerzo. En este sentido, los grupos funcionales y la superficie del grafeno oxidado facilita la distribución de la hidroxiapatita nanométrica y mejora sus propiedades mecánicas (Li et al., 2018; Szcześ et al., 2017).
Métodos de síntesis
Distintas estrategias han sido exploradas para la síntesis y el anclaje simultáneo de nanopartículas en la superficie del óxido de grafeno. En este trabajo se abordaron, principalmente, la reducción química in situ y las estrategias hidrotermal y solvotermal.
Método de reducción química in situ
Las nanopartículas de plata usualmente se sintetizan mediante la técnica de reducción química empleando distintos agentes reductores orgánicos e inorgánicos. En términos generales, estos agentes reducen las sales de plata (Ag+) y conducen a la formación de plata metálica Ag0. La plata metálica se agrupa en racimos y, durante la etapa de crecimiento, estos se ordenan y forman las nanopartículas. Esta técnica también suele requiere de un agente estabilizador para proteger las nanopartículas de su aglomeración (Iravani et al., 2014; Vega-Baudrit et al., 2019).
El método de reducción in situ facilita que las nanopartículas de plata se formen directamente en la superficie del grafeno oxidado. La reducción in situ puede ser química o biológica; al utilizar reactivos químicos como agentes reductores o estabilizadores hablamos de reducción química in situ y cuando se usan derivados de plantas, microrganismos o enzimas nos referimos a la reducción biológica in situ (Bao et al., 2022). Dentro de la reducción biológica in situ, el uso de extractos de plantas tiene por ventajas la presencia de una variabilidad de metabolitos que pueden promover la reducción de los iones de plata, la disponibilidad y el manejo seguro de estos extractos (Chung et al., 2016). Entonces, propusimos el uso del extracto de las hojas de geranio como reductor en la síntesis de nanopartículas de plata sobre grafeno oxidado, buscando mejorar la dispersión y estabilidad de estas nanoestructuras.
Método hidrotermal/solvotermal
El proceso hidrotermal consiste en una reacción química efectuada en una mezcla acuosa de precursores que se coloca en un recipiente sellado, casi siempre de acero inoxidable revestido con teflón, conocido como autoclave. Este recipiente se calienta a una temperatura por encima del punto de ebullición del agua provocando que la presión dentro de la autoclave sea mayor que la presión atmosférica. Esta combinación simultánea de presión y temperatura permite generar materiales altamente cristalinos (Huang et al., 2019) y ofrece una vía de síntesis de un solo paso. Aprovechando estas ventajas, decoramos la superficie del óxido de grafeno con nanopartículas de hidroxiapatita altamente cristalinas y, mediante el ajuste de las condiciones de reacción, controlamos su morfología.
El fundamento del método solvotermal es el mismo que el hidrotermal con la particularidad de que en el primero se puede lograr un control más fino sobre la síntesis al modificar las características del medio utilizando distintos disolventes (Mamaghani et al., 2019; Walton, 2011). En el caso de los óxidos metálicos, como el dióxido de titanio, esta ruta resulta particularmente interesante pues permite la preparación de nanopartículas de elevada área superficial, de alta pureza y buena cristalinidad. Mediante esta estrategia se logró la funcionalización y reducción in situ de óxido de grafeno con nanopartículas de TiO2 utilizando una solución de metanol/agua al 50% v/v y una temperatura relativamente baja de 90 ºC.
Procedimiento experimental
Síntesis de grafeno oxidado
Para la obtención de grafeno oxidado fue necesario preparar, en primer lugar, grafito oxidado mediante el método de Hummers modificado, el cual se ha reportado ampliamente(Stankovich et al., 2006).
GO/AgNPs: Para esta síntesis se utilizaron dos relaciones en peso: 1:1 y 1:3. La primera corresponde a 30 mg de GO, 30 mg de Ag y 20 ml de extracto de geranio. La segunda, a 15 mg de GO, 45 mg de Ag y 30 ml de extracto de geranio. Previamente, 12.5 g de hojas frescas de geranio lavadas fueron hervidas en 100 ml de agua desionizada durante 15 minutos. El extracto fue filtrado y almacenado hasta su uso. Después, el GO fue dispersado en 15 ml de agua con ultrasonido. La dispersión se colocó en un matraz de tres bocas con 40 ml de EtOH a 60 ºC bajo agitación. Posteriormente, el extracto de geranio fue añadido cuidadosamente a AgNO3 27mM bajo agitación. Por último, los productos fueron lavados y secados a 60 ºC durante 24 h. Las muestras se etiquetaron como rGO/AgNPs 1:1 y rGO/AgNPs 1:3, respectivamente.
GO/TiO 2 : Para optimizar la funcionalización de GO con nanopartículas de TiO2 se utilizaron 3 condiciones de temperatura (60 ºC, 90 ºC y 120 ºC) y se comparó el efecto de la mezcla metanol/agua (50% v/v) como medio solvente, contra el solvente (99.8%) en tratamientos a 60 y 90 ºC y en medio acuoso (100% H2O) a 120 ºC. Manteniendo una relación ponderal entre GO y TiO2 de 1:4 y una concentración final de 25 mg/ml. La síntesis consistió en dispersar 100 mg de óxido de grafito en 30 ml del medio correspondiente y sonicar 3 horas; luego, agregar 10 ml de TiO2 coloidal (40 mg/ml) y sonicar 3 horas más. Más adelante, las mezclas se sometieron a 18 horas de tratamiento solvotermal. Finalmente, se secaron a 65 ºC durante 18 horas y se etiquetaron haciendo referencia a la temperatura y al medio utilizado en el tratamiento (metanol/ agua: MW, metanol: M y agua: W).
GO/Hidroxiapatita: En este caso se obtuvieron tres especímenes utilizando tiourea, urea e hidróxido de amonio como agentes precipitantes, respectivamente.
Inicialmente, 135 mg de GO fueron dispersados en agua desionizada durante 3h. A la dispersión se añadió 13.43 ml de Ca(NO3)2•4H2O (0.1M) y 8.065 ml de (NH4)2HPO4 (0.1M) bajo agitación. Enseguida, una solución de 2.184g de tiourea en 23 ml de agua fue añadida a la solución anterior. La mezcla resultante se transfirió a una autoclave y se mantuvo a 120 ºC durante 24h. Tras el proceso hidrotermal, la muestra se lavó y secó a temperatura ambiente durante 24 h. La muestra fue etiquetada como GO/HApT. Las muestras que utilizaron urea e hidróxido de amonio siguieron el mismo procedimiento señalado arriba, con algunas particularidades. El producto etiquetado como GO/ HApU requirió una solución de 1.13g de urea disueltos en 23 ml de agua desionizada y un proceso hidrotérmico de 150 ºC por 24 h. El producto etiquetado como GO/HApA requirió un goteo en exceso de NH4OH y un proceso hidrotérmico de 100 ºC por 24 h.
Resultados y discusión
GO/AgNPs
La Figura 1 muestra los patrones de difracción del grafito, del grafeno oxidado y de los materiales modificados con plata. El grafito tiene un pico de difracción intenso a 2θ=26.6º correspondiente al plano (200), asociado con la alta cristalinidad del material. Por otra parte, el GO muestra un pico a 2θ=10.7º correspondiente al plano (001) asociado con un espacio intercapa de 8.3 Å, el cual es mayor comparado con el espaciado del grafito (3.34 Å) debido a los grupos funcionales oxigenados de sus hojas. En los materiales decorados con plata rGO/ AgNPs 1:1 y 1:3, los picos a 38.1º, 44.3º, 64.5º y 77.5ºse asignan a los planos (111), (200), (220) y (311) de la estructura cristalina cúbica centrada en la cara (FCC) de las nanopartículas de plata, con lo cual se confirma su presencia. El tamaño de los cristalitos de plata, calculado mediante la fórmula de Scherrer, es de 3.66 nm y 5.32 nm para rGO/AgNPs 1:1 y 1:3, respectivamente. Adicionalmente, en los patrones de difracción correspondientes a los materiales modificados la ausencia del pico asociado con el GO indica la funcionalización de las láminas con las nanopartículas.
Fuente: Reimpreso con permiso de Rodríguez-González et al. (2016).
Figura 1 Patrones de difracción del grafito, grafeno oxidado (GO) y grafeno oxidado decorado con nanopartículas de plata en las dos proporciones en peso utilizadas (rGO/AgNPs 1:1 y rGO/AgNPs 1:3).
En la Figura 2 se aprecian los espectros Raman del grafito, GO y rGO/AgNPs 1:1 y 1:3. El grafito presenta un pico débil situado en aproximadamente 1347 cm-1 llamado banda D, y un pico agudo y bien definido a 1572 cm-1 llamado banda G. La banda D se atribuye a los defectos de los átomos de carbono, mientras que la banda G se asocia con la vibración en el plano de los átomos de carbono sp2. Tras la oxidación, la intensidad de la banda D aumenta significativamente y se desplaza a un número de onda mayor (1372 cm-1), y la banda G se ensancha y se desplaza a ∼1595 cm-1. El aumento de la intensidad de la banda D podría deberse a la importante reducción de tamaño de los dominios sp2 y a la presencia de defectos asociados con los grupos funcionales adheridos a las láminas de carbono.
Fuente: Reimpreso con permiso de Rodríguez-González et al. (2016).
Figura 2 Espectros Raman del grafito, grafeno oxidado (GO) y grafeno oxidado decorado con nanopartículas de plata en las dos proporciones en peso utilizadas (rGO/AgNPs 1:1 y rGO/AgNPs 1:3).
Cuando las láminas de grafeno se decoran con nanopartículas de plata concretamente en el material híbrido rGO/AgNPs 1:1, las bandas D y G sufren un desplazamiento hacia números de onda menores en comparación con las observadas en el GO localizadas en 1347 y 1577 cm-1, respectivamente. Este comportamiento puede asociarse con la fuerte interacción de las AgNP con las láminas de GO. En el caso del material híbrido rGO/AgNPs 1:3, las bandas D y G están ligeramente desplazadas, lo que indica una funcionalización menos eficaz (lo cual está en concordancia con las micrografías TEM). La relación de intensidad de las bandas D y G se utiliza para determinar el grado de desorden grafítico. Así, el GO presenta una relación ID/IG de 1.03, mientras que para el rGO/AgNPs 1:1 y 1:3 es de 0.83 y 0.84, respectivamente. La disminución de la relación de intensidades D/G sugiere la restauración parcial de la red grafítica en el GO atribuida probablemente al proceso de reducción realizado a través de la decoración con AgNPs. Se ha informado de resultados similares para diversas nanopartículas y óxidos metálicos.
La microscopía electrónica de transmisión fue empleada para estudiar la morfología del GO y de los materiales modificados con plata, tal como se muestra en la Figura 3. Las láminas de GO se aprecian en la Figura 3a, las cuales presentan grandes dimensiones laterales y un aspecto traslúcido, arrugado y con ondulaciones. La micrografía TEM de la muestra rGO/AgNPs 1:1 (Figura 3b) muestra una distribución uniforme de las AgNPs en la superficie de las láminas de GO. El tamaño de las nanopartículas, sin embargo, muestra una distribución relativamente amplia, indicando que la reducción se ve afectada por la interacción con las láminas de GO. Las AgNP tienen una forma predominantemente esférica. La ausencia de nanopartículas fuera de la superficie del GO indica una buena interacción con el soporte. Por el contrario, en la muestra rGO/AgNPs 1:3 (Figura 3c) las AgNPs forman grandes aglomerados, compuestos por pequeñas nanopartículas. Esto podría deberse al mayor contenido de plata en esta muestra, favoreciendo su acumulación.
Fuente: Reimpreso con permiso de Rodríguez-González et al. (2016).
Figura 3 Imágenes TEM de: a) láminas de grafeno oxidado; b) grafeno oxidado decorado con nanopartículas de plata rGO/AgNPs 1:1, y, c) rGO/AgNPs 1:3.
Las curvas TGA del GO y de los materiales decorados se muestran en la Figura 4. El primer paso de la degradación del GO se produjo alrededor de 160 ºC y 240 ºC con una pérdida de peso del 15%, correspondiente a la pérdida de grupos polares en las hojas de GO mientras que en los materiales decorados se produjo en torno a los 190 ºC.
Fuente: Reimpreso con permiso de Rodríguez-González et al. (2016).
Figura 4 Curvas TGA de grafeno oxidado (GO) y grafeno oxidado decorado con nanopartículas de plata en las dos proporciones en peso utilizadas (rGO/AgNPs 1:1 y rGO/AgNPs 1:3).
La pérdida de peso del 37%, entre 440 ºC y 690 ºC, es el resultado de pirólisis del esqueleto de carbono. En consecuencia, la pérdida de peso total en el GO es de alrededor del 66% (entre 150 ºC y 690 ºC). La muestra rGO/AgNPs presenta una pérdida de peso evidente del 4% (rGO/AgNPs 1:1) y 6% (rGO/AgNPs 1:3) entre 190 ºC y 240 ºC debido a pirólisis de los grupos funcionales lábiles que contienen oxígeno grupos funcionales lábiles. Además, la pérdida de peso entre 440 ºC y 690 ºC tiene una importante disminución en los materiales rGO/AgNPs 1:1 y 1:3 de 20 y 25%, respectivamente. En el rGO/AgNPs 1:1 la pérdida de peso total fue del 37% entre 190 ºC y 690 ºC, mientras que en rGO/AgNPs 1:3 fue del 46%. Los diferentes valores en la pérdida de peso total podrían deberse a una mejor distribución de las AgNPs en las láminas de GO. La disminución de la pérdida de peso total en los materiales decorados en comparación con el GO confirma el éxito en la formación del material modificado rGO/AgNPs.
GO/TiO2
En la Figura 5 se presentan los patrones XRD de los materiales precursores y los compuestos GO/TiO2 obtenidos. En el caso del grafito oxidado (Figura 5a), el pico de difracción característico principal (001) de este material se observa en 2θ ≈ 12.3º lo que representa una distancia interplanar de las láminas de 0.718 nm (Stobinski et al., 2014; Warren, 1941). La Figura 5b muestra un cambio del pico de difracción (100) entre el precursor GO (11.0º) y el compuesto GT-90 MW (12.7º) asociado con una disminución en la distancia entre capas debido a la reducción in situ y disminución de grupos oxigenados presentes en la superficie de las hojas GO.
Fuente: Reimpreso con permiso de Ayala-Fonseca et al. (2020).
Figura 5 Patrones XRD de compuestos GO/TiO2 y sus precursores: a) desplazamiento del pico de difracción (001) en el tratamiento solvotérmico GT-90 MW; b) deconvolución de la curva del precursor de TiO2, y, c) deconvolución del patrón de difracción del precursor TiO2.
Para los compuestos rGO/TiO2, los difractogramas revelan que los cristales de TiO2 corresponden principalmente a la fase anatasa (JCPDS 89- 4921), mostrando picos característicos en 2θ ≈ 25,5º, 38º, 48º, 54º, 55º, 63º, 68º, 69º y 75º. Sin embargo, un pico adicional a 2θ ≈ 30º también sugiere la presencia de brookita o fases reducidas no estequiométricas (Magnéli) (Arif et al., 2017; Borges et al., 2016). La Figura 5c muestra una deconvolución del patrón de difracción del precursor TiO2 que permite observar mejor la contribución de la fase extra cuya intensidad es unas veinte veces menor que el pico principal de la fase anatasa. A partir de los patrones de difracción se determinó el tamaño de cristalito mediante la ecuación de Scherrer. En todos los casos se observó que el tamaño medio de los cristalitos se mantiene por debajo de los 10 nm, así como una relación directa entre la temperatura de los tratamientos y el crecimiento de los cristalitos. En el caso de los composites, también se observa un efecto significativo de la temperatura sobre la cristalinidad en los tratamientos con metanol puro, lo cual se puede observar por la disminución de FWHM entre las muestras tratadas a 60 ºC y 90 ºC, y está asociado con la diferencia de presión de vapor y al efecto reductor del alcohol que también representa un mayor crecimiento de los cristalitos.
La espectroscopía Raman es una técnica capaz de brindar gran cantidad de información acerca de la estructura del grafeno y de su grado de oxidación/funcionalización (Rajender et al., 2018). Varios reportes indican que esta técnica ha demostrado ser más sensible que XRD para la detección e identificación de fases cristalinas en TiO2 (Cho et al., 2018; Zhang et al., 2016). La Figura 6 muestra los espectros Raman de los materiales precursores GO y TiO2, así como los materiales híbridos. En el caso del espectro del óxido de grafeno, este presenta las dos bandas características del material antes mencionadas y cuyos cambios pueden asociarse con el grado de restauración grafítica de las láminas de grafeno, así como de manera indirecta a su grado de funcionalización (Ferrari, 2007; Rajender et al., 2018; Stankovich et al., 2007). Por otro lado, el espectro del TiO2 presenta cinco bandas características de la fase anatasa, Eg(1), Eg(2), B1g asociadas con un modo de vibración δ(O−Ti−O), así como las bandas A1g y Eg(3) asociadas con ν(Ti−O) (Hardwick et al., 2007).
Fuente: Reimpreso con permiso de Ayala-Fonseca et al. (2020).
Figura 6 Espectros Raman de GO, TiO2 y sus nanocompuestos en diferentes condiciones solvotermales; de negro: espectros originales, y, de azul: secciones ampliadas al factor indicado.
En la Figura 7 se presenta un análisis más detallado de los cambios en las bandas asociadas con el TiO2, basado en la deconvolución de las señales entre 100 y 800 cm-1 para el precursor y las muestras hibridas sintetizadas a 90 ºC, con una ampliación de la intensidad por un factor x10 para la región entre 300 y 800 cm-1. En el caso del precursor, observamos que, en la región ampliada, los tres componentes principales en 407, 517 y 642 cm-1 corresponden a los reportados para fase anatasa, mientras que las bandas alrededor de 362, 449, 549 y 579 cm-1 podrían atribuirse a fases reducidas o no estequiométricas, ya sea las reportadas como tipo Magnéli (TixO2x-1) o fases dopadas con N (TiO2xNx) (Pougin et al., 2017; Ye Cong et al., 2007). La muestra GT-90 MW presenta las mismas tres bandas de anatasa características, aunque con un corrimiento hacia el rojo de aproximadamente 14 cm-1, probablemente debido a la formación de enlaces Ti-O-C entre el TiO2 y el óxido de grafeno. Este tipo de unión también podría influir en el cambio en la relación de intensidades entre las bandas (A1g) y (B1g), donde una disminución en el modo de estiramiento Ti−O (A1g), y un aumento en la intensidad de la flexión O−Ti−O modo (B1g) tienen lugar, y podría asociarse con la inmovilización del TiO2 sobre grafeno. Las bandas situadas a 337 y 580 cm-1, pueden corresponder nuevamente a las fases no estequiométricas mencionadas anteriormente. Por otro lado, la muestra GT-90 M exhibe un comportamiento considerablemente distinto en esta región. Aunque GT-90 M presenta una banda Eg(1) intensa en 153 cm-1 asociada con la fase anatasa, los componentes principales en la región entre 300 y 800 cm-1 ubicados a 441 y 615 cm-1 corresponden mejor a la fase rutilo (Yan et al., 2013), y los componentes secundarios o menos intensos (409, 510 y 636 cm-1) a anatasa. El mismo comportamiento, aunque más difícil de observar debido a su baja intensidad, se contempla en la muestra GT-60 M (Figura 7). Consideramos que las nanopartículas de TiO2 mantuvieron en mayor medida la estructura cristalina de la fase anatasa, como lo muestran los resultados de DRX, pero en la interfase rGO/TiO2 es probable que una transformación de fase hacia el rutilo tenga lugar y que esta se vea favorecida en los procesos de metanol puro como medio solvente. Se ha reportado antes que el metanol, entre otros medios, puede llegar tener un efecto significativo sobre la fase cristalina del TiO2 en síntesis solvotermales, promoviendo la formación de otras fases distintas a la anatasa (Nam et al., 2013; Yin et al., 2003).
Fuente: Reimpreso con permiso de Ayala-Fonseca et al. (2020).
Figura 7 Espectros Raman y curvas de ajuste para TiO2 y muestras sintetizadas a 90 °C. (*Fase tipo Magnéli: TiXO2X-1. N-dopado: TiO2-XNX).
Consideramos que una posible mejora en la dispersión Raman mediante el mecanismo químico de SERS, producida en la interfaz entre las nanopartículas del TiO2 y el óxido de grafeno reducido, podría ser responsable de la alta intensidad de las bandas de rutilo en estas muestras (GT-90M y GT-60M) al formarse principalmente en la superficie de las nanopartículas y, por lo tanto, cerca de la interfaz con el GO. Este mismo incremento a partir del mecanismo químico de SERS explicaría el aumento en la intensidad de la banda Eg(1) de la fase anatasa en relación con el grado de incorporación o funcionalización del grafeno observado en TEM (Figura 8). Las muestras sintetizadas a 90 ºC cuyas imágenes de TEM muestran una alta inmovilización del TiO2 sobre la superficie de las láminas de grafeno, presentan también una banda Eg(1) particularmente intensa en comparación con la intensidad del resto de las muestras en hasta 2 órdenes de magnitud (Figura 7). Para analizar esta hipótesis decidimos evaluar el grado relativo de funcionalización a partir de contrastar las imágenes de TEM obtenidas de los materiales compuestos y la relación de intensidades entre la banda D de GO y la banda Eg(1) de TiO2. En este sentido, como se observa en la gráfica de la Figura 4a, el menor grado de funcionalización se asociaría con la muestra GT-60 M; mientras que las muestras GT-60 MW y GT120 W presentarían un grado de funcionalización intermedio. Por último, las muestras GT-90 M y GT-90 MW exhiben la menor relación (D/Eg(1)) lo cual se puede asociar con un grado más alto de inmovilización e interacción de las nanopartículas con la superficie del GO.
Fuente: Reimpreso con permiso de Ayala-Fonseca et al. (2020).
Figura 8 a) Relación D y Eg(1) de rGO y TiO2, respectivamente. Imágenes TEM de los materiales compuestos; b) GT-60-M; c) GT-60-MW; d) GT-90-M; e) GT-90-MW, y, f) GT-120 W.
GO/Hidroxiapatita
En la Figura 9 se muestra los patrones de DRX del GO, las muestras de HAp puro y las muestras de grafeno oxidado decoradas con hidroxiapatita (GO/HAp).
Fuente: Reimpreso con permiso de Rodríguez-González et al. (2018).
Figura 9 Patrones de difracción de rayos X de óxido de grafeno (GO), muestras de hidroxiapatita pura sintetizadas utilizando amoníaco, tiourea y urea como agentes precipitantes (HApA, HApT y HApU) y nanocompuestos de GO/HAp.
El difractograma del GO mostró un pico dominante a 2θ = 11,9º, que corresponde al plano de reflexión (001). El espacio entre capas calculado fue de 7,9 Å, lo que indica una oxidación completa del grafito.
Los patrones de DRX de los nanocompuestos de GO/HAp son similares a los del HAp puro con estructura hexagonal (JCPDS: 09-0432). Los principales picos se observaron en los valores 2θ de 16.75º, 25.99º, 28.30º, 29.06º, 31.86º, 32.16º, 32.9º, 34.12º, 39.85º, 46.81º, 49.56º, 53.28º, 61.83º y 64.09º. Los tamaños medios de los cristalitos, calculados mediante la fórmula de Sherrer, de la HAp en los nanocompuestos GOHApA, GOHApT y GOHApU fueron de 18.03 nm, 23.26 nm y 23.58nm, respectivamente. Cabe destacar que no se observó el ángulo de difracción característico del GO, lo cual puede estar asociado con la pérdida de regularidad en el apilamiento de las láminas por el crecimiento de las nanopartículas de HAp en su superficie.
Adicionalmente, se calculó la relación de intensidad entre los planos I(211) /I(002) a partir de los patrones de rayos X de los nanocompositos GO/HAp. La relación de intensidad entre los planos I(211) /I(002), para los nanocompuestos GO/HApA, GO/HApT y GO/HApU fue de 2.1, 1.6 y 1.5, respectivamente. Esto sugiere que el crecimiento preferente es a lo largo del plano (002) para la estructura en forma de varilla y cinta en el caso de los nanocompuestos GO/ HApT y GO/HApU.
Otros cambios estructurales se investigaron mediante la espectroscopía Raman. La Figura 10 muestra el espectro Raman del GO y de los nanocompuestos GO/HAp. En el caso del GO, se observaron las bandas D y G características en 1333 cm-1 y 1588 cm-1, respectivamente. La banda D está asociada con la presencia de defectos estructurales relacionados con la formación de enlaces sp3 en la disposición atómica, mientras que la banda G se atribuye a la vibración plana de los átomos de carbono sp2. Los espectros Raman de los nanocompuestos de GO/HAp combinan las bandas D y G del GO con un nuevo pico situado en ~957 cm-11 asignado a la vibración de estiramiento simétrica de PO43- que evidencia la presencia de HAp. Además, la relación de intensidad ID/ IG está asociada con el grado de desorden en los materiales de grafeno. Como se puede ver en la Tabla 1, la relación ID/IG de los nanocompuestos de GO/HAp aumentó en comparación con la del GO, lo que sugiere la introducción de defectos en la superficie del GO después de la funcionalización. Además, la posición de las bandas D y G está ligeramente desplazada a un número de onda más bajo, lo que confirma la formación de los materiales modificados.
Fuente: Reimpreso con permiso de Rodríguez-González et al. (2018).
Figura 10 Espectros Raman del grafeno oxidado (GO) y de los nanocompositos GO/HAp sintetizados utilizando amoníaco (GO/HApA), tiourea (GO/HApT) y urea (GO/HApU) como agentes precipitantes.
Tabla 1 Posiciones y proporciones entre las intensidades de las bandas D y G en los espectros Raman.
| Muestra | GO | GO/HApA | GO/HApT | GO/HApU |
|---|---|---|---|---|
| Banda D (cm-1) | 1333 | 1322 | 1328 | 1331 |
| Banda G (cm-1) | 1588 | 1581 | 1581 | 1581 |
| ID/IG | 1,37 | 1.77 | 1.61 | 1.76 |
Fuente: Reimpreso con permiso de Rodríguez-González et al. (2018). Copyright © 2018 IOP Publishing.
Las morfologías de las muestras obtenidas se observaron mediante análisis TEM. La Figura 11(a) muestra la imagen TEM de las láminas de óxido de grafeno prístinas. Como se puede apreciar, el GO tiene el aspecto de una escama transparente, con algunos pliegues en la superficie. Las micrografías TEM de los nanocompuestos de GO/HAp se muestran en Figuras 11(b-d). Como se muestra en la Figura 3(b), el nanocompuesto GO/HApT muestra nanorods de HAp depositados sobre láminas de óxido de grafeno. Los nanocristales de HAp están bien dispersos y separados entre sí. El nanocompuesto GO/HApU mostró una capa uniforme y densa de nanopartículas de HAp en forma de cinta (Figura 11c). Finalmente, el análisis ultraestructural del nanocompuesto GO/HApA mostró pequeñas nanopartículas de HAp en forma de rodillos depositadas en la superficie de la hoja de GO (Figura 11d). Estas imágenes confirmaron la formación exitosa de nanocompuestos de GO/Hap mediante el uso de diferentes agentes precipitantes y revelaron, como se esperaba, que se produjeran formas de nanocristales muy diferentes.
Fuente: Reimpreso con permiso de Rodríguez-González et al. (2018).
Figura 11 Imágenes TEM de: a) óxido de grafeno (GO) y nanocompositos de GO/HAp sintetizados usando: b) tiourea (GO/HApT), c) urea (GO/HApU), y, d) amoniaco (GO/HApA).
Al haberse demostrado que las características ultraestructurales de los biomateriales son cruciales para la biocompatibilidad, han sido evaluados los tres nanocompuestos de GO/HAp para comprobar sus posibles efectos sobre la viabilidad de las células de mamífero. Se cultivaron células NIH 3T3 en presencia de cantidades crecientes de nanocompuestos (1, 5 y 10 μg por ml de medio de cultivo).
En la Figura 12a es posible apreciar que no hay cambios en la supervivencia celular tras la incubación de las células con los nanocompuestos de GO/HAp después de 24 h. Sin embargo, el número de células viables tras 48 h de exposición disminuyó en presencia de algunos tipos y dosis de nanocompuestos (Figura 12b). Cabe destacar que las nanoestructuras de GO/HApA que presentan pequeñas nanopartículas en forma de rodillo, indujeron una pronunciada disminución de la viabilidad celular. Las tasas de supervivencia fueron tan bajas como el 73.16% y el 68.24%, en comparación con las células de control, cuando se probaron a 5 y 10 μg/pozo, respectivamente, lo cual indica una severa citotoxicidad del compuesto. Por su parte, los nanocompuestos GO/HApT también indujeron un efecto citotóxico dependiente de la dosis, con una supervivencia celular del 90.22% (a una dosis de 1 μg ml-1), al 65.08% y 60.45% tras 48 h de exposición a 5 y 10 μg ml-1, respectivamente. Como se esperaba, se encontraron efectos tóxicos similares sobre la supervivencia celular con el GO solo, induciendo una disminución de la supervivencia celular del 83.80%, al 71.25% y al 64.17% a dosis de 1, 5 y 10 μg ml-1, respectivamente. Por el contrario, no se encontró citotoxicidad tras la exposición de las células a los nanocompuestos GO/ HApU (Figura 12b). Por lo tanto, estos resultados mostraron que la biocompatibilidad de los nanocompuestos de GO/HAp está determinada por la morfología de la ultraestructura de los cristales de HAp en el material compuesto.
Nota: * representa una diferencia estadísticamente significativa (p < 0.05) entre los grupos tratados con nanocompuestos y el control e indica la toxicidad.
Fuente: Reimpreso con permiso de Rodríguez-González et al. (2018).
Figura 12 Supervivencia de las células NIH 3T3 tras la exposición al GO y a los nanocompositos GO/ HAp: a) a las 24 h, y, b) a las 48 h, según el ensayo colorimétrico MTT. Se utilizaron como control cultivos celulares idénticos sin nanopartículas.
Conclusiones
GO/AgNPs
Este material funcionalizado se sintetizó mediante un método sostenible y respetuoso con el medio ambiente utilizando extracto de geranio (P. graveolens) como agente reductor ecológico en condiciones de reacción media, generando nanopartículas de plata con una sola fase cristalina.
Los grupos funcionales ricos en oxígeno permitieron el anclaje químico de las nanopartículas y su adecuada distribución en las láminas de GO. Los resultados indicaron que las condiciones óptimas para la síntesis de GO/AgNPs se lograron con una relación de peso de 1:1 de GO/Ag, en donde las láminas de GO muestran una distribución homogénea de AgNPs. Este método, respetuoso con el medio ambiente, evita el uso de cualesquiera químicos adicionales. Por lo tanto, teniendo en cuenta las propiedades de la Ag y el GO, el nanocompuesto rGO/AgNPs tiene importante potencial para ser explotado en aplicaciones biomédicas (Rodríguez‐González et al., 2016).
GO/TiO2
Se logró obtener de forma simultánea una alta y homogénea funcionalización de GO con nanopartículas de TiO2, junto a una significativa reducción química de las láminas de GO. Las NPs de TiO2 crecidas sobre el GO mostraron ser monocristalinas, con un tamaño máximo de 6 nm y una fase cristalina anatasa predominante en todos los nanocompositos.
Como resultado del anclaje sobre la superficie del GO a partir de la funcionalización solvotermal, se observó una mejora en la señal de la dispersión Raman por parte del TiO2. Los resultados obtenidos mediante espectroscopía Raman sugieren también que un cambio de fase del TiO2 de anatasa a rutilo tiene lugar en la interfase rGO/TiO2, el cual probablemente es inducido por el uso de metanol como medio solvente. El sistema metanol-agua mostró una mayor eficiencia en el proceso de incorporación de las NPs de TiO2 en la superficie del GO, favoreciendo la funcionalización sobre el proceso de reducción, probablemente debido a la disminución en la concentración y movilidad de los aniones o radicales metoxilos (-O-CH₃) en el medio (Ayala‐Fonseca et al., 2020). Estos nanocompuestos rGO/TiO2 pueden encontrar uso en células solares, dispositivos de almacenamiento de energía y aplicaciones fotocatalíticas, además del potencial que han presentado en investigaciones recientes en el desarrollo de sensores a partir de propiedades emergentes derivadas de un mayor control de sus características morfológicas, tales como fotoluminiscencia en el caso de puntos cuánticos de GO (Ayala-Fonseca et al., 2022).
GO/Hidroxiapatita
Los nanocompuestos de GO/HAp se sintetizaron con éxito mediante un método hidrotérmico sencillo utilizando condiciones de reacción moderadamente suaves. La morfología de las nanopartículas de HAp se ha controlado mediante la variación de los agentes precipitantes. Se comprobó que las características ultraestructurales de los compuestos de GO/HAp son fundamentales para los efectos citotóxicos hacia las células de mamíferos, subrayando la importancia de describir procedimientos altamente reproducibles y bien controlados para la síntesis de nanocompuestos de GO/HAp destinados a usos biomédicos. En este trabajo, un método sintético basado en la urea, como agente precipitante, condujo a estructuras de nanocristales de HAp en forma de cinta (GO/HApU) de muy alta biocompatibilidad. Los compuestos mostraron un carácter de biocompatibilidad muy superior al de las láminas de GO prístinas, y similar al de los compuestos tradicionales de HAp (Rodríguez-González et al., 2018). Ahora se anima a seguir investigando para evaluar si la presencia de GO en esta estructura de HAp altamente biocompatible puede dar lugar también a características mecánicas mejoradas, permitiendo así aplicaciones en el campo de los biomateriales para implantes.
