Optimización de la síntesis de nanopartículas de plata (AgNPs) basadas en macroalgas (Padina sp) a través de métodos ultrasónicos

Abstract

La nanotecnología ha surgido como un campo esencial con aplicaciones extensas en diversas áreas del conocimiento, ofreciendo avances notables en la manipulación de materiales a una escala nano. En particular, la nanotecnología aplicada a la agricultura presenta oportunidades prometedoras, como el desarrollo de nanopesticidas, fertilizantes más eficientes y sistemas de liberación controlada de nutrientes, lo que podría mejorar la productividad agrícola y reducir el impacto ambiental. Sin embargo, la síntesis de nanomateriales para estos fines plantea desafíos ambientales. La producción y el uso de nanomateriales deben ser gestionados cuidadosamente, ya que, aunque ofrecen grandes ventajas, también conllevan riesgos potenciales de toxicidad y contaminación si no se controlan adecuadamente. El objetivo del presente estudio fue determinar las condiciones que optimizan la síntesis verde de nanopartículas de plata (AgNPs) basada en macroalgas (género: Padina sp) a través de métodos ultrasónicos. Para cumplir este objetivo se recolectaron las macroalgas en la playa Caño dulce, ubicada en el municipio de Tubará, Atlántico. Se preparó un extracto acuoso de la macroalga y los metabolitos secundarios fueron caracterizados mediante técnicas fitoquímicas; además, el perfil de flavonoides en el extracto fue determinado mediante UHPLC (Cromatografía Líquida de ultra alta presión). Para optimizar la síntesis de AgNPs, se llevó a cabo una metodología de superficie de respuesta (RSM) basada en un diseño Box - Behnken (BB) con cuatro factores y tres niveles (+1, 0, -1). Los factores se seleccionaron con base en estudios publicados que identifican los siguientes parámetros críticos en la síntesis verde de NPs metálicas, a saber: pH, tiempo de reacción, concentración del extracto de algas y amplitud del ultrasonido. La variable respuesta fue la concentración de AgNPs obtenidas en cada reacción. Las condiciones optimizadas por el modelo RSM se reprodujeron y las AgNPs se caracterizaron usando espectroscopía UV, FT-IR-ATR, Dispersión dinámica de luz (DLS) y Microscopia electrónica de Barrido (SEM). Los resultados del diseño BB mostraron que los resultados se ajustan a un modelo factorial lineal de segundo orden, con un R2 múltiple = 0,926 y un R2 ajustado = 0,840. El ANOVA mostró que el pH fue el factor con mayor influencia en la variable respuesta (valor-p = 0.0000), seguido por el tiempo de reacción (valor-p = 0.033). Además, se observó un efecto cuadrático del pH (valor-p = 0.0003) y de la interacción del pH - concentración del extracto del alga (valor-p = 0.019). Las condiciones de síntesis verdes optimizadas por el modelo fueron: pH: 9,0; tiempo: 20 min; amplitud: 48 % y concentración de extracto de alga de 5,0 % (v/v). Las AgNPs obtenidas bajo condiciones optimizadas, usando ultrasonido de sonda, fueron de color marrón rojizo. Estas NPs presentaron mayor estabilidad evidenciada por un color más estable en el tiempo, comparado con las obtenidas por síntesis química con citrato trisódico y calentamiento directo a 90 °C, lo cual se atribuyó al efecto “capping” del extracto del alga. El análisis por FT-IR-ATR demostró que las AgNPs estaban rodeadas por polisacáridos sulfatados como la carragenina (picos entre 1200-1260 cm-1), también se identificaron señales características de otros polisacáridos de algas como el ácido algínico (picos a 3200 3400 cm⁻¹, 2920-2960 cm⁻¹, 1550-1650 cm⁻¹). El análisis de las AgNPs por DLS reveló que el tamaño promedio de las AgNPs estuvo influenciado por la concentración del extracto del alga; las NPs más pequeñas (mediana = 146 nm) se obtuvieron con una concentración de extracto del 1%. La máxima concentración del extracto (5 % v/v) produjo partículas de mayor tamaño (mediana = 169 nm). Así mismo, la mayor concentración de AgNPs se obtuvo con la concentración de extracto del 5 % v/v (21,938 mM). El análisis de las NPs por SEM reveló que estas poseen forma esférica y superficie porosa, lo cual es útil para aplicaciones como biofertilizantes y control de patógenos. Estos resultados demuestran la viabilidad de la síntesis de AgNPs usando extractos acuosos de Padina sp y método ultrasónico. Se plantea que la NPs obtenidas podrían usarse, inicialmente como un bioinsumo en cultivos agrícolas a nivel invernadero para explorar su eficacia en el control de enfermedades fitosanitarias y la promoción de la tolerancia de los cultivos a factores de estrés abiótico (e.j. sequía y salinidad).