Los polímeros biodegradables son una clase especial de polímero que se descompone después de su propósito previsto mediante el proceso de descomposición bacteriana para dar como resultado subproductos naturales como gases ( CO 2 , N 2 ) , agua , biomasa y sales inorgánicas. [1] [2] Estos polímeros se encuentran tanto naturales como sintéticos y consisten principalmente en grupos funcionales éster , amida y éter . Sus propiedades y mecanismo de descomposición están determinados por su estructura exacta. Estos polímeros a menudo son sintetizados porreacciones de condensación , polimerización por apertura de anillo y catalizadores metálicos . Hay muchos ejemplos y aplicaciones de polímeros biodegradables.
Los materiales de empaque de base biológica se han introducido como una alternativa verde en las últimas décadas, entre las cuales, las películas comestibles han ganado más atención debido a sus características ecológicas, gran variedad y disponibilidad, no toxicidad y bajo costo. [3]
Historia
Los polímeros biodegradables tienen una larga historia y, dado que muchos son productos naturales, no se puede rastrear con precisión la línea de tiempo precisa de su descubrimiento y uso. Uno de los primeros usos medicinales de un polímero biodegradable fue la sutura catgut , que se remonta al menos al año 100 d.C. [4] Las primeras suturas catgut se hicieron a partir de intestinos de ovejas, pero las suturas catgut modernas están hechas de colágeno purificado extraído del intestino delgado de bovinos, ovejas o cabras. [5]
El concepto de plásticos y polímeros sintéticos biodegradables se introdujo por primera vez en la década de 1980. [6] En 1992, se convocó una reunión internacional donde los líderes en polímeros biodegradables se reunieron para discutir una definición, estándar y protocolo de prueba para polímeros biodegradables. [2] Además, se crearon organizaciones de supervisión como la Sociedad Estadounidense de Pruebas de Materiales (ASTM) y la Organización Internacional de Normalización (ISO). [ cita requerida ] Las grandes cadenas de tiendas de ropa y abarrotes han presionado para utilizar bolsas biodegradables a fines de la década de 2010. Los polímeros biodegradables también recibieron aviso de varios campos en 2012 cuando el profesor Geoffrey Coates de la Universidad de Cornell recibió el Premio Presidential Green Chemistry Challenge . A partir de 2013, el 5-10% del mercado de plásticos se centró en plásticos derivados de polímeros biodegradables. [ cita requerida ]
Estructura y propiedades
La estructura de los polímeros biodegradables es fundamental en sus propiedades. Si bien existen innumerables polímeros biodegradables, tanto sintéticos como naturales, hay algunos puntos en común entre ellos.
Estructura
Los polímeros biodegradables tienden a consistir en enlaces éster , amida o éter . En general, los polímeros biodegradables se pueden agrupar en dos grandes grupos en función de su estructura y síntesis. Uno de estos grupos son los agropolímeros o los derivados de la biomasa . [1] El otro consiste en biopoliésteres, que son los derivados de microorganismos o sintéticamente fabricados a partir de monómeros naturales o sintéticos .
Los agropolímeros incluyen polisacáridos , como los almidones que se encuentran en las patatas o la madera, y proteínas , como el suero de leche de origen animal o el gluten de origen vegetal. [1] Los polisacáridos consisten en enlaces glicosídicos , que toman un hemiacetal de un sacárido y lo unen a un alcohol a través de la pérdida de agua. Las proteínas están hechas de aminoácidos , que contienen varios grupos funcionales. [7] Estos aminoácidos se vuelven a unir a través de reacciones de condensación para formar enlaces peptídicos , que consisten en grupos funcionales amida . [7] Los ejemplos de biopoliésteres incluyen polihidroxibutirato y ácido poliláctico . [1]
Propiedades
Aunque los polímeros biodegradables tienen numerosas aplicaciones, existen propiedades que tienden a ser comunes entre ellos. Todos los polímeros biodegradables deben ser lo suficientemente estables y duraderos para su uso en su aplicación particular, pero al desecharlos deben descomponerse fácilmente . [ cita requerida ] Los polímeros, específicamente los polímeros biodegradables, tienen cadenas principales de carbono extremadamente fuertes que son difíciles de romper, por lo que la degradación a menudo comienza en los grupos terminales . Dado que la degradación comienza al final, es común un área de superficie alta, ya que permite un fácil acceso para el químico, la luz o el organismo. [2] La cristalinidad es a menudo baja ya que también inhibe el acceso a los grupos terminales. [ cita requerida ] Normalmente se ve un bajo grado de polimerización , como se insinuó anteriormente, ya que hacerlo permite grupos terminales más accesibles para la reacción con el iniciador de degradación. Otro aspecto común de estos polímeros es su hidrofilia . [2] Los polímeros hidrófobos y los grupos terminales evitarán que una enzima interactúe fácilmente si la enzima soluble en agua no puede entrar fácilmente en contacto con el polímero.
Otras propiedades de los polímeros biodegradables que son comunes entre los que se utilizan para usos medicinales incluyen:
- no tóxico
- capaz de mantener una buena integridad mecánica hasta que se degrade
- capaz de velocidades controladas de degradación [8]
El objetivo no es provocar la respuesta inmunitaria y los productos de degradación tampoco necesitan ser tóxicos. Estos son importantes ya que los polímeros biodegradables se utilizan para la administración de medicamentos, donde es fundamental liberar lentamente el medicamento en el cuerpo con el tiempo en lugar de hacerlo de una sola vez y que la píldora sea estable en el frasco hasta que esté lista para tomarse. [8] Los factores que controlan la velocidad de degradación incluyen el porcentaje de cristalinidad , el peso molecular y la hidrofobicidad . La tasa de degradación depende de la ubicación en el cuerpo, lo que influye en el entorno que rodea al polímero, como el pH , la concentración de enzimas y la cantidad de agua, entre otros. Estos se descomponen rápidamente. [8]
Síntesis
Uno de los grupos de polímeros biodegradables más importantes y estudiados son los poliésteres . Los poliésteres se pueden sintetizar de varias formas, incluida la condensación directa de alcoholes y ácidos, polimerizaciones por apertura de anillo (ROP) y reacciones de polimerización catalizadas por metales. [9] Una gran desventaja de la polimerización escalonada mediante la condensación de un ácido y un alcohol es la necesidad de eliminar continuamente el agua de este sistema para impulsar el equilibrio de la reacción. [10] Esto puede requerir condiciones de reacción duras y tiempos de reacción prolongados, lo que da como resultado una amplia dispersión. Puede usarse una amplia variedad de materiales de partida para sintetizar poliésteres, y cada tipo de monómero confiere a la cadena polimérica final diferentes características y propiedades. La ROP del ácido glicólico o láctico dimérico cíclico forma α-hidroxiácidos que luego polimerizan en poli (α-ésteres). [10] Se puede utilizar una variedad de iniciadores organometálicos para iniciar la polimerización de poliésteres, incluidos los complejos de estaño, zinc y aluminio. El más común es el octanoato de estaño (II) y ha sido aprobado como aditivo alimentario por la FDA de EE. UU., Pero aún existen preocupaciones sobre el uso de catalizadores de estaño en la síntesis de polímeros biodegradables para usos biomédicos. [9] La síntesis de poli (β-ésteres) y poli (γ-ésteres) se puede llevar a cabo mediante métodos de condensación o ROP similares a los de los poli (γ-ésteres). También se está explorando el desarrollo de un proceso libre de metales que implique el uso de catálisis bacteriana o enzimática en la formación de poliéster. [11] [12] Estas reacciones tienen la ventaja de ser, en general, regioselectivas y estereoespecíficas, pero adolecen del alto costo de las bacterias y enzimas, tiempos de reacción prolongados y productos de bajo peso molecular.
Si bien los poliésteres dominan tanto la investigación como el enfoque industrial en polímeros sintéticos biodegradables, también son de interés otras clases de polímeros. Los polianhídridos son un área activa de investigación en la administración de medicamentos porque solo se degradan desde la superficie y, por lo tanto, pueden liberar el medicamento que transportan a un ritmo constante. [9] Los polianhídridos se pueden preparar mediante una variedad de métodos que también se utilizan en la síntesis de otros polímeros, incluida la condensación, la deshidrocloración, el acoplamiento deshidratante y la ROP. Los poliuretanos y poli (éster amidas) se utilizan en biomateriales. [14] Los poliuretanos se utilizaron inicialmente por su biocompatibilidad, durabilidad y resiliencia, pero más recientemente se están investigando por su biodegradabilidad. Los poliuretanos se sintetizan típicamente usando un diisocianato, un diol y un extensor de cadena de polímero. [9] La reacción inicial se lleva a cabo entre el diisocianato y el diol, con el diisocianato en exceso para asegurar que los extremos de la nueva cadena de polímero sean grupos isocianato. A continuación, este polímero se puede hacer reaccionar con un diol o una diamina para formar grupos terminales uretano o uretano-urea, respectivamente. La elección de los grupos terminales afecta las propiedades del polímero resultante. Además, el uso de aceite vegetal y biomasa en la formación de poliuretanos es un área de investigación activa. [15]
Las propiedades mecánicas de los polímeros biodegradables se pueden mejorar con la adición de cargas u otros polímeros para hacer un compuesto, mezcla o copolímero. Algunos rellenos son refuerzos de fibras naturales como nanofibras de seda, bambú, yute, además de nanoarcilla y nanotubos de carbono como alternativas, por nombrar algunos. [16] [17] Cada una de estas mejoras tiene una propiedad única que no solo mejora la resistencia, sino también la procesabilidad, mediante la resistencia a la humedad, la reducción de la permeabilidad al gas y la memoria de forma / recuperación. Algunos ejemplos, como la mezcla de polihidroxialcanoatos / ácido poliláctico , muestra un aumento excepcional en la tenacidad sin sacrificar la claridad óptica, y el copolímero poli (L-lactida-co-ε-caprolactona) ha mostrado un comportamiento de memoria de forma dependiendo de la concentración de poli -e-caprolactona añadida. [18] [19]
Mecanismo de avería
En general, los polímeros biodegradables se descomponen para formar gases, sales y biomasa . [20] Se dice que la biodegradación completa ocurre cuando no quedan oligómeros o monómeros . [20] La descomposición de estos polímeros depende de una variedad de factores, incluido el polímero y también, el entorno en el que se encuentra el polímero. Las propiedades del polímero que influyen en la degradación son el tipo de enlace , la solubilidad y los copolímeros, entre otras. [2] El entorno circundante del polímero es tan importante como la propia estructura del polímero. Estos factores incluyen elementos como el pH , la temperatura , los microorganismos presentes y el agua son solo algunos ejemplos. [1]
Hay dos mecanismos principales a través de los cuales puede ocurrir la biodegradación . Una es a través de la descomposición física a través de reacciones como la hidrólisis y la fotodegradación , que pueden conducir a una degradación parcial o completa. [ cita requerida ] La segunda ruta mecanicista es a través de procesos biológicos que pueden dividirse en procesos aeróbicos y anaeróbicos . [2] El primero implica la biodegradación aeróbica, donde el oxígeno está presente y es importante. En este caso, la ecuación general que se ve a continuación, donde el residuo C representa fragmentos más pequeños del polímero inicial, como los oligómeros.
El segundo mecanismo de biodegradación es por procesos anaeróbicos, donde el oxígeno no está presente.
Existen numerosos organismos que tienen la capacidad de descomponer polímeros naturales. [2] También hay polímeros sintéticos que solo han existido durante cien años con nuevas características que los microorganismos no tienen la capacidad de descomponer. Pasarán millones de años antes de que los organismos puedan adaptarse para degradar todos estos nuevos polímeros sintéticos. [ cita requerida ] Normalmente, después de que los procesos físicos llevan a cabo la descomposición inicial del polímero, los microorganismos tomarán lo que queda y descompondrán los componentes en unidades aún más simples. [2] Estos microorganismos normalmente llevan fragmentos de polímero, como oligómeros o monómeros, a la célula donde las enzimas trabajan para producir trifosfato de adenosina (ATP) y productos finales de polímero dióxido de carbono, gas nitrógeno, metano , agua, minerales y biomasa. [2] Estas enzimas actúan de diversas formas para descomponer los polímeros, incluso mediante oxidación o hidrólisis. Los ejemplos de enzimas clave incluyen proteasas , esterasas , glicosidasas y peroxidasas de manganeso .
Aplicaciones y usos
Los polímeros biodegradables son de gran interés para una variedad de campos, incluidos la medicina, [21] la agricultura [22] y el envasado. [23] Una de las áreas de investigación más activas en polímeros biodegradables es la administración y liberación controladas de fármacos.
Médico
Los polímeros biodegradables tienen innumerables usos en el campo biomédico , particularmente en los campos de la ingeniería de tejidos y la administración de fármacos . [9] [24] Para que un polímero biodegradable se utilice como terapéutico, debe cumplir con varios criterios: 1) no ser tóxico para eliminar la respuesta de cuerpo extraño; 2) el tiempo que tarda el polímero en degradarse es proporcional al tiempo necesario para la terapia; 3) los productos resultantes de la biodegradación no son citotóxicos y se eliminan fácilmente del organismo; 4) el material debe procesarse fácilmente para adaptar las propiedades mecánicas a la tarea requerida; 5) esterilizarse fácilmente ; y 6) tener una vida útil aceptable . [6] [25]
Los polímeros biodegradables son de gran interés en el campo de la administración de fármacos y la nanomedicina . El gran beneficio de un sistema de administración de fármacos biodegradables es la capacidad del portador del fármaco para dirigir la liberación de su carga útil a un sitio específico en el cuerpo y luego degradar en materiales no tóxicos que luego se eliminan del cuerpo a través de vías metabólicas naturales . [26] El polímero se degrada lentamente en fragmentos más pequeños, liberando un producto natural y existe una capacidad controlada para liberar un fármaco. El fármaco se libera lentamente a medida que el polímero se degrada. Por ejemplo, ácido poliláctico , poli (láctico-co-glicólico) ácido , y poli (caprolactona) , todos los cuales son biodegradables, se han utilizado para llevar a fármacos contra el cáncer. La encapsulación del agente terapéutico en un polímero y la adición de agentes dirigidos disminuye la toxicidad del fármaco para las células sanas.
Los polímeros y biomateriales biodegradables también son de gran interés para la ingeniería y la regeneración de tejidos . La ingeniería de tejidos es la capacidad de regenerar tejidos con la ayuda de materiales artificiales. La perfección de tales sistemas puede usarse para hacer crecer tejidos y células in vitro o usar un andamio biodegradable para construir nuevas estructuras y órganos in vitro . [27] Para estos usos, obviamente se prefiere un andamio biodegradable ya que reduce el riesgo de reacción inmunológica y rechazo del objeto extraño. Si bien muchos de los sistemas más avanzados no están listos para la terapéutica humana, existe una investigación positiva significativa en estudios con animales. Por ejemplo, fue posible hacer crecer con éxito tejido de músculo liso de rata en un andamio de policaprolactona / polilactida. [28] La investigación y el desarrollo adicionales pueden permitir que esta tecnología se utilice para el reemplazo, soporte o mejora de tejidos en humanos. Uno de los objetivos finales de la ingeniería de tejidos es la creación de órganos, como el riñón, a partir de componentes básicos. Un andamio es necesario para hacer crecer la entidad en un órgano funcional, después de lo cual el andamio de polímero se degradaría y se eliminaría de forma segura del cuerpo. Hay informes sobre el uso de ácido poliglicólico y ácido poliláctico para diseñar tejido vascular para la reparación del corazón. [29] El andamio se puede usar para ayudar a crear arterias y vasos en buen estado.
Además de la ingeniería de tejidos , los polímeros biodegradables se utilizan en aplicaciones ortopédicas, como el reemplazo de huesos y articulaciones. [30] Se ha utilizado una amplia variedad de polímeros no biodegradables para aplicaciones ortopédicas que incluyen caucho de silicona , polietileno , resinas acrílicas , poliuretano , polipropileno y polimetilmetacrilato . El papel principal de muchos de estos polímeros fue actuar como cemento biocompatible en la fijación de prótesis y en el reemplazo de articulaciones. Se han desarrollado polímeros biodegradables naturales y sintéticos biológicamente compatibles más nuevos; estos incluyen poliglicólido, polilactida, polihidroxobutirato, quitosano , ácido hialurónico e hidrogeles . En particular, el poli (metacrilato de 2-hidroxietilo), el poli (etilenglicol), el quitosano y el ácido hialurónico se han utilizado ampliamente en la reparación de cartílagos, ligamentos y tendones. Por ejemplo, el poli (L-lactida) (PLA) se utiliza para fabricar tornillos y dardos para la reparación de meniscos y se comercializa con el nombre comercial Clearfix Mensical Dart / Screw. [25] El PLA es un polímero de degradación lenta y requiere tiempos superiores a dos años para degradarse y ser absorbido por el cuerpo.
Embalajes y materiales
Además de la medicina, los polímeros biodegradables se utilizan a menudo para reducir el volumen de residuos en los materiales de embalaje. [6] También hay un esfuerzo significativo para reemplazar materiales derivados de productos petroquímicos por aquellos que pueden fabricarse a partir de componentes biodegradables. Uno de los polímeros más utilizados para el envasado es el ácido poliláctico , PLA. [32] La producción de PLA tiene varias ventajas, la más importante de las cuales es la capacidad de adaptar las propiedades físicas del polímero a través de métodos de procesamiento. El PLA se utiliza para una variedad de películas, envoltorios y recipientes (incluidas botellas y vasos). En 2002, la FDA dictaminó que el PLA era seguro para usar en todos los envases de alimentos. [33] BASF comercializa un producto llamado ecovio® que es una mezcla de base biológica del copoliéster biodegradable y compostable certificado ecoflex® y PLA de la compañía. [34] Una aplicación para este material certificado como compostable y de base biológica es para cualquier tipo de película plástica, como bolsas de la compra o bolsas de residuos orgánicos. ecovio® también se puede utilizar en otras aplicaciones, como artículos termoformados y moldeados por inyección. Incluso productos de recubrimiento de papel o espumados con partículas pueden producirse con este biopolímero muy versátil.
Ejemplos notables
Desafío Presidencial de Química Verde 2012
Cada año se producen cientos de millones de toneladas de plásticos a partir del petróleo . [35] La mayoría de estos plásticos permanecerán en los vertederos durante los próximos años o ensuciarán el medio ambiente y supondrán importantes riesgos para la salud de los animales; sin embargo, el estilo de vida de una persona promedio no sería práctico sin ellos (ver Aplicaciones ). Una solución a este enigma radica en los polímeros biodegradables. Estos polímeros tienen la clara ventaja de que con el tiempo se descompondrán. El Dr. Geoffrey Coates dirigió la investigación para crear catalizadores que no solo puedan crear de manera eficiente estos polímeros biodegradables, sino que los polímeros también incorporan el gas de efecto invernadero y el contribuyente al calentamiento global , CO 2 , y el productor de ozono terrestre presente en el medio ambiente , CO. [36] Estos Se pueden encontrar o producir dos gases en altas concentraciones a partir de desechos agrícolas, carbón y aplicaciones industriales como subproductos. [37] Los catalizadores no solo utilizan estos gases normalmente desperdiciados y nocivos para el medio ambiente, sino que también lo hacen de manera extremadamente eficiente con altos números de rotación y frecuencias, además de una buena selectividad. [37] Novomer Inc. ha utilizado activamente estos catalizadores para fabricar policarbonatos que pueden reemplazar el recubrimiento actual de bisfenol A (BPA) que se encuentra en muchos envases de alimentos y bebidas. El análisis de Novomer muestra que si se usan en todos los casos, estos recubrimientos de polímeros biodegradables no solo podrían secuestrar, sino también evitar una mayor producción de CO 2 en cientos de millones de toneladas métricas en solo un año. [37]
Preocupaciones futuras y problemas potenciales
Primero, las propiedades tales como la capacidad de peso del polímero biodegradable son diferentes de las del polímero tradicional, lo que puede ser desfavorable en muchas aplicaciones diarias. En segundo lugar, cuestiones de ingeniería. Los polímeros biodegradables son en su mayoría materiales a base de plantas, lo que significa que originalmente provienen de una fuente orgánica como la soja o el maíz. Estas plantas orgánicas tienen la posibilidad de ser rociadas con pesticidas que contienen químicos que pueden contaminar los cultivos y ser transferidos al producto final terminado. En tercer lugar, baja tasa de biodegradación. En comparación con la forma de deposición tradicional, la biodegradación del polímero tiene un período de degradación más largo. Los polihidroxialcanoatos, por ejemplo, tienen un período de degradación de hasta tres a seis meses. Por último, la cuestión de los costes. La tecnología de producción de polímero biodegradable aún es inmadura, el costo de recursos como mano de obra y materias primas en una gran escala de cantidad de producción será comparablemente alto.
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enlaces externos
- Policetales - esciencenews.com
- "Nuevas tendencias emergentes en polímeros sintéticos biodegradables - Polilactida: una crítica". Revista europea de polímeros , 2007, 43 4053-4074