Los polímeros sensibles al pH o sensibles al pH son materiales que responderán a los cambios en el pH del medio circundante variando sus dimensiones. Los materiales pueden hincharse, colapsarse o cambiar según el pH de su entorno. Este comportamiento se presenta debido a la presencia de ciertos grupos funcionales en la cadena del polímero. Los materiales sensibles al pH pueden ser ácidos o básicos, respondiendo a valores de pH básicos o ácidos. Estos polímeros se pueden diseñar con muchas arquitecturas diferentes para diferentes aplicaciones. Los usos clave de los polímeros sensibles al pH son los sistemas de administración de fármacos controlados, biomiméticos , sistemas micromecánicos, procesos de separación y funcionalización de superficies. [1]
#Tipos
Los polímeros sensibles al pH se pueden dividir en dos categorías: aquellos con grupos ácidos (como -COOH y -SO 3 H) y aquellos con grupos básicos (-NH 2 ). El mecanismo de respuesta es el mismo para ambos, solo varía el estímulo. La forma general del polímero es una columna vertebral con "grupos colgantes" funcionales que cuelgan de ella. Cuando estos grupos funcionales se ionizan en determinados niveles de pH, adquieren una carga (+/-). Las repulsiones entre cargas similares hacen que los polímeros cambien de forma. [1] [2]
Poliácidos
Los poliácidos, también conocidos como polímeros aniónicos, son polímeros que tienen grupos ácidos. [2] Los ejemplos de grupos funcionales ácidos incluyen ácidos carboxílicos (-COOH), ácidos sulfónicos (-SO 3 H), ácidos fosfónicos y ácidos borónicos. Los poliácidos aceptan protones a valores de pH bajos. A valores de pH más altos, se desprotonan y se cargan negativamente. [1] Las cargas negativas crean una repulsión que hace que el polímero se hinche. Este comportamiento de hinchamiento se observa cuando el pH es mayor que el pKa del polímero. [2]
Polibases
Las polibases son el equivalente básico de los poliácidos y también se conocen como polímeros catiónicos. Aceptan protones a pH bajo como lo hacen los poliácidos, pero luego se cargan positivamente. Por el contrario, a valores de pH más altos son neutrales. El comportamiento de hinchamiento se observa cuando el pH es menor que el pKa del polímero. [1]
Polímeros naturales
Aunque muchas fuentes hablan de polímeros sintéticos sensibles al pH, los polímeros naturales también pueden mostrar un comportamiento sensible al pH. Los ejemplos incluyen quitosano , ácido hialurónico y dextrano . [1] El quitosano, un ejemplo de uso frecuente, es catiónico. Dado que el ADN está cargado negativamente, el ADN podría unirse al quitosano como una forma de entregar genes a las células. [ cita requerida ] Los polímeros naturales tienen atractivo porque muestran una buena biocompatibilidad, lo que los hace útiles para aplicaciones biomédicas. Sin embargo, una desventaja de los polímeros naturales es que los investigadores pueden tener más control sobre la estructura de los polímeros sintéticos y, por lo tanto, pueden diseñar esos polímeros para aplicaciones específicas. [2]
Polímeros multiestímulos
Los polímeros pueden diseñarse para responder a más de un estímulo externo, como el pH y la temperatura. A menudo, estos polímeros se estructuran como un copolímero donde cada polímero muestra un tipo de respuesta. [1]
Estructura
Se han creado polímeros sensibles al pH con arquitecturas de copolímero de bloque lineal, estrella, ramificado, dendrímero, cepillo y peine. Los polímeros de diferentes arquitecturas se autoensamblarán en diferentes estructuras. Este autoensamblaje puede ocurrir debido a la naturaleza del polímero y el solvente, o debido a un cambio en el pH. Los cambios de pH también pueden hacer que la estructura más grande se hinche o se desinfle. Por ejemplo, los copolímeros de bloques a menudo forman micelas, al igual que los polímeros estrella y los polímeros ramificados. Sin embargo, los polímeros en estrella y ramificados pueden formar micelas en forma de varilla o gusano en lugar de las esferas típicas. Los polímeros de pincel se utilizan generalmente para modificar superficies, ya que su estructura no les permite formar una estructura más grande como una micela. [1]
Respuesta al cambio de pH
A menudo, la respuesta a diferentes valores de pH es hinchazón o deshinchamiento. Por ejemplo, los poliácidos liberan protones para cargarse negativamente a un pH alto. Dado que las cadenas de polímero a menudo están muy cerca de otras partes de la misma cadena o de otras cadenas, las partes del polímero con cargas similares se repelen entre sí. Esta repulsión conduce a un hinchamiento del polímero. [ cita requerida ]
Los polímeros también pueden formar micelas (esferas) en respuesta a un cambio de pH. Este comportamiento puede ocurrir con copolímeros de bloques lineales. Si los diferentes bloques del copolímero tienen diferentes propiedades, pueden formar micelas con un tipo de bloque en el interior y un tipo en el exterior. Por ejemplo, en el agua, los bloques hidrófobos de un copolímero podrían terminar en el interior de una micela, con bloques hidrófilos en el exterior. [3] Además, un cambio en el pH podría causar que las micelas intercambien sus moléculas internas y externas dependiendo de las propiedades de los polímeros involucrados. [1]
También son posibles otras respuestas además de la simple hinchazón y deshinchamiento con un cambio en el pH. Los investigadores han creado polímeros que experimentan una transición sol-gel (de una solución a un gel) con un cambio de pH, pero que también pasan de ser un gel rígido a un gel blando para ciertos valores de pH. [4]
Síntesis
Los polímeros sensibles al pH se pueden sintetizar usando varios métodos de polimerización comunes. Es posible que sea necesario proteger los grupos funcionales para que no reaccionen según el tipo de polimerización. El enmascaramiento se puede eliminar después de la polimerización para que recuperen su funcionalidad sensible al pH. La polimerización viva se usa a menudo para fabricar polímeros sensibles al pH porque se puede controlar la distribución del peso molecular de los polímeros finales. Los ejemplos incluyen la polimerización por transferencia de grupo (GTP), la polimerización por radicales por transferencia de átomo (ATRP) y la transferencia de cadena por adición-fragmentación reversible (RAFT). [1] Los copolímeros de injerto son un tipo popular de sintetizar porque su estructura es una columna vertebral con ramificaciones. La composición de las ramas se puede cambiar para lograr diferentes propiedades. [2] Los hidrogeles se pueden producir mediante polimerización en emulsión. [1]
Caracterización
Angulo de contacto
Se pueden utilizar varios métodos para medir el ángulo de contacto de una gota de agua sobre la superficie de un polímero. El valor del ángulo de contacto se usa para cuantificar la humectabilidad o hidrofobicidad del polímero. [2]
Grado de hinchazón
Igual a (peso hinchado-peso deshinchado) / peso deshinchado * 100% y determinado por masa de polímeros antes y después del hinchamiento. Esto indica cuánto se hinchó el polímero con un cambio de pH. [2]
punto crítico de pH
El pH al que se observa un cambio estructural significativo en la disposición de las moléculas. Este cambio estructural no implica romper enlaces, sino un cambio de conformación. Por ejemplo, una transición de hinchamiento / deshinchamiento constituiría un cambio conformacional reversible. El valor del punto crítico del pH se puede determinar examinando el porcentaje de hinchamiento en función del pH. Los investigadores tienen como objetivo diseñar moléculas que hagan la transición a un pH que sea importante para la aplicación dada. [2]
Cambios de superficie
La microscopía confocal , la microscopía electrónica de barrido , la espectroscopía Raman y la microscopía de fuerza atómica se utilizan para determinar cómo cambia la superficie de un polímero en respuesta al pH. [2]
Aplicaciones
Purificación y separación
Se ha considerado el uso de polímeros sensibles al pH en membranas. Un cambio en el pH podría cambiar la capacidad del polímero para dejar pasar los iones, lo que le permite actuar como un filtro. [1]
Modificacion superficial
Se han utilizado polímeros sensibles al pH para modificar las superficies de los materiales. Por ejemplo, se pueden usar para cambiar la humectabilidad de una superficie. [1]
Uso biomédico
Se han utilizado polímeros sensibles al pH para la administración de fármacos. Por ejemplo, pueden usarse para liberar insulina en cantidades específicas. [5]
Referencias
- ^ a b c d e f g h i j k l Kocak, G .; Tuncer, C .; Bütün, V. (20 de diciembre de 2016). "Polímeros sensibles al pH". Polym. Chem . 8 (1): 144-176. doi : 10.1039 / c6py01872f . ISSN 1759-9962 .
- ^ a b c d e f g h i Meléndez-Ortiz, H Iván; HC Varca (2016. "Estado del arte de los polímeros inteligentes: desde los fundamentos hasta las aplicaciones finales." Ciencia de los polímeros: avances en la investigación, aplicaciones prácticas y aspectos educativos. Centro de Investigación Formatex. Pp. 476-487.
- ^ Muzammil I, Li Y, Lei M. Humectabilidad sintonizable y capacidad de respuesta al pH de copolímeros plasmáticos de ácido acrílico y octafluorociclobutano. Proceso de plasma Polym. 2017; e1700053, https://doi.org/10.1002/ppap.201700053
- ^ Popescu, Maria-Teodora; Tsitsilianis, Constantinos; Papadakis, Christine M .; Adelsberger, Joseph; Balog, Sandor; Busch, Peter; Hadjiantoniou, Natalie A .; Patrickios, Costas S. (24 de abril de 2012). "Hidrogeles físicos de copolímero heptabloque de polielectrolito anfifílico sensible a estímulos: una respuesta de pH inusual". Macromoléculas . 45 (8): 3523–3530. doi : 10.1021 / ma300222d . ISSN 0024-9297 .
- ^ Chaturvedi, Kiran; Ganguly, Kuntal; Nadagouda, Mallikarjuna N .; Aminabhavi, Tejraj M. (28 de enero de 2013). "Hidrogeles poliméricos para la administración oral de insulina". Diario de liberación controlada . 165 (2): 129-138. doi : 10.1016 / j.jconrel.2012.11.005 . ISSN 0168-3659 . PMID 23159827 .