Hibrogeles

INDICE

1. INTRODUCCIÓN…………………………………………………………………………….. 1

2. HIDROGELES POLIMÉRICOS. GENERALIDADES………………………………….. 2

3. SÍNTESIS DE HIDROGELES BASADOS EN ALMIDÓN………………………….. 4

3.1 HIDROGELES FÍSICOS……………………………………………………………. 6

3.1.1 Interacciones Hidrófobas…………………………………………………….. 6

3.1.2 Interacciones de Carga………………………………………………………… 7

3.1.3 Interacciones por Enlaces de Hidrógeno……………………………………7

3.1.4 Estereo-acomplejamiento……………………………………………………..8

3.2 HIDROGELES QUÍMICOS…………………………………………………………..8

3.2.1 Copolimerización por Injerto y

Entrecruzamiento por radiación……………………………………………..10

3.2.2 Reacciones de Copolímerización por Injerto con Iniciadores

Químicos, Agentes Entrecruzantes y Saponificación……………………11

3.2.3 Hidrogeles Nanocompuestos……………………………………………………….. 12

4. CONCLUSIONES……………………………………………………………………………… 14

1. INTRODUCCIÓN

Cuando los homo-o copolímeros hidrófilos se entrecruzan, química o físicamente, se forman redes tridimensionales que se hinchan en agua. Los hidrogeles pueden absorber desde 10 a 20% (un límite inferior arbitrario) hasta miles de veces su peso seco en agua. Cuando el contenido de agua excede de 100% se denominan hidrogeles superabsorbentes.

El entrecruzamiento químico involucra la formación de enlaces covalentes entre las cadenas y puede lograrse empleando monómeros multifuncionales a bajas concentraciones o mediante el acoplamiento de radicales generados por radiación. En contraste, el entrecruzamiento físico se debe a interacciones secundarias no covalentes como enlaces de hidrógeno, interacciones electrostáticas, fuerzas hidrófobas o interacciones dipolo-dipolo.

Los hidrogeles de los polímeros naturales, especialmente los polisacáridos, han sido muy utilizados en los últimos años debido a sus ventajas únicas. En general, los polisacáridos son inocuos, abundantes y biocompatibles. Sin embargo, como se disuelven total o parcialmente en agua, no pueden formar hidrogeles estables.

El almidón es uno de los biopolímeros más abundantes y económicos. Se presenta en la naturaleza en forma de partículas discretas o gránulos, con diámetros en el intervalo de 2 a 100 µm. Está compuesto por dos homopolímeros de Dglucosa: la amilosa, un polímero lineal formado por unidades de α-D-glucopiranosa, unidas casi exclusivamente por enlaces α(1→4); y la amilopectina, que presenta, además de las uniones α(1→4), uniones α(1→6) en las cuales se ramifica la estructura. La masa molar de la amilosa está en el intervalo de 105 a 106 g/mol. La amilopectina presenta una masa molar 1000 veces mayor, entre 107 y 109 g/mol y está ramificada cada 20-25 unidades de α-D-glucosa.

Las principales fuentes para la producción de almidón a nivel comercial son la papa, el trigo, el maíz y el arroz.

La mayoría de estos almidones contiene de 20 a 30 % de amilosa, siendo el resto amilopectina y componentes minoritarios (menos del 1 %) tales como lípidos y proteínas. También se han usado aescala comercial y/o estudiado almidones provenientes de otras fuentes como yuca [5], el amaranto [6], el mango y el plátano [7], entre otros.

La aplicación del almidón como plástico biodegradable está restringida por su alta afinidad por el agua, su limitada procesabilidad y su baja solubilidad en los disolventes orgánicos comunes. Los almidones modificados física y químicamente, con propiedades mejoradas, son cada vez más importantes, no sólo por su bajo costo y numerosas aplicaciones industriales, sino principalmente por su biodegradabilidad. Un método efectivo para preparar hidrogeles a partir de polisacáridos, consiste en sintetizar redes híbridas entrecruzando las cadenas de polisacáridos con polímeros sintéticos.

La copolimerización por injerto se ha usado extensivamente en la modificación del almidón. Mediante copolimerización vía radicales libres, se han sintetizado copolímeros de injerto, tales como almidón-g-poli(ácido acrílico) (Alm-g-PAAcr), almidón-g-poli(acrilamida) (Alm-g-PAA) y almidón-g-poli(estireno).

En este artículo, se presenta una revisión de algunas estrategias para la preparación de hidrogeles basados en almidón, con potenciales aplicaciones en numerosas áreas, tales como medicina, farmacia, agricultura y protección ambiental.

2. HIDROGELES POLIMÉRICOS. GENERALIDADES

La naturaleza hidrófila de los hidrogeles se debe a la presencia de grupos como hidroxilo (-OH), carboxilo (–COOH), amida (-CONH2) y sulfónico (SO3H), a lo largo de las cadenas poliméricas.

Cuando un hidrogel se somete a secado, el agua se evapora causando el colapso de la estructura. El gel pasa de un estado expandido, de máximo hinchamiento, a un estado colapsado con la consiguiente expulsión del disolvente. Este proceso es reversible.

En el estado seco, denominado xerogel, el gel es un material sólido, pero en presencia de agua se expande hasta alcanzar el hinchamiento en el equilibrio [4]. Este último estado resulta de un balance entre las fuerzas osmóticas que causan que el agua penetre entre las cadenas del polímero hidrófilo y las fuerzas cohesivas existentes entre estas cadenas que oponen resistencia a la expansión. Durante el hinchamiento, las cadenas que conforman la red se estiran. Simultáneamente aparece una fuerza retráctil en oposición al proceso de hinchamiento, ejercida por las cadenas de la red sobre el disolvente contenido en ella. El hinchamiento alcanza su valor máximo, o de equilibrio, cuando se obtiene un balance entre ambas fuerzas [2,3].

El proceso de difusión puede modelarse mediante el valor del número difusional de Deborah (De), que se define como la relación entre el tiempo de relajación característico del polímero y el tiempo de difusión característico del penetrante. Dependiendo del valor de De, la difusión puede ser clasificada como Fickiana o anómala.

Para determinar la naturaleza del mecanismo de transporte, las curvas de hinchamiento pueden ser ajustadas a la ecuación exponencial propuesta por Ritger y Peppas

donde Qt / Q∞ es la absorción fraccional de agua por parte del polímero, t es el tiempo, k es una constante característica del sistema y n es un exponente característico del modo de transporte del penetrante. El número de Deborah determina la forma de la curva de hinchamiento. [4].

Cuando la relajación es mucho más rápida que la difusión (De » 1) el valor de n es igual a 0.5 indicando un mecanismo de transporte Fickiano. Sí De « 1 la difusión es más rápida que la relajación, el transporte parece Fickiano, pero con una velocidad más lenta. Cuando De ~ 1, n varía entre 0.5 y 1, el hinchamiento es anómalo y la captación de agua o su liberación son controlados simultáneamente por los procesos de relajación y difusión. [4].

Los factores determinantes del grado de hinchamiento son la hidrofilia de las cadenas poliméricas y la densidad de entrecruzamiento, aunque también influyen la tacticidad y la cristalinidad. Se puede preparar hidrogeles que responden a diversos estímulos, incorporando algún comonómero estímulo-respuesta ya sea en el esqueleto o como grupos colgantes en la estructura de la red. Estos materiales poseen la habilidad de hincharse, encogerse, enrollarse o hasta degradarse en respuesta a una señal determinada y se conocen como hidrogeles inteligentes [8, 9].

Los estímulos externos que comúnmente causan el cambio abrupto en el volumen del hidrogel son: pH, temperatura, fuerza iónica, tipo de sal, campos eléctrico o magnético, radiación electromagnética y radiación ultrasónica. Además de controlar la cinética de hinchamiento, los estímulos pueden causar cambios estructurales en la red polimérica, modificar la permeabilidad o la fuerza mecánica del hidrogel [9,10].

En la fabricación de hidrogeles se han empleado diversos polímeros naturales solubles en agua que incluyen los polinucleótidos, los polipéptidos y los polisacáridos. Los hidrogeles naturales se preparan por entrecruzamiento químico o físico de estos polímeros. El entrecruzamiento químico de polisacáridos (almidón, alginato, quitina, quitosano, celulosa, oligopéptidos y ácido hialurónico) y proteínas (albúmina y gelatina) conduce a una gran variedad de hidrogeles bien definidos [3].

Los hidrogeles se sintetizan típicamente mediante alguno de estos procedimientos generales: (i) polimerización de monómeros hidrófilos con entrecruzamiento simultáneo o vía postpolimerización y (ii) modificación del carácter hidrófilo de polímeros con propiedades potenciales como hidrogel [8].

El método empleado normalmente para preparar hidrogeles es la copolimerización por injerto, vía radicales libres, de monómeros vinílicos hidrófilos de bajo peso molecular, en presencia de un agente entrecruzante polimerizable. En la síntesis, junto a los elementos habituales de cualquier reacción de polimerización, tales como disolvente, monómero o comonómeros e iniciador, se incorpora normalmente un monómero bifuncional para entrecruzar las cadenas poliméricas [11].

Los

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