Polimeros Biodegradables

TEMA: POLIMEROS BIODEGRADABLES

OBJETIVOS:

• Definir que son los polímeros biodegradables y sus principales aplicaciones

• Determinar los diferentes grupos funcionales que están presentes dentro de estas estructuras químicas conocidas como polímeros biodegradables.

• Determinar los diferentes métodos de preparación de los polímeros biodegradables.

POLIMEROS BIODEGRADABLES

Los polímeros biodegradables son aquellos capaces de ser degradados Medio ambientalmente. Representan una nueva generación de materiales capaces de reducir significativamente el impacto ambiental en términos de consumo de energía y generación de residuos después de su utilización. En principio, deben comportarse como los materiales plásticos tradicionales procedentes de fuentes fósiles (petróleo), si bien, todavía presentan algunas limitaciones.

La biodegradabilidad de los plásticos depende de la estructura química del material y de la composición del producto final, no sólo de la materia prima empleada para su fabricación. Por esta razón, podemos encontrarnos con materiales biodegradables obtenidos a partir de resinas naturales o sintéticas. Los plásticos biodegradables naturales se obtienen principalmente a partir de recursos renovables, tales como el almidón, y pude ser producido de forma natural o sintética. Las resinas sintéticas proceden principalmente de derivados del petróleo y de otros productos e incluyen polímeros de poliéster y polietileno. Un ejemplo de polímero sintético biodegradable es la policaprolactona, una resina de poliéster termoplástica.

Como cualquier otro plástico comercial, los materiales biodegradables deben cumplir una serie de requerimientos orientados a la función a que van destinados. Por esta razón, a menudo los plásticos biodegradables naturales se mezclan con polímeros sintéticos para obtener un producto final cuyas propiedades funcionales sean adecuadas para el mercado.

CLASIFICACION DE LOS POLIMEROS BIODEGRADABLES

Los polímeros biodegradables se pueden clasificar de acuerdo a dos criterios establecidos: en función de su mecanismo de degradación y basándose en su origen y producción a continuación citamos sus diferentes clasificaciones.

EN FUNCIÓN DE SU MECANISMO DE DEGRADACIÓN:

a. Biodegradable:

La “American Society of Testing and Materials” (ASTM) define un material biodegradable como “aquel capaz de descomponerse en dióxido de carbono, metano, agua, componentes inorgánicos o biomasa, mediante la acción enzimática de microorganismos que puede ser medida por tests estandarizados en un período específico de tiempo, en condiciones normalizadas de depósito”. En esencia, los materiales biodegradables son degradados por acción enzimática dando lugar a moléculas más simples que se encuentran en el medioambiente, principalmente dióxido de carbono y agua.

Las velocidades de biodegradabilidad dependen enormemente del espesor y geometría de los artículos fabricados. Las velocidades altas de degradación se dan para films de bajo espesor, mientras que los artículos más gruesos: platos, bandejas, etc. pueden necesitar tiempos elevados para degradarse biológicamente.

b. Compostable:

Los plásticos biodegradables compostables son aquellos que pueden ser biodegradados y desintegrados en un sistema de compost durante un proceso de compostaje (típicamente alrededor de 12 semanas a temperaturas superiores a 50 ºC). Este compost debe cumplir determinados criterios de calidad tales como el contenido en metales pesados, ecotoxicidad y la no-generación de residuos visibles.

c. Hidrobiodegradable /Fotobiodegradable:

Son aquellos polímeros degradados por un proceso de dos etapas, que supone una etapa inicial de hidrólisis o fotodegradación, respectivamente, seguida por una segunda etapa que involucra una biodegradación.

d. Bioaerodegradable:

Se trata de aquellos polímeros capaces de ser degradados sin necesidad de la acción de microorganismos, por lo menos inicialmente. Este proceso se conoce también como desintegración abiótica e incluye procesos parciales tales como disolución en agua y envejecimiento por luz o calor.

BASÁNDOSE EN SU ORIGEN Y PRODUCCIÓN:

Polímeros directamente extraídos de fuentes naturales.

Son polímeros naturales, fácilmente disponibles, extraídos de animales marinos o vegetales. Algunos ejemplos son los polisacáridos (almidón, celulosa) y las proteínas (caseína, gluten). La ventaja de los polímeros de origen natural es que son más biocompatibles, se obtienen fácilmente y no son demasiados caros, además son fácilmente modificables químicamente. Se suele hacer una clasificación de estos polímeros basada en su estructura química:

a. Polímeros de tipo proteínico

Colágeno

Es un polímero proteínico presente en la piel y los tendones en forma de fibras. Se puede aislar y purificar muy bien y sus propiedades fisicoquímicas son muy conocidas. Se puede procesar en forma de fibras, films, microesferas. Se ha utilizado mucho sobre todo como material de sutura, pero en el campo de la liberación de fármacos no se ha empleado demasiado debido a que sufre hinchamiento y tiene baja elasticidad, por lo que se pierde la estabilidad dimensional, además producen una respuesta antigénica. Para evitar estos problemas el colágeno se modifica entrecruzándolo con formaldehído con esto se consigue una importante mejora de sus propiedades.

A pesar de todo, el colágeno se utilizaba ya en 1973 para la liberación de pilocarpina, un fármaco utilizado para controlar la presión intraocular en el tratamiento del glaucoma; también se utiliza en el tratamiento de la queratoconjuntivitis como soporte para la liberación de gentamicina, aunque en este caso se ha comprobado que el implante sólo es tolerado durante pocas. En la actualidad se estudia el empleo de colágeno para la liberación de hormonas esteroides, ácido trans-retinoico, 5-fluorouracilo y antibióticos.

Gelatina

Se obtienen a partir del colágeno por hidrólisis parcial, consiguiéndose con este proceso la transformación del material fibroso en una proteína soluble en agua. Este polímero ha sido muy estudiado como agente encapsulante para la fabricación de sistemas de liberación de fármacos. Un producto basado en este polímero (Gelfoam) se emplea como homeostato en muchos procesos quirúrgicos.

Albúmina

Las microesferas basadas en albúmina han sido muy investigadas en este campo. Puesto que la albúmina es soluble en agua, lo primero que se debe hacer para utilizarlas como microesferas es disminuir su solubilidad, para ello existen dos procesos, la desnaturalización de la proteína (70-90ºC) o el entrecruzamiento con glutaraldehído. Mediante ambos se pueden obtener microesferas porosas con perfiles de liberación constante. Se ha confirmado la posibilidad de liberar un gran número de fármacos mediantes estas microesferas de albúmina: corticoesteroides, antibióticos, péptidos y proteínas.

Fibrina

Es una proteína natural que se aísla a partir del plasma sanguíneo. Para evitar su rápida degradación se entrecruza con formaldehído o glutaraldehído. Se han hecho muchos estudios sobre la biocompatibilidad de la fibrina, no obteniéndose ningún tipo de respuesta inmunológica frente al implante. Se degrada mediante reacción enzimática y mediante fagocitosis. Se utiliza como reemplazamiento tisular temporal, y en muchos otros campos: artroplastia, desprendimiento retiniano, sellante quirúrgico etc.

b. Polímeros de tipo carbohidrato

La mayor parte de ellos pueden ser fabricados en forma de discos, films o microesferas, pero también se pueden unir covalentemente a fármacos.

Poliaminoácidos y pseudoaminoácidos

Se han preparado numerosos poliaminoácidos sintéticos, por ejemplo polilisina o poliácido glutámico. A pesar del aparente potencial de estos polímeros como sistemas dispensadores de fármacos, en la práctica no se han encontrado muchas aplicaciones, probablemente debido a que su tratamiento es difícil, pues son insolubles en la mayor parte de los disolventes orgánicos, y en agua se hinchan, lo que dificulta su preparación de forma reproducible. Por otra parte estos polímeros tienen el inconveniente adicional de su elevado precio.

Para eliminar estos problemas se han sintetizado numerosos derivados de poliaminoácidos, por ejemplo existe un poliéster de trans-4-hidroxi-L-prolina. Se ha comprobado que este tipo de poliaminoácidos tiene alta biodegradabilidad, biocompatibilidad y es válido como sistema de liberación de fármacos.

Polisacáridos

El Quitosan es un polisacárido natural biodegradable; biocompatible, no tóxico y un excelente formador de películas (filmógeno). Debido a su buena solubilidad puede ser modificado químicamente en diferentes formas y presentaciones (fibras, película, cápsulas, recubrimientos), su campo de aplicación se extiende desde su uso en el tratamiento de aguas residuales hasta la producción de productos especiales en la medicina. Se usa mucho en formulaciones para liberación de fármacos. El Quitosan se obtiene en la actualidad en todo el mundo única y exclusivamente a través de desacetilación de Quitina de caparazones de camarones y gambas. Dado que la disponibilidad de la Quitina es temporal y con ello limitada, la producción de Quitina a través de hongos para la producción de Quitosan crece en importancia.

Almidón

Termoplástico de carácter fuertemente hidrofilico, de bajo costo y de alta disponibilidad, puede utilizarse como aditivo biodegradable o material de sustitución en plásticos tradicionales. Este compuesto en teoría acelera la degradación o la fragmentación de las cadenas de los polímeros sintéticos. La acción microbial consume el almidón, creando poros en el material, que pueden llevar a su rotura.

Celulosa

La celulosa es el polímero natural más abundante por lo que ella y sus derivados han sido ampliamente investigados como potencial material biodegradable. A pesar de que la celulosa natural no puede ser procesada con facilidad, puede convertirse en un material biodegradable mediante modificaciones químicas que alteren su estructura altamente ordenada.

Polímeros sintéticos

a. Ácido poliláctico (PLA)

El ácido poliláctico, PLA, es un polímero termoplástico, amorfo o semicristalino, que ha sido ampliamente estudiado en aplicaciones como la liberación controlada de fármacos, suturas biodegradables y diferentes implantes para la fijación de fracturas y para la elaboración de dispositivos vasculares.

b. Poli (ácido glicólico) (PGA)

Es el poliéster alifático lineal más simple. Es degradable hidrolíticamente, y se utilizó para desarrollar la primera sutura sintética totalmente absorbible, comercializada como Dexon en la década de los 70 por Davis y Geck, Inc. (Danbury, CT). También es empleado como mecanismo de fijación ósea (clavos óseos) que son conocidos con la marca comercial Biofix.

Mediante la dimerización del ácido glicólico se obtiene el monómero, el cual polimeriza por apertura de anillo produciendo un material de alto peso molecular y con un porcentaje de monómero residual comprendido entre el 1% y el 3 %.

c. Copolímeros de ácido láctico y glicólico (PLGA)

Se han usado para la liberación de esteroides, agente anticancerígenos, péptidos, proteínas, antibióticos, anestésicos y vacunas. Sus propiedades fisicoquímicas vienen determinadas por la arquitectura del copolímero y el peso molecular, aunque al tratarse de copolímeros la composición también juega un papel importante.

d. Policaprolactonas

La polimerización por apertura de anillo de la ε-caprolactona da lugar a la poli (ε-caprolactona) o PCL. Se trata de un polímero semicristalino con un punto de ebullición comprendido entre 59 y 64ºC y una temperatura de transición vítrea de –60ºC. Además, se comporta como un material biocompatible y se utiliza como sutura biodegradable.

e. Poli (hidroxialcanoatos) (PHAs)

Este grupo de materiales son producidos por una amplia variedad de bacterias. Los miembros de esta familia son biopolímeros termoplásticos. Dependiendo de la cadena alifática lateral y de las composiciones de las formulaciones, se obtienen diferentes materiales: desde polímeros rígidos, con buenas propiedades de impacto hasta tenaces elastómeros. Todos estos poliésteres presentan unidades estructurales 100% ópticamente activas en la posición β, por lo tanto desde un punto de vista estereoquímico son materiales 100% isotácticos.

Los polímeros pertenecientes a esta familia más importantes son el poli-β-hidroxibutirato (P3HB) y el poli-β-hidroxivalerato (P3HV).

Poli (hidroxibutirato) Poli (hidroxivalerato)

También a partir de un medio formado por ácido pentanoico o propiónico con Alcaligenes eutrophus se obtiene un copolímero de 3-hidroxibutirato (3HB) y 3-hidroxivalerato (3HV). También se ha obtenido un copolímero de 3HB y 4-hidroxivalerato (4HV) utilizando la misma bacteria en medio de ácido butírico y ácido 4-hidroxibutírico. El polímero obtenido tiene un elevado peso molecular, es muy cristalino y altamente monodisperso. Este polímero se degrada por hidrólisis, siendo la velocidad de degradación mayor en los casos del copolímero de 3HB-3HV. Debido a las propiedades degradativas de estos materiales en contacto con el medio fisiológico, así como las propiedades mecánicas, térmicas, etc., estos materiales son utilizados potencialmente en el ámbito de la biomedicina como sistemas biodegradables para la preparación de soportes de crecimiento celular en ingeniería de tejidos.

f. Polidioxanona

Utilizado en suturas que se requiera de una alta flexibilidad para la preparación de monofilamentos para la microcirugía y cirugía oftálmica.

g. Poli (gliconato)

El poli (gliconato) es un copolímero de glicólico con trimetilcarbonato (TMC), y ha sido preparado tanto para suturas como para grapas y tornillos (Acufex Microsurgical, Inc., Mansfield, MA). Este polímero se prepara como un bloque A-B-A, con una proporción 2:1 de glicólico y TMC, con un bloque central (B) de glicólico-TMC y bloques terminales (A) de glicólico puro. Este material tiene una mejor flexibilidad que el PGA puro y es absorbido aproximadamente en 7 meses. El glicólico también ha sido polimerizado con TMC y p-dioxanona (Biosyn, by United States Surgical Corp., Norwalk, CT) para formar una sutura que es absorbida entre 3 y 4 meses y con una rigidez baja comparada con las fibras puras de PGA.

h. Poliortoésteres

Los poliortoésteres ofrecen la ventaja de que tienen en su estructura unos grupos ácidos hábiles, por esta razón su velocidad de hidrólisis se puede controlar mediante la adición de ácidos, que aceleran el proceso de hidrólisis, o de bases que estabilizan el sistema. La hidrólisis supone una erosión a la superficie y como consecuencia de ella se produce una liberación constante de fármaco, independientemente de su concentración.

i. Poliesteramidas

Tal y como indica su nombre, las poliesteramidas son polímeros que contienen enlaces tipo éster (COO-) y enlaces tipo amida (-CONH-) en la cadena principal. Los primeros estudios con poliesteramidas biodegradables datan de 1979 y se realizaron con polímeros obtenidos mediante el intercambio amida-éster que se produce al someter una poliamida y un poliéster a elevada temperatura (270ºC).

Las poliesteramidas pueden englobarse en diferentes familias de la siguiente forma:

* Polidepsipéptidos. Son poliesteramidas constituidas por α-aminoácidos y α-hidroxiácidos.

* Poliesteramidas basadas en monómeros de nilones y poliésteres comerciales. La síntesis y caracterización de copolímeros estadísticos constituidos por los monómeros del nylon 6 o del nylon 66 y la policaprolactona ha sido ampliamente estudiada por los grupos de Gonsalves y Arvanitoyannis.

* Poliesteramidas derivadas de carbohidratos.

j. Polifosfacenos

Los polifosfacenos son unos polímeros que tienen en su esqueleto un grupo N=P, el cual puede ser hidrolizado a fosfato y amoniaco, que pueden ser eliminados fácilmente del organismo (el fosfato se metaboliza y el amoniaco es excretado). Por esta razón se están ensayando muchos dispositivos a base de este polímero, ya que es un excelente candidato como material bioestructural erosionable.

Se han experimentado por ejemplo dispositivos para la liberación de progesterona en ratas, con los que se consigue una liberación de orden cero durante 30 días.

k. Ésteres de polifosfato

Se obtiene como reacción de un fosfato sustituido con un grupo etilo o fenilo con un dialcohol (por ejemplo bisfenol A o polietilenglicol), las características dependen por tanto del sustituyente lateral y del polímero incorporado. Este tipo de polímeros está todavía en desarrollo y no se tienen muchos datos sobre su toxicidad.

l. Polianhídridos

Este tipo de polímeros se degrada en días si son de estructura lineal (alifáticos) y en años si es de estructura cíclica, por lo que una combinación de ambos tiene una duración intermedia. Presenta una alta compactibilidad con el organismo, pero sus propiedades mecánicas son muy pobres como para ser aplicado en usos ortopédicos, y por ello se dirige más al área de dosificación controlada de fármacos.

Polianhídrido sebácico

La unión anhídrido es fácilmente hidrolizable, y este proceso es catalizado tanto por ácidos como por bases. También se puede controlar la velocidad de degradación modificando la estructura de la unidad repetitiva; en este sentido se ha visto que un aumento del número de carbonos disminuye el proceso de erosión. Se ha comprobado que, además del proceso de hidrólisis, estos polímeros sufren procesos de despolimerización cuando se almacenan en condiciones anhidras.

Respecto a su forma de preparación, lo más común es que se utilicen microcápsulas o microesferas inyectables. Se ha comprobado que son no mutagénicos y que no son tóxicos.

Actualmente se está evaluando la incorporación por este método de medicamentos como la insulina, enzimas, proteínas y la liberación de la bis-cloroetilnitrosourea (BCNU), un medicamento utilizado para el tratamiento del tumor cerebral en los que un tratamiento por vía venosa resulta tóxico y altamente letal.

m. Mezclas de polímeros

En muchas ocasiones se emplean mezclas de polímeros. La mezcla puede ser compatible o incompatible, dependiendo de que, en el ámbito molecular, la distribución de ambos polímeros sea o no homogénea, produciéndose en este último caso, separación de fases. La mezcla resultante tiene unas características físicas diferentes de los polímeros originales, además estas propiedades se pueden modificar alterando la composición de la mezcla. Así, por ejemplo, se han estudiado mezclas de ácido polihidroxibutírico con polianhídrido sebácico (PSA), observándose una liberación constante de fármaco durante un período comprendido entre dos semanas y varios meses.

APLICACIONES DE LOS POLIMEROS BIODEGRADABLES

Los biomateriales son productos destinados a aplicaciones médicas que están en contacto con los sistemas biológicos. Dentro de los biomateriales podemos considerar los polímeros que están presentes en aplicaciones como: marcapasos, plasmas, prótesis para fijaciones ortopédicas, bolsas de suero, fármacos encapsulados, suturas, grapas y material odontológico. Además pueden ser una alternativa perfectamente viable en otros ámbitos como, agricultura y embalaje, donde existen problemas de reciclado y recogida. Algunos de los países en vías de desarrollo pierden una parte de su producción de alimentos debido a un envase inexistente o deficiente. Materiales como MAKROLON, un policarbonato reciclable, hacen los envases más manejables, resistentes y económicos. Las bolsas biodegradables BAK, una resina termoplástica, comercializadas por BAYER tal vez sean una de las últimas innovaciones químicas en el campo del envasado con menor impacto ambiental.

POLIMEROS BIODEGRADABLES | APLICACIONES |

Almidón |Menaje, envasado de alimentos, cuidado personal, bolsas de basura, etc.|

Celulosa | Asas de cubiertos, bolígrafos, recubrimientos, etc. |

Proteínas | Botones, cajas, asas. |

PHAs | Menaje.Cuchilla de afeitar (PHBotella de champú (PHBV) |

PLA | Films y materiales de envase.Fibras. |

PCL | Resinas para recubrimientos, adhesivos, bolsas, fibras. |

Copolímerosalifáticos-aromáticos | Bolsas, menaje y recipientes. |

CONCLUSIONES

• Los polímeros biodegradables son materiales que pueden ser transformados en compuestos de bajo peso molecular donde al menos un paso en los procesos de degradación es a través del metabolismo en la presencia de organismos presentes naturalmente”.

• Los polímeros biodegradables son materiales mucho más amigables con el medio ambiente que los plásticos comunes lo que implica menos contaminación.

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