Los plásticos son muy útiles y sin duda son muy necesarios para nuestra sociedad moderna por lo resistentes y versátiles que son, el problema con este material es precisamente su resistencia, ya que resultan difíciles de degradar, por lo cual persisten en el ambiente durante mucho tiempo; por otro lado, hay un gran interés en el desarrollo de nuevos polímeros biodegradables para su uso en el campo de la biomedicina, estos aspectos han impulsado el interés por desarrollar polímeros de degradación hidrolítica, es decir, que se descompongan fácilmente en agua, con la finalidad que puedan ser utilizados para transportar fármacos en el cuerpo.
Hay mucho interes en desarrollar polímeros de degradación hidrolítica. Fuente: @emiliomoron.
Los polímeros vinílicos, esos que comúnmente llamamos plásticos, son polímeros que se obtienen ensamblando un gran número de monómeros vinílicos, es decir, moléculas que contienen un doble enlace carbono-carbono, siendo el polietileno el polímero vinílico más simple de todos, en el cual el monómero es la molécula de etileno; y cuando se unen estas moléculas, es decir, polimerizan, se unen mediante sus dobles enlaces formando largas cadenas de miles de átomos de carbono.
El polietileno es el polímero vinílico más sencillo. Fuente: imagen elaborada en powerpoint.
Este tipo de polímero ha sido objeto de mucha investigación principalmente por su facilidad de síntesis, lo que ha posibilitado la fabricación de diversos materiales funcionales con estructuras bien definidas. Sin embargo, a pesar de haber sido objeto de intensa investigación, no se han conseguido maneras viables para aumentar su escasa degradación hidrolítica, no pudiendo competir con poliésteres alifáticos, cuya presencia de grupo esteres les confieren una mayor degradación. Esto limita el uso de los polímeros vinílicos en el campo de la biomedicina, en donde tienen mucho interés por la facilidad de funcionalizarlos y ajustar su estructura según los requerimientos deseados; sin mencionar, que su reducida biodegradación también los hace responsables de grandes problemas ambientales.
Química de la descomposición hidrolítica de los polímeros
La degradación de los polímeros generalmente se produce por dos mecanismos: hidrólisis y oxidación. El término hidrólisis se deriva de la combinación de palabras griegas "hydro" y "lysis", donde "lysis" significa "soltar", por tanto, la hidrólisis se define como la reacción con el agua en la que las moléculas de agua conducen a la ruptura de los enlaces químicos de un polímero.
La hidrólisis de los polímeros se acelera con la presencia de catalizadores especiales para este propósito, sin embargo la velocidad de hidrólisis también depende de los enlaces químicos susceptibles dentro del polímero, así como de la concentración de agua dentro del material. Tanto la hidrólisis por agua pura como la catálisis por la presencia de sales requieren agua en el polímero, es por ello que los polímeros hidrofílicos (que absorben agua) son más susceptibles a la hidrólisis y a la posterior degradación hidrolítica que los polímeros hidrofóbicos (que repelen el agua).
Los polímeros como las poliamidas y los polímeros de la celulosa, por ejemplo, contienen un grupo carbonilos y un grupo hidroxilo, lo que hace a estas moléculas polares e inherentemente hidrofílicos. Entre los polímeros carbonílicos, los anhídridos presentan las tasas de hidrólisis más elevadas, seguidos, por orden, de los ésteres y los carbonatos. Por otro lado, polímeros como el polietileno, por ejemplo, cuya estructura está formada por grupos CH y CH2 a lo largo de la columna del polímero, y un grupo CH3 al extremo, es una molécula de naturaleza no polar, más afín a los hidrocarburos, por lo que inherentemente es hidrofóbica y por ello tiene la tasa más baja de hidrolisis.
Comparación de las estructuras del Nilon-6 (un tipo de poliamida) y el polietileno. Fuente: imagen elaborada en powerpoint.
Hacia un polímero vinílico degradable en agua
Pero gracias a una nueva técnica de polimerización de polímeros vinílicos se podrían diseñar macromoléculas con estructura controlada y homogénea, y además, fácilmente degradable. Un equipo de investigación de CNRS en el Instituto Galien París-Saclay logró desarrollar un sistema de copolimerización en el cual insertan un monómero de acetales cíclicos en la acrilamida, un polímero que tiene muchas aplicaciones industriales, se obtienen polímeros que son compatibles con una degradación hidrolítica más rápida, y que además, según la naturaleza del polímero, pueden ajustar la solubilidad en función de la temperatura, lo que es muy deseable para la liberación de fármacos en el cuerpo.
Hasta ahora se ha abordado la elaboración de polímeros vinílicos degradables mediante la introducción de un grupo ester en la estructura del polímero, utilizando un método conocido como polimerización radical de apertura en anillo (rROP) de acetales cíclicos de ceteno (CKA), un proceso en el que básicamente un monómero cíclico es convertido en un polímero que no contiene anillos, dichos anillos se abren y se extienden a lo largo de una cadena polimérica. Y aunque se ha realizado muchos estudios con resultados prometedores, aun la escasa degradación que presentan estos polímeros en condiciones fisiológicas sigue siendo una gran limitación.
Pero el estudio publicado en la revista Nature Communications el equipo de investigadores informó sobre el sistema de copolimerización que ha superado las limitaciones asociadas a los polímeros obtenidos mediante el método rROP de acetales cíclicos de ceteno, su método permitió la síntesis de copolimeros vinílicos con una estructura bien definida que presentaron una rápida degradación hidrolítica y completa solubilidad en agua, incluso mayores que la observada en los poliésteres más populares, como el poliácido láctico-co-glicólico (PLGA) o incluso el poliácido láctico (PLA).
El diseño del sistema de copolimerización se basó en una analogía estructural con los copolímeros de poliacrilamida-co-estireno en los cuales fue sustituido el estireno por unidades de acetales cíclicos de ceteno (CKA) contengan anillos aromáticos, dando lugar al sistema poliacrilamida-co-acetal cíclico (P(AAm-co-CKA)).
Los copolímeros sintetizados pueden ser sensibles al calor y se degradan fácilmente con el agua. Fuente: imagen elaborada en powerpoint.
Para las pruebas, las primeras copolimerizaciones se hicieron con 2-methylene-4-phenyl-1,3-dioxolane (MPDL) debido a su estructura radical abierta muy cercana a la del estireno, luego se comprobó la solubilidad de los diferentes copolímeros en agua (10 mg mL-1) mediante mediciones de transmitancia realizadas entre 5 y 50 °C, encontrando que los copolimeros con MPDL eran totalmente solubles en agua independientemente de la temperatura, también lograron demostrar que al cambiar la naturaleza del acetal ceteno cíclico, podían modificar la solubilidad de los copolímeros sintonizar sus temperaturas criticas de solución entorno a la temperatura del cuerpo humano.
Este desarrollo es muy relevante, por un lado, el equipo de investigación apunta a la elaboración de polímeros que podrían utilizarse para administrar medicamentes, formulando estos polímeros como nanopartículas capaces de solubilizarse a la temperatura corporal, y por otro lado, este método también debería permitir la fabricación de polímeros que puedan degradarse más fácilmente en el ambiente.
Bueno amigos, espero les haya gustado la información sobre este nuevo método para sintetizar polímeros vinilicos fácilmente degradables en agua. ¡Hasta la próxima!
Referencias
Amaury Bossion, Chen Zhu, Léa Guerassimoff, Julie Mougin et Julien Nicolas (2022). Vinyl Copolymers with Faster Hydrolytic Degradation than Aliphatic Polyesters and Tunable Upper Critical Solution Temperatures. Nature Communications, 13, 2873.
Ajay D. Padsalgikar (2017). Biological Properties of Plastics. Plastics in Medical Devices for Cardiovascular Applications, Pages 83-102.
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