polimeros biodegradables
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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.
La síntesis del ácido poliláctico fue estudiada por Carothers en 1932.
Generalmente se lleva a cabo la polimerización por apertura de anillo del diester
cíclico. Diferentes compuestos metálicos, organometálicos e inorgánicos de Zn y
estaño han sido usados como iniciadores (95). Sin embargo, Tetrafenil de estaño,
Cloruro estañoso y Octato estañoso son los más efectivos.
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 %.
Síntesis del poli (ácido glicólico) PGA
Las fibras obtenidas a partir de PGA se caracterizan por su alta fuerza, pero son
demasiado rígidas para ser usadas como suturas exceptuando si se usan en
forma de material trenzado. En este sentido, el monómero del poli (ácido glicólico)
se copolímeriza con otros monómeros para reducir la rigidez de las fibras
resultantes.
Al igual que el ácido poliláctico se degrada en el organismo dando una sustancia
no tóxica que es metabolizada de la misma manera por el ciclo del ácido cítrico.
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.
Síntesis del poli (láctico-co-glicólico)
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.
Síntesis de la policaprolactona (PCL).
Al igual que en el caso anterior se degradan por hidrólisis y la velocidad de este
proceso depende de la forma, del tamaño del dispositivos y de los aditivos. En el
proceso de degradación primero ocurre una ruptura de cadenas, de forma que
disminuye el peso molecular, y posteriormente estas cadenas, más pequeñas, son
transportadas fuera del sitio de implantación por los fluidos del cuerpo o por
fagocitosis. El homopolímero puede degradarse en un período comprendido entre
dos y cuatro años, pero la velocidad de degradación puede aumentarse por
copolimerización con poliácido láctico o glicólico, o por adición de ácido oleioco o
aminas terciarias, que catalizan la reacción de hidrólisis.
La biocompatibilidad ha sido muy estudiada, especialmente del Capronor TM que
es un dispositivo anticonceptivo válido durante 18 meses. El agente activo es el
progestágeno levonorgestrol, se presenta en cápsulas sub-cutáneas
que se colocan por medio de una cirugía menor. Se ha demostrado que el
polímero no es tóxico, excepto por una pequeña irritación en e lugar del implante.
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.
Síntesis de podioxanona
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.
Síntesis de poli (gliconato)
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 e la superficie y como
consecuencia de ella se produce una liberación constante de fármaco,
independientemente de su concentración.
El Chronomer de Alza Corporation está fabricado con este polímero y se utiliza
como implante bioerosionable para la liberación de naltrexona.
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.
Síntesis de una poliesteramida por polimerización en estado sólido
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.
Síntesis general de un polifosfaceno
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. |
4. CONCLUSIONES
5.4. 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”.
5.5. Los polímeros biodegradables son materiales mucho más amigables con
el medio ambiente que los plásticos comunes lo que implica menos
contaminación.
5. CITAS BIBLIOGRAFICAS
5.1. BIBLIOGRAFIA
* John McMurry, Química Orgánica, Cornell University, 7ma edición, capitulo 21,
pág. 821-822, Poliamidas y poliésteres: polímeros que crecen en pasos.
* Wolfe H. Drew, Química General Orgánica y Biológica, 2da edición, capitulo 12,
pág. 302-303, Compuestos carbonílicos I