Hidrogel

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Un gel se define como una red tridimensional de cadenas flexibles, constituida por unos elementos conectados de una determinada manera e hinchada por un líquido. Un organogel es aquel que contiene un disolvente orgánico y un hidrogel es un gel que contiene agua. Los hidrogeles son polímeros que poseen unas características particulares. Son hidrófilos, insolubles en agua, blandos, elásticos y en presencia de agua se hinchan, aumentando considerablemente su volumen, pero manteniendo su forma hasta alcanzar un equilibrio físico-químico, mientras que en estado deshidratado (xerogel) son cristalinos. Los hidrogeles son sistemas en estado coloidal con apariencia sólida como la albúmina coagulada por el calor, la gelatina gelificada por enfriamiento, etc.

Las características particulares de los hidrogeles son consecuencia de muchos factores, entre ellos, cabe destacar la presencia de grupos funcionales hidrófilos (como OH, COOH, CONH2, CONH, SO3H…) en su estructura molecular. Las fuerzas cohesivas que producen el entrecruzamiento del polímero no son sólo de carácter covalente; también intervienen otras fuerzas (las fuerzas intermoleculares), como por ejemplo, las electrostáticas, hidrófobas, interacciones dipolo-dipolo o enlaces de hidrógeno. Se ha comprobado que tanto el grado como naturaleza del entrecruzamiento, la tacticidad y la cristalinidad del polímero, son los responsables de las características que aparecen en el hinchamiento del hidrogel.[1]

Los hidrogeles, debido a su biocompatibilidad, su estructura y propiedades, son cada vez más utilizados como biomateriales.[2]

Síntesis de hidrogeles[editar]

La síntesis de un hidrogel es, en esencia, un proceso de polimerización con una serie de peculiaridades que dependen de las características específicas de dichos materiales. Además del disolvente, monómero, mecanismo de iniciación… habrá que introducir otros elementos nuevos como son el agente entrecruzante y, eventualmente, un desmoldeante que evite la adhesión del hidrogel a las paredes del recipiente donde se lleve a cabo la reacción. Dada la definición de un hidrogel como la de un gel que contiene agua, está claro que éste será el medio disolvente más habitual en su síntesis, lo que no impide que en algunos casos se utilicen otros disolventes (puros o mezclas binarias) que posteriormente serán eliminados hasta formar el xerogel (red polimérica sin ningún líquido en su interior) para, finalmente, volver a ser solvatado, esta vez con agua.[3]

Monómeros[editar]

Cuando se sintetizan hidrogeles, puede elegirse un gran número de monómeros: con sustituyentes laterales no ionizables (N-metilol acrilamida, N-vinil-2-pirrolidona, metracrilato de 2-hidroxietilo…), con grupos funcionales ionizables (los ácidos metracrílico, acrílico, estiren sulfónico, vinil sulfónico, itacónico… Derivados de 2-vinilpiridina, 4-vinilpiridina, vinilamina, etilamina…), con grupos laterales cargados zwiterionicos (la parte activa o liófila tiene simultáneamente carga positiva y negativa).[4]

Iniciación[editar]

Independientemente del tipo de polimerización y de los monómeros que se utilicen, es necesario emplear un agente desencadenante de la reacción de polimerización o iniciador. Los sistemas de iniciación que pueden emplearse son los habituales en la síntesis de polímeros:

  • Iniciadores formadores de radicales libres: son sustancias que producen la formación de radicales libres que reaccionan en cadena si las condiciones son las adecuadas. Se requieren concentraciones de iniciador muy pequeñas, ya que una sola molécula de iniciador es capaz de producir una o dos largas cadenas macromoleculares. Uno de los iniciadores de esta familia más comúnmente utilizado es el 2,2´-azobiisobutironitrilo (AIBN).
  • Iniciadores iónicos: cuando la estructura del monómero no permite emplear iniciación por radicales libres, se utilizan iniciadores iónicos. Dichos iniciadores suelen ser compuestos organometálicos como el n-butil-litio, o bases fuertes, como el terc-butóxido de litio. Con estos iniciadores puede aumentarse sensiblemente la velocidad de reacción.
  • Radiación gamma: es una de las técnicas más utilizadas para obtener hidrogeles en el caso de los polímeros hidrosolubles como, por ejemplo, poli(óxido de etileno), poli(vinil alcohol), poliacrilamida… Así mismo, también es una técnica eficaz para entrecruzar mezclas de polímeros. Una fuente de radiación ϒ es la causante de la formación de radicales polímeros en el sistema. Obviamente, esta vía no requiere de la incorporación de ninguna sustancia química, al contrario del resto de casos.[4]

Síntesis del hidrogel[editar]

Los métodos de síntesis que aparecen en la literatura se basan fundamentalmente en reacciones de copolimerización, en las cuales uno de los monómeros tiene carácter hidrófobo y el otro hidrófilo. Las técnicas empleadas pueden englobarse en 2 grandes grupos:

  • Polimerización en bloque: se añade el iniciador y el agente entrecruzante a los monómeros. Se obtiene, de esta forma, el polímero sólido (en fase cristalina).
  • Polimerización en disolución: en este caso el proceso se realiza en presencia de un disolvente. Si no se utiliza agente entrecruzante, se obtiene una disolución del polímero que más tarde puede precipitarse y entrecruzarse. Si se emplea un agente entrecruzante, el resultado final no es una disolución, sino un gel solvatado.[4]

Agente entrecruzante[editar]

Es preciso señalar que en la síntesis de hidrogeles, la elección del agente entrecruzante es fundamental a la hora de optimizar las propiedades del material a sintetizar. Generalmente el agente entrecruzante se utiliza en un porcentaje muy bajo en comparación con la del total de monómero o comonómeros que se utiliza en la reacción de polimerización. Estos agentes entrecruzantes han de poseer de varios grupos reactivos en su estructura molecular, para así poder entrecruzar distintas cadenas poliméricas, siendo habituales las tetra- y hexafuncionales. Entre los destacables está el dimetilacrilato de etilenglicol (EGDMA), muy utilizado en la síntesis de hidrogeles de Poli(2-hidroxietil metacrilato) (PHEMA). No hay que olvidar, que un elevado grado de entrecruzamiento (número de entrecruzamientos que existen por unidad de volumen) hace que el polímero presente poca elasticidad, mientras que en el caso contrario, permite desplazamientos entre las distintas cadenas poliméricas y conduce a altas elasticidades.[4]

Desmoldante[editar]

Cuando se prepara un hidrogel es preciso asegurarse que tras la polimerización, éste podrá ser extraído del recipiente en el que se ha obtenido. Para ello es necesario impregnar la superficie del recipiente utilizado con un compuesto que evite la adhesión del hidrogel a dicha superficie (desmoldante). Un ejemplo: el diclorometilsilano, que al ser volátil se puede eliminar fácilmente.[4]

Aplicaciones[editar]

La capacidad que poseen los hidrogeles de absorber de forma reversible grandes cantidades de agua proporciona la posibilidad de ser utilizados en un gran número de aplicaciones científicas y tecnológicas prácticas. Además de las aplicaciones en las que los hidrogeles sirven para mantener la humedad de la tierra cultivada, como materiales absorbentes, membranas, microcápsulas, soporte para catalizadores, recubrimientos, productos auxiliares para la industria del papel, ligantes de productos farmacéuticos, aislamiento y fragmentación de biopolímeros y análisis, destacan aquellas que podemos enmarcar dentro del campo de la biomedicina. Este uso implica una serie de requisitos adicionales como son biocompatibilidad con los tejidos, inalterabilidad frente a procesos degradativos, y obviamente, que presenten propiedades mecánicas adecuadas para cada uso.[5]

Aplicaciones biomédicas[editar]

  • Lentes de contacto: Para esta aplicación son precisos tres requisitos: la lente debe permitir la adecuada oxigenación de la córnea, es decir, debe ser permeable al oxígeno; además, el fluido lacrimal tiene que formar una película entre la córnea y la lente. Por último, dicha lente deberá resistir la fuerza del párpado para así evitar posibles inestabilidades visuales. Para la fabricación de las lentes de contacto se utilizó el polimetacrilato de metilo (PMMA) por sus excelentes propiedades ópticas, fácil manejo, mecanización y pulido, y su excelente biocompatibilidad con los tejidos del ojo humano. Sin embargo, este polímero no permite el paso de la cantidad de oxígeno necesaria para la córnea, lo que hace que esta sufra una degradación de sus propiedades y transaparencia. En la actualidad, se emplean metacrilatos modificados con alquilsiloxanos, resinas de silicona polibutilestireno, etc; cada cual con sus ventajas e incovenientes.[6]
  • Liberación controlada de fármacos: Esta tecnología es relativamente nueva. Con los métodos tradicionales de liberación de medicamentos se obtienen controles muy pobres sobre los niveles de fármaco óptimos terapéuticos que demandan los tratamientos. Estas imprecisiones provocan que el medicamento, que en principio puede ser efectivo para tratar la enfermedad, no se administre ni en la cantidad ni el tiempo ni el lugar esperado para que el tratamiento sea eficaz. Por otro lado, el avance creciente en los últimos años sobre hidrogeles con facultades de liberadores trae nuevas alternativas para que un control preciso pueda ser aplicado en la administración de medicamentos.[7] Su fundamento reside en que una determinada fracción liberada de fármaco provoca una acción farmacológica específica. Se ha demostrado que existe una relación directa entre la porción de fármaco liberada y su acción farmacológica. Así, cuando se desea un efecto en particular el grado de liberación debe ser controlado en un entorno muy específico, ya que dosis más elevadas pueden producir efectos farmacológicos no deseados además de la acción terapéutica. En la actualidad, los hidrogeles han demostrado ser la base de unos de los mejores sistemas para obtener una liberación controlada de fármacos; se han estudiado sistemas de liberación de antibióticos, analgésicos, antineoplásticos, etc.[8] [9]

Aplicaciones en agricultura[editar]

  • Liberación controlada de agua y estructurador de suelos: Como ya se ha comentado, los hidrogeles se hinchan con el agua, y este hinchamiento es reversible, de tal manera que ciertos hidrogeles pueden ser aplicados en el suelo y cuando llueve se hinchan absorbiendo parte del agua de lluvia, y cuando hay época de sequía, éstos liberan poco a poco el agua absorbida. Suelen emplearse con esta aplicación 3 tipos de hidrogeles: poliacrilamida, poliacrilato de sodio y un copolímero de poliacrilamida y acrilato de sodio.[10] A menudo, para no usar el término científico del hidrogel (o por no revelar la fórmula química del hidrogel) se suele usar la abreviatura PAM para designar cualquiera de estos 3 polímeros tan distintos.[11]
La PAM reduce la erosión del suelo, favorece la regeneración de la materia orgánica y la aireación del suelo, evita la acumulación de sales en la superficie y la excesiva pérdida de agua, aumenta la retención de los nutrientes de las plantas, etc.[12] [13]

Véase también[editar]

Referencias[editar]

  • Los materiales inteligentes de este milenio: los hidrogeles macromoleculares. I. Katime, O. Katime, D. Katime. Servicio editorial de la Universidad del País Vasco. Bilbao 2004
  1. Elisseeff, Jennifer (2008). «Hydrogels: Structure starts to gel». Nature Materials 7. 
  2. Kopeček, Jindřich (2007). «Hydrogel Biomaterials: A Smart Future?». Biomaterials 28. doi:10.1016/j.biomaterials.2007.07.044. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2212614/. 
  3. «Methods for Synthesis of Hydrogel Networks: A Review». Journal of Macromolecular Science, Part C: Polymer Reviews 36:  pp. 405-430. 1996. doi:10.1080/15321799608015226. 
  4. a b c d e Issa Katime, Óscar Katime Trabanca, Daniel Katime Trabanca (2004). Los materiales inteligentes de este milenio: los hidrogeles macromoleculares : síntesis, propiedades y aplicaciones. ISBN 8483736373. 
  5. Hoffman, AS (2002). «Hydrogels for biomedical applications». Adv Drug Deliv Rev 54:  pp. 3-12. 
  6. Nicolson, PC; Vogt J (2001). «Soft contact lens polymers: an evolution.». Biomaterials 22:  pp. 3273-83. 
  7. Alejandro Arredondo Peñaranda, Marta Elena Londoño López (2009). «Hidrogeles. Potenciales biomateriales para la liberación controlada de medicamentos». Revista Ingeniería Biomédica 3 (5):  pp. 83-94. http://revistabme.eia.edu.co/numeros/5/art/articulo%2012.pdf. 
  8. Saima Amin*, Saeid Rajabnezhad and Kanchan Kohli (Noviembre 2009). Scientific Research and Essay 3 (11):  pp. 1175-1183. http://www.academicjournals.org/sre/pdf/pdf2009/nov/Amin%20et%20al.pdf. 
  9. Faccia, Paula Andrea (21 de marzo de 2013). Síntesis y caracterización de materiales poliméricos para sistemas de transporte y liberación de fármacos con potenciales aplicaciones en terapias oftalmológicas.  pp. 306. http://sedici.unlp.edu.ar/handle/10915/35028. Consultado el 29 de abril de 2014. 
  10. «Hydrogels used for medicine and agriculture». Progress in Colloid & Polymer Science 12:  pp. 123-125. 1996. doi:10.1007/BFb0114400. 
  11. «A brief story of polyacrylamide».
  12. «Use of Synthetic Polymers and Biopolymers for Soil Stabilization in Agricultural, Construction, and Military Applications». Journal of materials in civil engineering 19:  pp. 58-66. 2007. doi:10.1061/(ASCE)0899-1561(2007)19:1(58). 
  13. «Polyacrylamide: A Review of the Use Effectiveness and Cost of a Soil Erosion Control Amendment». The 10th International Soil Conservation Organization Meeting:  pp. 384-389. 1999. http://topsoil.nserl.purdue.edu/nserlweb-old/isco99/pdf/ISCOdisc/SustainingTheGlobalFarm/P046-Green.pdf.