Biopolímero

Los biopolímeros son polímeros naturales producidos por las células de los organismos vivos. Los biopolímeros consisten en unidades monoméricas unidas covalentemente para formar moléculas más grandes. Hay tres clases principales de biopolímeros, clasificados según los monómeros utilizados y la estructura del biopolímero formado: polinucleótidos, polipéptidos y polisacáridos. Los polinucleótidos, como el ARN y el ADN, son polímeros largos compuestos por 13 o másmonómeros de nucleótidos. Los polipéptidos y las proteínas son polímeros de aminoácidos y algunos ejemplos importantes incluyen colágeno, actina y fibrina. Los polisacáridos son carbohidratos poliméricos lineales o ramificados y los ejemplos incluyen almidón, celulosa y alginato. Otros ejemplos de biopolímeros incluyen cauchos naturales (polímeros de isopreno), suberina y lignina (polímeros polifenólicos complejos), cutina y cutan (polímeros complejos de ácidos grasos de cadena larga) y melanina.

Los biopolímeros tienen aplicaciones en muchos campos, incluida la industria alimentaria, la fabricación, el envasado y la ingeniería biomédica.

Biopolímeros versus polímeros sintéticos

Una de las principales diferencias definitorias entre los biopolímeros y los polímeros sintéticos se puede encontrar en sus estructuras. Todos los polímeros están hechos de unidades repetitivas llamadas monómeros. Los biopolímeros suelen tener una estructura bien definida, aunque esta no es una característica definitoria (ejemplo: lignocelulosa): la composición química exacta y la secuencia en la que se organizan estas unidades se denomina estructura primaria, en el caso de las proteínas. Muchos biopolímeros se pliegan espontáneamente en formas compactas características (ver también "plegamiento de proteínas" así como estructura secundaria y estructura terciaria), que determinan sus funciones biológicas y dependen de manera complicada de sus estructuras primarias. La biología estructural es el estudio de las propiedades estructurales de los biopolímeros. En contraste, la mayoríalos polímeros sintéticos tienen estructuras mucho más simples y aleatorias (o estocásticas). Este hecho conduce a una distribución de masa molecular que falta en los biopolímeros. De hecho, como su síntesis está controlada por un proceso dirigido por moldes en la mayoría de los sistemas in vivo, todos los biopolímeros de un tipo (por ejemplo, una proteína específica) son todos iguales: todos contienen secuencias y números de monómeros similares y, por lo tanto, todos tienen el mismo masa. Este fenómeno se denomina monodispersidad en contraste con la polidispersidad que se encuentra en los polímeros sintéticos. Como resultado, los biopolímeros tienen una dispersión de 1.

Convenciones y nomenclatura

Polipéptidos

La convención para un polipéptido es enumerar sus residuos de aminoácidos constituyentes a medida que ocurren desde el término amino hasta el término ácido carboxílico. Los residuos de aminoácidos siempre están unidos por enlaces peptídicos. La proteína, aunque se usa coloquialmente para referirse a cualquier polipéptido, se refiere a formas más grandes o completamente funcionales y puede consistir en varias cadenas polipeptídicas, así como en cadenas simples. Las proteínas también se pueden modificar para incluir componentes no peptídicos, como cadenas de sacáridos y lípidos.

Ácidos nucleicos

La convención para una secuencia de ácido nucleico es enumerar los nucleótidos tal como aparecen desde el extremo 5' hasta el extremo 3' de la cadena polimérica, donde 5' y 3' se refieren a la numeración de los carbonos alrededor del anillo de ribosa que participan en la formación los enlaces fosfato diéster de la cadena. Tal secuencia se denomina estructura primaria del biopolímero.

Azúcar

Los polímeros de azúcar pueden ser lineales o ramificados y normalmente se unen con enlaces glucosídicos. La ubicación exacta del enlace puede variar, y la orientación de los grupos funcionales de enlace también es importante, lo que da como resultado enlaces glucosídicos α y β con numeración definitiva de la ubicación de los carbonos de enlace en el anillo. Además, muchas unidades de sacárido pueden sufrir diversas modificaciones químicas, como la aminación, e incluso pueden formar parte de otras moléculas, como las glicoproteínas.

Caracterización estructural

Hay una serie de técnicas biofísicas para determinar la información de la secuencia. La secuencia de proteínas se puede determinar mediante la degradación de Edman, en la que los residuos N-terminales se hidrolizan de la cadena uno a la vez, se derivatizan y luego se identifican. También se pueden utilizar técnicas de espectrómetro de masas. La secuencia de ácidos nucleicos se puede determinar mediante electroforesis en gel y electroforesis capilar. Por último, las propiedades mecánicas de estos biopolímeros a menudo se pueden medir con pinzas ópticas o microscopía de fuerza atómica. La interferometría de polarización dual se puede utilizar para medir los cambios conformacionales o el autoensamblaje de estos materiales cuando son estimulados por el pH, la temperatura, la fuerza iónica u otros socios de unión.

Biopolímeros comunes

Colágeno : El colágeno es la estructura primaria de los vertebrados y es la proteína más abundante en los mamíferos. Debido a esto, el colágeno es uno de los biopolímeros más fáciles de obtener y se utiliza para muchos fines de investigación. Por su estructura mecánica, el colágeno tiene una alta resistencia a la tracción y es un material no tóxico, fácilmente absorbible, biodegradable y biocompatible. Por lo tanto, se ha utilizado para muchas aplicaciones médicas, como en el tratamiento de infecciones de tejidos, sistemas de administración de fármacos y terapia génica.

Fibroína de seda : La fibroína de seda (SF) es otro biopolímero rico en proteínas que se puede obtener de diferentes especies de gusanos de seda, como el gusano de morera Bombyx mori. En contraste con el colágeno, el SF tiene una menor resistencia a la tracción pero tiene fuertes propiedades adhesivas debido a su composición de proteína fibrosa e insoluble. En estudios recientes, se ha descubierto que la fibroína de seda posee propiedades anticoagulantes y adhesión plaquetaria. También se ha descubierto que la fibroína de seda favorece la proliferación de células madre in vitro.

Gelatina : La gelatina se obtiene a partir del colágeno tipo I que consiste en cisteína y se produce por hidrólisis parcial del colágeno de los huesos, tejidos y piel de los animales. Hay dos tipos de gelatina, tipo A y tipo B. El colágeno tipo A se obtiene por hidrólisis ácida del colágeno y tiene un 18,5 % de nitrógeno. El tipo B se obtiene por hidrólisis alcalina que contiene un 18 % de nitrógeno y ningún grupo amida. Las temperaturas elevadas hacen que la gelatina se derrita y exista como espirales, mientras que las temperaturas más bajas dan como resultado una transformación de espiral en hélice. La gelatina contiene muchos grupos funcionales como NH2, SH y COOH que permiten modificar la gelatina utilizando nanopartículas y biomoléculas. La gelatina es una proteína de la matriz extracelular que permite su aplicación en aplicaciones tales como apósitos para heridas, suministro de fármacos y transfección de genes.

Almidón: El almidón es un biopolímero biodegradable económico y abundante en suministro. Se pueden agregar nanofibras y microfibras a la matriz polimérica para aumentar las propiedades mecánicas del almidón mejorando la elasticidad y la resistencia. Sin las fibras, el almidón tiene malas propiedades mecánicas debido a su sensibilidad a la humedad. Al ser biodegradable y renovable, el almidón se usa para muchas aplicaciones, incluidos plásticos y tabletas farmacéuticas.

Celulosa: La celulosa está muy estructurada con cadenas apiladas que dan como resultado estabilidad y resistencia. La fuerza y ​​la estabilidad provienen de la forma más recta de la celulosa provocada por los monómeros de glucosa unidos por enlaces de glucógeno. La forma recta permite que las moléculas se agrupen estrechamente. La celulosa es una aplicación muy común debido a su abundante suministro, su biocompatibilidad y es respetuosa con el medio ambiente. La celulosa se usa mucho en forma de nanofibrillas llamadas nanocelulosa. La nanocelulosa presentada en bajas concentraciones produce un material de gel transparente. Este material se puede utilizar para películas densas, homogéneas y biodegradables que son muy útiles en el campo biomédico.

Alginato: El alginato es el polímero natural marino más copioso derivado de las algas pardas. Las aplicaciones de los biopolímeros de alginato van desde la industria del embalaje, textil y alimentaria hasta la ingeniería biomédica y química. La primera aplicación de alginato fue en forma de vendaje para heridas, donde se descubrieron sus propiedades absorbentes y similares a un gel. Cuando se aplica a las heridas, el alginato produce una capa de gel protectora que es óptima para la cicatrización y la regeneración de tejidos, y mantiene una temperatura ambiente estable. Además, ha habido desarrollos con el alginato como medio de administración de fármacos, ya que la tasa de liberación del fármaco se puede manipular fácilmente debido a una variedad de densidades de alginato y composición fibrosa.

Aplicaciones de biopolímeros

Las aplicaciones de los biopolímeros se pueden clasificar en dos campos principales, que se diferencian por su uso biomédico e industrial.

Biomédica

Debido a que uno de los propósitos principales de la ingeniería biomédica es imitar partes del cuerpo para mantener las funciones corporales normales, debido a sus propiedades biocompatibles, los biopolímeros se utilizan ampliamente para la ingeniería de tejidos, dispositivos médicos y la industria farmacéutica. Muchos biopolímeros se pueden usar para medicina regenerativa, ingeniería de tejidos, administración de fármacos y aplicaciones médicas generales debido a sus propiedades mecánicas. Proporcionan características como cicatrización de heridas y catálisis de bioactividad y no toxicidad. En comparación con los polímeros sintéticos, que pueden presentar varias desventajas, como el rechazo inmunogénico y la toxicidad después de la degradación, muchos biopolímeros normalmente se integran mejor en el cuerpo, ya que también poseen estructuras más complejas, similares a las del cuerpo humano.

Más específicamente, los polipéptidos como el colágeno y la seda son materiales biocompatibles que se utilizan en investigaciones innovadoras, ya que son materiales económicos y fáciles de obtener. El polímero de gelatina se usa a menudo para vendar heridas donde actúa como adhesivo. Los andamios y las películas con gelatina permiten que los andamios contengan medicamentos y otros nutrientes que se pueden usar para suministrar a una herida para que cicatrice.

Dado que el colágeno es uno de los biopolímeros más populares utilizados en la ciencia biomédica, aquí hay algunos ejemplos de su uso:

Sistemas de administración de fármacos a base de colágeno: las películas de colágeno actúan como una membrana de barrera y se utilizan para tratar infecciones tisulares como el tejido corneal infectado o el cáncer de hígado. Todas las películas de colágeno se han utilizado como portadores de suministro de genes que pueden promover la formación de hueso.

Esponjas de colágeno: Las esponjas de colágeno se utilizan como apósito para tratar a las víctimas de quemaduras y otras heridas graves. Los implantes a base de colágeno se utilizan para células de piel cultivadas o portadores de fármacos que se utilizan para heridas por quemaduras y reemplazo de piel.

Colágeno como hemostático : cuando el colágeno interactúa con las plaquetas provoca una rápida coagulación de la sangre. Esta coagulación rápida produce un marco temporal para que las células huésped puedan regenerar el estroma fibroso. El hemostático a base de colágeno reduce la pérdida de sangre en los tejidos y ayuda a controlar el sangrado en órganos celulares como el hígado y el bazo.

El quitosano es otro biopolímero popular en la investigación biomédica. El quitosano se deriva de la quitina, el principal componente del exoesqueleto de crustáceos e insectos y el segundo biopolímero más abundante en el mundo. El quitosano tiene muchas características excelentes para la ciencia biomédica. El quitosano es biocompatible, es altamente bioactivo, lo que significa que estimula una respuesta beneficiosa del cuerpo, puede biodegradarse, lo que puede eliminar una segunda cirugía en aplicaciones de implantes, puede formar geles y películas, y es selectivamente permeable. Estas propiedades permiten diversas aplicaciones biomédicas del quitosano.

El quitosano como administración de fármacos: el quitosano se usa principalmente con la orientación de fármacos porque tiene potencial para mejorar la absorción y la estabilidad de los fármacos. además, el quitosano conjugado con agentes anticancerígenos también puede producir mejores efectos anticancerígenos al provocar la liberación gradual de fármaco libre en el tejido canceroso.

El quitosano como agente antimicrobiano: el quitosano se usa para detener el crecimiento de microorganismos. Realiza funciones antimicrobianas en microorganismos como algas, hongos, bacterias y bacterias gram positivas de diferentes especies de levaduras.

Compuesto de quitosano para ingeniería de tejidos: el poder combinado de quitosano junto con alginato se usan juntos para formar apósitos funcionales para heridas. Estos vendajes crean un ambiente húmedo que ayuda en el proceso de curación. Este apósito para heridas también es muy biocompatible, biodegradable y tiene estructuras porosas que permiten que las células crezcan en el apósito.

Industrial

Alimentos : los biopolímeros se utilizan en la industria alimentaria para cosas como empaques, películas de encapsulación comestibles y recubrimiento de alimentos. El ácido poliláctico (PLA) es muy común en la industria alimentaria debido a su color claro y resistencia al agua. Sin embargo, la mayoría de los polímeros tienen una naturaleza hidrofílica y comienzan a deteriorarse cuando se exponen a la humedad. Los biopolímeros también se están utilizando como películas comestibles que encapsulan los alimentos. Estas películas pueden contener cosas como antioxidantes, enzimas, probióticos, minerales y vitaminas. Los alimentos consumidos encapsulados con la película de biopolímero pueden suministrar estas cosas al cuerpo.

Envasado: Los biopolímeros más comunes utilizados en el envasado son el polihidroxialcanoato (PHA), el ácido poliláctico (PLA) y el almidón. El almidón y el PLA están disponibles comercialmente y son biodegradables, lo que los convierte en una opción común para el envasado. Sin embargo, sus propiedades de barrera y propiedades térmicas no son ideales. Los polímeros hidrofílicos no son resistentes al agua y permiten que el agua atraviese el empaque, lo que puede afectar el contenido del paquete. El ácido poliglicólico (PGA) es un biopolímero que tiene grandes características de barrera y ahora se está utilizando para corregir los obstáculos de barrera del PLA y el almidón.

Purificación del agua: El quitosano se ha utilizado para la purificación del agua. Se utiliza como un floculante que solo tarda unas pocas semanas o meses en lugar de años en degradarse en el medio ambiente. El quitosano purifica el agua por quelación. Este es el proceso en el que los sitios de unión a lo largo de la cadena del polímero se unen con el metal en el agua formando quelatos. Se ha demostrado que el quitosano es un excelente candidato para su uso en el tratamiento de aguas pluviales y residuales.

Como materiales

Algunos biopolímeros, como el PLA, la zeína natural y el poli-3-hidroxibutirato, se pueden usar como plásticos, reemplazando la necesidad de plásticos a base de poliestireno o polietileno.

Algunos plásticos ahora se denominan 'degradables', 'oxi-degradables' o 'UV-degradables'. Esto significa que se descomponen cuando se exponen a la luz o al aire, pero estos plásticos siguen siendo principalmente (hasta un 98 por ciento) a base de aceite y actualmente no están certificados como 'biodegradables' según la directiva de la Unión Europea sobre envases y residuos de envases ( 94/62/CE). Los biopolímeros se descomponen y algunos son adecuados para el compostaje doméstico.

Los biopolímeros (también llamados polímeros renovables) se producen a partir de biomasa para su uso en la industria del embalaje. La biomasa procede de cultivos como la remolacha azucarera, la patata o el trigo: cuando se utilizan para producir biopolímeros, estos se clasifican como cultivos no alimentarios. Estos se pueden convertir en las siguientes vías:

Remolacha azucarera > Ácido glicónico > Ácido poliglicónico

Almidón > (fermentación) > Ácido láctico > Ácido poliláctico (PLA)

Biomasa > (fermentación) > Bioetanol > Eteno > Polietileno

Se pueden fabricar muchos tipos de envases a partir de biopolímeros: bandejas para alimentos, gránulos de almidón soplado para el envío de mercancías frágiles, películas delgadas para envolver.

Impactos ambientales

Los biopolímeros pueden ser sostenibles, neutrales en carbono y siempre renovables, porque están hechos de materiales vegetales que se pueden cultivar indefinidamente. Estos materiales vegetales provienen de cultivos agrícolas no alimentarios. Por lo tanto, el uso de biopolímeros crearía una industria sostenible. Por el contrario, las materias primas para los polímeros derivados de productos petroquímicos acabarán por agotarse. Además, los biopolímeros tienen el potencial de reducir las emisiones de carbono y reducir las cantidades de CO ₂ en la atmósfera: esto se debe a que el CO ₂ liberado cuando se degradan puede ser reabsorbido por los cultivos que se cultivan para reemplazarlos: esto los hace casi neutros en carbono.

Los biopolímeros son biodegradables y algunos también son compostables. Algunos biopolímeros son biodegradables: los microorganismos los descomponen en CO ₂ y agua. Algunos de estos biopolímeros biodegradables son compostables: se pueden poner en un proceso de compostaje industrial y se descomponen en un 90 % en seis meses. Los biopolímeros que hacen esto se pueden marcar con un símbolo 'compostable', según la norma europea EN 13432 (2000). Los envases marcados con este símbolo se pueden colocar en procesos de compostaje industrial y se descompondrán en seis meses o menos. Un ejemplo de un polímero compostable es la película PLA de menos de 20 μm de espesor: las películas que son más gruesas que eso no califican como compostables, aunque sean "biodegradables".En Europa existe un estándar de compostaje doméstico y un logotipo asociado que permite a los consumidores identificar y desechar los envases en su montón de compost.