Polímero biodegradable

Los polímeros biodegradables son una clase especial de polímeros que se descomponen después de su uso previsto mediante un proceso de descomposición bacteriana, dando lugar a subproductos naturales como gases (CO₂, N₂), agua, biomasa y sales inorgánicas. Estos polímeros se encuentran tanto en formas naturales como sintéticas, y se componen principalmente de grupos funcionales éster, amida y éter. Sus propiedades y mecanismo de descomposición están determinados por su estructura exacta. Estos polímeros se sintetizan a menudo mediante reacciones de condensación, polimerización por apertura de anillo y catalizadores metálicos. Existen numerosos ejemplos y aplicaciones de polímeros biodegradables.Los materiales de embalaje de origen biológico se han introducido como una alternativa ecológica en las últimas décadas, entre los cuales, las películas comestibles han cobrado mayor importancia debido a sus características ecológicas, su amplia variedad y disponibilidad, su no toxicidad y su bajo coste.Los polímeros biodegradables tienen una larga historia y, dado que muchos son productos naturales, no se puede determinar con precisión la cronología de su descubrimiento y uso. Uno de los primeros usos medicinales de un polímero biodegradable fue la sutura de catgut, que data de al menos el año 100 d. C. Las primeras suturas de catgut se fabricaban con intestinos de oveja, pero las suturas de catgut modernas se fabrican con colágeno purificado extraído del intestino delgado de ganado vacuno, ovino o caprino.El concepto de plásticos y polímeros biodegradables sintéticos se introdujo por primera vez en la década de 1980. En 1992, se convocó una reunión internacional donde líderes en polímeros biodegradables se reunieron para discutir una definición, un estándar y un protocolo de prueba para polímeros biodegradables. Además, se crearon organizaciones de supervisión como la Sociedad Americana para el Ensayo de Materiales (ASTM) y la Organización Internacional de Normalización (ISO). Grandes cadenas de tiendas de ropa y supermercados impulsaron el uso de bolsas biodegradables a finales de la década de 2010. Los polímeros biodegradables también recibieron atención de diversos sectores en 2012, cuando el profesor Geoffrey Coates, de la Universidad de Cornell, recibió el Premio Presidencial al Desafío de la Química Verde. En 2013, entre el 5 % y el 10 % del mercado de plásticos se centraba en plásticos derivados de polímeros biodegradables.La estructura de los polímeros biodegradables es fundamental para sus propiedades. Si bien existen innumerables polímeros biodegradables, tanto sintéticos como naturales, comparten algunos puntos en común.Los polímeros biodegradables suelen consistir en enlaces éster, amida o éter. En general, los polímeros biodegradables se pueden agrupar en dos grandes grupos según su estructura y síntesis. Uno de estos grupos son los agropolímeros, o aquellos derivados de la biomasa. El otro está formado por los biopoliésteres, que son aquellos derivados de microorganismos o fabricados sintéticamente a partir de monómeros naturales o sintéticos.

Los agropolímeros incluyen polisacáridos, como los almidones presentes en las patatas o la madera, y proteínas, como el suero de leche de origen animal o el gluten de origen vegetal. Los polisacáridos constan de enlaces glucosídicos, que unen un hemiacetal de un sacárido a un alcohol mediante la pérdida de agua. Las proteínas se componen de aminoácidos, que contienen diversos grupos funcionales. Estos aminoácidos se unen mediante reacciones de condensación para formar enlaces peptídicos, que consisten en grupos funcionales amida. Ejemplos de biopoliésteres son el polihidroxibutirato y el ácido poliláctico.Si bien los polímeros biodegradables tienen numerosas aplicaciones, comparten propiedades comunes. Todos ellos deben ser lo suficientemente estables y duraderos para su uso específico, pero al desecharse, deben descomponerse fácilmente. Los polímeros, en especial los biodegradables, tienen cadenas principales de carbono extremadamente fuertes y difíciles de romper, por lo que la degradación suele comenzar desde los grupos terminales. Dado que la degradación comienza en los extremos, es común que presenten una superficie elevada, ya que facilita el acceso de la sustancia química, la luz o el organismo. La cristalinidad suele ser baja, ya que también inhibe el acceso a los grupos terminales. Como se mencionó anteriormente, se observa normalmente un bajo grado de polimerización, ya que esto permite que los grupos terminales sean más accesibles para la reacción con el iniciador de la degradación. Otra característica común de estos polímeros es su hidrofilicidad. Los polímeros y grupos terminales hidrófobos impedirán que una enzima interactúe fácilmente si la enzima soluble en agua no puede entrar en contacto fácilmente con el polímero.Otras propiedades de los polímeros biodegradables comunes entre los utilizados con fines medicinales incluyen:

• no tóxico
• capaz de mantener una buena integridad mecánica hasta que se degrada
• capaces de controlar las tasas de degradación

El objetivo no es provocar la respuesta inmunitaria, y los productos de degradación tampoco deben ser tóxicos. Esto es importante, ya que los polímeros biodegradables se utilizan para la administración de fármacos, donde es fundamental liberar el fármaco lentamente en el organismo en lugar de hacerlo de una sola vez, y que la pastilla se mantenga estable en el frasco hasta que esté lista para su administración. Los factores que controlan la velocidad de degradación incluyen el porcentaje de cristalinidad, el peso molecular y la hidrofobicidad. La velocidad de degradación depende de la ubicación en el cuerpo, lo cual influye en el entorno que rodea al polímero, como el pH, la concentración de enzimas y la cantidad de agua, entre otros. Estos se descomponen rápidamente.Uno de los grupos de polímeros biodegradables más importantes y estudiados son los poliésteres. Estos pueden sintetizarse de diversas maneras, como la condensación directa de alcoholes y ácidos, las polimerizaciones por apertura de anillo (ROP) y las reacciones de polimerización catalizadas por metales. Una gran desventaja de la polimerización gradual mediante la condensación de un ácido y un alcohol es la necesidad de eliminar continuamente agua del sistema para impulsar el equilibrio de la reacción. Esto puede requerir condiciones de reacción rigurosas y tiempos de reacción prolongados, lo que resulta en una amplia dispersión. Se puede utilizar una amplia variedad de materiales de partida para sintetizar poliésteres, y cada tipo de monómero confiere a la cadena polimérica final características y propiedades diferentes. La ROP del ácido glicólico o láctico dimérico cíclico forma α-hidroxiácidos que luego polimerizan en poli(α-ésteres). Se puede utilizar una variedad de iniciadores organometálicos para iniciar la polimerización de poliésteres, incluyendo complejos de estaño, zinc y aluminio. El más común es el octanoato de estaño(II) y ha sido aprobado como aditivo alimentario por la FDA estadounidense. Sin embargo, aún existen dudas sobre el uso de catalizadores de estaño en la síntesis de polímeros biodegradables para usos biomédicos. La síntesis de poli(β-ésteres) y poli(γ-ésteres) puede llevarse a cabo mediante métodos de ROP o condensación similares a los de los poli(γ-ésteres). También se está explorando el desarrollo de procesos sin metales que impliquen el uso de catálisis bacteriana o enzimática en la formación de poliésteres. Estas reacciones tienen la ventaja de ser generalmente regioselectivas y estereoespecíficas, pero se ven afectadas por el alto costo de las bacterias y enzimas, los largos tiempos de reacción y los productos de bajo peso molecular.

Si bien los poliésteres dominan la investigación y la atención industrial en polímeros biodegradables sintéticos, otras clases de polímeros también son de interés. Los polianhídridos constituyen un área activa de investigación en la administración de fármacos, ya que solo se degradan desde la superficie y, por lo tanto, pueden liberar el fármaco que transportan a una velocidad constante. Los polianhídridos se pueden producir mediante diversos métodos que también se utilizan en la síntesis de otros polímeros, como la condensación, la deshidrocloración, el acoplamiento deshidratante y la ROP. Los poliuretanos y las poli(éster amidas) se utilizan en biomateriales. Inicialmente, los poliuretanos se utilizaron por su biocompatibilidad, durabilidad y resiliencia, pero recientemente se están investigando por su biodegradabilidad. Los poliuretanos se sintetizan típicamente utilizando un diisocianato, un diol y un extensor de cadena polimérica. La reacción inicial se lleva a cabo entre el diisocianato y el diol, con el diisocianato en exceso para asegurar que los extremos de la nueva cadena polimérica sean grupos isocianato. Este polímero puede reaccionar posteriormente con un diol o una diamina para formar grupos terminales de uretano o uretano-urea, respectivamente. La elección de los grupos terminales afecta las propiedades del polímero resultante. Además, el uso de aceite vegetal y biomasa en la formación de poliuretanos es un área de investigación activa.

Las propiedades mecánicas de los polímeros biodegradables pueden mejorarse añadiendo rellenos u otros polímeros para crear un compuesto, una mezcla o un copolímero. Algunos rellenos son refuerzos de fibras naturales, como nanofibras de seda, bambú y yute, además de nanoarcillas y nanotubos de carbono como alternativas, por nombrar solo algunos. Cada una de estas mejoras posee una propiedad única que no solo mejora la resistencia, sino también la procesabilidad, gracias a la resistencia a la humedad, la reducción de la permeabilidad a los gases y la memoria/recuperación de la forma. Algunos ejemplos, como la mezcla de polihidroxialcanoatos y ácido poliláctico, muestran un aumento excepcional de la tenacidad sin sacrificar la claridad óptica, y el copolímero poli(L-lactida-co-ε-caprolactona) ha mostrado memoria de forma en función de la concentración de poli-ε-caprolactona añadida.En general, los polímeros biodegradables se descomponen para formar gases, sales y biomasa. Se dice que la biodegradación completa ocurre cuando no quedan oligómeros ni monómeros. La descomposición de estos polímeros depende de diversos factores, como el polímero en sí y el entorno en el que se encuentran. Las propiedades del polímero que influyen en la degradación son el tipo de enlace, la solubilidad y los copolímeros, entre otras. El entorno circundante del polímero es tan importante como su propia estructura. Estos factores, como el pH, la temperatura, los microorganismos presentes y el agua, son solo algunos ejemplos.Existen dos mecanismos principales a través de los cuales puede ocurrir la biodegradación. Uno es la descomposición física mediante reacciones como la hidrólisis y la fotodegradación, que pueden conducir a una degradación parcial o completa. El segundo mecanismo se da a través de procesos biológicos que pueden descomponerse en procesos aeróbicos y anaeróbicos. El primero implica la biodegradación aeróbica, donde el oxígeno está presente y es importante. En este caso, la ecuación general que se muestra a continuación, donde C_residuo representa fragmentos más pequeños del polímero inicial, como oligómeros.

El segundo mecanismo de biodegradación se produce mediante procesos anaeróbicos, en los que no hay oxígeno presente.

Existen numerosos organismos capaces de descomponer polímeros naturales. También existen polímeros sintéticos que existen desde hace solo cien años, con nuevas características que los microorganismos no pueden descomponer. Pasarán millones de años antes de que los organismos puedan adaptarse para degradar todos estos nuevos polímeros sintéticos. Normalmente, después de que los procesos físicos lleven a cabo la descomposición inicial del polímero, los microorganismos toman lo restante y descomponen los componentes en unidades aún más simples. Estos microorganismos normalmente introducen fragmentos de polímero, como oligómeros o monómeros, en la célula, donde las enzimas trabajan para producir trifosfato de adenosina (ATP) y productos finales del polímero: dióxido de carbono, nitrógeno gaseoso, metano, agua, minerales y biomasa. Estas enzimas actúan de diversas maneras para descomponer los polímeros, incluyendo la oxidación o la hidrólisis. Ejemplos de enzimas clave incluyen proteasas, esterasas, glicosidasas y peroxidasas de manganeso.Los polímeros biodegradables son de gran interés en diversos campos, como la medicina, la agricultura y el envasado. Una de las áreas de investigación más activas en polímeros biodegradables es la administración y liberación controlada de fármacos.Los polímeros biodegradables tienen innumerables usos en el campo biomédico, en particular en ingeniería de tejidos y administración de fármacos. Para que un polímero biodegradable pueda utilizarse como terapia, debe cumplir varios criterios: 1) no ser tóxico para eliminar la reacción a cuerpos extraños; 2) el tiempo de degradación del polímero es proporcional al tiempo necesario para la terapia; 3) los productos resultantes de la biodegradación no son citotóxicos y se eliminan fácilmente del organismo; 4) el material debe ser fácil de procesar para adaptar las propiedades mecánicas a la tarea requerida; 5) ser fácilmente esterilizable; y 6) tener una vida útil aceptable.Los polímeros biodegradables son de gran interés en el campo de la administración de fármacos y la nanomedicina. La principal ventaja de un sistema de administración de fármacos biodegradable reside en la capacidad del portador del fármaco de dirigir la liberación de su carga a un punto específico del organismo y luego degradarse en materiales no tóxicos que se eliminan del organismo mediante vías metabólicas naturales. El polímero se degrada lentamente en fragmentos más pequeños, liberando un producto natural, y existe una capacidad controlada para liberar el fármaco. El fármaco se libera lentamente a medida que el polímero se degrada. Por ejemplo, el ácido poliláctico, el ácido poli(láctico-co-glicólico) y la policaprolactona, todos biodegradables, se han utilizado para transportar fármacos contra el cáncer. Encapsular el fármaco en un polímero y añadir agentes de diana reduce la toxicidad del fármaco para las células sanas.

Los polímeros y biomateriales biodegradables también son de gran interés para la ingeniería y regeneración de tejidos. La ingeniería de tejidos consiste en la capacidad de regenerar tejido con la ayuda de materiales artificiales. El perfeccionamiento de estos sistemas puede utilizarse para cultivar tejidos y células in vitro o utilizar un andamio biodegradable para construir nuevas estructuras y órganos in vitro. Para estos usos, se prefiere un andamio biodegradable, ya que reduce el riesgo de reacción inmunológica y rechazo del cuerpo extraño. Si bien muchos de los sistemas más avanzados no están listos para su uso en terapias humanas, existen importantes investigaciones positivas en estudios con animales. Por ejemplo, se logró cultivar con éxito tejido muscular liso de rata en un andamio de policaprolactona/polilactida. La investigación y el desarrollo futuros podrían permitir que esta tecnología se utilice para el reemplazo, soporte o mejora de tejidos en humanos. Uno de los objetivos finales de la ingeniería de tejidos es la creación de órganos, como el riñón, a partir de componentes básicos. Se necesita un andamiaje para que la entidad crezca y se convierta en un órgano funcional, tras lo cual el andamiaje de polímero se degradaría y se eliminaría del cuerpo de forma segura. Existen informes sobre el uso de ácido poliglicólico y ácido poliláctico para diseñar tejido vascular para la reparación cardíaca. El andamiaje puede utilizarse para ayudar a crear arterias y vasos sanguíneos intactos.Además de la ingeniería de tejidos, los polímeros biodegradables se utilizan en aplicaciones ortopédicas, como el reemplazo óseo y articular. Se ha empleado una amplia variedad de polímeros no biodegradables para aplicaciones ortopédicas, como el caucho de silicona, el polietileno, las resinas acrílicas, el poliuretano, el polipropileno y el polimetilmetacrilato. La función principal de muchos de estos polímeros era actuar como cemento biocompatible en la fijación de prótesis y el reemplazo articular. Se han desarrollado nuevos polímeros biodegradables, tanto sintéticos como naturales, biológicamente compatibles; estos incluyen el poliglicólido, el polilactido, el polihidroxobutirato, el quitosano, el ácido hialurónico y los hidrogeles. En particular, el poli(2-hidroxietil-metacrilato), el polietilenglicol, el quitosano y el ácido hialurónico se han utilizado ampliamente en la reparación de cartílagos, ligamentos y tendones. Por ejemplo, el poli(L-lactida) (PLA) se utiliza para fabricar tornillos y dardos para la reparación de meniscos y se comercializa bajo el nombre comercial Clearfix Mensical Dart/Screw. El PLA es un polímero de degradación lenta que tarda más de dos años en degradarse y ser absorbido por el organismo.

Además de en medicamentos, los polímeros biodegradables se utilizan a menudo para reducir el volumen de residuos en los materiales de embalaje. También se están realizando importantes esfuerzos para sustituir los materiales derivados de la petroquímica por aquellos que se pueden fabricar a partir de componentes biodegradables. Uno de los polímeros más utilizados para el embalaje es el ácido poliláctico (PLA). La producción de PLA ofrece varias ventajas, la más importante de las cuales es la capacidad de adaptar las propiedades físicas del polímero mediante métodos de procesamiento. El PLA se utiliza para una variedad de películas, envoltorios y contenedores (incluyendo botellas y vasos). En 2002, la FDA dictaminó que el PLA era seguro para su uso en todos los envases de alimentos. BASF comercializa un producto llamado ecovio®, una mezcla de base biológica de ecoflex®, el copoliéster compostable y biodegradable certificado por la compañía, y PLA. Una aplicación para este material compostable y de base biológica certificado es para cualquier tipo de películas de plástico, como bolsas de la compra o bolsas para residuos orgánicos. ecovio® también se puede utilizar en otras aplicaciones, como artículos termoformados y moldeados por inyección. Este biopolímero tan versátil permite incluso producir productos recubiertos de papel o espumados con partículas.

Cada año se producen cientos de millones de toneladas de plástico a partir del petróleo. La mayoría de estos plásticos permanecerán en vertederos durante años o contaminarán el medio ambiente, lo que representa un riesgo significativo para la salud animal; sin embargo, el estilo de vida de una persona promedio sería impráctico sin ellos (véase Aplicaciones). Una solución a este problema reside en los polímeros biodegradables. Estos polímeros tienen la clara ventaja de que se descomponen con el tiempo. El Dr. Geoffrey Coates dirigió una investigación para crear catalizadores que no solo pueden crear eficientemente estos polímeros biodegradables, sino que también incorporan el CO2, gas de efecto invernadero y causante del calentamiento global, y el CO2, productor de ozono terrestre presente en el medio ambiente. Estos dos gases se pueden encontrar o producir en altas concentraciones a partir de residuos agrícolas, carbón y aplicaciones industriales como subproductos. Los catalizadores no solo utilizan estos gases, que normalmente se desperdician y son perjudiciales para el medio ambiente, sino que también lo hacen de manera extremadamente eficiente, con altos índices de renovación y frecuencias, además de una buena selectividad. Novomer Inc. ha utilizado activamente estos catalizadores para fabricar policarbonatos que pueden reemplazar el recubrimiento actual de bisfenol A (BPA) presente en muchos envases de alimentos y bebidas. El análisis de Novomer muestra que, si se utilizan en todos los casos, estos recubrimientos poliméricos biodegradables podrían no solo secuestrar, sino también evitar la producción de cientos de millones de toneladas métricas de CO2 en tan solo un año.En primer lugar, las propiedades, como la capacidad de carga, de los polímeros biodegradables difieren de las de los polímeros tradicionales, lo que puede resultar desfavorable en muchas aplicaciones cotidianas. En segundo lugar, existen problemas de ingeniería. Los polímeros biodegradables son principalmente materiales de origen vegetal, lo que significa que provienen originalmente de fuentes orgánicas como la soja o el maíz. Estas plantas orgánicas pueden ser rociadas con pesticidas que contienen sustancias químicas que pueden contaminar los cultivos y transferirse al producto final. En tercer lugar, la baja tasa de biodegradación. En comparación con el método tradicional de deposición, la biodegradación de los polímeros tiene un período de degradación más largo. Los polihidroxialcanoatos, por ejemplo, tienen un período de degradación de hasta tres a seis meses. Por último, el problema del costo. La tecnología de producción de polímeros biodegradables aún es inmadura, y el costo de recursos como la mano de obra y las materias primas en la producción a gran escala será comparativamente alto.

• Polyketals - esciencenews.com
• "Nuevas tendencias emergentes en polímeros biodegradables sintéticos – Polilactida: una crítica". European Polymer Journal, 2007, 43 4053-4074