Polímero impreso molecularmente

Un polímero de impronta molecular (MIP) es un polímero que se ha procesado mediante la técnica de impronta molecular, que deja cavidades en la matriz del polímero con afinidad por una molécula "plantilla" elegida. El proceso suele implicar iniciar la polimerización de monómeros en presencia de una molécula plantilla que se extrae posteriormente, dejando atrás cavidades complementarias. Estos polímeros tienen afinidad por la molécula original y se han utilizado en aplicaciones como separaciones químicas, catálisis o sensores moleculares. Los trabajos publicados sobre el tema datan de la década de 1930.

La impronta molecular es el proceso de generar una impresión dentro de un sólido o un gel, cuyo tamaño, forma y distribución de carga corresponden a una molécula molde (normalmente presente durante la polimerización). El resultado es un receptor sintético capaz de unirse a una molécula diana, que se ajusta al sitio de unión con alta afinidad y especificidad. Las interacciones entre el polímero y la plantilla son similares a las que se dan entre anticuerpos y antígenos, y consisten en interacciones electrostáticas, enlaces de hidrógeno, fuerzas de Van der Waals e interacciones hidrofóbicas.

Una de las mayores ventajas de los receptores artificiales sobre los receptores naturales es la libertad de diseño molecular. Sus estructuras no se limitan a las proteínas y se puede utilizar una variedad de esqueletos (por ejemplo, cadenas de carbono y anillos aromáticos fusionados). Por lo tanto, la estabilidad, la flexibilidad y otras propiedades se modulan libremente según las necesidades. Incluso se pueden emplear grupos funcionales que no se encuentran en la naturaleza en estos compuestos sintéticos. Además, cuando es necesario, la actividad en respuesta a estímulos externos (fotoirradiación, cambio de pH, campo eléctrico o magnético y otros) se puede proporcionar utilizando grupos funcionales apropiados.

En un proceso de impresión molecular, se necesita 1) una plantilla, 2) un monómero(s) funcional(es), 3) un agente de reticulación, 4) un iniciador de polimerización radical u otro, 5) un disolvente porogénico y 6) un disolvente de extracción. Según el método de polimerización y el formato final del polímero, se puede evitar uno o algunos de los reactivos.

Existen dos métodos principales para crear estos polímeros especializados. El primero se conoce como autoensamblaje, que implica la formación de polímero combinando todos los elementos del MIP y permitiendo que las interacciones moleculares formen el polímero reticulado con la molécula de plantilla unida. El segundo método de formación de MIP implica la unión covalente de la molécula de impresión al monómero. Después de la polimerización, el monómero se escinde de la molécula de plantilla. La selectividad está muy influenciada por el tipo y la cantidad de agente de reticulación utilizado en la síntesis del polímero impreso. La selectividad también está determinada por las interacciones covalentes y no covalentes entre la molécula objetivo y los grupos funcionales del monómero. La elección cuidadosa del monómero funcional es otra elección importante para proporcionar interacciones complementarias con la plantilla y los sustratos. En un polímero impreso, el reticulante cumple tres funciones principales: En primer lugar, el reticulante es importante para controlar la morfología de la matriz del polímero, ya sea de tipo gel, macroporosa o un polvo de microgel. En segundo lugar, sirve para estabilizar el sitio de unión impreso. Por último, imparte estabilidad mecánica a la matriz polimérica. Desde el punto de vista de la polimerización, generalmente se prefieren relaciones de reticulación altas para acceder a materiales permanentemente porosos y para poder generar materiales con una estabilidad mecánica adecuada.

El método de autoensamblaje tiene ventajas en el hecho de que forma un sitio de unión más natural y también ofrece flexibilidad adicional en los tipos de monómeros que se pueden polimerizar. El método covalente tiene sus ventajas en general, ya que ofrece un alto rendimiento de sitios de unión homogéneos, pero primero requiere la síntesis de una molécula de impronta derivatizada y puede no imitar las condiciones "naturales" que podrían estar presentes en otros lugares. En los últimos años, el interés en la técnica de impronta molecular ha aumentado rápidamente, tanto en la comunidad académica como en la industria. En consecuencia, se ha logrado un progreso significativo en el desarrollo de métodos de polimerización que producen formatos de MIP adecuados con propiedades de unión bastante buenas, esperando una mejora en el rendimiento o para adaptarse a la aplicación final deseada, como perlas, películas o nanopartículas. Una de las cuestiones clave que han limitado el rendimiento de los MIP en aplicaciones prácticas hasta ahora es la falta de métodos simples y robustos para sintetizar MIP en los formatos óptimos requeridos por la aplicación. Cronológicamente, el primer método de polimerización encontrado para MIP se basó en la polimerización en masa o en solución. Este método es la técnica más común utilizada por los grupos que trabajan en impronta, especialmente debido a su simplicidad y versatilidad. Se utiliza exclusivamente con disolventes orgánicos principalmente con baja constante dieléctrica y consiste básicamente en mezclar todos los componentes (molde, monómero, disolvente e iniciador) y posteriormente polimerizarlos. El bloque polimérico resultante se pulveriza, se libera del molde, se tritura y se tamiza para obtener partículas de forma irregular y tamaño entre 20 y 50 μm. Dependiendo del tipo de objetivo (molde) y la aplicación final del MIP, los MIP aparecen en diferentes formatos, como partículas esféricas nano/micro, nanohilos y películas delgadas o membranas. Se producen con diferentes técnicas de polimerización como en masa, precipitación, emulsión, suspensión, dispersión, gelificación y polimerización por hinchamiento en múltiples etapas. La mayoría de los investigadores en el campo de la MIP están realizando MIP con técnicas heurísticas como el método de impresión jerárquica. La técnica fue utilizada por primera vez para realizar MIP por Sellergren et al. para la impresión de pequeñas moléculas objetivo. Con el mismo concepto, Nematollahzadeh et al. desarrollaron una técnica general, denominada lecho compacto de polimerización, para obtener perlas de polímero porosas de alta capacidad y estructuradas jerárquicamente impresas con proteínas mediante el uso de partículas porosas de sílice para el reconocimiento y captura de proteínas.

Recientemente se ha desarrollado la impronta molecular en fase sólida como alternativa a la impronta masiva tradicional, generando nanopartículas solubles en agua. Como su nombre lo indica, esta técnica requiere la inmovilización de la molécula objetivo en un soporte sólido antes de realizar la polimerización. Esto es análogo a la síntesis de péptidos en fase sólida. La fase sólida funciona también como una matriz de separación por afinidad, lo que permite la eliminación de MIP de baja afinidad y supera muchas de las limitaciones descritas anteriormente de los MIP:

• La separación de los MIPs de la molécula de plantilla inmovilizada es muy simplificada.
• Los sitios de unión son más uniformes, y las moléculas de plantilla no pueden quedar atrapadas dentro de la matriz polímero.
• Los MIP pueden ser funcionalizados post-síntesis (whilst adherido a la fase sólida) sin influir significativamente en los sitios de unión.
• La plantilla inmovilizada puede ser reutilizada, reduciendo el costo de la síntesis del MIP.

Las nanopartículas MIP sintetizadas mediante este método han encontrado aplicaciones en diversos sensores y ensayos de diagnóstico.

El modelado molecular se ha convertido en una opción conveniente en el diseño y análisis de MIP, permitiendo la selección rápida de monómeros y la optimización de la composición de polímeros, con una gama de diferentes técnicas que se aplican. La aplicación del modelado molecular en esta capacidad se atribuye comúnmente a Sergey Pletsky y su estudiante visitante de diploma Sreenath Subrahmanyam, quienes desarrollaron un método de selección automatizada de una gran base de datos de monómeros contra un objetivo o plantilla dado con un enfoque de mecánica molecular. En los últimos años, los avances tecnológicos han permitido un análisis más eficiente de las interacciones monómero-plantilla mediante el modelado molecular mecánico cuántico, proporcionando cálculos más precisos de las energías de enlace. La dinámica molecular también se ha aplicado para un análisis más detallado de los sistemas antes de la polimerización y del polímero resultante, que al incluir más componentes del sistema (iniciador, reticulantes, solventes) proporciona una mayor precisión en la predicción de una síntesis MIP exitosa que las interacciones monómero-plantilla solas. El modelado molecular, la dinámica molecular particular y las técnicas de grano grueso menos comunes, a menudo también se pueden integrar en modelos teóricos más amplios que permiten el análisis termodinámico y los datos cinéticos para el análisis mesoscópico de monolitos de polímeros impresos a granel y nanopartículas MIP.

Las áreas de aplicación de los MIP se encuentran en los sensores y la separación. A pesar de la buena salud actual de la impronta molecular en general, una dificultad que parece persistir hasta el día de hoy es la comercialización de polímeros con impronta molecular. A pesar de esto, muchas patentes (1035 patentes, hasta octubre de 2018, según la base de datos Scifinder) sobre impronta molecular estaban en manos de diferentes grupos.

La técnica de polímeros de impresión molecular rápida y rentable tiene aplicaciones en muchos campos de la química, la biología y la ingeniería, en particular como material de afinidad para sensores, detección de residuos químicos, antimicrobianos y colorantes en alimentos, adsorbentes para extracción en fase sólida, ensayos de unión, anticuerpos artificiales, fase estacionaria cromatográfica, catálisis, desarrollo y selección de fármacos y eliminación de subproductos en reacciones químicas. Los polímeros de impresión molecular presentan esta amplia gama de capacidades en la extracción a través de sitios de unión de microcavidades altamente específicos. Debido al sitio de unión específico creado en un MIP, esta técnica se muestra prometedora en la química analítica como un método útil para la extracción en fase sólida. La capacidad de los MIP de ser una producción más barata y sencilla de sitios de unión similares a anticuerpos/enzimas duplica el uso de esta técnica como un avance valioso en la investigación y aplicación médica. Estas posibles aplicaciones médicas incluyen "fármacos de liberación controlada, dispositivos de control de fármacos y miméticos de receptores biológicos". Más allá de esto, los MIP muestran un futuro prometedor en el desarrollo de conocimientos y aplicaciones en las ciencias de la alimentación.

La actividad de unión de los MIP puede ser menor que la de los anticuerpos específicos, aunque se han descrito ejemplos de MIP con un rendimiento comparable o mejor que el de los anticuerpos producidos comercialmente. Esto genera una amplia variedad de aplicaciones para los MIP, desde la extracción eficiente hasta los usos farmacéuticos y médicos. Los MIP ofrecen muchas ventajas sobre los sitios de unión de proteínas. Las proteínas son difíciles y caras de purificar, desnaturalizar (pH, calor, proteólisis) y son difíciles de inmovilizar para su reutilización. Los polímeros sintéticos son baratos, fáciles de sintetizar y permiten la incorporación de cadenas laterales sintéticas elaboradas. Las cadenas laterales únicas permiten una mayor afinidad, selectividad y especificidad.

Ensayos de impronta molecular Los polímeros de impronta molecular demuestran posiblemente su mayor potencial como reactivos de afinidad alternativos para su uso en aplicaciones de diagnóstico, debido a su rendimiento comparable (y en algunos aspectos superior) al de los anticuerpos. Por lo tanto, muchos estudios se han centrado en el desarrollo de ensayos de impronta molecular (MIA) desde el trabajo seminal de Vlatakis et al. en 1993, donde se introdujo por primera vez el término "ensayo de [sorbete] de impronta molecular". El trabajo inicial sobre ensayos de unión de ligandos que utilizaban MIP en lugar de anticuerpos consistía en MIA radiomarcados, sin embargo, el campo ha evolucionado ahora para incluir numerosos formatos de ensayo, como MIA de fluorescencia, MIA ligados a enzimas y ensayo de nanopartículas de impronta molecular (MINA).

Los polímeros con impronta molecular también se han utilizado para enriquecer fosfopéptidos poco abundantes a partir de un lisado celular, superando al enriquecimiento con dióxido de titanio (TiO₂), un estándar de oro para enriquecer fosfopéptidos.

En un artículo publicado en 1931, Polyakov informó sobre los efectos de la presencia de diferentes disolventes (benceno, tolueno y xileno) en la estructura de los poros de sílice durante el secado de una sílice recién preparada. Cuando se utilizó H₂SO₄ como iniciador de la polimerización (agente acidificante), se encontró una correlación positiva entre las áreas superficiales, por ejemplo, las capacidades de carga, y los pesos moleculares de los respectivos disolventes. Más tarde, en 1949, Dickey informó sobre la polimerización del silicato de sodio en presencia de cuatro colorantes diferentes (a saber, naranja de metilo, etilo, n-propilo y n-butilo). Los colorantes se eliminaron posteriormente y, en experimentos de reenlace, se descubrió que la sílice preparada en presencia de cualquiera de estas "moléculas patrón" se uniría a la molécula patrón con preferencia a los otros tres colorantes. Poco después de que apareciera este trabajo, varios grupos de investigación se dedicaron a la preparación de adsorbentes específicos utilizando el método de Dickey. También se demostró cierto interés comercial por el hecho de que Merck patentara un filtro de nicotina, compuesto de sílice impresa con nicotina, capaz de adsorber un 10,7% más de nicotina que la sílice no impresa. El material estaba destinado a usarse en filtros de cigarrillos, puros y pipas. Poco después de que apareciera este trabajo, la impresión molecular atrajo un amplio interés de la comunidad científica, como se refleja en los 4000 artículos originales publicados en el campo durante el período 1931-2009 (de Scifinder). Sin embargo, aunque el interés en la técnica es nuevo, comúnmente se ha demostrado que la técnica de impresión molecular es efectiva cuando se trata de moléculas pequeñas de peso molecular <1000. Por lo tanto, en la siguiente subsección, los polímeros impresos molecularmente se revisan en dos categorías, para plantillas pequeñas y grandes.

La producción de nuevos MIP tiene desafíos implícitos exclusivos de este campo. Estos desafíos surgen principalmente del hecho de que todos los sustratos son diferentes y, por lo tanto, requieren diferentes combinaciones de monómeros y reticulantes para formar adecuadamente polímeros impresos para ese sustrato. El primer desafío, y el menor, surge de la elección de aquellos monómeros que producirán sitios de unión adecuados complementarios a los grupos funcionales de la molécula del sustrato. Por ejemplo, no sería prudente elegir monómeros completamente hidrófobos para imprimirlos con un sustrato altamente hidrófilo. Estas consideraciones deben tenerse en cuenta antes de crear cualquier nuevo MIP. El modelado molecular se puede utilizar para predecir interacciones favorables entre plantillas y monómeros, lo que permite una selección inteligente de monómeros.

En segundo lugar, y más problemático, el rendimiento de los MIP creados correctamente está limitado por la capacidad de lavar eficazmente el sustrato del MIP una vez que se ha formado el polímero a su alrededor. Al crear nuevos MIP, se debe crear un compromiso entre la eliminación total de la plantilla original y el daño de la cavidad de unión del sustrato. Dicho daño generalmente es causado por métodos de eliminación fuertes e incluye el colapso de la cavidad, la distorsión de los puntos de unión, la eliminación incompleta de la plantilla y la ruptura de la cavidad.

La mayoría de los avances en la producción de MIP durante la última década han venido en forma de nuevas técnicas de polimerización en un intento de controlar la disposición de los monómeros y, por lo tanto, la estructura de los polímeros. Sin embargo, ha habido muy pocos avances en la eliminación eficiente de la plantilla del MIP una vez que se ha polimerizado. Debido a esta negligencia, el proceso de eliminación de la plantilla es ahora el proceso menos rentable y que más tiempo requiere en la producción de MIP. Además, para que los MIP alcancen su máximo potencial en aplicaciones analíticas y biotecnológicas, se debe demostrar un proceso de eliminación eficiente.

Actualmente se utilizan varios métodos de extracción diferentes para eliminar las plantillas. Estos se han agrupado en tres categorías principales: extracción con disolventes, extracción asistida físicamente y extracción con disolventes subcríticos o supercríticos.

• Extracción de soxhlet Este ha sido un método de extracción estándar con solventes orgánicos desde su creación hace más de un siglo. Esta técnica consiste en colocar las partículas MIP en un cartucho dentro de la cámara de extracción, y el solvente de extracción en un frasco conectado a la cámara de extracción. El solvente se calienta y se condensa dentro del cartucho, contactando así las partículas MIP y extrayendo la plantilla. Las principales ventajas de esta técnica son el lavado repetido de partículas MIP con solvente de extracción fresca, favorece la solubilización porque utiliza solvente caliente, no se requiere filtración al finalizar para recoger las partículas MIP, el equipo es asequible, y es muy versátil y se puede aplicar a casi cualquier matriz de polímero. Las principales desventajas son el largo tiempo de extracción, la gran cantidad de solvente orgánico utilizado, la posibilidad de degradación para polímeros sensibles a la temperatura, la naturaleza estática de la técnica no facilita el flujo de solventes a través de MIP, y la automatización es difícil.
• Incubación Esto implica la inmersión de los MIPs en solventes que pueden inducir la inflamación de la red de polímeros y favorecer simultáneamente la disociación de la plantilla del polímero. Generalmente este método se lleva a cabo en condiciones leves y la estabilidad del polímero no se ve afectada. Sin embargo, al igual que la técnica de extracción de Soxhlet, este método también consume mucho tiempo.
• Plantilla de fase sólida Como se describe anteriormente, un beneficio de inmovilizar la molécula de plantilla en un soporte sólido como cuentas de vidrio es la fácil eliminación de los MIPs de la plantilla. Después de un lavado frío para eliminar monómeros no reaccionados y polímeros de baja afinidad, se puede añadir solvente caliente para interrumpir la unión y permitir la colección de MIPs de alta afinidad.

• Extracción asistida por ultrasonido (EAU) Este método utiliza Ultrasonido que es una presión de sonido cíclica con una frecuencia superior a 20 kHz. Este método funciona a través del proceso conocido como cavitación que forma pequeñas burbujas en líquidos y la erosión mecánica de partículas sólidas. Esto provoca un aumento local de temperatura y presión que favorecen la solubilidad, la difusividad, la penetración y el transporte de moléculas solventes y de plantilla.
• Extracción asistida por microondas (MAE) Este método utiliza microondas que interactúan directamente con las moléculas que provocan la conducción iónica y la rotación de dipolos. El uso de microondas para la extracción hace que la extracción de la plantilla ocurra rápidamente, sin embargo, hay que tener cuidado de evitar temperaturas excesivamente altas si los polímeros son sensibles al calor. Esto tiene los mejores resultados cuando la técnica se utiliza en concierto con ácidos orgánicos fuertes, sin embargo, esto plantea otro problema porque puede causar degradación parcial del MIP también. Este método tiene algunos beneficios en que reduce significativamente el tiempo necesario para extraer la plantilla, disminuye los costos de solvente, y se considera una técnica limpia.
• Método mecánico Un estudio ha demostrado que el método de impresión molecular microcontacto permite la eliminación mecánica del objetivo (grandes biomoléculas, proteínas, etc.) de la plantilla. Esta tecnología combinada con aplicaciones de biosensor es prometedora para aplicaciones biotecnológicas, ambientales y médicas.

• Agua subcritica (PHWE) Este método emplea el uso del agua, que es el solvente más barato y verde, bajo altas temperaturas (100–374 °C) y presiones (10–60 bar). Este método se basa en la alta reducción de la polaridad que sufre el agua líquida cuando se calienta a altas temperaturas. Esto permite que el agua solubilice una amplia variedad de compuestos polares, iónicos y no polares. La disminución de la tensión superficial y la viscosidad en estas condiciones favorecen también la difusividad. Además, la alta energía térmica ayuda a romper fuerzas intermoleculares tales como interacciones dipole-dipole, fuerzas vander Waals y unión de hidrógeno entre la plantilla y la matriz.
• Supercrítica CO₂ (SFE)

• Enzima artificial

• Base de datos del MIP
• The Society for Molecular Imprinting