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5/26/2018 Polmeros Document

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Polmeros biodegradablesIntroduccin

Actualmenteexisten numerosos polmeros utilizados en el campo biomdico (ver apartado debiopolmeros). Algunos de ellos son estables, y son utilizados para aplicaciones permanentes, como elpoli(metilmetacrilato) (PMMA), o el polietileno (PE). En los ltimos aos se han ido introduciendo lospolmeros biodegradables, para aplicaciones temporales. Kulkarni et al. introdujeron en los aos 60, elconcepto de material bioabsorbible. Estos materiales tienen la capacidad de ser compatibles con el tejidoy de degradarse cierto tiempo despus de ser implantados dando lugar a productos que no son txicos ypueden ser eliminados por el organismo o metabolizados por ste. Generalmente, este grupo estrepresentado por los polmeros biodegradables, aunque existen ciertos materiales cermicos los cualestambin son reabsorbibles.

Existen algunas caractersticas que deben presentar los materiales biodegradables para poder serutilizados como implantes en el organismo humano, por ejemplo, los materiales y sus sub-productos nodeben ser mutagnicos, carcinognicos, antignicos, txicos y, lgicamente deben ser antispticos,esterilizables, compatibles con el tejido receptor, de fcil procesado y capaz de conformarse en distintasformas entre otros requisitos. Hoy en da, una gran parte de la investigacin en el rea de los polmerospara aplicaciones biomdicas se encuentra dirigida sobretodo al desarrollo de polmeros sintticos.

En la Figura 1 se describen los polmeros biodegradables de uso ms generalizado.

Figura 1. Polmeros biodegradables utilizados en aplicaciones biomdicasRespecto a la naturaleza de estos polmeros, podemos decir que existen dos grandes familias, los

polmeros de origen sinttico, como por ejemplo el polacido lctico, y los de origen natural, como elcolgeno o dextrano.

Los primeros polmeros degradables desarrollados y los ms comnmente utilizados son losobtenidos a partir del cido poligliclico (PGA) y del cido polilctico (PLA), los cuales han encontrado

una multitud de usos en la industria mdica, comenzando con las suturas biodegradables que fueronaprobadas en 1960. Desde entonces numerosos dispositivos basados en PGA y PLA han sido


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desarrollados, as como tambin otros materiales, como la polidioxanona, politrimetilen-carbonato enforma de copolmeros y homopolmeros y copolmeros de poli(e-caprolactona), los cuales han sidoaceptados como materiales de uso biomdico. Adicionalmente a estos materiales, se encuentran lospolianhdridos, los poliortosteres y otros que actualmente se encuentran bajo investigacin.

Polmeros biodegradables ms utilizados en la actualidad

Pinchar en la imagen para verla a tamao grandeTabla de polmeros biodegradables ms utilizadosen medicina

1) Polisterescido po li lctic o (PLA)

El cido polilctico, PLA, es un polmero termoplstico, amorfo o semicristalino, que ha sidoampliamente estudiado en aplicaciones como la liberacin controlada de frmacos, suturasbiodegradables y diferentes implantes para la fijacin de fracturas y para la elaboracin de dispositivosvasculares.

a) Sntes isLa sntesis del cido polilctico fue estudiada por Carothers en 1932. Generalmente se lleva a cabo

la polimerizacin por apertura de anillo del diester cclico. Diferentes compuestos metlicos,organometlicos e inorgnicos de Zn y estao han sido usados como iniciadores (95). Sin embargo,Tetrafenil de estao, Cloruro estaoso y Octato estaoso son los ms efectivos.

Figura 2. Sntesis del cido polilcticob) Propiedades
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c) bioc ompatibi l idadDebido a que el cido lctico es un intermediario comn en el metabolismo de los carbohidratos en

nuestro organismo, el uso de este hidroxicido es generalmente visto como la situacin ideal desde elpunto de vista toxicolgico. Los polisteres alfa, como el PLA se degradan inicialmente por hidrlisis y sudegradacin puede ser acelerada in vivo por la presencia de enzimas (104), lo cual conlleva a la

liberacin de sus respectivos monmeros (cido lctico en este caso). Estos monmeros sonincorporados dentro de los procesos fisiolgicos a nivel celular, donde contina su degradacin y dainicio a la ruta metablica.

Figura 3. Esquema de degradacin del cido polilctico en el organismoLa ruta metablica del cido lctico comienza con la transformacin de lactato a piruvato por la

accin de la enzima lactato dehidrogenasa, una vez convertido en piruvato, ste sufre unadecarboxilacin oxidativa para producir Acetilcoenzima A. Esta molcula puede entrar en el ciclo delcido tricarboxlico (o ciclo del cido ctrico), el cual se lleva a cabo a nivel mitocondrial obtenindosecomo resultado ATP por fosforilacin oxidativa ms agua y dixido de carbono, los cuales son eliminadosen la respiracin y excretados por los riones.

Figura 4. Pinchar en la imagen para ver esquema detalladodel ciclo del cido tricarboxilico

d) apl icacionesEl PLA es actualmente utilizado en clavos para la unin de ligamentos y reparacin de meniscos,

suturas, tornillos y clavos para la fijacin de fracturas y ciruga maxilofacial, liberacin de frmacos ystents para ciruga cardiovascular.

Una de las aplicaciones ms recientes del PLA es en el campo de la Ingeniera de Tejidos, la cualse basa en generar tejidos a partir de clulas del mismo paciente cuyo crecimiento es guiado in situmediante andamios reabsorbibles . Este tipo de terapia ha sido estudiada para la regeneracin de
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diferentes tejidos como lo son el tejido cutneo, heptico, cardiovasular y ms recientemente, elcartilaginoso y el tejido seo . Hoy en da se encuentran en el mercado productos basados en ingenierade tejidos para la reparacin de tejido cutneo. Otros tejidos como el seo y el cartlago se encuentrantodava en fase de estudio .

Pol i (ci do gli clic o) (PGA)Es el polister aliftico lineal ms simple. Es degradable hidrolticamente, y se utiliz para

desarrollar la primera sutura sinttica totalmente absorbible, comercializada como Dexon en la dcada delos 70 por Davis y Geck, Inc.(Danbury, CT). Tambin es empleado como mecanismo de fijacin sea(clavos seos) que son conocidos con la marca comercial Biofix.

Mediante la dimerizacin del cido gliclico se obtiene el monmero, el cual polimeriza por aperturade anillo produciendo un material de alto peso molecular y con un porcentaje de monmero residualcomprendido entre el 1% y el 3 %.

Figura 5. Sntesis del poli (cido glicolico) PGA

Las fibras obtenidas a partir de PGA se caracterizan por su alta fuerza, pero son demasiado rgidaspara ser usadas como suturas exceptuando si se usan en forma de material trenzado. En este sentido, elmonmero del poli (cido gliclico) se copolmeriza con otros monmeros para reducir la rigidez de lasfibras resultantes.

Al igual que el cido polilctico se degrada en el organismo dando una sustancia no txica que esmetabolizada de la misma manera por el ciclo del cido citrico.

Cop olmeros de cid o lct ico y gli clic o (PLGA )Se han usado para la liberacin de esteroides, agente anticancergenos, pptidos, protenas,

antibiticos, anestsicos y vacunas. Sus propiedades fisicoqumicas vienen determinadas por laarquitectura del copolmero y el peso molecular, aunque al tratarse de copolmeros la composicintambin juega un papel importante.

Figura 6. Sntesis del poli (lctico-co-gliclico)Aunque se han desarrollado dispositivos implantables en forma de pastilla o de pequeos cilindros,

desde hace pocos aos ha aumentado el uso de estos polmeros en forma de inyectables conteniendomicroesferas. La figura 7(a) muestra una micrografa en la que se puede apreciar la homogeneidad de lasmicroesferas, y la figura 7(b) su proceso de degradacin al poderse en contacto con los fluidos delcuerpo produciendo fragmentos de polmero ms pequeos.


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Figura 7. (a) microesferas de PLGA y (b) degradacin de una micropartcula

Con este sistema se ha elaborado un anticonceptivo inyectable que contiene microesferasportadoras de esteroides. Los beneficios que proporciona este sistema son: una magnificabiocompatibilidad, unida a una excelente reproducibilidad tanto en el proceso de microencapsulacincomo en el de liberacin del principio activo.

En otros casos, como es el de la liberacin de determinadas protenas, pptidos o antgenos se hanencontrado problemas. Por ejemplo, en el caso de dispositivos que contienen la hormona del crecimientoaparece una notable prdida de actividad despus de pocos das, que se atribuye a interacciones entre elpolmero y la hormona. Por el contrario en otros casos, como es el de la hormona lutenica, se hanencontrado muy buenos resultados, debido a que los polipptidos de bajo peso molecular son muy

estables tanto en presencia del copolmero como de sus residuos de bioerosin.Pol icaprolactonas

La polimerizacin por apertura de anillo de la -caprolactona da lugar a la poli (-caprolactona) oPCL. Se trata de un polmero semicristalino con un punto de ebullicin comprendido entre 59 y 64C yuna temperatura de transicin vtrea de60C. Adems, se comporta como un material biocompatible yse utiliza como sutura biodegradable.

Figura 8. Sntesis de la policaprolactona (PCL).

Al igual que en el caso anterior se degradan por hidrlisis y la velocidad de este proceso dependede la forma, del tamao del dispositivos y de los aditivos. En el proceso de degradacin primero ocurreuna ruptura de cadenas, de forma que disminuye el peso molecular, y posteriormente estas cadenas,ms pequeas, son transportadas fuera del sitio de implantacin por los fluidos del cuerpo o porfagocitosis. El homopolmero puede degradarse en un perodo comprendido entre dos y cuatro aos,pero la velocidad de degradacin puede aumentarse por copolimerizacin con policido lctico ogliclico, o por adicin de cido oleioco o aminas terciarias, que catalizan la reaccin de hidrlisis.

La biocompatibilidad ha sido muy estudiada, especialmente del Capronor TM que es un dispositivo

anticonceptivo vlido durante 18 meses. El agente activo es el progestgeno levonorgestrol, se presentaen cpsulas sub-cutneas que se olocan por medio de una ciruga menor. Se ha demostrado que el


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polmero no es txico, excepto por una pequea irritacin en e lugar del implante.Pol i (hidroxialcanoatos) (PHAs)

Este grupo de materiales son producidos por una amplia variedad de bacterias. Los miembros deesta familia son biopolmeros termoplsticos. Dependiendo de la cadena aliftica lateral y de lascomposiciones de las formulaciones, se obtienen diferentes materiales: desde polmeros rgidos, conbuenas propiedades de impacto hasta tenaces elastmeros.

Todos estos polisteres presentan unidades estructurales 100% pticamente activas en la posicin, por lo tanto desde un punto de vista estereoqumico son materiales 100% isotcticos.

Los polmeros pertenecientes a esta familia ms importantes son el poli--hidroxibutirato (P3HB) yel poli--hidroxivalerato (P3HV).

Poli(hidroxibutirato) Poli (hidroxivalerato)Tambin a partir de un medio formado por cido

pentanoico o popinico con Alcaligenes eutrophus se obtieneun copolmero de 3-hidroxibutirato (3HB) y 3-hidroxivalerato(3HV). Tambin se ha obtenido un copolmerode 3HB y 4-hidroxivalerato (4HV) utilizando la mismabacteria en medio de cido butrico y cido 4-hidroxibutrico.El polmero obtenido tiene un elevado peso molecular, esmuy cristalino y altamente monodisperso. Este polmero sedegrada por hidrlisis, siendo la velocidad de degradacinmayor en los casos del copolmero de 3HB-3HV.

Debido a las propiedades degradativas de estos materiales en contacto con el medio fisiolgico, ascomo las propiedades mecnicas, trmicas, etc, estos materiales son utilizados potencialmente en elmbito de la biomedicina como sistemas biodegradables para la preparacin de soportes de crecimientocelular en ingeniera de tejidos.

Pol id ioxanonaUtilizado en suturas que se requiera de una alta flexibilidad para la preparacin de monofilamentos

para la microciruga y ciruga oftlmica.

Figura 9. Sntesis de podioxanonaPol i (gl icon ato)

El poli(gliconato) es un copolmero de gliclico con trimetilcarbonato (TMC), y ha sido preparadotanto para suturas como para grapas y tornillos (Acufex Microsurgical, Inc., Mansfield, MA). Este polmero


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se prepara como un bloque A-B-A, con una proporcin 2:1 de gliclico y TMC, con un bloque central (B)de gliclico-TMC y bloques terminales (A) de gliclico puro. Este material tiene una mejor flexibilidad queel PGA puro y es absorbido aproximadamente en 7 meses. El gliclico tambin ha sido polimerizado conTMC y p-dioxanona (Biosyn, by United States Surgical Corp., Norwalk, CT) para formar una sutura quees absorbida entre 3 y 4 meses y con una rigidez baja comparada con las fibras puras de PGA.

Figura 10. Sntesis de poli (gliconato)Po li o rt oster es

Los poliortosteres ofrecen la ventaja de que tienen en su estructura unos grupos cidos hbiles,

por esta razn su velocidad de hidrlisis se puede controlar mediante la adicin de cidos, que aceleranel proceso de hidrlisis, o de bases que estabilizan el sistema. La hidrlisis suponen una erosin e lasuperficie y como consecuencia de ella se produce una liberacin constante de frmaco,independientemente de su concentracin.

El Chronomer de Alza Corporation est fabricado con este polmero y se utiiza como implantebioerosionable para la liberacin de naltrexona y tambin parala de un anticonceptivo. En el caso delanticonceptivo se observ una irritacin local cuya causa est siendo investigada.2) Poliesteramidas

Tal y como indica su nombre, las poliesteramidas son polmeros que contienen enlaces tipo ster

(COO-) y enlaces tipo amida (-CONH-) en la cadena principal. Los primeros estudios con poliesteramidasbiodegradables datan de 1979 y se realizaron con polmeros obtenidos mediante el intercambio amida-ster que se produce al someter una poliamida y un polister a elevada temperatura (270C).

Las poliesteramidas pueden englobarse en diferentes familias de la siguiente forma:Polidepsipptidos. Son poliesteramidas constituidas por -aminocidos y -hidroxicidos.Poliesteramidas basadas en monmeros de nilones y polisteres comerciales. Lasntesis y caracterizacin de copolmeros estadsticos constituidos por los monmerosdel nylon 6 o del nylon 6 6 y la policaprolactona ha sido ampliamente estudiada porlosgrupos de Gonsalves y Arvanitoyannis.Poliesteramidas derivadas de carbohidratos.


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Figura 11. Sntesis de una poliesteramida por polimerizacin en estado slido

3) PolifosfacenosLos polifosfacenos son unos polmeros que tienen en su esqueleto un grupo N=P, el cual puede ser

hidrolizado a fosfato y amoniaco, que pueden ser eliminados fcilmente del organismo (el fosfato semetabiliza y el amoniaco es excretado). Por esta razn se estn ensayando mucho dispositivos a basede este polmero, ya que es un excelente candidato como material bioestructural erosionable.

Se han experimentado por ejemplo dispositivos para la liberacin de progesterona en ratas, con losque se cosigue una liberacin de orden cero durante 30 das.

Figura 12. Sntesis general de un polifosfaceno4) steres de polifosfato

Se obtiene como reaccin de un fosfato sustituido con un grupo etilo o fenilo con un dialcohol (porejemplo bisfenol A o polietilenglicol), las caractersticas dependen por tanto del sustituyente lateral y del


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polmero incorporado. Este tipo de polmeros est todava en desarrollo y no se tienen muchos datossobre su toxicidad.5) Polianhdridos

Este tipo de polmeros se degrada en das si son de estructura lineal (alifticos) y en aos si es deestructura cclica, por lo que una combinacin de ambos tiene una duracin intermedia. Presenta una altacompactibilidad con el organismo, pero sus propiedades mecnicas son muy pobres como para seraplicado en usos ortopdicos, y por ello se dirige ms al rea de dosificacin controlada de frmacos.

Figura 13. Polianhdrido sebcicoLa unin anhdrido es fcilmente hidrolizable, y este proceso es catalizado tanto por cidos como

por bases. Tambin se puede controlar la velocidad de degradacin modificando la estructura de launidad repetitiva; en este sentido se ha visto que un aumento del nmero de carbonos disminuye elproceso de erosin. Se ha comprobado que, adems del proceso de hidrlisis, estos polmeros sufrenprocesos de despolimerizacin cuando se almacenan en condiciones anhidras.

Respecto a su forma de preparacin, lo ms comn es que se utilicen microcpsulas o microesferasinyectables. Se ha comprobado que son no mutagnicos y que no son txicos.

Actualmente se est evaluando la incorporacin por este mtodo de medicamentos como la insulina,enzimas, protenas y la liberacin de la bis-cloroetilnitrosourea (BCNU), un medicamento utilizado para eltratamiento del tumor cerebral en los que un tratamiento por va venosa resulta txico y altamente letal. 6) Mezclas de polmeros

En muchas ocasiones se emplean mezclas de polmeros. La mezcla puede ser compatible oincompatible, dependiendo de que, en el mbito molecular, la distribucin de ambos polmeros sea o nohomognea, producindose en este ltimo caso, separacin de fases. La mezcla resultante tiene unascaractersticas fsicas diferentes de los polmeros originales, adems estas propiedades se puedenmodificar alterando la composicin de la mezcla. As, por ejemplo, se han estudiado mezclas de cidopolihidroxibutrico con polianhdrido sebcico (PSA), observndose una liberacin constante de frmaco

durante un perodo comprendido entre dos semanas y varios meses. La velocidad de liberacin aumentacon el contenido en PSA. Este hecho est relacionado con la mayor velocidad de degradacin del PSA.

Las ventajas de estos sistemas son las siguientes: por una parte se pueden mejorar las propiedadesfsicas y mecnicas del sistema, por otra parte, se pueden diseas dispositivos cuya velocidad deliberacin se mayor o menor sin ms que alterar la composicin.7) Polmeros naturales

El uso de polmeros naturales sigue siendo un importante rea de investigacin, a pesar del grandesarrollo producido durante los ltimos aos en el campo de los polemros biocompatibles ybiodegradables de origen sinttico. La ventaja de los polmeros de origen natural es que son ms

biocompatibles, se obtienen fcilmente y no son demasiados caros, adems son fcilmente modificables


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qumicamente. Se suele hacer una clasificacin de estos polmeros basada en su estructura qumica:- Polmeros de tipo protenico: colgeno, gelatina, glicoprotena- Polmeros de tipo carbohdrato: almidn, dextrano, quitina y cido hialurnico.

La mayor parte de ellos pueden ser fabricados en forma de discos, films o microesferas, perotambin se pueden unir covalentemente a frmacos.

Co lgenoEs un polmero protenico presente en la piel y los tendones en forma de fibras. Se puede aislar y

purificar muy bien y sus propiedades fisicoqumicas son muy conocidas. Se puede procesar en forma defibras, films, microesferas. Se ha utilizado mucho sobre todo como material de sutura, pero en el campode la liberacin de frmacos no se ha empleado demasiado debido a que sufre hinchamiento y tiene bajaelasticidad, por lo que se pierde la estabilidad dimensional, adems producen una respuesta antignica.Para evitar estos problemas el colgeno se modifica entrecruzndolo con formaldehdo con esto seconsigue una importante mejora de sus propiedades.

A pesar de todo, el colgeno se utilizaba ya en 1973 para la liberacin de pilocarpina, un frmacoutilizado para controlar la presin intraocular en el tratamiento del glaucoma; tambin se utiliza en eltratamiento de la queratoconjuntivitis como soporte para la liberacin de gentamicina, aunque en estecaso se ha comprobado que el implante slo es toleradota durante pocas. En la actualidad se estudia elempleo de colgeno para la liberacin de hormonas esteroides, cido trans-retinoico, 5-fluorouracilo yantibiticos.

GelatinaSe obtienen a partir del colgeno por hidrlisis parcial, consiguindose con este proceso la

transformacin del material fibroso en una protena soluble en agua. Este polmero ha sido muy

estudiado como agente encapsulante para la fabricacin de sistemas de liberacin de frmacos. Unproducto basado en este polmero (Gelfoam) se emplea como homeostato en muchos procesosquirrgicos.

AlbminaLas microesferas basadas en albmina han sido muy investigadas en este campo. Puesto que la

albmina es soluble en agua, lo primero que se debe hacer para utilizarlas como microesferas esdisminuir su solubilidad, para ello existen dos procesos, la desnaturalizacin de la protena (70-90C) o elentrecruzamiento con glutaraldehdo. Mediante ambos se pueden obtener microesferas porosas conperfiles de liberacin constante. Se ha confirmado la posibilidad de liberar un gran nmero de frmacosmediantes estas microesferas de albmina: corticoesteroides, antibiticos, pptidos y protenas.

FibrinaEs una protena natural que se asla a partir del plasma sanguneo. Para evitar su rpida

degradacin se entrecruza con formaldehdo o glutaraldehdo. Se han hecho muchos estudios sobre labiocompatibilidad de la fibrina, no obtenindose ningn tipo de respuesta inmunolgica frente al implante.Se degrada mediante reaccin enzimtica y mediante fagocitosis. Se utiliza como remplazamiento tisulartemporal, y en muchos otros campos: artroplastia, desprendimient retiniano, sellante quirrgico etc.

Poliam inocid os y pseudo amin ocid osSe han preparado numerosos poliaminocidos sintticos, por ejemplo polilisina o policido

glutmico. A pesar del aparente potencial de estos polmeros como sistemas dispensadores de frmacos,en la prctica no se han encontrado muchas aplicaciones, probablemente debido a que su tratamiento esdifcil, pues son insoluble en la mayor parte de los disolventes orgnicos, y en agua se hinchan, lo que


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dificulta su preparacin de forma reproducible. Por otra parte estos polmeros tienen el inconvenienteadicional de su elevado precio.

Para eliminar estos problemas se han sintetizado numerosos derivados de poliaminocidos, porejemplo existe un polister de trans-4-hidroxi-L-prolina. Se ha comprobado que este tipo depoliaminocidos tiene alta biodegradabilidad, biocompatibilidad y es vlido como sistema de liberacin de

frmacos.Po lis acrido s

El Quitosan es un polisacrido natural biodegradable;biocompatible, no txico y un excelente formador de pelculas(filmgeno). Debido a su buena solubilidad puede ser modificadoqumicamente en diferentes formas y presentaciones (fibras,pelcula, cpsulas, recubrimientos) , su campo de aplicacin seextiende desde su uso en el tratamiento de aguas residuales hastala produccin de productos especiales en la medicina. Se usa

mucho en formulaciones para liberacin de frmacos.El Quitosan se obtiene en la actualidad en todo el mundo nica y exclusivamente a travs de

desacetilacin de Quitina de caparazones de camarones y gambas.Dado que la disponibilidad de la Quitina es temporal y con ello limitada, la produccin de Quitina a

travs de hongos para la produccin de Quitosan crece en importancia.

Figura 14. Estructura del quitosanLa celulosa es difcilmente degradable, pero puede llegar a serlo previa oxidacin como dixido de

nitrgeno. La oxidacin transforma los grupos hidroxilo en cidos carboxlicos, permitiendo el posteriorataque enzimtico.

Figura 15. Estructura de la celulosaDegradacin

En la tabla siguiente se presentan los tiempos de degradacin de los polmeros biodegradablesmencionados anteriormente. Debe tenerse en cuenta que la biodegradacin depende del tamao del


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implante, de su forma, densidad, lugar de implantacin y peso molecular del polmero empleado.

Polmero Tiempo deeliminacin (meses)

Policido D-Lctico 12-16Policido L-Lctico 18-24Copolmero de cido gliclico y lctico 6-12Policaprolactona 18-24Poliglicol 2-4Polihidroxibutirato 18-24Polisteres de fosfato 12-24Poliortosteres 12-24Polianhidridos de alcanos 0.2-4Polianchidridos aromticos 6-12Gelatina 0.2-1Celulosa oxidada 0.2-1Colgeno 0.2-1Pseudopoliaminocidos 2-24Poliiminocarbonatos 4-12Polifosfacenos 6-18Polipropilenfumarato 12-24

Resumen

Los plsticos son materiales de variados usos que han desplazado a la madera y al vidrio de

una gran cantidad de aplicaciones que incluyen la industria de la construccin, la alimenticia, lafarmacutica y la del transporte. Los plsticos convencionales se producen a partir de reservasfsiles de energa como el petrleo. Estos polmeros perduran en la naturaleza por largosperodos de tiempo y por tanto se acumulan, generando as grandes cantidades de residuosslidos. Muchos de estos materiales pueden ser reciclados, sin embargo, este proceso producegrandes cantidades de sustancias txicas que afectan notablemente el medio ambiente.Como alternativa viable a esta problemtica surgieron los plsticos biodegradables. Encontraste con los plsticos convencionales estos pueden ser producidos a partir de fuentesrenovables de energa como carbohidratos. Por otra parte, estos plsticos son biodegradados aagua, dixido de carbono y humus, productos que no daan el medio ambiente. Existen unagran variedad de plsticos biodegradables: naturales como el almidn y la celulosa, producidospor microorganismos como los polihidroxialcanoatos (PHA) y sintticos como los polilactatos(PLA). Por sus altas tazas de biodegradabilidad y sus excelentes propiedades fsico-mecnicas

los PHA y los PLA han resultado ser los de ms amplia aplicacin en la actualidad.

Introduccin

Cada vez resulta ms evidente que el uso de plsticos de larga duracin para aplicaciones devida corta no est en absoluto justificado, especialmente cuando existe un peligro creciente deperturbacin del medio ambiente. La eliminacin de residuos plsticos es de sumo inters enciruga, higiene, envasado, agricultura, pesca, proteccin medioambiental, aplicacionestcnicas y otros usos potenciales [1].La mayora de los plsticos y polmeros sintticos actuales se obtienen a partir de productospetroqumicos. Los plsticos convencionales son persistentes en el medio ambiente, por lo queun tratamiento inadecuado de eliminacin de los residuos de materiales plsticos es una fuentesignificativa de contaminacin ambiental [2]. Los plsticos tienen tambin un impacto muycostoso sobre la gestin de los residuos, y las autoridades municipales estn empezando a serconscientes del ahorro considerable que puede suponer la recogida de los residuos orgnicos


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"hmedos" en los llamados "biobins" (silos biolgicos) para ser convertidos en compost. Portodas estas razones, se hace necesario sustituir los polmeros no degradables por plsticosbiodegradables, especialmente para aplicaciones en la industria del envase y embalaje, sobretodo para los envases no recuperables [3].As, la utilizacin de biomasa renovable (cosechas) y de los "residuos" agroindustriales emergecomo alternativa clave. Los residuos agrcolas, de la industria azucarera y alimenticia,

constituyen la opcin de suministro ms prometedora: no slo son baratos sino que suconversin resuelve otros problemas medioambientales, convirtiendo "desechos" en productostiles. Esto significa que los pases sin posibilidades de ampliar sus produccionesagropecuarias podran, sin embargo, beneficiarse econmica y ecolgicamente, reduciendo elimpacto ambiental asociado a la eliminacin de sus residuos industriales [4].

Plsticos convencionales

La palabra plstico, procede de la voz griega plastiks, que significa "capaz de ser moldeado" yque destaca la principal caracterstica de las sustancias plsticas: su deformabilidad ante laaplicacin de fuerzas relativamente dbiles y a temperaturas no muy alejadas de la ambiental.El plstico ha reemplazado en parte, a la madera en la fabricacin de muebles y en laconstruccin de edificios; se utiliza con mucha frecuencia como substitutivo del cuero, en laindustria del calzado, y de la lana en la textil; ha reemplazado a la goma como aislante en lasinstalaciones elctricas y al metal en muchas piezas de automviles; tambin se utiliza parafabricar todo tipo de electrodomsticos. Los plsticos pueden ser producidos mediante mtodosfciles y econmicos. El sistema de conformacin ms utilizado es el de moldeado en caliente,que permite la fabricacin en serie de piezas con gran variedad de formas, colores yconsistencias. Normalmente los plsticos son ligeros y resisten bien la corrosin ambiental -locual si bien a nivel prctico es una de sus ventajas, es uno de los grandes escollos respecto alentorno-, son buenos aislantes trmicos y elctricos. Puesto que las materias plsticas tienenpropiedades especficas muy diferentes, presentan tambin una amplia gama de aplicaciones yresultan, en comparacin, ms baratas que otros materiales.Los plsticos se dividen en tres grandes grupos de acuerdo a su composicin. Existenpolmeros sintticos puros, polmeros naturales puros y uniones de polmeros naturales ysintticos, conocidas en ingls como Blends [5].

Plsticos biodegradables

Los plsticos biodegradables ofrecen una serie de ventajas cuando se comparan con losplsticos convencionales. Estos son completamente degradados en compuestos que no daanel medio ambiente: agua, dixido de carbono y humus. Adems estos plsticos son producidosa partir de fuentes renovables de energa, lo que contribuye con el mantenimiento de lasreservas fsiles ( no renovables) en el planeta [6,7].Los polmeros biodegradables se dividen en cuatro grandes grupos: naturales como lasprotenas, el almidn , la celulosa; los naturales modificados como el acetato de celulosa; losmateriales compuestos que combinan partculas biodegradables como el almidn conpolmeros sintticos como el poliestireno y el ltimo grupo formado por los polmeros sintticos

como las polisteres y los poliuretanos.Es importante conocer que de manera general, los plsticos biodegradables tienen malaspropiedades mecnicas. Ellos no son estables frente al agua, son fotodegradables ybiodegradables. Debido a estas y otras propiedades los plsticos biodegradables son utilizadospor cortos perodos de tiempos ejemplo: para la confeccin de jabas, envolturas de utensiliosdomsticos, etc.

Almidn y celulosa

El almidn es un polmero natural de alta disponibilidad en la naturaleza. Puede ser obtenidocon bajos costos de produccin a partir de tubrculos como la papa o a partir de cereales comoel trigo, el maz, etc. Su alta solubilidad en agua limita el uso de este polmero en aplicaciones

relacionadas con cubiertas y envolturas. El almidn se hincha y deforma con mucha facilidaden ambientes medianamente hmedos. Sin embargo ha sido muy utilizado como aditivo enmezclas con polmeros de mayor hidrofobicidad.


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La celulosa es el polmero natural ms abundante en la naturaleza. Es un polmero de difcilprocesamiento pero su modificacin qumica resulta en polmeros que muestran mayores tazasde biodegradabilidad, ejemplo: acetato de celulosa y celulosa oxidada, este ltimo ha sido muyutilizado en aplicaciones mdicas, principalmente en la fabricacin de vendas y fajas para lacontencin de hemorragias.

Polixidroxialcanoato (PHA) y Polixidroxibutirato (PHB)

El PHA es un polmero biodegradable obtenido naturalmente en ciertos microorganismoscuando estos experimentan ciertas y peculiares condiciones ambientales.Por ejemplo la bacteria Alcaligenes eutrophus crea grnulos internos de PHA cuando est encontacto con grandes concentraciones de carbono (azcares) y carece de otros nutrientesesenciales como el nitrgeno. Dicho grnulo ejerce de almacn energtico para la clula, quelo puede reconvertir en material carbonado cuando las condiciones ambientales varan. El PHAexiste en muy diversas maneras, cada una de las cuales tiene pequeas diferencias. Su formams simple es el poli bhidroxibutirato, o PHB. El PHB fue descrito por vez primera en 1923 porLemoigne. Ms tarde Lemoigne caracteriz qumicamente el PHB y observ que estabainvolucrado en la esporulacin de algunos bacilos. Por otro lado, el PHB resulta ser untermoplstico con caractersticas muy similares a las del polipropileno: es un polmero frgil,cristalino y con un alto punto de fusin, que a pesar de tener una menor resistencia a la

disolucin, tiene un comportamiento ptimo ante la luz ultravioleta [5].Hasta el momento el PHB ha tenido un mercado reducido, y su demanda ha estado dirigida porlegislaciones medioambientales. La compaa MONSANTO produce una mezcla de PHB ypolihidroxivalerato (Biopol) con muy buenos resultados en la medicina. Recientemente,Metabolix (Cambridge, Mass) ha obtenido licencias de patentes del MIT sobre la insercin degenes para la produccin de las enzimas claves en el mecanismo de produccin de PHB enbacterias y cereales transgnicos [7].

Polilactatos

El cido lctico o 2-hidroxipropinico es un cido orgnico dbil que existe en la naturaleza enforma de L( ) o D(-) cido lctico. El cido lctico, incluso el de alta pureza, es fuertemente

higroscpico y la presencia de dos grupos funcionales en su estructura (-OH, -COOH) justificasu marcada tendencia a formar, espontneamente, dmeros y polmeros de cido lctico.Los polilactatos han mostrado propiedades fsicomecnicas excelentes, comparables con lasque brindan los plsticos convencionales. La temperatura de transicin vtrea del PLA est enel rango de 50C a 80 C mientras que la temperatura de fusin est en el rango de 130C a180 C. Adems estos pueden ser procesados con la maquinaria actual con mnimos ajustes.Diferentes propiedades de PLA como el punto de fusin, la resistencia mecnica y lacristalinidad estn determinadas por la arquitectura del polmero (contenido de L, D lacturos ymeso- lacturo) y por el peso molecular. Los polilactatos producidos a partir del ismero D(-)presentan temperaturas de transicin vtrea y de fusin superior a las que presenta el PLAproducido a partir del ismero L( ) [10].La proporcin de L y D lacturos tambin determina lamorfologa del polmero, de acuerdo conWitzke las resinas de PLA que contienen ms de un 93 de L( ) cido lctico son semi-

cristalinas, mientras que los PLA con contenidos entre el 50 y el 93 % de L( ) cido lctico sonestrictamente amorfos. La presencia de ambos, D-lacturo y meso-lacturo produceimperfecciones en la estructura cristalina, reduciendo el porciento de cristalinidad [10].

Produccin

El cido lctico puede producirse por sntesis qumica, el mtodo qumico ms utilizado en laactualidad se basa en la obtencin del lactonitrilo. La principal desventaja que presenta estemtodo es la obtencin de mezclas racmicas de D(-) y L( ) cido lctico.Otras de las vas para producir cido lctico comprende la fermentacin de sustratoscarbonados. La fermentacin de los carbohidratos en un ambiente acuoso utilizando losmicroorganismos apropiados resulta en productos finales de elevada pureza ptica. La eleccinde la materia prima depende entre otras cosas: de su costo, del microorganismo a utilizar y delas caractersticas del producto final. As por ejemplo pueden emplearse sustratos carbonadospuros como la glucosa, sacarosa y lactosa o sustratos carbonados impuros como el almidn, el


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lactosuero y las mieles, los cuales provienen fundamentalmente de la industria azucarera,alimenticia y la agricultura. Los sustratos carbonados impuros son mucho ms baratos que lossustratos puros, sin embargo encarecen notablemente el proceso de purificacin del cidolctico debido a su compleja composicin [11,12].Para la produccin de cido lctico no solo se han utilizado bacterias lcticas, la fermentacindel hongo Rhizopus Oryzae es una de las formas ms efectivas para producir L( ) cido lctico

con bajos costos [13]. Tambinse ha logrado clonar y expresar genes de bacterias lcticas enE. coli para la produccin de cido lctico. E. Coli presenta una serie de ventajas con respectoa las bacterias lcticas, en primer lugar utilizan un mayor rango de azcares (hexosas,pentosas), adems tienen requerimientos nutricionales simples, su fisiologa es conocida y hansido estudiadas numerosas herramientas para su modificacin gentica [14].El principal problema afrontado en la produccin del cido lctico han sido los altos costos deproduccin del mismo. La produccin de cido lctico a partir de fuentes renovables de energagenera gran cantidad de contaminantes debido a esto se dificulta y encarece el proceso depurificacin. Para que la industria del cido lctico pueda competir con la industria de losplsticos convencionales (derivados del petrleo) los costos de los sustratos azucarados debendisminuir.

Purificacin

La extraccin y purificacin del cido lctico del medio fermentado es una operacin difcil ybastante compleja. Durante la fermentacin de carbohidratos no solo se produce cido lctico,el caldo final de fermentacin tambin contiene diversas sustancias en solucin yopcionalmente en suspensin carbohidratos no fermentados, subproductos de la fermentaciny nutrientes utilizados para el cultivo de las bacterias. El grado de pureza de la disolucinacuosa de cido lctico es un factor para determinar su posible empleo y consiguientemente suprecio en el mercado. Adems, para empleo industrial es tambin necesario que la purificaciny el proceso de concentracin de la disolucin acuosa de cido lctico sea simple y econmico.Es tambin preferible que el proceso permita operar de modo continuo, reciclando las clulasfermentativas y el caldo de fermentacin despus que el cido lctico se haya recuperado,minimizando as problemas ambientales.El proceso fermentativo del cido lctico produce una disminucin brusca del pH por la propiaproduccin del cido lctico y otros cidos orgnicos. A pH cidos disminuye la viabilidad y elcrecimiento de la mayora de los microorganismos y por tanto disminuye tambin la produccinde cido lctico. Es por esto que el pH de la fermentacin se debe mantener sobre laneutralidad mediante la adicin de lcalis como: hidrxidos, carbonatos y bicarbonatos, lo cualaumenta considerablemente el contenido inico en el caldo de fermentacin (lactatos de sodio,potasio, calcio y amonio).Para llevar a cabo la desmineralizacin del cido lctico producido en la fermentacin, y unavez eliminada por microfiltracin la biomasa, existen tres tcnicas principales: la electrodilisis,el intercambio inico, mediante resinas intercambiadoras catinicas para eliminar sodio, calcioy magnesio y las aninicas para la eliminacin de cloruro y sulfato; y por ltimo las membranasde ultrafiltracin y smosis inversa. La electrodilisis es una tcnica con muy buenosrendimientos cuando la cantidad de sales a eliminar es elevada, por otro lado el costo de los

equipos es muy alto y son tecnolgicamente sofisticados [15, 16, 17]. El intercambio inico espoco adecuado para altas concentraciones, el equipamiento es sencillo y el costo de lasresinas no es elevado. Por ltimo las tcnicas de desmineralizacin por membranas son muyeficaces a concentraciones intermedias, los equipos tienen costos elevados ya que requieren eluso de altas presiones para conseguir la filtracin a travs de la membrana [15, 18].Tradicionalmente el cido lctico puede purificarse a partir del caldo de fermentacin portratamientos con cidos como el sulfrico. Este mtodo presenta como principales desventajaslos consumos elevados de cido sulfrico, los bajos rendimientos y la formacin de unprecipitado que complica notablemente el proceso de purificacin en cuestiones detratamientos de residuales. lactatos de calcio H2SO4 = CaSO4 (precipitado) cido lctico libreEn otros trabajos se combinan mtodos de intercambio inico con electrodilisis, as se obtieneun producto con mayor pureza pero tiene como desventajas los altos consumos de resinas y decidos, los cuales son utilizados para la regeneracin de las resinas. Por otra parte las tcnicas

de electrodilisis son caras [19, 20]. Tambin se pueden usar procesos ligados a la formacinde sales para purificar el cido lctico. Para esto han sido muy empleadas alquilaminassecundarias y terciarias. Este mtodo ha resultado ser efectivo en trminos de pureza del cido


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lctico pero inviable a gran escala debido al gasto energtico que provoca. Una de lastecnologas ms utilizadas para extraer el cido lctico del caldo de fermentacin es laesterificacin. Esto presupone la obtencin de ster de cido lctico, la destilacin del mismopara remover impurezas y el recobrado del cido lctico libre y el alcohol por hidrlisis [21].

Polimerizacin

La polimerizacin del cido lctico para producir polilactatos puede seguir tres rutas diferentes:

1. El cido lctico es polimerizado en grandes cantidades para rendir molculas de PLAde bajo peso molecular, de apariencia vidriosa y frgil. Este producto tiene aplicacionesreducidas, a menos que agentes de acoplamiento externo sean adicionados paraaumentar su peso molecular (Condensacin "polimerizacin directa).

2. El cido lctico es polimerizado en presencia de solventes para rendir PLA de un pesomolecular alto. (Condensacin azeotrpica deshidrativa)

3. La tercera ruta comprende la purificacin , apertura y polimerizacin del anillo delacturo (ROP) para rendir molculas de alto peso molecular, desarrollado por CargillInc. en 1992 [10].

La existencia de dos grupos funcionales en el cido lctico posibilita convertirlo directamenteen polister va reaccin de policondensacin. Sin embargo la reaccin de policondensacinconvencional no rinde productos de alto peso molecular, a menos que se usen solventesorgnicos para la destilacin azeotrpica del H2O condensada y los tiempos de polimerizacinson largos. La policondensacin convencional rinde un polmero frgil y de aspecto vidriosoque tiene un rango de aplicaciones limitado. Una de las metodologas ms utilizadas en laobtencin de PLA de alto peso molecular es la ROP, esta va presupone la obtencin de unintermediario, el lacturo, dmero de cido lctico. La tecnologa consta de tres etapasfundamentales:

Polimerizacin, obtencin de oligmeros.

Depolimerizacin cataltica de los oligmeros y obtencin de los lacturos (L, D y meso lacturo)por destilacin. Durante la depolimerizacin tres estereoformas de lacturos se pueden obtener:

L-Lacturo, D-Lacturo y meso-lacturo o rac-lacturo ( 50% L y 50% D)

Apertura del anillo de lacturo y polimerizacin. Para esto son usados catalizadores o iniciadores

de la polimerizacin [10].

Debido a la complicacin relativa, el costo de la polimerizacin va ROP y la necesidad de lamodificacin de las propiedades de PLA para diferentes tipos de aplicaciones, una rutaalternativa de polimerizacin ha adquirido mayor inters. La misma comprende la condensacindel polmero usando extensores de cadena para rendir molculas de PLA de alto pesomolecular. Los extensores de cadena son usualmente compuestos bifuncionales de bajo pesomolecular que incrementan el peso molecular del polmero mediante reacciones rpidas [10,22].

Daniel Bello GilDepartamento de BioqumicaSubdireccin de BiotecnologaInstituto Cubano de Investigaciones de los Derivados de la Caa de Azcar

Referencias[1] Michael Mang, "Poly(lactic acid): Performance Materials from Renewable Resources," NPE2000 Conference, Chicago, IL, Junio 20,[2] Pearce F., "Dead in the water," New Scientist, Febrero 4, 1995, p. 26-[3] Colvin, R., "Biodegradable polymers make small-scale return," MPI,

[4] Kopetz H., Weber T., Palz W., Chartier P., Ferrero G.L. (Eds.), Proceedings of the 10thEuropean Conference Biomass for energy and Industry, C.A.R.M.E.N., Rimpar, W"urzburg,Germany, p. 446"449.


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[5] Eco Sitio, "Los plsticos, " visitado en febrero 2004,[email protected]

[6] Documento elaborado por Brussels Biotech, Galctica SA, " Biopolymers as viablealternatives to common plastic materials", Julio,[7] Mario Demicheli, "Plsticos biodegradables a partir de fuentes renovables, " IPTS , vol 10.[8] Rafael Auras, Bruce Harte, Susan Selke, "Poly(lactide); Moisture Sorption Characteristicsand storage consequences," School of Packaging, MSU, East Lansing, MI. 48824-1223, USA.

[9] James Lunt, "Polylactic Acid Polymers for Fibers and Nonwovens," International FiberJournal, Junio 2000, p. 48-52.[10]Jukka Tuominen, "Chain linked acid polymers: polimerization degradation studies," Tesisdoctoral, Universidad Tecnolgica de Helsinki, Finlandia, Febrero 28, 2003.[11] Vishnu C., Seenayya G., Reddy G., "Direct fermentation of various pure and crude starchysubstrates to L( ) lactic acid using Lactobacillus amylophilus GV6?, World Journal ofMicrobiology
mailto:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]


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Los gadgets comestibles

y biodegradables querevolucionarn lamedicina1 COMENTARIO


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Demostracin grfica del dispositivo. cmu.edu/DifusinEn los ltimos aos los avances cientficos y tecnolgicos han contribuido en gran medidaal campo de la salud, logrando en muchos casos mejorar la calidad de vida de laspersonas.Robots capaces de ayudar a nios autistas,softwares aplicados a la medicinapreventivaysensores que detectan el estado de los alimentos,son algunas tcnicasinnovadoras que tienen el propsito de generar soluciones rpidas y eficaces en el mbitode la salud.En la bsqueda de nuevos dispositivos que sirvan para unamedicina menos invasivaque

la tradicional, profesionales de laUniversidad de Carnegie Mellon,Estados Unidos, estndesarrollando biosensores comestibles capaces de detectar enfermedades especficas,medir la temperatura corporal y controlar la funcin intestinal o gstrica.Estosdispositivos electrnicosde uso mdico, desarrollados por los profesoresChristopher Bettinger y Jay Whitacre, tienen la particularidad de ser comestibles. Esto fueposible gracias al trabajo coordinado de ambos especialistas: mientras Bettinger ha estadotrabajando en la electrnica biodegradable para uso mdico, Whitacre ha desarrollado unabatera electroqumica de iones de sodio no txica y econmica. Al juntarse, idearon estosdispositivos capaces de revolucionar los mtodos de diagnstico, prevencin y tratamientode determinadas enfermedades.
http://www.cmu.edu/homepage/health/2013/spring/incredible-edible.shtmlhttp://www.cmu.edu/homepage/health/2013/spring/incredible-edible.shtmlhttp://noticias.tudiscovery.com/popchilla-un-robot-que-podria-ayudar-a-los-ninos-autistas/http://noticias.tudiscovery.com/popchilla-un-robot-que-podria-ayudar-a-los-ninos-autistas/http://noticias.tudiscovery.com/popchilla-un-robot-que-podria-ayudar-a-los-ninos-autistas/http://noticias.tudiscovery.com/abre-la-boca-un-software-analiza-la-lengua-para-evaluar-nuestra-salud/http://noticias.tudiscovery.com/abre-la-boca-un-software-analiza-la-lengua-para-evaluar-nuestra-salud/http://noticias.tudiscovery.com/abre-la-boca-un-software-analiza-la-lengua-para-evaluar-nuestra-salud/http://noticias.tudiscovery.com/abre-la-boca-un-software-analiza-la-lengua-para-evaluar-nuestra-salud/http://noticias.tudiscovery.com/un-sensor-huele-la-fruta-para-determinar-si-esta-madura/http://noticias.tudiscovery.com/un-sensor-huele-la-fruta-para-determinar-si-esta-madura/http://noticias.tudiscovery.com/un-sensor-huele-la-fruta-para-determinar-si-esta-madura/http://noticias.tudiscovery.com/el-aliento-la-nueva-huella-digital/http://noticias.tudiscovery.com/el-aliento-la-nueva-huella-digital/http://noticias.tudiscovery.com/el-aliento-la-nueva-huella-digital/http://www.cmu.edu/index.shtmlhttp://www.cmu.edu/index.shtmlhttp://www.cmu.edu/index.shtmlhttp://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2013/TB/C3TB20183Jhttp://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2013/TB/C3TB20183Jhttp://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2013/TB/C3TB20183Jhttp://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2013/TB/C3TB20183Jhttp://www.cmu.edu/index.shtmlhttp://noticias.tudiscovery.com/el-aliento-la-nueva-huella-digital/http://noticias.tudiscovery.com/un-sensor-huele-la-fruta-para-determinar-si-esta-madura/http://noticias.tudiscovery.com/abre-la-boca-un-software-analiza-la-lengua-para-evaluar-nuestra-salud/http://noticias.tudiscovery.com/abre-la-boca-un-software-analiza-la-lengua-para-evaluar-nuestra-salud/http://noticias.tudiscovery.com/popchilla-un-robot-que-podria-ayudar-a-los-ninos-autistas/http://www.cmu.edu/homepage/health/2013/spring/incredible-edible.shtml


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Proceso de los biosensores para detectar enfermedades. cmu.edu/DifusinDe tamao similar al de las pldoras convencionales, estos dispositivos estn diseadoscon electrodos de polmero y una clula electroqumica de ion de sodio, lo que permite queluego de realizar su circuito y cumplir con sus tareas en el organismo, tengan la capacidad

de biodegradarse. Se trata de un proceso de reciclado orgnico que no deja secuelas en elcuerpo: puede permanecer en el organismo durante unas 18 a 24 horas, aunque sufuncionalidad es de aproximadamente dos horas.

Estos biosensores, aptos para consumirse una vez al da, tendran la capacidad de medirbiomarcadores, monitorear problemas gstricos, detectar la temperatura corporal, medirlatidos del corazn y controlar los niveles de pH en el intestino delgado para predecirlceras. Estos datos podran ser pasados por correo electrnico y convertirse en unanueva fuente de diagnstico mdico.

Entre sus ventajas, los creadores sostienen que se trata de un mtodo econmico,prcticamente no invasivo y que, a diferencia de un dispositivo implantado, no requiere deesterilizacin. Creemos que hay un gran futuro en los dispositivos comestibles porque lamayora de los pacientes se sienten cmodos con la ingestin de una pldora. La clave eshacer que el material sea seguro y biocompatible, como el que hemos hecho ,concluy Bettinger.
http://www.cmu.edu/homepage/health/2013/spring/incredible-edible.shtmlhttp://www.cmu.edu/homepage/health/2013/spring/incredible-edible.shtmlhttp://www.cmu.edu/homepage/health/2013/spring/incredible-edible.shtml


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MENTE CIENCIAING. SERGIO JESS RICO

INSTITUCIN:

Instituto Politcnico NacionalPROYECTO:Lluvia slidaSu preocupacin por la gente es lo que lo llev a crear la lluvia slida, es decir, acosechar la lluvia lquida en un polmero llamado Silo de Agua que se almacena encostales para ponerse junto a la raz de las plantas y mantener la humedad. Del agua quese utiliza para el riego agrcola se desperdicia alrededor del 90%, pues la planta soloabsorbe de 10 o 15%. Con este polmero,se puede sembrar antes de la temporada delluvias y lograr la germinacin y el crecimiento de la planta sin regarse. El material duraentre 8 y 10 aos, y despus se adhiere a las sales de la tierra hasta convertirse "en ungranito de arena perdido en la tierra totalmente inocuo".

Materiales Sintticos los verstiles polmeros

Acrlico, polietileno, nylon, poliestirenolos materiales sintticos son ampliamente utilizados y empleadosen casi todas las reas de la vida. El celuloide, que se desarroll en 1860, fue uno de los primerosmateriales sintticos. Fue creado a travs de la modificacin qumica de las molculas de celulosa que seencuentran en la plantas. Este material fue utilizado para la produccin de materias primas de alta calidad,en lugar del marfil. En 1889, George Eastman comenz a utilizar el celuloide como pelcula fotogrfica. Sinembargo, la desventaja de este material consista en que era sumamente inflamable y se decolorabafcilmente con la luz.En 1862, Alexander Parkes haba fabricado un material duro que poda ser moldeado en formas. ElParkesin, fue el primer material semi-sinttico. El qumico belga Leo Hendrik Baekeland, desarroll el

primer material completamente sinttico en 1906, llamado Baquelita. Lo destacable de este material eraque, cuando se calentaba, se endureca en lugar de derretirse.Durante los aos 1920 y 1930, se desarrollaron los procesos para la fabricacin de materiales sintticosderivados del petrleo. Rpidamente se obtuvieron materiales con una gran variedad de caractersticas,tales como la resistencia trmica, la maleabilidad o la conductividad elctrica.El polimetilo metacrilato, introducido en el mercado como Plexigls, es uno de los materiales sintticosms conocidos inventado en esa poca. El politetrafluoroetileno, fabricado por primera vez en 1938, fuevendido bajo el nombre de Tefln a partir de 1943. Las diferentes caractersticas fsicas de los materiales sintticos son muy conocidas en la vida cotidiana.Una bolsa plstica, por ejemplo, se derrite a altas temperaturas, mientras que una cuchara de maderapermanece intacta. Conocemos tambin materiales que mantienen su forma an cuando se les aplicafuerza, mientras que otros pueden ser estirados y luego vuelven a su forma original. Estas caractersticasbsicas tambin se utilizan para clasificar a los materiales sintticos: los materiales trmicamentedeformables se llaman termoplsticos, los materiales resistentes al calor se llaman termoendurecibles y losmateriales elsticos se llaman elastmeros.Los materiales sintticos estn formados por molculas gigantescas que son aumentadas durante el

proceso de polimerizacin. Sus caractersticas especiales dependen de la interconexin de susmacromolculas. En los termoplsticos, por ejemplo, las macromolculas se encuentran una junto a laotra. Si este tipo de material sinttico se calienta, las molculas pueden deslizarse unas sobre otras, y el


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objeto se deforma. Cuando se enfra, el material sinttico se endurece y toma una nueva forma. Encontraste, los plsticos termoendurecibles estn formados por finas mallas de macromolculas. Lasuniones firmes que se producen entre ellas hacen que estas molculas no se deslicen unas sobre otrascuando se calientan.

Materiales Inteligentes los materiales del futuro

Desde hace algn tiempo, los cientficos han estado buscando materiales queequipados con sensores ycontrolesse comporten en forma similar a los sistemas biolgicos. Ya se han alcanzado algunos xitosiniciales con estos materiales inteligentes. Como resultado, pronto habr disponibles materiales quepuedan auto reparase o adaptarse autnomamente a determinadas condiciones ambientales.Por ejemplo, un puente podra reforzarse a s mismo y sellar grietas durante un terremoto, o un automvilcon zonas de pliegue inteligentes podra recuperar su forma original despus de un accidente. Tal comolos seres vivos, estos sistemas podran adaptarse a diferentes requerimientos y solucionar cualquier daoposible ante la falla de los elementos individuales.Los cientficos han probado que este tipo de materiales y estructuras son esencialmente factibles. Sinembargo, requieren de un arsenal de ayudas especiales. Estas ayudas incluyen actuantes y motores, quese comporten de manera similar a los msculos; sensores, que funcionen como nervios, y memoria yredes computarizadas que representen al cerebro y a la columna vertebral.Los materiales compuestos multifuncionales que absorben las vibraciones - con lo que reducen lacontaminacin sonora - son un ejemplo de materiales inteligentes que ya han sido investigados yaplicados. Estn equipados con sensores que se activan cuando el material comienza a vibrar. La seal delsensor es entonces procesada por un regulador, el cual controla los actuantes integrados, de manera deque absorban las vibraciones. Milimtricas fibras cermicas son utilizadas para convertir la tensinmecnica o trmica en seales elctricas.

La medicina tambin puede beneficiarse con los materiales inteligentes. Actualmente, pequeos tubos deacople hechos de metal, llamados stents, estn siendo implantados en arterias para reforzarlas y prevenirbloqueos posteriores. Los stents del futuro sern inteligentes. Se inyectarn directamente en las venas,utilizando slo procedimientos mdicos sencillos, y adquirirn la forma deseada en la arteria afectada,amplindola y mejorando la circulacin sangunea. La transformacin ser accionada por la temperaturacorporal. La ventaja para el paciente es que una intervencin complicada sera reemplazada por unprocedimiento mdico menor, que adems sera ms efectivo.El trabajo tambin est siendo realizado con materiales sintticos con efecto de memoria. Hilos que seanudan solos, espirales que recuerdan su forma extendida original. Los materiales con memoriarecuerdan su forma y, luego de ser deformados, vuelven a su formato original. El calor o la luz sonsuficientes para regresarlos a su forma de origen.


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POLMEROS DERIVADOS DEL ALMIDNHasta la fecha, este grupo constituye uno de los ms importantes entre los

plsticos biooriginados comercialmente disponibles. Un polmero derivado del

almidn es un material termoplstico resultado del proceso del almidn por

medios qumicos, trmicos o mecnicos. Son biodegradables e incinerables y

debido a su bajo costo de produccin son una atractiva alternativa frente a

polmeros basados en productos petroqumicos. Presentan la capacidad de

poder combinarse con otros copolmeros, dando productos flexibles como el

polietileno, as como tambin productos rgidos como el poliestireno.

El almidn es, junto con la celulosa, la mayor reserva de carbohidratos

(polisacridos) en el mundo natural. Est compuesto por dos polisacridos

(amilosa y amilopectina) que constituyen una unidad de glucosa. Una cadena

molecular de almidn puede estar conformada por 500 a 2000 monmeros de

glucosa.

Molcula del almidn

Los polmeros derivados del almidn dominan el mercado de polmeros

biogenerados liderando la produccin mundial con un 70-80% de la misma. Los

productores ms importantes establecidos en el mercado incluyen a Novamont,

DuPont, Biotec y Rodenburg.

Los productos de cultivo de almidn ms utilizados son el maz (el de mayor

aplicacin), el trigo, la papa y el arroz.


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Actualmente los copolmeros utilizados para mezclas o combinaciones

constituyen hasta un 50% del total msico de los productos polimricos

derivados del almidn. Estos copolmeros son, en su mayora, derivados de

fuentes fsiles. Se estima que para el ao 2020 ser posible producir un

polmero basado 100% en almidn logrando propiedades similares a los

productos combinados actuales.

Obtencin de polmeros derivados del almidn

Se pueden distinguir tres grandes grupos de productos obtenidos a partir de un

paso primario de proceso:

Polmeros derivados de almidn parcialmente fermentado

Polmeros derivados de almidn puro

Polmeros derivados de almidn modificado

En la produccin de polmeros derivados de almidn parcialmente fermentado, la

materia prima utilizada es el fluido de desecho de la papa originado en la

industria alimenticia. Dicho fluido consiste en almidn (72%), siendo el resto

protenas (12%), grasas y aceites (3%), componentes inorgnicos (10%) y

celulosa (3%). Este fluido es almacenado por dos semanas para permitir la

estabilizacin y fermentacin parcial. La fermentacin ms importante que

ocurre en el proceso es la conversin de una parte del almidn en cido lctico

por medio de bacterias presentes en el medio. El producto es secado (10% de

contenido final de agua) y extruido para obtener propiedades termoplsticas.

Para mejorar las propiedades del producto se le agregan aceites y aditivos

tales como dixido de titanio (TiO2) y carbonato de calcio (CaCO3) en el paso

de extrusin. Finalmente, el material es estabilizado por un ltimo paso de

secado.

La produccin de otros tipos de polmeros derivados del almidn comienza con

la extraccin del mismo. Tomando como ejemplo el maz, el almidn es

extrado del grano por medio de molido hmedo. El grano es ablandado con

anterioridad por medio de una solucin cida. Luego siguen los procesos de

molido fino y posterior centrifugado que separa la protena (menos densa) del

almidn (ms denso). El fluido almidonado es lavado en un centrifugador,


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deshidratado y secado previo a la extrusin o granulacin. Asimismo, antes o

despus del proceso de secado, el almidn puede ser procesado para mejorar

sus propiedades. El almidn modificado es aquel que ha sido tratado con

qumicos de manera que algunos grupos hidroxilos sean reemplazados por

otros grupos, como por ejemplo, steres. El almidn modificado qumicamente

puede ser usado directamente en pelletizado u otra forma seca para ser

transformado a producto final.

Polmeros derivados de almidn puro son aquellos materiales que no son

alterados (en el primer paso del proceso) por fermentacin o tratamiento

qumico.
http://www.textoscientificos.com/imagenes/polimeros/polimeros-derivados-almidon-g.gif


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Luego del primer paso de secado, una segunda etapa de proceso puede ser

identificada. Esta es la etapa en la cual el almidn es convertido en un material

termoplstico tanto por extrusin (por pasos secuenciados de extrusin y

mezclado) o por una combinacin de pasos de extrusin y mezclado. El primer

grupo de materiales emergentes de la segunda etapa del proceso polmeros

termoplsticos derivados enteramente del almidn son de vida limitada

debido a su gran hidrofilia y pobres propiedades mecnicas. El segundo grupo

de termoplsticos mezclados derivados del almidn almidn complejo se

encuentra ms extendido y es producido por varias compaas basadas en una

variedad de patentes. El tercer grupo, productos de mezclas reactivas, se

encuentra separado por no ser de gran uso comercial.

Propiedades de los polmeros derivados del

almidn

Los polmeros derivados del almidn son parcialmente cristalinos (pero mucho

menos que los derivados de la celulosa). Su densidad es superior a la mayor

parte de los termoplsticos convencionales y tambin de los biopolmeros. Si

bien tienen baja resistencia a solventes y aceites, esto puede ser mejorado por

mezclado con otros componentes.

Las propiedades mecnicas de estos polmeros son generalmente inferiores a

los polmeros derivados de la petroqumica. Son fciles de procesar pero

vulnerables a la degradacin.

El rango de aplicaciones posibles para estos polmeros est restringido a la

sensibilidad a la humedad, al contacto con el agua y a la permeabilidad frente

al vapor de agua. Otras propiedades de barrera frente a gases como el oxgeno

o el dixido de carbono son moderadamente buenas. Finalmente, estos

polmeros son biodegradables, sin embargo un contenido muy alto de

copolmero puede afectar adversamente dicha biodegradabilidad.

Sustituciones tcnicas potenciales

El gran potencial (principalmente para los polmeros derivados de almidn

modificado) para la sustitucin de otros polmeros se encuentra principalmente


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en las poliolefinas: polietileno de baja densidad (LDPE), polietileno de alta

densidad (HDPE) y polipropileno (PP). Mezclas con polisteres sintticos

poseen propiedades mecnicas similares al LDPE y al HDPE como tambin al

poliestireno (PS).

El buen desempeo mecnico junto con la biodegradabilidad hacen a los

productos termoplsticos combinados ideales para packaging compitiendo con

los productos de poliestireno expandido (EPS). En la produccin de espumas y

productos solubles existe una gran oportunidad de sustitucin del EPS,

poliuretano (PUR) y papel.

Aplicaciones

El packaging es la aplicacin principal para los polmeros derivados del almidn

modificado, llegando a un 75% del total del market-share para polmeros

derivados del almidn. Tambin tienen grandes aplicaciones para el papel, el

algodn y las fibras naturales.

Desde el ao 2001, Goodyear ha estado usando el Mater-Bi como relleno en

sus neumticos GT3 (EcoTyre). Marcas como Ford y BMW tambin han

empezado a utilizar estos compuestos para algunos de sus productos. Los

beneficios incluyen baja resistencia, reduccin de ruido, reduccin en el

consumo de combustible y emisiones de CO2.

En el caso de los polmeros derivados de almidn parcialmente fermentado, su

uso es casi exclusivo para moldeo por inyeccin aunque tambin se usa para

packaging y transporte.

Empresas productoras a nivel mundial

Empresa Ubicacin Producto Nombre

comercial

DuPont EE.UU. Polmero combinado Sorona

Novamont Italia Polmero combinado Mater-Bi


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BIOP Biopolymer

Technologies

Alemania Polmero puro BIOPar

Biotec Alemania Termoplstico Bioplast

Japan Corn Starch Co. Japn Polmero combinado Evercorn

Rodemburg Biopolymers Holanda Polmeros parcialmente

fermentados

Solanyl

Plantic Technologies

Limited

Australia Termoplstico Plantic

MGP Ingredients Inc EE.UU. Termoplstico Terratek

Vegeplast S.A.S. Francia Polmero combinado Vegemat


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Dispositivos electrnicos que

se disuelven cuando ya nosirvenEnviar por email

La basura electrnica, integrada en buena parte por aparatos inservibles, constituye un

problema, pero an ms problemtico resulta cuando el dispositivo inservible es de

tipo mdico y est dentro del cuerpo, ya que hay que retirarlo para impedir que acabe

provocando daos. Si el dispositivo en cuestin se pudiera disolver de manera

inofensiva dentro del cuerpo, se evitaran muchos problemas y tambin intervenciones

quirrgicas. Hacia este objetivo trabajan unos cientficos de la Universidad Estatal de

Iowa, en Estados Unidos.

Esta nueva clase de electrnica, en desarrollo por el equipo de Reza Montazami,

profesor de ingeniera mecnica en la citada universidad, se basa en una gama de

polmeros especiales, que conducen la electricidad, pero que tambin estn diseados

para deshacerse rpida y completamente cuando se activa dicha funcin de

autodestruccin.

Las aplicaciones potenciales son muchas. Las ms evidentes son, como hemos

adelantado, los dispositivos mdicos que se implantan dentro del cuerpo. Cuando uno

de esos dispositivos ha hecho su trabajo y ya no es til, se podra deshacer

inofensivamente dentro del cuerpo de la persona.

Otro campo de aplicaciones estara en el mbito militar, y ms concretamente en las

operaciones de los servicios de inteligencia. Un dispositivo hecho con esta tecnologa

podra obtener y enviar sus datos, y luego disolverse, sin dejar rastros sobre la misin

de inteligencia que ha llevado a cabo.

En el campo de la seguridad bancaria, una aplicacin podra ser que cuando una

persona pierde su tarjeta de crdito, pueda enviarle a sta una seal que haga que la

tarjeta se autodestruya.


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Reza Montazami examina una antena degradable capaz de transmitir datos. (Foto: Bob Elbert)

El terreno de la monitorizacin medioambiental tambin se beneficiara. Est bien

esparcir sensores en el entorno natural para hacer un seguimiento detallado de las

condiciones reinantes en un ecosistema, pero paradjicamente esos dispositivos

pueden acabar convirtindose en fuentes de contaminacin para el entorno al que se

ha pretendido que ayudasen. En cambio, si los sensores una vez llegados al final de

su vida til, se disuelven de manera inofensiva ante el agua, por ejemplo la de la

primera lluvia tras la activacin del proceso de autodestruccin, no causarn ninguna

contaminacin al ecosistema que han estado vigilando.

Lograr que resistencias, condensadores y dems componentes electrnicos se

disuelvan de manera tal que no queden rastros de ellos, no es un reto fcil, pero

Montazami est convencido de que el objetivo se puede alcanzar de una manera que

d lugar a un sistema prctico de usar. Con esto en mente, trabaja, junto con sus

colaboradores, en el desarrollo de los materiales necesarios.

Estos investigadores han desarrollado y probado resistencias y condensadores con

esa capacidad de disolverse. Tambin han construido y probado una antenadegradable capaz de transmitir datos. Ahora estn trabajando en transistores y LEDs


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con la misma cualidad.

En el trabajo de investigacin y desarrollo tambin han participado, entre otros,

Nastaran Hashemi, Handan Acar, Simge Cinar y Mahendra Thunga, de la Universidad

Estatal de Iowa, as como Michael Kessler, ahora director de la Escuela de Mecnica eIngeniera de Materiales en la Universidad Estatal de Washington, en la ciudad

estadounidense de Pullman.

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http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201304186/abstracthttp://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201304186/abstract

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