Ácido algínico

El ácido algínico , también llamado algina , es un polisacárido comestible de origen natural que se encuentra en las algas pardas . Es hidrófilo y forma una goma viscosa al hidratarse. Cuando el ácido algínico se une a los iones de sodio y calcio, las sales resultantes se conocen como alginatos . Su color varía del blanco al marrón amarillento. Se comercializa en forma filamentosa , granular o en polvo.

Es un componente significativo de las biopelículas producidas por la bacteria Pseudomonas aeruginosa , un importante patógeno que se encuentra en los pulmones de algunas personas con fibrosis quística . ^{[ 1 ]} La biopelícula y P. aeruginosa tienen una alta resistencia a los antibióticos , ^{[ 2 ]} pero son susceptibles a la inhibición por macrófagos . ^{[ 3 ]}

El alginato fue descubierto por el químico británico ECC Stanford en 1881, y patentó un proceso de extracción ese mismo año. ^{[ 4 ]} En la patente original, el alginato se extraía remojando primero las algas en agua o ácido diluido. El ácido algínico insoluble resultante se trataba con una solución alcalina, como carbonato de sodio , para crear alginato de sodio, antes de precipitar y purificar finalmente el alginato de la solución. ^{[ 5 ] [ 6 ]}

El ácido algínico es un copolímero lineal con bloques homopoliméricos de residuos de β-D- manuronato (M) y α-L- guluronato (G) unidos mediante enlaces (1→4), respectivamente, unidos covalentemente entre sí en diferentes secuencias o bloques. Los monómeros pueden aparecer en bloques homopoliméricos de residuos G consecutivos (bloques G), residuos M consecutivos (bloques M) o residuos M y G alternados (bloques MG). El α-L-guluronato es el epímero C-5 del β-D-manuronato. ^{[ 7 ]}

Los alginatos se refinan a partir de algas pardas . En todo el mundo, muchas algas pardas de la clase Phaeophyceae se cosechan para su procesamiento y conversión en alginato de sodio. El alginato de sodio se utiliza en numerosas industrias, como la alimentaria, la de alimentos para animales, la de fertilizantes, la de impresión textil y la farmacéutica. El material de impresión dental utiliza alginato como agente gelificante. El alginato de grado alimenticio es un ingrediente aprobado en alimentos procesados ​​y manufacturados. ^{[ 8 ]}

Las algas pardas varían en tamaño, desde el alga gigante Macrocystis pyrifera, que puede alcanzar los 20-40 metros de longitud, hasta algas gruesas y coriáceas de 2-4 m de longitud, y especies más pequeñas de 30-60  cm de longitud. La mayoría de las algas pardas utilizadas para la producción de alginatos se recolectan en estado silvestre, con la excepción de Laminaria japonica , que se cultiva en China para consumo humano y cuyo excedente se destina a la industria del alginato en China. ^{[ 9 ]}

Los alginatos de diferentes especies de algas pardas varían en su estructura química, lo que da lugar a diferentes propiedades físicas. Algunas especies producen un alginato que forma un gel fuerte , otras un gel más débil; algunas pueden producir un alginato de color crema o blanco, mientras que otras son difíciles de gelificar y se utilizan mejor en aplicaciones técnicas donde el color no importa. ^{[ 10 ]}

El alginato de grado comercial se extrae de las algas gigantes Macrocystis pyrifera y Ascophyllum nodosum , así como de algunos tipos de Laminaria . Los alginatos también son producidos por dos géneros bacterianos, Pseudomonas y Azotobacter , que desempeñaron un papel fundamental en el descubrimiento de su vía biosintética . Los alginatos bacterianos son útiles para la producción de micro- o nanoestructuras aptas para aplicaciones médicas. ^{[ 11 ]}

El alginato de sodio (NaC ₆ H ₇ O ₆ ) es la sal sódica del ácido algínico. El alginato de sodio es una goma.

El alginato de potasio (KC ₆ H ₇ O ₆ ) es la sal de potasio del ácido algínico.

El alginato de calcio (CaC ₁₂ H ₁₄ O ₁₂ ) es la sal de calcio del ácido algínico. Se obtiene reemplazando el ion sodio del alginato de sodio por un ion calcio ( intercambio iónico ).

El proceso de fabricación utilizado para extraer alginato de sodio de las algas pardas se divide en dos categorías: 1) método del alginato de calcio, donde las algas pardas se tratan primero con cloruro de calcio para formar un intermedio de alginato de calcio antes de lavarlas con ácido clorhídrico, y 2) método del ácido algínico, donde no hay un intermedio de alginato de calcio y las algas pardas se tratan únicamente con ácido clorhídrico para extraer el alginato de sodio. ^{[ 9 ]}

Químicamente, el proceso es sencillo, pero surgen dificultades debido a las separaciones físicas necesarias entre los residuos viscosos de las soluciones viscosas y la separación de los precipitados gelatinosos que retienen grandes cantidades de líquido en su estructura, por lo que resisten la filtración y la centrifugación . ^{[ 9 ]} El proceso convencional implica grandes cantidades de reactivos y disolventes, así como pasos que consumen mucho tiempo. ^{[ 4 ]} Técnicas más sencillas y novedosas, como la extracción asistida por microondas, ultrasonidos, alta presión, extracción con fluidos presurizados y extracción asistida por enzimas, son objeto de investigación. ^{[ 4 ]}

El proceso de extracción convencional más común consta de seis pasos: pretratamiento de la biomasa de algas, tratamiento ácido, extracción alcalina, precipitación, blanqueo y secado. ^{[ 4 ]} Los pretratamientos tienen como objetivo principal romper la pared celular para facilitar la extracción del alginato o eliminar otros compuestos y contaminantes de las algas. ^{[ 4 ]} El secado es del primer tipo y también ayuda a prevenir el crecimiento bacteriano; las algas secas suelen pulverizarse para exponer una mayor superficie. ^{[ 4 ]} Los tratamientos comunes para eliminar contaminantes incluyen tratamientos con etanol y formaldehído , siendo este último muy común; las soluciones de etanol ayudan a eliminar los compuestos unidos al alginato, y las soluciones de formaldehído ayudan a prevenir reacciones enzimáticas o microbianas. ^{[ 4 ]}

Las algas se tratan con una solución ácida para ayudar a romper las paredes celulares, lo que convierte las sales de alginato en ácido algínico insoluble; una solución alcalina posterior (pH 9-10), generalmente carbonato de sodio , lo convierte de nuevo en alginato de sodio soluble en agua, que luego se precipita. ^{[ 4 ]} También es posible extraer el alginato directamente con un tratamiento alcalino, pero esto es menos común. ^{[ 4 ]}

El ácido algínico se suele precipitar, mediante diferentes técnicas, con un alcohol (generalmente etanol), cloruro de calcio o ácido clorhídrico . ^{[ 4 ]} Una vez precipitada la alginina en una pasta fina, se seca, se muele hasta obtener el tamaño de grano deseado y, finalmente, se purifica mediante diversas técnicas. ^{[ 4 ]} El alginato comercial para uso biomédico y farmacéutico se extrae y purifica mediante técnicas más rigurosas, pero estas son secretos comerciales. ^{[ 4 ]}

Derivados

Se pueden producir diversos materiales a base de alginato, incluyendo materiales de andamiaje porosos, hidrogel de alginato, tela no tejida y membranas de alginato. ^{[ 12 ]} Las técnicas utilizadas para producirlos incluyen reticulación iónica, hilado microfluídico, liofilización, hilado húmedo e hilado por chorro centrífugo inmersivo. ^{[ 12 ]}

Se añaden sales de calcio a una solución de alginato de sodio para inducir la reticulación iónica, lo que produce el hidrogel. La liofilización del hidrogel para eliminar el agua produce el material de andamiaje poroso. ^{[ 12 ]}

El hilado húmedo consiste en extruir una solución de alginato desde una hilera hacia una solución de sal de calcio para inducir la reticulación iónica (formación del gel) y, posteriormente, extraer las fibras del baño con rodillos de estirado. El hilado microfluídico, una implementación más sencilla y ecológica del proceso, implica la introducción de flujos de sal de calcio que discurren junto a un flujo central de alginato y lo tocan. Estos flujos forman una envoltura. La fibra emerge entonces del flujo central. Esta técnica puede utilizarse para producir fibras con formas y ranuras. ^{[ 12 ]}

La fibra de alginato, que se utiliza en la fabricación de tejidos, se produce generalmente mediante hilado microfluídico, hilado en húmedo o electrohilado para obtener fibras más finas. ^{[ 12 ]} Estas fibras se utilizan para producir tela no tejida de alginato mediante cardado y punzonado con aguja. Los fieltros resultantes se utilizan en apósitos para heridas, mascarillas faciales y andamios tisulares debido a su capacidad higroscópica y de retención de agua. ^{[ 12 ]}

En 2022, el alginato se había convertido en uno de los materiales preferidos por ser un biopolímero natural abundante. ^{[ 12 ]} Es particularmente útil como biomaterial debido a su no toxicidad, higroscopicidad y biocompatibilidad , y puede imitar los bioambientes locales; su producto de degradación puede ser eliminado fácilmente por los riñones. ^{[ 12 ]}

El alginato absorbe agua rápidamente, lo que lo hace útil como aditivo en productos deshidratados como los productos para adelgazar , y en la fabricación de papel y textiles. ^{[ 13 ]}

El alginato también se utiliza para impermeabilizar y hacer ignífugos tejidos, en la industria alimentaria como agente espesante para bebidas, helados y cosméticos, como agente gelificante para gelatinas (conocido con el código E401) y tripas para embutidos. ^{[ 14 ] [ 15 ]} El alginato de sodio se mezcla con proteína de soja para elaborar un análogo de la carne . ^{[ 16 ]}

El alginato se utiliza como ingrediente en diversas preparaciones farmacéuticas , como Gaviscon , en la que se combina con bicarbonato para inhibir el reflujo gastroesofágico . ^{[ 17 ]}

El alginato de sodio se utiliza como material para la toma de impresiones en odontología , prótesis , moldes de vida y para crear positivos para moldes a pequeña escala . ^{[ 18 ]}

El alginato de sodio se utiliza en la impresión con tintes reactivos y como espesante para tintes reactivos en la serigrafía textil . ^{[ 19 ]} Los alginatos no reaccionan con estos tintes y se eliminan fácilmente con el lavado, a diferencia de los espesantes a base de almidón . También sirve como material para la microencapsulación . ^{[ 20 ]}

El alginato de calcio se utiliza en diferentes tipos de productos médicos, incluidos los apósitos para heridas cutáneas , en forma de hidrogeles, para promover la cicatrización, ya que el alginato puede aumentar la capacidad de absorción de líquidos de los apósitos, reduciendo la cantidad de veces que es necesario cambiarlos. ^{[ 21 ] [ 22 ]}

En la investigación sobre reconstrucción ósea, los compuestos de alginato presentan propiedades favorables que promueven la regeneración, como una mayor porosidad , proliferación celular y resistencia mecánica . ^{[ 23 ]} El hidrogel de alginato es un biomaterial común para la biofabricación de andamios y la regeneración de tejidos. ^{[ 24 ]}

La unión covalente de grupos tiol al alginato mejora la gelificación in situ y las propiedades mucoadhesivas; el polímero tiolado ( tiómero ) forma enlaces disulfuro dentro de su red polimérica y con subdominios ricos en cisteína de la capa de moco. ^{[ 25 ]} Los alginatos tiolados se utilizan como hidrogeles de gelificación in situ, ^{[ 26 ]} y se encuentran en investigación preliminar como posibles sistemas de administración de fármacos mucoadhesivos. ^{[ 27 ]} Los hidrogeles de alginato pueden utilizarse para la administración de fármacos, mostrando respuestas a cambios de pH, cambios de temperatura, redox y la presencia de enzimas. ^{[ 28 ]}

El alginato es uno de los polímeros más utilizados en bioencapsulación , particularmente para la inmovilización o protección de células vivas, enzimas, proteínas y otros materiales bioactivos. ^{[ 29 ]} Su uso se basa principalmente en la capacidad del alginato soluble para formar hidrogeles de alginato de calcio en condiciones acuosas suaves, lo que permite atrapar material biológico sin exposición a disolventes agresivos, altas temperaturas o reacciones químicas agresivas. ^{[ 30 ] [ 31 ]}

En la encapsulación celular, las microesferas o microcápsulas de alginato proporcionan una matriz de hidrogel semipermeable que permite la difusión de nutrientes, oxígeno y productos secretados, a la vez que separa físicamente las células encapsuladas del entorno circundante. Este método se ha investigado para el aislamiento inmunológico, el trasplante de islotes, la terapia celular, la ingeniería de tejidos y la liberación controlada de productos biológicos. ^{[ 32 ]}

Los sistemas de bioencapsulación de alginato se pueden producir mediante goteo, extrusión, corte por chorro de aire, generación electrostática de gotas, emulsificación y métodos microfluídicos. Estas técnicas difieren en el rendimiento, el control del tamaño de las microesferas, la distribución del tamaño y la idoneidad para encapsular células o biomoléculas lábiles. ^{[ 33 ]}

• Ácido hialurónico : un polisacárido presente en los animales.
• Agar

• Fuentes de alginato de algas marinas. Archivado el 17 de septiembre de 2013 en Wayback Machine.
• Propiedades del alginato. Archivado el 17 de septiembre de 2013 en Wayback Machine.