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Nanocompuesto polimérico

Los nanocompuestos poliméricos (PNC) son materiales compuestos que consisten en nanopartículas inorgánicas. s dispersas dentro de una matriz polimérica. Ofrecen propiedades de m...

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Los nanocompuestos poliméricos (PNC) son materiales compuestos que consisten en nanopartículas inorgánicas.s dispersas dentro de una matriz polimérica. Ofrecen propiedades de material mejoradas como mayor rigidez, estabilidad térmica, mayor resistencia a la ignición y más. La clasificación de los PNC depende de la dimensión de la nanopartícula, el tipo de polímero, la morfología de la matriz de nanopartícula-polímero y otros factores. Los PNC se preparan comúnmente mediante polimerización in situ, extrusión en estado fundido y dispersión en solución. [ 1 ] Existen otras clasificaciones de PNC, como nanopartículas a base de carbono, metal y cerámica. [ 2 ] Dependiendo del método de preparación, los PNC se pueden preparar siguiendo un enfoque de abajo hacia arriba o de arriba hacia abajo. El enfoque de abajo hacia abajo implica crear la nanopartícula dentro de la matriz polimérica o solución de monómero. El enfoque de arriba hacia abajo implica producir primero las nanopartículas y luego mezclarlas en la matriz polimérica. [ 3 ]

Las nanopartículas o nanoestructuras son más adecuadas para los compuestos poliméricos que las macropartículas o micropartículas debido a la mayor interacción entre las nanopartículas y la matriz polimérica. Gracias a esta mayor interacción, los PNC ofrecen propiedades mejoradas de los polímeros al optimizar las propiedades térmicas, mecánicas, de barrera y ópticas. [ 4 ]

Aunque los PNC presentan muchas ventajas, su síntesis puede resultar compleja. Entre los desafíos más comunes se encuentran lograr una dispersión uniforme de las nanopartículas dentro de la matriz polimérica, una fuerte unión interfacial para evitar su acumulación y el control de su orientación. [ 5 ]

Los PNC se utilizan en diversos campos como el biomédico, farmacéutico, de ingeniería y otros. Los PNC con plata incorporada se utilizan para la actividad antibacteriana. [ 6 ] El compuesto biocompatible MXene, poli(2-(dimetilamino) etil metacrilato ) (P(2(DMA)EMA), puede utilizarse en la administración oral de insulina. [ 7 ] Los PNC con nanopartículas conductoras, como los nanotubos de carbono, pueden utilizarse para biosensores de glucosa. [ 8 ]

Síntesis de nanocompuestos poliméricos

Síntesis sol-gel de nanocompuestos poliméricos

El proceso sol-gel implica la conversión de precursores en partículas mediante hidrólisis y condensación. En el caso de los PNC, las nanopartículas se dispersan en una solución de monómero, lo que da como resultado una red de interacciones entre polímero y nanopartículas. Por lo tanto, el polímero contribuye a la nucleación y el crecimiento de las nanopartículas a través de la solución de monómero. Presenta ventajas como una distribución uniforme de las nanopartículas, control del tamaño de las partículas, la posibilidad de realizarse a bajas temperaturas y el control de la porosidad. [ 2 ]

Polimerización in situ de nanocompuestos poliméricos

Para la polimerización in situ de PNC, las nanopartículas se dispersan en una solución de monómero y la polimerización comienza con calor, exposición a luz UV, difusión de iniciador y/o mediante el uso de un catalizador. Por lo tanto, los monómeros se polimerizan con las nanopartículas en la mezcla. [ 2 ] Esto puede formar nanocompuestos intercalados o exfoliados. En los nanocompuestos intercalados, las cadenas de polímero se insertan dentro de las capas de nanopartículas, creando capas relativamente gruesas de 20–80 Å. Los nanocompuestos exfoliados, en cambio, forman capas a escala nanométrica entre las nanopartículas. [ 9 ] Este método tiene las ventajas de una alta dispersión de las nanopartículas, una fuerte interacción interfacial (entre las nanopartículas y el polímero) y versatilidad. [ 1 ]

Electrohilado de nanocompuestos poliméricos

En la electrohilatura, la formación de fibras se realiza haciendo pasar una solución polimérica a través de una jeringa de alto voltaje con un contraelectrodo (generalmente una lámina de aluminio) colocado debajo, generando un campo eléctrico. [ 10 ] Al dispersar las nanopartículas dentro de la solución polimérica, es posible la formación de PNC. Este método tiene las ventajas de permitir el control del diámetro, la morfología y la composición de las fibras. [ 2 ]

Nanofibras de polímeros biohíbridos

Muchas aplicaciones técnicas de objetos biológicos como proteínas, virus o bacterias, tales como cromatografía, tecnología de información óptica, sensores, catálisis y administración de fármacos , requieren su inmovilización. Para este fin se utilizan nanotubos de carbono, partículas de oro y polímeros sintéticos. Esta inmovilización se ha logrado principalmente mediante adsorción o unión química y, en menor medida, mediante la incorporación de estos objetos como huéspedes en matrices anfitrionas. En los sistemas huésped-anfitrión, un método ideal para la inmovilización de objetos biológicos y su integración en arquitecturas jerárquicas debe estar estructurado a nanoescala para facilitar las interacciones de los nanoobjetos biológicos con su entorno. Debido a la gran cantidad de polímeros naturales o sintéticos disponibles y a las técnicas avanzadas desarrolladas para procesar dichos sistemas en nanofibras, varillas, tubos, etc., los polímeros constituyen una buena plataforma para la inmovilización de objetos biológicos. [ 11 ]

Nanofibras biohíbridas mediante electrohilado

Las fibras poliméricas se producen, en general, a escala técnica mediante extrusión, es decir, un polímero fundido o una solución polimérica se bombea a través de matrices cilíndricas y se hila/estira mediante un dispositivo de recogida. Las fibras resultantes tienen diámetros típicos de 10 μm o superiores. Para reducir el diámetro a varios cientos de nanómetros, o incluso a unos pocos nanómetros, la electrohilatura sigue siendo hoy en día la técnica de procesamiento de polímeros más avanzada. Se aplica un campo eléctrico intenso del orden de 10³ V/cm a las gotas de solución polimérica que emergen de una matriz cilíndrica. Las cargas eléctricas, que se acumulan en la superficie de la gota, provocan su deformación en la dirección del campo, aunque la tensión superficial contrarresta su evolución. En campos eléctricos supercríticos, la intensidad del campo supera la tensión superficial y se genera un chorro de fluido que emana de la punta de la gota. Este chorro se acelera hacia el contraelectrodo. Durante esta fase de transporte, el chorro se somete a fuertes movimientos de flexión circular impulsados ​​eléctricamente que provocan una fuerte elongación y adelgazamiento del chorro, una evaporación del disolvente hasta que, finalmente, la nanofibra sólida se deposita en el contraelectrodo.

Nanotubos de polímeros biohíbridos mediante humectación

La electrohilatura, la co-electrohilatura y los métodos de plantilla basados ​​en nanofibras producen nanoobjetos que, en principio, son infinitamente largos. Para una amplia gama de aplicaciones, como la catálisis, la ingeniería de tejidos y la modificación de la superficie de implantes, esta longitud infinita representa una ventaja. Sin embargo, en algunas aplicaciones, como la terapia de inhalación o la administración sistémica de fármacos, se requiere una longitud bien definida. El método de plantilla que se describe a continuación tiene la ventaja de permitir la preparación de nanotubos y nanobarras con una precisión muy alta. Este método se basa en el uso de plantillas porosas bien definidas, como aluminio o silicio poroso.

El concepto básico de este método consiste en aprovechar los procesos de humectación . Una solución o polímero fundido se pone en contacto con los poros de materiales con superficies de alta energía, como el aluminio o el silicio. La humectación se produce y recubre las paredes de los poros con una fina película de unas pocas decenas de nanómetros de espesor.

La gravedad no influye, como se deduce del hecho de que la humectación se produce independientemente de la orientación de los poros respecto a la dirección de la gravedad. El proceso exacto aún no se comprende teóricamente en detalle, pero se sabe por experimentos que los sistemas de baja masa molar tienden a llenar completamente los poros, mientras que los polímeros de longitud de cadena suficiente solo cubren las paredes. Este proceso suele ocurrir en un minuto para temperaturas unos 50 K superiores a la temperatura de fusión o de transición vítrea, incluso para polímeros de alta viscosidad, como, por ejemplo, el politetrafluoroetileno , y esto se cumple incluso para poros con una relación de aspecto de hasta 10 000. El llenado completo, por otro lado, tarda días. Para obtener nanotubos, el sistema polímero/plantilla se enfría a temperatura ambiente o se evapora el disolvente, lo que da como resultado poros cubiertos con capas sólidas. Los tubos resultantes pueden eliminarse mediante fuerzas mecánicas para tubos de hasta 10  μm de longitud, es decir, simplemente extrayéndolos de los poros o disolviendo selectivamente la plantilla. Es posible controlar el diámetro de los nanotubos, la distribución del diámetro, la homogeneidad a lo largo de los tubos y su longitud.

Aplicaciones

Las nanofibras, nanocompuestos, nanofibras huecas, nanofibras de núcleo-corteza y nanobarras o nanotubos producidos potencialmente tienen una amplia gama de aplicaciones, incluyendo catálisis homogénea y heterogénea, materiales de restauración dental, [ 12 ] [ 13 ] sensores, aplicaciones de filtrado y optoelectrónica. Aquí consideraremos un conjunto limitado de aplicaciones relacionadas con las ciencias de la vida.

Ingeniería de tejidos

Esto se refiere principalmente al reemplazo de tejidos destruidos por enfermedades, accidentes u otros medios artificiales. Algunos ejemplos son la piel, los huesos, el cartílago, los vasos sanguíneos e incluso los órganos. Esta técnica consiste en proporcionar un andamio sobre el cual se depositan las células, y dicho andamio debe ofrecer condiciones favorables para su crecimiento. Se ha descubierto que las nanofibras proporcionan condiciones muy óptimas para el crecimiento de estas células, en parte porque muchos tejidos presentan estructuras fibrilares que permiten que las células se adhieran firmemente a las fibras y crezcan a lo largo de ellas, como se muestra.

Nanopartículas como el grafeno, [ 14 ] los nanotubos de carbono, el disulfuro de molibdeno y el disulfuro de tungsteno se utilizan como agentes de refuerzo para fabricar nanocompuestos poliméricos biodegradables mecánicamente resistentes para aplicaciones de ingeniería de tejido óseo. La adición de estas nanopartículas en la matriz polimérica en bajas concentraciones (~0,2  % en peso) conduce a mejoras significativas en las propiedades mecánicas de compresión y flexión de los nanocompuestos poliméricos. [ 15 ] [ 16 ] Potencialmente, estos nanocompuestos pueden utilizarse para crear implantes óseos compuestos novedosos, mecánicamente resistentes y ligeros. Los resultados sugieren que el refuerzo mecánico depende de la morfología de la nanoestructura, los defectos, la dispersión de los nanomateriales en la matriz polimérica y la densidad de reticulación del polímero. En general, las nanoestructuras bidimensionales pueden reforzar el polímero mejor que las nanoestructuras unidimensionales, y los nanomateriales inorgánicos son mejores agentes de refuerzo que los nanomateriales a base de carbono.

Administración mediante nanotubos compartimentados

Los nanotubos también se utilizan para transportar fármacos en terapia general y, en particular, en terapia oncológica. Su función es proteger los fármacos de la degradación en el torrente sanguíneo, controlar su liberación con una cinética bien definida y, en casos ideales, proporcionar propiedades de direccionamiento vectorial o un mecanismo de liberación mediante estímulos externos o internos.

Los nanotransportadores con forma de varilla o tubo, en lugar de casi esféricos, pueden ofrecer ventajas adicionales en los sistemas de administración de fármacos. Estas partículas transportadoras de fármacos permiten una mayor flexibilidad en la relación axial , la curvatura y la rotación hidrodinámica , y pueden modificarse químicamente de forma muy selectiva en la superficie interna, la superficie externa y los planos terminales. Los nanotubos preparados con un polímero sensible unido a la abertura permiten controlar el acceso y la liberación del fármaco. Además, también se pueden preparar nanotubos que presenten un gradiente en su composición química a lo largo de su longitud.

Se prepararon sistemas compartimentados de liberación de fármacos basados ​​en nanotubos o nanofibras. Por ejemplo, se prepararon nanotubos y nanofibras que contenían albúmina fluorescente con isotiocianato de fluoresceína canina como fármaco modelo, así como nanopartículas superparamagnéticas compuestas de óxido de hierro o ferrita de níquel. La presencia de las nanopartículas magnéticas permitió, en primer lugar, guiar los nanotubos a ubicaciones específicas del cuerpo mediante campos magnéticos externos. Se sabe que las partículas superparamagnéticas presentan fuertes interacciones con campos magnéticos externos , lo que da lugar a grandes magnetizaciones de saturación. Además, mediante el uso de campos magnéticos que variaban periódicamente, las nanopartículas se calentaron para proporcionar, de este modo, un desencadenante para la liberación del fármaco. La presencia del fármaco modelo se estableció mediante espectroscopia de fluorescencia, y lo mismo se aplicó para el análisis del fármaco modelo liberado de los nanotubos.

Inmovilización de proteínas

Las nanofibras de nanopartículas con núcleos fluidos y recubrimientos sólidos pueden utilizarse para atrapar objetos biológicos como proteínas, virus o bacterias en condiciones que no alteran sus funciones. Este efecto puede emplearse, entre otras aplicaciones, en biosensores. Por ejemplo, la proteína verde fluorescente se inmoviliza en nanofibras que proporcionan grandes superficies y cortas distancias para que el analito se acerque a la proteína sensora.

En cuanto al uso de estas fibras para aplicaciones de sensores , se observó que la fluorescencia de las fibras de núcleo-corteza decaía rápidamente al sumergirlas en una solución de urea: la urea penetra a través de la pared hasta el núcleo, donde provoca la desnaturalización de la GFP. Este sencillo experimento revela que las fibras de núcleo-corteza son prometedoras para la preparación de biosensores basados ​​en materiales biológicos.

Las nanofibras poliméricas nanoestructuradas, las fibras de núcleo-corteza, las fibras huecas, las nanobarras y los nanotubos proporcionan una plataforma para una amplia gama de aplicaciones tanto en la ciencia de los materiales como en las ciencias de la vida. Objetos biológicos de distinta complejidad y objetos sintéticos con funciones específicas pueden incorporarse a estos sistemas poliméricos nanoestructurados, manteniendo intactas sus funciones específicas. Biosensores, ingeniería de tejidos, administración de fármacos o catálisis enzimática son solo algunos ejemplos. La incorporación de virus y bacterias, e incluso microorganismos, no debería suponer un problema, y ​​las aplicaciones derivadas de estos sistemas biohíbridos deberían ser extraordinarias. [ 17 ]

Aplicaciones de ingeniería

Nanocompuestos poliméricos para la industria de neumáticos de automóviles

Los nanocompuestos poliméricos son importantes para la industria de neumáticos de automóviles debido a la posibilidad de lograr una mayor eficiencia de combustible mediante el diseño de nanocompuestos poliméricos con propiedades adecuadas. [ 18 ]

El tipo más común de partículas de relleno utilizadas tradicionalmente por la industria de los neumáticos ha sido el negro de humo (Cb), producido a partir de la combustión incompleta de alquitrán de hulla y etileno. [ 19 ] La razón principal es que la adición de Cb a los cauchos permite la fabricación de neumáticos con una menor resistencia a la rodadura , que representa aproximadamente el 4% de las emisiones mundiales de CO₂ provenientes de combustibles fósiles. [ 20 ] Se prevé que una disminución en la resistencia a la rodadura de los neumáticos de automóviles producidos en todo el mundo reduzca el consumo general de combustible de los automóviles debido a que un vehículo con neumáticos de menor resistencia a la rodadura requiere menos energía para avanzar. Sin embargo, una menor resistencia a la rodadura también conlleva un menor rendimiento de agarre en mojado, lo que plantea preocupaciones sobre la seguridad de los pasajeros.

El problema puede resolverse parcialmente sustituyendo el Cb por sílice , ya que permite la producción de neumáticos "verdes" que muestran propiedades de agarre en mojado mejoradas , así como una menor resistencia a la rodadura. [ 21 ]

La principal diferencia en las propiedades relevantes de la celulosa bacteriana (Cb) y la sílice radica en que la Cb es hidrofóbica (al igual que los polímeros utilizados en la fabricación de llantas para automóviles), mientras que la sílice es hidrofílica. Por lo tanto, para aumentar la compatibilidad entre las cargas de sílice y la matriz polimérica, la sílice se funcionaliza habitualmente con agentes de acoplamiento, lo que permite ajustar las interacciones carga-polímero y, de este modo, producir nanocompuestos con propiedades específicas. [ 22 ]

En general, la principal cuestión sin resolver sobre las propiedades mecánicas de los cauchos reforzados es la elucidación del mecanismo exacto de su refuerzo mecánico y del llamado efecto Payne ; y debido a la falta de enfoques teóricos y experimentales adecuados, ambos aún se comprenden poco.

Efectos del tamaño y la presión sobre los nanopolímeros

Las temperaturas de transición vítrea dependientes del tamaño y la presión de películas independientes o soportadas con interacciones débiles con sustratos disminuyen al disminuir la presión y el tamaño. Sin embargo, la temperatura de transición vítrea de películas soportadas con interacciones fuertes con sustratos aumenta con la presión y la disminución del tamaño. Se utilizan diferentes modelos como el modelo de dos capas, el modelo de tres capas, T g (D, 0) ∝ 1/D y algunos otros modelos que relacionan el calor específico, la densidad y la expansión térmica para obtener los resultados experimentales en nanopolímeros e incluso algunas observaciones como la congelación de películas debido a efectos de memoria en los modelos propios viscoelásticos de las películas, y efectos finitos del vidrio de molécula pequeña. Para describir la función T g (D, 0) de polímeros de manera más general, recientemente se ha proporcionado un modelo simple y unificado basado en la temperatura de fusión dependiente del tamaño de los cristales y el criterio de Lindemann.

T g (D, 0) / T g (∞, 0) ∝ σ g 2 (∞, 0) / σ g 2 (D, 0)

donde σ g es la raíz cuadrada del desplazamiento cuadrático medio de las moléculas superficiales e internas de los vidrios a T g (D, 0), α = σ s 2 (D, 0) / σ v 2 (D, 0) con los subíndices s y v que denotan superficie y volumen, respectivamente. Para una nanopartícula, D tiene el significado habitual de diámetro, para un nanocable, D se toma como su diámetro, y para una película delgada, D denota su espesor. D 0 denota un diámetro crítico en el que todas las moléculas de un vidrio de baja dimensionalidad se encuentran en su superficie. [ 23 ]

Conclusión

Los dispositivos que aprovechan las propiedades de objetos de baja dimensionalidad, como las nanopartículas, resultan prometedores debido a la posibilidad de adaptar diversas propiedades mecánicas , electrofísicas, ópticas y magnéticas, lo que permite cierto grado de control sobre el tamaño de las nanopartículas durante su síntesis. En el caso de los nanocompuestos poliméricos, podemos utilizar las propiedades de los sistemas desordenados.

En este artículo se revisan los avances recientes en el campo de los nanocompuestos poliméricos y algunas de sus aplicaciones. Si bien este campo tiene un amplio uso, también presenta muchas limitaciones. Por ejemplo, en la liberación de fármacos mediante nanofibras, esta no puede controlarse de forma independiente y suele producirse una liberación rápida, cuando se requiere una liberación más lineal. Consideremos ahora las perspectivas futuras en este campo.

Existe la posibilidad de construir matrices ordenadas de nanopartículas en la matriz polimérica. También existen diversas posibilidades para fabricar placas de circuitos nanocompuestos. Un método aún más atractivo consiste en utilizar nanocompuestos poliméricos para aplicaciones de redes neuronales. Otra área de desarrollo prometedora es la optoelectrónica y la computación óptica . La naturaleza de dominio único y el comportamiento superparamagnético de las nanopartículas que contienen metales ferromagnéticos podrían utilizarse para la fabricación de soportes de almacenamiento magnetoóptico.

Véase también

Referencias

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