Hispanopedia WikiLos polímeros sensibles al pH o con respuesta al pH son materiales que responden a los cambios en el pH del medio circundante modificando sus dimensiones. Estos materiales pueden hincharse, colapsar o cambiar según el pH de su entorno. Este comportamiento se debe a la presencia de ciertos grupos funcionales en la cadena polimérica. Los materiales sensibles al pH pueden ser ácidos o básicos, respondiendo a valores de pH básicos o ácidos. Estos polímeros pueden diseñarse con diversas arquitecturas para diferentes aplicaciones. Entre los usos clave de los polímeros sensibles al pH se encuentran los sistemas de liberación controlada de fármacos, la biomimética , los sistemas micromecánicos, los procesos de separación y la funcionalización de superficies. [ 1 ]
Tipos
Los polímeros sensibles al pH se pueden dividir en dos categorías: aquellos con grupos ácidos (como -COOH y -SO₃H ) y aquellos con grupos básicos (-NH₂ ) . El mecanismo de respuesta es el mismo para ambos; solo varía el estímulo. La forma general del polímero es una cadena principal con grupos funcionales colgantes. Cuando estos grupos funcionales se ionizan a ciertos niveles de pH, adquieren una carga (+/-). Las repulsiones entre cargas iguales provocan que los polímeros cambien de forma. [ 1 ] [ 2 ]
Poliácidos
Los poliácidos, también conocidos como polímeros aniónicos, son polímeros que tienen grupos ácidos. [ 2 ] Ejemplos de grupos funcionales ácidos incluyen ácidos carboxílicos (-COOH), ácidos sulfónicos (-SO 3 H), ácidos fosfónicos y ácidos borónicos. Los poliácidos aceptan protones a valores de pH bajos. A valores de pH más altos, se desprotonan y se cargan negativamente. [ 1 ] Las cargas negativas crean una repulsión que hace que el polímero se hinche. Este comportamiento de hinchamiento se observa cuando el pH es mayor que el pKa del polímero. [ 2 ] Ejemplos incluyen polímeros de polimetilmetacrilato (pharmacologyonline 1 (2011)152-164) y ftalato de acetato de celulosa .
Polibases
Las polibases son el equivalente básico de los poliácidos y también se conocen como polímeros catiónicos. Aceptan protones a pH bajo, al igual que los poliácidos, pero en ese caso se cargan positivamente. Por el contrario, a valores de pH más altos son neutras. Se observa un comportamiento de hinchamiento cuando el pH es menor que el pKa del polímero. [ 1 ]
Polímeros naturales
Aunque muchas fuentes hablan de polímeros sintéticos sensibles al pH, los polímeros naturales también pueden mostrar un comportamiento sensible al pH. Algunos ejemplos son el quitosano , el ácido hialurónico , el ácido algínico y el dextrano . [ 1 ] El quitosano, un ejemplo de uso frecuente, es catiónico. Dado que el ADN tiene carga negativa, se podría unir al quitosano para introducir genes en las células. [ 3 ] El ácido algínico, por otro lado, es aniónico. A menudo se evalúa como una sal de calcio para aplicaciones de administración de fármacos (International journal of biological macromolecules 75 (2015) 409-17). Los polímeros naturales son atractivos porque muestran una buena biocompatibilidad, lo que los hace útiles para aplicaciones biomédicas. Sin embargo, una desventaja de los polímeros naturales es que los investigadores pueden tener más control sobre la estructura de los polímeros sintéticos y, por lo tanto, pueden diseñarlos para aplicaciones específicas. [ 2 ]
Polímeros multiestímulo
Los polímeros pueden diseñarse para responder a más de un estímulo externo, como el pH y la temperatura. A menudo, estos polímeros se estructuran como un copolímero donde cada polímero muestra un tipo de respuesta. [ 1 ]
Estructura
Se han creado polímeros sensibles al pH con arquitecturas de copolímeros de bloque lineales, en estrella, ramificadas, dendrímeras, en cepillo y en peine. Los polímeros de diferentes arquitecturas se autoensamblan en distintas estructuras. Este autoensamblaje puede ocurrir debido a la naturaleza del polímero y del disolvente, o debido a un cambio en el pH. Los cambios de pH también pueden provocar que la estructura más grande se hinche o se desinfle. Por ejemplo, los copolímeros de bloque suelen formar micelas, al igual que los polímeros en estrella y los polímeros ramificados. Sin embargo, los polímeros en estrella y ramificados pueden formar micelas en forma de varilla o gusano en lugar de las típicas esferas. Los polímeros en cepillo se utilizan generalmente para modificar superficies, ya que su estructura no les permite formar una estructura más grande como una micela. [ 1 ]
Respuesta a los cambios de pH
Con frecuencia, la respuesta a diferentes valores de pH es la hinchazón o la deshinchazón. Por ejemplo, los poliácidos liberan protones y se cargan negativamente a pH alto. Dado que las cadenas poliméricas suelen estar muy cerca de otras partes de la misma cadena o de otras cadenas, las partes del polímero con carga similar se repelen entre sí. Esta repulsión provoca la hinchazón del polímero.
Los polímeros también pueden formar micelas (esferas) en respuesta a un cambio de pH. Este comportamiento puede ocurrir con copolímeros de bloque lineales. Si los diferentes bloques del copolímero tienen propiedades distintas, pueden formar micelas con un tipo de bloque en el interior y otro en el exterior. Por ejemplo, en agua, los bloques hidrofóbicos de un copolímero podrían quedar en el interior de la micela, con los bloques hidrofílicos en el exterior. [ 4 ] Además, un cambio de pH podría provocar que las micelas intercambien sus moléculas internas y externas dependiendo de las propiedades de los polímeros involucrados. [ 1 ]
También son posibles otras respuestas además de la simple hinchazón y deshinchamiento con un cambio de pH. Los investigadores han creado polímeros que experimentan una transición sol-gel (de una solución a un gel) con un cambio de pH, pero que también cambian de ser un gel rígido a un gel blando para ciertos valores de pH. [ 5 ]
Síntesis
Los polímeros sensibles al pH se pueden sintetizar utilizando varios métodos de polimerización comunes. Dependiendo del tipo de polimerización, puede ser necesario proteger los grupos funcionales para que no reaccionen. El enmascaramiento se puede eliminar después de la polimerización para que recuperen su funcionalidad sensible al pH. La polimerización viva se usa a menudo para hacer polímeros sensibles al pH porque se puede controlar la distribución del peso molecular de los polímeros finales. Algunos ejemplos incluyen la polimerización por transferencia de grupo (GTP), la polimerización radicalaria por transferencia de átomo (ATRP) y la transferencia de cadena por adición-fragmentación reversible (RAFT). [ 1 ] Los copolímeros de injerto son un tipo popular para sintetizar porque su estructura es una cadena principal con ramificaciones. La composición de las ramificaciones se puede cambiar para lograr diferentes propiedades. [ 2 ] Los hidrogeles se pueden producir usando polimerización en emulsión . [ 1 ]
Caracterización
Ángulo de contacto
Se pueden utilizar varios métodos para medir el ángulo de contacto de una gota de agua sobre la superficie de un polímero. El valor del ángulo de contacto se utiliza para cuantificar la humectabilidad o hidrofobicidad del polímero. [ 2 ]
Grado de hinchazón
Igual a (peso hinchado - peso deshinchado) / peso deshinchado * 100 % y determinado pesando los polímeros antes y después de la hinchazón. Esto indica cuánto se hinchó el polímero al cambiar el pH. [ 2 ]
punto crítico de pH
El pH en el que se observa un cambio estructural significativo en la disposición de las moléculas. Este cambio estructural no implica la ruptura de enlaces, sino un cambio conformacional. Por ejemplo, una transición de hinchamiento/deshinchamiento constituiría un cambio conformacional reversible. El valor del punto crítico de pH se puede determinar analizando el porcentaje de hinchamiento en función del pH. Los investigadores buscan diseñar moléculas que realicen la transición a un pH relevante para la aplicación específica. [ 2 ]
Cambios en la superficie
La microscopía confocal , la microscopía electrónica de barrido , la espectroscopía Raman y la microscopía de fuerza atómica se utilizan para determinar cómo cambia la superficie de un polímero en respuesta al pH. [ 2 ]
Aplicaciones
Purificación y separación
Se ha considerado el uso de polímeros sensibles al pH en membranas. Un cambio en el pH podría modificar la capacidad del polímero para dejar pasar iones, permitiéndole actuar como filtro. [ 1 ]
Modificación de la superficie
Los polímeros sensibles al pH se han utilizado para modificar las superficies de los materiales. Por ejemplo, pueden utilizarse para cambiar la humectabilidad de una superficie. [ 1 ]
Uso biomédico
Los polímeros sensibles al pH se han utilizado para la administración de fármacos. Por ejemplo, pueden utilizarse para liberar insulina en cantidades específicas. [ 6 ]
Referencias
- 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Kocak, G.; Tuncer, C.; Bütün, V. (2016-12-20). "Polímeros sensibles al pH". Polym . Chem . 8 (1): 144– 176. doi : 10.1039/c6py01872f . ISSN 1759-9962 .
- 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Meléndez-Ortiz, H Iván; HC Varca (2016. "Estado del arte de los polímeros inteligentes: de los fundamentos a las aplicaciones finales." Ciencia de los polímeros: avances en la investigación, aplicaciones prácticas y aspectos educativos. Formatex Research Center. pp. 476-487.
- ↑ Cao, Ye; Tan, Yang Fei; Wong, Yee Shan; Liew, Melvin Wen Jie; Venkatraman, Subbu (2019-06-25). " Avances recientes en portadores a base de quitosano para la administración de genes" . Marine Drugs . 17 (6): 381. doi : 10.3390/md17060381 . ISSN 1660-3397 . PMC 6627531. PMID 31242678 .
- ↑ Muzammil I, Li Y, Lei M. Humectabilidad ajustable y respuesta al pH de copolímeros de plasma de ácido acrílico y octafluorociclobutano. Plasma Process Polym. 2017;e1700053, https://doi.org/10.1002/ppap.201700053
- ↑ Popescu, Maria-Teodora; Tsitsilianis, Constantinos; Papadakis, Christine M.; Adelsberger, Joseph; Balog, Sandor; Busch, Peter; Hadjiantoniou, Natalie A.; Patrickios, Costas S. (2012-04-24). "Hidrogeles físicos de copolímeros heptabloque de polielectrolitos anfifílicos sensibles a estímulos: una respuesta inusual al pH". Macromolecules . 45 (8): 3523– 3530. Bibcode : 2012MaMol..45.3523P . doi : 10.1021/ma300222d . ISSN 0024-9297 .
- ↑ Chaturvedi, Kiran; Ganguly, Kuntal; Nadagouda, Mallikarjuna N.; Aminabhavi, Tejraj M. (2013-01-28). "Hidrogeles poliméricos para la administración oral de insulina". Journal of Controlled Release . 165 (2): 129– 138. doi : 10.1016/j.jconrel.2012.11.005 . ISSN 0168-3659 . PMID 23159827 .
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