Poli( N -isopropilacrilamida)

El poli( N -isopropilacrilamida) (abreviado de diversas maneras como PNIPA , PNIPAM , PNIPAAm , NIPA , PNIPAA o PNIPAm ) es un polímero termosensible que se sintetizó por primera vez en la década de 1950. ^{[ 2 ]} Se puede sintetizar a partir de N -isopropilacrilamida, que está disponible comercialmente. Se sintetiza mediante polimerización por radicales libres y se funcionaliza fácilmente, lo que lo hace útil en diversas aplicaciones.

El PNIPA se disuelve en agua; sin embargo, cuando estas soluciones se calientan por encima de su temperatura de punto de turbidez , experimentan una transición de fase reversible de temperatura crítica inferior de solución (LCST) desde un estado hidratado soluble a un estado deshidratado insoluble. Aunque se cree ampliamente que esta transición de fase ocurre a 32 °C (90 °F) , ^{[ 3 ]} las temperaturas reales pueden diferir entre 5 y 10 °C (o incluso más) dependiendo de la concentración del polímero, ^{[ 3 ]} la masa molar de las cadenas poliméricas, la dispersidad del polímero y los grupos terminales. ^{[ 3 ] [ 4 ]} Además, otras moléculas en la solución polimérica, como sales o proteínas, pueden alterar la temperatura de punto de turbidez. ^{[ 5 ] [ 6 ]}   

Dado que el PNIPA expulsa su contenido líquido a una temperatura cercana a la del cuerpo humano , los copolímeros de PNIPA han sido investigados por muchos investigadores para posibles aplicaciones en ingeniería de tejidos ^{[ 7 ] [ 8 ]} y administración controlada de fármacos . ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]}

La síntesis de poli( N -isopropilacrilamida) comenzó con la síntesis del monómero de acrilamida por Sprecht en 1956. ^{[ 13 ]} En 1957, Shearer patentó la primera aplicación de lo que más tarde se identificaría como PNIPA para su uso como repelente de roedores. ^{[ 14 ]} Los primeros trabajos fueron impulsados ​​por la curiosidad teórica de las propiedades materiales del PNIPA. El primer informe sobre el PNIPA apareció en 1968, que dilucidó el comportamiento térmico único en soluciones acuosas. ^{[ 15 ]} La década de 1980 marcó una explosión en el interés por los PNIPA con la comprensión de las posibles aplicaciones debido a su comportamiento térmico único en soluciones acuosas. ^{[ 2 ]}

El PNIPA es uno de los hidrogeles termosensibles más estudiados. En solución diluida, experimenta una transición de bobina a glóbulo . ^{[ 16 ]} El PNIPA posee una solubilidad inversa al calentarse. Cambia abruptamente su hidrofilicidad e hidrofobicidad en su LCST . ^{[ 17 ]} A temperaturas más bajas, el PNIPA se ordena en solución para formar enlaces de hidrógeno con las moléculas de agua ya dispuestas. Las moléculas de agua deben reorientarse alrededor de las regiones no polares del PNIPA, lo que resulta en una disminución de la entropía . A temperaturas más bajas, como la temperatura ambiente, el término de entalpía negativa (${\displaystyle \Delta H}$) los efectos de los enlaces de hidrógeno dominan la energía libre de Gibbs , $${\displaystyle \Delta G=\Delta HT\Delta S\,}$$ lo que hace que el PNIPA absorba agua y se disuelva en la solución. A temperaturas más altas, el término de entropía (${\displaystyle \Delta S}$) predomina, lo que provoca que el PNIPA libere agua y se separe en fases, como se puede observar en la siguiente demostración.

Homopolimerización ^{[ 18 ]}

El proceso de polimerización por radicales libres de un solo tipo de monómero , en este caso N -isopropilacrilamida, para formar el polímero se conoce como homopolimerización. El iniciador de radicales azobisisobutironitrilo (AIBN) se utiliza comúnmente en las polimerizaciones por radicales.

Copolimerización

La polimerización por radicales libres de dos monómeros diferentes da como resultado una copolimerización . Una ventaja de la copolimerización es el ajuste preciso de la LCST .

Terpolimerización

La polimerización por radicales libres de tres monómeros diferentes se conoce como terpolimerización . Entre las ventajas de la terpolimerización se incluyen la mejora de múltiples propiedades del polímero, como la termosensibilidad, la sensibilidad al pH o el ajuste preciso de la LCST .

Hidrogel reticulado

El esquema de reacción que se muestra a continuación es una terpolimerización para formar un hidrogel reticulado . El reactivo persulfato de amonio (APS) se utiliza en la química de polímeros como un agente oxidante fuerte que se usa frecuentemente junto con tetrametiletilendiamina (TMEDA) para catalizar la polimerización en la fabricación de geles de poliacrilamida .

El PNIPA puede funcionalizarse mediante agentes de transferencia de cadena utilizando una polimerización por radicales libres . Los tres esquemas que se muestran a continuación ilustran la funcionalización mediante agentes de transferencia de cadena (CTA), donde un extremo del polímero actúa como iniciador de radicales y el otro como grupo funcionalizado. La funcionalización del extremo de la cadena polimérica permite su uso en diversos entornos y aplicaciones. Entre las ventajas de la funcionalización del extremo de la cadena se incluyen la mejora de múltiples propiedades del polímero, como la termosensibilidad, la sensibilidad al pH o el ajuste preciso de la LCST . ^{[ 18 ]}

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La versatilidad del PNIPA ha llevado a encontrar usos en geles macroscópicos , microgeles , ^{[ 19 ]} membranas, sensores , biosensores , películas delgadas , ^{[ 20 ] [ 21 ] [ 22 ]} ingeniería de tejidos y administración de fármacos . La tendencia de las soluciones acuosas de PNIPA a aumentar su viscosidad en presencia de moléculas hidrofóbicas lo ha hecho excelente para la recuperación terciaria de petróleo .

Como las soluciones acuosas de PNIPA tienen su temperatura crítica de solución inferior en temperaturas cercanas a la temperatura corporal humana , estos polímeros pueden disolverse en agua a temperatura ambiente y administrarse en el cuerpo. ^{[ 23 ]} Sin embargo, tras la administración, estos polímeros se separan en fases y forman agregados insolubles en el sitio de administración (este proceso se llama termogelificación ). ^{[ 23 ]} Cuando se administra PNIPA en los músculos de ratones, su vida media fue de aproximadamente 48 días ( M _w = 20  kg/mol) y 66 días ( M _w = 32  kg/mol) y no causó patologías locales ni sistémicas. ^{[ 23 ]} Estos hidrogeles separados en fases pueden utilizarse para aplicaciones de administración local de fármacos . ^{[ 24 ]} El PNIPA puede colocarse en una solución de moléculas bioactivas, lo que permite que las moléculas bioactivas penetren en el PNIPA. El PNIPA puede entonces colocarse in vivo , donde se produce una liberación rápida de biomoléculas debido al colapso inicial del gel y a la expulsión de las biomoléculas al medio circundante, seguida de una liberación lenta de biomoléculas debido al cierre de los poros de la superficie. ^{[ 25 ]}

Los PNIPA también se han utilizado en sistemas de administración de fármacos sensibles al pH . Algunos ejemplos de estos sistemas incluyen la administración intestinal de calcitonina humana, ^{[ 26 ]} la administración de insulina, ^{[ 26 ]} y la administración de ibuprofeno. ^{[ 27 ]} Cuando se inyectaron por vía intravenosa copolímeros de PNIPA radiomarcados con diferentes pesos moleculares a ratas, se encontró que el umbral de filtración glomerular del polímero era de alrededor de 32 000 g/mol. ^{[ 28 ]} 

Los PNIPA se han utilizado en actuadores de gel , que convierten estímulos externos en movimiento mecánico. ^{[ 29 ]} Al calentarse por encima de la LCST , el hidrogel pasa de un estado hidrofílico a uno hidrofóbico . ^{[ 30 ]} Esta conversión produce una expulsión de agua que provoca un cambio conformacional físico , creando un movimiento de bisagra mecánica.

Además, las películas delgadas basadas en PNIPA se pueden aplicar como nanointerruptores que presentan múltiples estados distintos de película delgada, lo cual se basa en el efecto de cononsolvencia . ^{[ 31 ] [ 32 ] [ 33 ]}