TALLER DE BIOQUIMICA

KEVIN HERRERA

DOCENTEMGTR. MIGUEL GUZMAN

UNIVERSIDAD DE CORDOBAFACULTAD DE INGENIERIAS

INGENIERIA AMBIENTAL2014/ II

BIOPOLÍMEROS

Los biopolímeros son macromoléculas presentes en los seres vivos. Una definición de los mismos los considera materiales poliméricoso macromoleculares sintetizados por los seres vivos. También, a raíz de nuevas disciplinas médicas como la ingeniería de tejidos, como biopolímeros también se incluyen materiales sintéticos con la particularidad de ser biocompatibles con el ser vivo (normalmente con el ser humano).

De entre los biopolímeros los referidos a la primera clasificación, existen tres principales familias: proteínas (fibroinas, globulinas, etc.), polisacáridos (celulosa, alginatos, etc.) y ácidos nucleícos (ADN, ARN, etc.), aunque también otros más singulares como los politerpenos (ver terpenos), entre los que se incluye el caucho natural, los polifenoles (como la lignina) o algunos poliésteres como los polihidroxialcanoatos producidos por algunas bacterias. El biopolímero más abundante en la tierra es la celulosa. Otros biopolímeros abundantes son la quitina.

Biopolímeros naturales

De entre los polímeros naturales más comunes son los polímeros sintetizados por los seres vivos. A continuación se describen algunos de los biopolímeros más comunes.

Ácidos nucleícosLos ácidos nucleicos pueden ser considerados, tal vez, los biopolímeros más importantes ya que son los portadores de la información genética heredada entre generaciones.Los ácidos nucleicos son grandes polímeros formados por la repetición de monómeros denominados nucleótidos, unidos mediante enlaces fosfodiéster. Se forman, así, largas cadenas; algunas moléculas de ácidos nucleicos llegan a alcanzar tamaños gigantescos, con millones de nucleótidos encadenados. Existen dos tipos básicos, el ADN y el ARN.

ProteínasLas proteínas, formadas por uniones peptídicas entre aminoácidos tienen una función capital en los seres vivos, ya que participan en distintas funciones biológicas. Entre estas se incluyen funciones estructurales (por ejemplo: colágeno), funciones catalíticas (por ejemplo: enzimas) o inmunológicas (anticuerpos o inmunoglobulinas).

PolisacáridosLos polisacáridos son polímeros resultantes de la condensación acetálica de monosacáridos simples. Los polisacáridos suelen tener funciones estructurales (celulosa, quitina, pectinas, alginatos, etc) pero también funciones de reserva energética en el reino vegetal (amilosa, amilopectina, inulina) y en el reino animal (glucógeno).

PoliterpenosDe entre los politerpenos los dos más conocidos son el poliisopreno (caucho natural o químicamente isómero cis-1,4-poliisopreno) y la gutapercha (caucho de propiedades mecánicas inferiores, el isómero trans-1,4-poliisopreno).

PolihidroxialcanoatosEstructura repetitiva del poli-(R)-3-hidroxibutirato (P3HB), un polihidroxialcanoato, un biopolímero de origen bacterianoLos polihidroxialcanoatos son poliésteres lineales biosintetizados por bacterias mediante la fermentación de azúcares o lípidos. Existen muchos tipos de polihidroxialcanoatos pero los más conocidos son el polihidroxibutirato (PHB) y el poli-3-hidroxivalerato (PHV), así como sus copolímeros

Aplicaciones

1) Equipos e instrumentos quirúrgicosEsta área está cubierta por los termoplásticos y termoestables convencionales que se pueden encontrar en diversas aplicaciones de la vida diaria. Se refiere a los materiales con los que se elaboran inyectadoras, bolsas para suero o sangre, mangueras o tubos flexibles, adhesivos, pinzas, cintas elásticas, hilos de sutura, vendas, etc. Los materiales más usados son aquellos de origen sintético y que no son biodegradables, como polietileno, polipropileno, policloruro de vinilo, polimetilmetacrilato, policarbonato.

2) Aplicaciones permanentes dentro del organismoLos materiales utilizados en estas aplicaciones deben ser materiales diseñados para mantener sus propiedades en largos períodos de tiempo, por lo que se necesita que sean inertes, y debido a que su aplicación es dentro del organismo, deben ser biocompatibles, atóxicos para disminuir el posible rechazo.Las aplicaciones más importantes son las prótesis o implantes ortopédicos, elementos de fijación como cementos óseos, membranas y componentes de órganos artificiales, entre otros. Entre los materiales más utilizados se encuentran: polímeros fluorados como el teflón, poliamidas, elastómeros, siliconas, poliésteres, policarbonatos, etc.El caso de prótesis vasculares, al ser un implante expuesto al contacto con la sangre, la propiedad fundamental requerida es que el material no provoque coagulación. Considerando este requisito, se aplican fibras de PET, espumas de poli (tetrafluoroetileno) expandido, poliuretanos segmentados y silicona porosa.Otro de los campos donde los polímeros empiezan a tener una presencia significativa son los dispositivos de fijación ósea. Una de las opciones en este campo la constituyen los cementos óseos, que son mezclas de materiales cerámicos con polímeros sintéticos rígidos como el polimetilmetacrilato.También se han desarrollado numerosos estudios e investigaciones en el campo de implantes biodegradables que permitan solucionar las dificultades

anteriores. Los polímeros o copolímeros de PLGA son los más empleados para esta aplicación, gracias principalmente a su biocompatibilidad.

3) Aplicaciones temporales dentro del organismoActualmente, las suturas representan el campo de mayor éxito dentro de los materiales quirúrgicos implantables. El principal motivo es que consisten en materiales biodegradables o bioabsorbibles (principalmente polímeros biodegradables) de manera que la aplicación dentro del organismo pasa de ser permanente a ser temporal. Entre las aplicaciones temporales dentro del organismo hay que destacar también los sistemas de liberación de fármacos. Los polímeros son esenciales para todos los nuevos sistemas de liberación desarrollados.Finalmente, otra aplicación temporal importante es la de matrices en ingeniería de tejidos. Los polímeros, particularmente los biodegradables, se emplean en el campo de la ingeniería de tejidos como andamiajes temporales en los que las células pueden crecer y formar tejidos.

Obtención

Biopolímeros extraídos directamente de la biomasa

Biopolímeros basados en almidón: Entre los productos de base biológica, la mayor parte de la investigación se ha hecho sobre el almidón. Está formado por una mezcla de dos polímeros, amilosa y amilopectina. La amilosa es una molécula lineal y la amilopectina es una molécula ramificada. Los almidones más comunes contienen alrededor del 25% de amilosa y 75% de amilopectina.El 75% de los polímeros de almidón se utilizan para la fabricación de envases y embalajes. El 50% de ellos están constituidos por mezclas de almidón con otros polímeros basados en petroquímica. Las mezclas de almidón con poliésteres alifáticos mejoran su procesabilidad y biodegradabilidad, para ello, los poliésteres más adecuados son policaprolactona (PCL) y poliésteres alifático aromáticos. Estas mezclas se utilizan para fabricar láminas y películas de alta calidad para embalaje. Schroeter y colaboradores [25] estudiaron el efecto del almidón como relleno en sistemas de policaprolactona. El módulo de elasticidad del sistema policaprolactona/almidón se incrementó con el aumento del contenido de almidón.

El almidón también ha sido utilizado como agente reforzante en elastómeros de poliuretano (PU). Desai y colaboradores utilizaron el almidón como agente entrecruzante en elastómeros de poliuretano. Seung-Kyu incorporó gránulos de almidón en un sistema de poliuretano. En dichos trabajos, se adicionó almidón de yuca al aceite de higuerilla y polioles derivados, con el fi n de incrementar la funcionalidad del aceite mediante la incorporación de gránulos de almidón de yuca debido a los grupos hidroxilo presentes en la estructura del almidón. Se determinó que el principal efecto del almidón es reforzante.

En conclusión, el almidón es un polímero con alto potencial de utilización en la síntesis de materiales biodegradables. Sin embargo, su uso tiene limitaciones debido a su baja resistencia a la humedad, baja procesabilidad e incompatibilidad con algunos polímeros hidrofóbicos.

Biopolímeros basados en celulosa: La celulosa se forma por unión de moléculas de β-glucosa mediante enlaces β-1,4-O-glucosídicos; tiene una estructura lineal en la que se establecen múltiples puentes de hidrógeno entre los grupos OH de las cadenas de glucosa y originan las fibras compactas que constituyen la pared celular [34]. Los polímeros basados en celulosa se producen mediante modificación química de celulosa natural. Los principales representantes son el celofán, el acetato de celulosa, el éster de celulosa, la celulosa regenerada para fibras y los biomateriales compuestos de celulosa. En el algodón, la celulosa está disponible en su forma prácticamente pura; por el contrario, en la madera está presente junto con lignina y otros polisacáridos. Los ésteres de celulosa se utilizan en la fabricación de membranas y otros medios de separación. Los polímeros de celulosa también pueden usarse en procesos de extrusión y moldeo. La fibra regenerada de celulosa se utiliza mezclada con otras para la fabricación de prendas de vestir y en materiales higiénicos desechables. La celulosa de plantas y la celulosa de bacterias tienen la misma estructura química, pero diferentes propiedades fisicoquímicas. Las bacterias generalmente producen celulosa como un componente extracelular para protección de agentes mecánicos y químicos, así como para facilitar la adhesión de células a tejidos huéspedes.

Biopolímeros obtenidos a partir de monómeros bio-derivados

Aceites vegetales: Hoy en día los aceites vegetales son una de las fuentes más importantes en la síntesis de biopolímeros. Los aceites vegetales pueden ser obtenidos de plantas y, en su mayoría, están compuestos por triglicéridos. Un triglicérido es un producto éster obtenido de una molécula de glicerol y tres moléculas de ácidos grasos. Los triglicéridos son moléculas altamente funcionales, y, por lo tanto, se han utilizado en la síntesis de polímeros reticulados a través de dos estrategias principales. La primera, es aprovechar los grupos funcionales presentes en los triglicéridos, tales como dobles enlaces internos, alcoholes, o epóxidos, que se pueden polimerizar usando diferentes métodos. La segunda estrategia depende de modificaciones químicas antes de la polimerización. Este enfoque resuelve el inconveniente de la baja reactividad de triglicéridos naturales mediante la introducción de grupos funcionales fácilmente polimerizables. Entre los aceites de triglicéridos que se utilizan en la preparación de biopolímeros se encuentran el de linaza, girasol, higuerilla, soja y palma. Dado que los aceites vegetales varían ampliamente en sus propiedades físicas y químicas en función de los ácidos grasos de su estructura, la elección del aceite vegetal juega un papel importante en las propiedades del polímero. Algunos tipos de polímeros preparados a partir de aceites de triglicéridos se enumeran a continuación: poliésteres, poliuretanos, poliamidas, resinas acrílicas, resinas epoxi y poliéster amidas.

Poli(ácido láctico) (PLA): El poli(ácido láctico) es un polímero sintético termoplástico de la familia de los alfahidroxiacidos o poliésteres alifáticos derivado al 100% de materias primas renovables, que se producen a partir del ácido láctico. El ácido láctico o 2 hidroxi-propiónico es un ácido orgánico que se

halla en la naturaleza en forma de L(+) o D(-) ácido láctico. El ácido láctico se produce por fermentación anaerobia de substratos que contengan carbono, ya sean puros (glucosa, lactosa) o impuros (almidón, mezclas) con bacterias y hongos. Las moléculas de PLA pueden ser sintetizadas mediante un proceso de polimerización por condensación de ácido láctico a temperatura no inferior a 120°C, o por debajo de esta temperatura en presencia de catalizadores. Mediante este método, solamente es posible obtener polímeros de bajo peso molecular (PM < 10.000). Para la obtención de copolímeros de elevado peso molecular, es necesario tener como materiales de partida los dímeros cíclicos del ácido, en presencia de catalizadores y condiciones controladas de temperatura y presión.

Polímeros producidos por los organismos directamente

Poli(hidroxialcanoatos) (PHA): Los biopolímeros de tipo polihidroxialcanoato son poliésteres sintetizados por ciertas bacterias que los acumulan como reservas de carbono y energía, en forma de gránulos intracitoplasmáticos, constituidos por unidades repetitivas de diversos hidroxiácidos o mezclas de ellos, producidos mediante fermentación de materias primas renovables. Mientras la producción de poli(ácido láctico) es un proceso de dos etapas (fermentación para obtener el monómero seguida de un paso convencional depolimerización química), los PHA son producidos directamente mediante fermentación de una fuente de carbono por parte del microorganismo. Los PHAs son sustitutos atractivos de los poliésteres de origen petroquímico, dado que en la naturaleza, los microorganismos son capaces de degradarlos hasta CO2 y agua, en condiciones aerobias, y hasta metano, en condiciones anaerobias, por acción de las enzimas PHA despolimerasas y PHA hidrolasas.

Ejemplos de biopolímeros

ADN ARN

Celulosa Inulina

Quitina

Ácido algínico Almidón

Xantano Latex

Gelano