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SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE UNA RED POLIMÉRICA INTERPENETRADA DE POLI (METACRILATO DE 2-HIDROXIETILO) Y QUITOSANO COMO POSIBLE MATRIZ DE LIBERACIÓN CONTROLADA DE FÁRMACOS. JULIÁN ANDRÉS GARCÍA ZAPATA UNIVERSIDAD ICESI FACULTAD DE CIENCIAS NATURALES DEPARTAMENTO DE CIENCIAS QUÍMICAS PROGRAMA DE QUÍMICA SANTIAGO DE CALI 2015
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SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE UNA RED POLIMÉRICA
INTERPENETRADA DE POLI (METACRILATO DE 2-HIDROXIETILO) Y
QUITOSANO COMO POSIBLE MATRIZ DE LIBERACIÓN CONTROLADA DE
FÁRMACOS.
JULIÁN ANDRÉS GARCÍA ZAPATA
UNIVERSIDAD ICESI
FACULTAD DE CIENCIAS NATURALES
DEPARTAMENTO DE CIENCIAS QUÍMICAS
PROGRAMA DE QUÍMICA
SANTIAGO DE CALI
2015
SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE UNA RED POLIMÉRICA
INTERPENETRADA DE POLI (METACRILATO DE 2-HIDROXIETILO) Y
QUITOSANO COMO POSIBLE MATRIZ DE LIBERACIÓN CONTROLADA DE
FÁRMACOS.
JULIÁN ANDRÉS GARCÍA ZAPATA
TRABAJO DE GRADO PARA OPTAR AL TITULO DE
PREGRADO EN QUIMICA CON ENFASIS EN BIOQUIMICA
Nombre de Director: Dr. Giovanni Rojas Jiménez.
Nombre del Codirector: Dr Eduardo Ruiz Durántez, Dra. Nora Elena Valderruten
Posso.
UNIVERSIDAD ICESI
FACULTAD DE CIENCIAS NATURALES
DEPARTAMENTO DE CIENCIAS QUÍMICAS
PROGRAMA DE QUÍMICA
SANTIAGO DE CALI
2015
I
APROBADO POR:
Dr. C nstain Hugo S manca Mejía Evaluado xterno
Dr. Edaard iz Durantez Ce-Director del proyecto
\i~~D7~~(. Dr. Héctor Fabio Zuluaga Corrales
Evaluador Externo
f.fo{{A ~ Vd\\dc1{vtf;1 Dra. Nora Elena Valderruten Posso
Ce-Directora del proyecto
AGRADECIMIENTOS
Al terminar esta etapa de mi vida quisiera agradecer:
A mis padres, hermano, abuela y a toda mi familia porque al finalizar esta etapa de
mi vida, todos los sacrificios, penas y alegrías que compartieron conmigo, hoy dieron
su recompensa.
A mis profesores Dr. Giovanni Rojas Jiménez, Dr. Eduardo Ruiz Durántez y a la Dra.
Nora Elena Valderruten Posso por sus valiosas sugerencias y su constante
disposición durante todo este trabajo.
A Catalina Mosquera, Estefanía Vásquez, Sebastián Rey, Juan Carlos Vallejo,
Eillen Asprilla, Elisa Viveros, Juan Sebastián Valencia, y Gilson Muños por ser las
personas que estuvieron durante toda mi carrera y durante la elaboración de este
proyecto, gracias amigos por todo su apoyo.
A mis compañeros, amigos y colegas por la motivación y la incondicionalidad.
Y a todos los que en su momento estuvieron junto a mí.
Julián Andrés García
TABLA DE CONTENIDO
LISTA DE FIGURAS. ............................................................................................... 1
LISTA DE TABLAS. ................................................................................................. 3
RESUMEN ............................................................................................................... 4
ABSTRACT .............................................................................................................. 5
1. INTRODUCCIÓN .............................................................................................. 6
2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ............................................................... 8
3. MARCO TEÓRICO ........................................................................................... 9
3.1 Características de los hidrogeles. .................................................................. 9
3.2 Hidrogeles que responden a estímulos ........................................................ 10
3.3 Metacrilato de 2-hidroxietilo .......................................................................... 10
3.4 El entrecruzamiento y formación del gel ...................................................... 13
3.6 Quitosano. .................................................................................................... 14
3.7 Redes Poliméricas Interpenetradas (IPNs). ................................................. 16
3.8 Liberación controlada de fármacos. ............................................................. 19
3.9 Características de los fármacos ................................................................... 20
4. OBJETIVOS .................................................................................................... 22
4.1 Objetivo general ........................................................................................... 22
4.2 Objetivos específicos ................................................................................... 22
5. MATERIALES Y MÉTODOS ........................................................................... 23
5.1 Materiales ..................................................................................................... 23
5.2 Síntesis de los materiales poliméricos interpenetrados (IPN). ..................... 24
5.3 Caracterización Físico-Química de las redes del IPN .................................. 26
5.3.1 Espectroscopía infrarroja con transformada de Fourier (FT-IR) ............ 26
5.3.2 Calorimetría Diferencial de Barrido (DSC). ................................................ 26
5.3.3 Cinéticas de hinchamiento a diferentes pHs. ......................................... 27
5.3.4 Pruebas reológicas. ............................................................................... 28
5.3.5 Análisis estadístico. ............................................................................... 29
6. MATRIZ DE MARCO LÓGICO ....................................................................... 30
7. RESULTADOS Y DISCUSIÓN. ...................................................................... 33
7.1 Síntesis de los IPNs ..................................................................................... 33
7.2 Espectroscopia Infrarroja.............................................................................. 34
7.3 Cinéticas de hinchamiento. .......................................................................... 38
7.3.1 Estudios de hinchamiento a diferentes pHs. ............................................. 38
7.4 Calorimetría diferencial de barrio. ................................................................ 54
7.5 Pruebas reológicas. ...................................................................................... 60
7.5.1 Análisis de fluencia y recuperación ........................................................ 60
7.5.2 Relajación de esfuerzos. ........................................................................ 66
7.6 Experimentos de liberación controlada......................................................... 68
8. CONCLUSIONES. .......................................................................................... 71
9. RECOMENDACIONES. .................................................................................. 73
10. BIBLIOGRAFÍA. .............................................................................................. 75
11. ANEXOS ......................................................................................................... 81
1
LISTA DE FIGURAS.
Figura 1. Estructura del metacrilato de 2-hidroxietilo (Montheard, 1992). ............. 11
Figura 2. Método de síntesis de HEMA a partir de metacrilato de metilo o ácido
metacrílicos (Montheard, 1992). ............................................................................ 11
Figura 3. Posibles reacciones ocurridas a el HEMA durante su almacenamiento.12
Figura 4. Representación de las estructuras de la quitina y quitosano. ................ 15
Figura 5. Estructuras básicas de polímeros interpenetrados (Sperling, 1977). ..... 17
Figura 6. comparación entre un tratamiento convencional de dosis sucesivas con
un sistema ideal de dosificación controlada (Arredondo, 2009). ............................ 20
Figura 7. Estructura molecular del quitosano, el Metacrilato de 2-hidroxietilo
(HEMA), la N,N´-metilenbisacrilamida (BIS), el 2,2`-azobis (2-amidinopropano)
(V50) y el glutaraldehido. ....................................................................................... 24
Figura 8. Representación grafica del análisis estadístico. .................................... 29
Figura 9. IPN de quitosano/pHEMA a diferentes proporciones relativas. .............. 33
Figura 10. Proceso de lavado y secado de los materiales cortados.. ................... 34
Figura 11. FTIR de quitosano comparado con el espectro hidrogel control Q100H0.
............................................................................................................................... 35
Figura 12. FTIR de HEMA comparado con el espectro hidrogel control Q0H100. 36
Figura 13. Muestra de espectro infrarrojo de los materiales interpenetrados. ...... 36
Figura 14. FTIR de todos los materiales ............................................................... 37
Figura 15. Representación del porcentaje de hinchamiento, W (%), en función del
tiempo, a pH 5, para las composiciones de los hidrogeles .................................... 39
Figura 16. Representación del contenido de agua, H (%), en función del tiempo, a
pH 5, para las composiciones de los hidrogeles .................................................... 39
Figura 17. Regresiones lineales de las cinéticas de hinchamiento, de acuerdo con
una cinética de segundo orden, para las composiciones de los hidrogeles ........... 42
Figura 18. Representación del porcentaje de hinchamiento, W (%), en función del
tiempo, a pH 7,5, para las composiciones de los hidrogeles ................................. 44
2
Figura 19. Representación del contenido de agua, H (%), en función del tiempo, a
pH 7,5, para las composiciones de los hidrogeles ................................................. 45
Figura 20. Regresiones lineales de las cinéticas de hinchamiento, de acuerdo con
una cinética de segundo orden, para las composiciones de los hidrogeles. .......... 46
Figura 21. Representación del porcentaje de hinchamiento, W (%), en función del
tiempo, a pH 9, para las composiciones de los hidrogeles. ................................... 48
Figura 22. Representación del contenido de agua, H (%), en función del tiempo, a
pH 9, para las composiciones de los hidrogeles .................................................... 49
Figura 23. Regresiones lineales de las cinéticas de hinchamiento, de acuerdo con
una cinética de segundo orden, para las composiciones de los hidrogeles ........... 49
Figura 24. Termograma de las redes que componen los materiales por separado.:
A. Q0H100 y B. Q100H0. ....................................................................................... 54
Figura 25. Comparación de los ciclos 2 y 3 de los análisis de DSC del material
Q40H60. ................................................................................................................ 55
Figura 26. Termogramas de todos los materiales sintetizados. ............................ 56
Figura 27. Análisis de creep-recovery para las 5 composiciones de los hidrogeles
............................................................................................................................... 61
Figura 28. Análisis de relajación de la tensión en deformaciones de 5% para los
materiales interpenetrados .................................................................................... 66
Figura 29. Grafica de relajación de esfuerzos correspondiente a los controles
Q100H0 y Q0H100. La ordenada del lado derecho corresponde a la escala de
control Q0H100. ..................................................................................................... 68
Figura 30. Liberación de fármacos a partir de hidrogeles. .................................... 70
3
LISTA DE TABLAS.
Tabla 1. Composición de los hidrogeles IPN de quitosano/pHEMA. ..................... 25
Tabla 2. Valores del porcentaje de agua en equilibrio, W∞, y de la constante cinética
de hinchamiento (K) a pH 5 para todos los materiales. ......................................... 43
Tabla 3. Valores del porcentaje de agua en equilibrio, W∞, y de la constante cinética
de hinchamiento (K) a pH 7,5 para todos los materiales. ...................................... 47
Tabla 4. Valores del porcentaje de agua en equilibrio, W∞, y de la constante cinética
de hinchamiento (K) a pH 9 para todos los materiales. ......................................... 50
Tabla 5. Temperaturas de transición vítrea de los materiales. Tg1 y Tg2
corresponden a las temperaturas de transición vítrea aportadas por el Q0H100 y
Q100H0 respectivamente. ..................................................................................... 57
Tabla 6. Viscosidad residual (ƞo) y valores de complianza (Joe, Jmax, J∞, Jkv) para
los diferentes IPNs sintetizados. ............................................................................ 63
Tabla 7. Porcentajes de deformación (S%) y recuperación (R%) para cada elemento
de complianza de los diferentes IPNs sintetizados. ............................................... 64
4
RESUMEN
Las redes poliméricas interpenetradas (IPNs) son una combinación de dos o más
polímeros que se entrelazan a una escala molecular, total o parcialmente, sin
presentar uniones covalentes entre ellos. Este proyecto propone la combinación del
quitosano con el polimetacrilato de 2-hidroxietilo, el cual le conferirá una mayor
flexibilidad y resistencia estructural al hidrogel, para su posible aplicación como
matriz de liberación controlada.
La reacción se llevó a cabo de forma simultánea en moldes de acrílico con anillos
de teflón, en el horno para activar la polimerización del HEMA y durante 24 horas.
Se tomaron espectros de infrarrojo para comprobar la formación del producto los
cuales mostraron una disminución de las bandas a 1655 cm-1 y la aparición a 740
cm-1 las cuales confirman la formación del entrecruzamiento de quitosano y la
polimerización del metacrilato de 2-hidroxietilo, respectivamente.
Las propiedades de hinchamiento se estudiaron en diferentes pHs y se encontró
que estas propiedades dependen particularmente del contenido de quitosano del
material y del pH en el que se hinchen. A su vez, se observó un fenómeno de
sobrehinchamiento el cual se atribuye a la red de pHEMA.
Se llevaron a cabo estudios térmicos mediante calorimetría diferencial de barrido.
Los resultados mostraron dos transiciones vítreas a aproximadamente 98oC y a
155oC, las cuales corresponden a la red de pHEMA y quitosano, respectivamente.
Estos revelaron que los materiales obtenidos son completamente amorfos y que un
posible proceso de copolimerización durante la síntesis de los materiales no se llevó
a cabo.
Se realizaron estudios de análisis de fluencia – recuperación y relajación de
esfuerzos para determinar las propiedades mecánicas, llegando a la conclusión de
que los materiales presentan un comportamiento prioritariamente viscoso. A su vez,
se observa una relación directa entre la concentración de polimetacrilato de 2-
hidroxietilo y la elasticidad del material donde a una concentración del 70% la
elasticidad del material aumenta considerablemente.
Palabras clave: Red polimérica interpenetrada (IPN), hidrogel, quitosano, pHEMA,
resistencia mecánica, pH- sensibilidad.
5
ABSTRACT
The interpenetrating polymer networks (IPNs) are a combination of two or more
polymers that are entangled (totally or partially) at the molecular scale without
providing covalent bonds between them. This project proposes the combination of
chitosan with 2-hydroxyethyl polymethacrylate, which will confer greater flexibility
and structural strength to the swollen hydrogel, for possible application as drug
delivery system.
The reaction was carried out simultaneously in glass molds with teflon rings, then
they were placed in the oven for 24 hours to activate the polymerization of HEMA.
Infrared spectroscopy was used to verify the product formation, which showed a
decrease of the bands to 1655 cm-1 and the appearance at 740 cm -1, which
confirmed the formation of crosslinking polymerization.
The swelling properties were studied at different pH's, and it was found that these
properties are particularly dependent of chitosan content in their compositions and
pH at which swell. In turn, was observed an overshooting swelling effect, which is
attributed to the pHEMA.
Differential scanning calorimetry studies were carried out. The results showed two
glass transitions at about 98oC and 155oC, which correspond to the chitosan and
pHEMA network respectively. These showed that the obtained materials are
completely amorphous andalso it rules out the two network copolymerization..
Creep-recovery and stress relaxation studies were performed to determine the
mechanical properties and concluded that materials primarily exhibit a viscous
behavior. On the other hand, a direct relationship between the concentration of 2-
hydroxyethyl polymethacrylate and the elasticity of the material at a concentration
where 70% of the elasticity of the material increases considerably observed.
Keywords: Interpenetrating polymer network (IPN), hidrogel, chitosan, pHEMA,
mechanical properties, pH-sensibility.
6
1. INTRODUCCIÓN
En las últimas décadas los polímeros han encontrado gran cantidad de aplicaciones
en el campo biomédico, entre las cuales están el recubrimiento en los dispositivos
implantables (por ejemplo, para mejorar la compatibilidad con la sangre), los
dispositivos implantables (corazón artificial, tornillos de hueso y la superficie articular
en las articulaciones artificiales), catéteres y tubos de diálisis, membranas para la
oxigenación y la desintoxicación, la entrega de drogas inyectables y los sistemas de
imágenes, como también su uso como membrana y andamios porosos para
aplicaciones de tejidos regenerativos (Mabilleau, 2006; Saini, 2012; Shastri, 2003).
En la actualidad, la tendencia en el desarrollo de materiales apunta hacia la
obtención de sistemas inteligentes, los cuales sean capaces de responder a
estímulos del ambiente y realicen una función determinada. Desde el punto de vista
de la administración de fármacos, el uso de este tipo de sistemas cargados con el
principio activo son especialmente útiles para la liberación controlada de los mismos
(Arredondo, 2009; Coughlan, 2004; Kikuchi, 2002). Entre este tipo de materiales
poliméricos, los hidrogeles han demostrado ser los candidatos más representativos
para este tipo de aplicaciones por sus características como la biocompatibilidad,
hinchamiento en medio acuoso, además de que es posible cargarlos fácilmente con
todo tipo de componentes activos (Brazel, 1999; Coughlan, 2004; Lekow, 2010; C.-
C. a. M. A. T. Lin, 2006; Maitz, 2013).
Desde su descubrimiento, los hidrogeles han sido materiales de gran interés para
el área biomédica, especialmente por su propiedad única de exhibir un
comportamiento intermedio entre los materiales sólidos y líquidos, lo cual es posible
debido al entrecruzamiento (físico o químico) de las cadenas de polímero
individuales.
Este tipo de materiales se pueden preparar a partir de polímeros naturales o
sintéticos, a pesar de que algunos de los hidrogeles fabricados con polímeros
naturales no proporcionen las suficientes propiedades mecánicas y puedan
contener agentes patógenos, estos aportan propiedades muy importantes como lo
son la biocompatibilidad inherente, biodegradabilidad y residuos biológicamente
reconocibles que apoyan las actividades celulares (Arredondo, 2009; Katime, 2004).
7
Por otro lado, los hidrogeles sintéticos no tienen las propiedades bioactivas
inherentes que presentan los hidrogeles naturales, pero afortunadamente estos
tienen estructuras bien definidas que pueden modificar para obtener las
propiedades que el investigador desee, por ejemplo otorgarle la resistencia
mecánica y la elasticidad a la red polimérica. Sabiendo esto, es interesante
combinar las propiedades de los dos tipos de materiales (sintéticos y naturales) para
obtener lo mejor de ambos (Arredondo, 2009).
Un tipo de combinación de polímeros son las redes polimérica interpenetrada (IPN),
las cuales se definen como una combinación de dos o más polímeros formando una
red la cual se sintetizan en forma simultanea (Sperling, 1977). Es de esperarse que
la interpenetración simultánea de dos polímeros confiera a los materiales
sintetizados por este método, propiedades mecánicas sobresalientes debido al
efecto sinérgico inducido por la interpenetración forzada de los componentes
(Sperling, 1977).
Actualmente, hay una gran cantidad de investigaciones para diversas
composiciones de IPN con propiedades mecánicas mejoradas (Conde, 1977; Han,
2008; Prashantha, 2001; Rani, 2011). Se espera que los IPNs a base de pHEMA /
quitosano tengan optimas propiedades para encontrar su uso en aplicaciones
biomédicas tales como sistemas de liberación controlada ya que por lo general, el
contenido de agua y las propiedades mecánicas son importantes en estas
aplicaciones.
8
2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Todas las enfermedades requieren de diferentes clases de tratamientos, los cuales
utilizan una gran variedad de fármacos que son administrados principalmente por
vía oral o intravenosa, lo cual puede generar diferentes inconvenientes como: el
control de los niveles necesarios del fármaco en el plasma y efectos colaterales que
derivan del paso de estos principios activos por regiones ajenas al lugar donde se
produce la afección.
Ante esta problemática, la liberación de sustancias activas por medio de sistemas
de administración controlada se presenta como una alternativa para la solución de
este problema, puesto que, desde el punto de vista de los materiales, la tendencia
es obtener sistemas inteligentes cargados con el fármaco, los cuales respondan a
estímulos del ambiente y puedan liberar su carga en el lugar, el tiempo y la velocidad
deseada.
Es así como en las últimas décadas los polímeros han recibido gran atención,
debido a que sus propiedades pueden ser rediseñadas para atender requerimientos
específicos en la liberación de medicamentos. Por ejemplo, los hidrogeles han
mostrado muy buenas propiedades en el transporte de fármacos, por su
biocompatibilidad y propiedades de hinchamiento en medio acuoso, entre otras
características de interés, por lo cual se han propuesto como una buena opción para
ser usados en la liberación controlada.
De igual forma, el quitosano se ha utilizado por la industria farmacéutica debido a
su no toxicidad y biocompatibilidad, en especial en el área biomédica, como
biomembrana y sistemas de administración de fármacos (Honarkar, 2009). Los
hidrogeles de quitosano, generalmente, poseen una alta capacidad de hidratarse,
gracias a la hidrofilicidad que les confieren los grupos hidroxilo en su estructura. No
obstante, esta afinidad por absorber agua altera sus propiedades mecánicas y, por
lo tanto, disminuye su flexibilidad y resistencia.
Debido a esto se planteó combinar el hidrogel de quitosano con otro polímero que
permita mejorar sus propiedades mecánicas. Por ello, se creó un IPN usando
metacrilato de 2-hidroxietilo como segunda red polimérica, debido a que este
presenta características tales como la no toxicidad, biocompatibilidad, alta
resistencia mecánica y flexibilidad (Hamidi, 2008; Jones, 2008; Rezaei, 2013; Saini,
2012; Ziegelaar, 1999).
9
3. MARCO TEÓRICO
3.1 Características de los hidrogeles.
Un hidrogel es una red tridimensional compuesta de cadenas de polímeros que
absorben agua en cantidades considerables (Arredondo, 2009; Hamidi, 2008).
Estos polímeros pueden tener características como: no toxicidad, biocompatibilidad,
además de que se hinchan en presencia de agua, aumentando su volumen hasta
alcanzar un equilibro (Arredondo, 2009; Hoffman, 2001). Adicionalmente, pueden
poseer una gran resistencia mecánica según el método con el que se sinteticen ya
sea generando redes entrecruzadas de homopolímeros lineales, copolímeros
lineales, copolímeros de bloque o de injerto, IPNs o mezclas físicas. (Hennink, 2012;
Hoffman, 2001; Sperling, 1977).
El Dr. Tan y su equipo (Tan, 2009) propusieron un método diferente para preparar
hidrogeles entrecruzados donde se mejoraron sus propiedades mecánicas . Ellos
sintetizaron nanoesferas a base de almidón con grupos alilo que fueron fácilmente
derivatizables. Estas esferas fueron empeladas como compuestos para el
entrecruzamiento de hidrogeles de poliacrilamida. El hidrogel que se obtuvo
presentó una resistencia mecánica mucho mayor que los hidrogeles obtenidos de
forma convencional (Tan, 2009).
La capacidad de absorción de agua de un hidrogel es debida al balance de las
fuerzas osmóticas y la fuerza opuesta que ejerce la red del polímero a la expansión
(Hoffman, 2001; Qiu, 2001). La síntesis del hidrogel será quien determina la
cantidad y la capacidad de hinchamiento que este tendrá, debido a los espacios (o
poros) que se establezcan dentro del material durante el proceso de síntesis, los
cuales determinan la cantidad de agua que pueda absorber (Hennink, 2012). Se ha
demostrado que los factores que determinan la capacidad de absorber y retener
agua son: el peso molecular, el grado de pureza del polímero, su concentración en
solución acuosa (Hennink, 2012) y las condiciones físicas o químicas de la síntesis
(Hennink, 2012).
Los hidrogeles han demostrado gran aplicabilidad en medicina, ya que muestran
buenas propiedades de biocompatibilidad (Almeida, 2011; Hamidi, 2008). Su
característica de hinchamiento les aporta la propiedad de absorber y liberar
soluciones de carácter fisiológico utilizadas comúnmente en medicina (Bierbrauer;
Brazel, 1999; Casimiro, 2007).
10
Todo lo mencionado anteriormente determina las propiedades químicas y físicas del
hidrogel a obtener y son de especial importancia para la síntesis y aplicación de los
sistemas poliméricos de liberación de sustancias activas. Al tener en cuenta todo
esto es lo que permitirá generar otras investigaciones en las aplicaciones de esta
nueva generación de biomateriales en el área médica, farmacéutica y biológica
(Han, 2008; Hoffman, 2001; Kikuchi, 2002).
3.2 Hidrogeles que responden a estímulos
Los hidrogeles llamados inteligentes son los materiales que responden a diferentes
estímulos del medio mediante modificaciones en su estructura (Leków, 2010; Lin,
2006; Tronci, 2014). Con estos se pueden crear dispositivos poliméricos que
responden a estímulos físicos, químicos y eléctricos del medio como lo son distintas
condiciones de pH, presencia de un disolvente o enzima, temperatura o un campo
magnético. La respuestas a estos estímulos son totalmente reversibles (Qiu, 2001;
Tronci, 2014).
El pH puede variar el volumen del hidrogel si posee grupos funcionales ionizables.
A pH bajos los grupos amino del quitosano se protonan, esto conduce a la repulsión
de las cadenas de polímero, por tanto, la disociación de las interacciones
secundarias tales como enlaces de hidrógeno intermolecular permite que más agua
entre al gel. A medida que el pH aumenta, los grupos amino se desprotonan,
generando mayores interacciones electrostáticas entre las cadenas de polímero,
favoreciendo su contracción(Honarkar, 2009; Rohindra, 2004).
3.3 Metacrilato de 2-hidroxietilo
Metacrilato de 2-hidroxieltilo (HEMA) (Montheard, 1992) es un monómero sustituido
asimétricamente, con la siguiente estructura (figura 1):
11
Figura 1. Estructura del metacrilato de 2-hidroxietilo (Montheard, 1992).
El punto de ebullición del monómero es de 211oC, tiene una densidad de 1,071 g/mL
a 20°C y una presión de vapor de 0,1 hPa. HEMA es un líquido claro e incoloro, el
cual es sintetizado en una sola etapa a partir de metacrilato de metilo con etilenglicol
o ácido metacrílicos con óxido de etileno. Este se puede polimerizar fácilmente con
la mayoría de los derivados metacrílicos (figura 2) (Montheard, 1992).
Figura 2. Método de síntesis de HEMA a partir de metacrilato de metilo o ácido metacrílicos (Montheard, 1992).
El HEMA presenta dos sustituyentes diferentes unidos al segundo carbono, los
cuales son responsables de su comportamiento anfifílico. Estos también
proporcionan la polaridad para la formación de un puente de hidrógeno y los grupos
metilo a lo largo de la cadena principal proporcionan el carácter hidrófobo al
polímero cuando se expone a disolventes no polares.
El HEMA se puede degradar durante el transporte y el almacenamiento a
temperatura ambiente produciendo ácido metacrílico (MAA) y el entrecruzante
12
dimetacrilato de etilenglicol (EGDMA), véase figura 3. El monómero disponible
comercialmente presenta hidroquinonas como inhibidores para evitar la
polimerización durante el transporte y almacenamiento. Por lo tanto, el monómero
tiene que ser purificado para retirar el inhibidor y así permitir su polimerización.
En la figura 4 se observa las posibles reacciones ocurridas durante el
almacenamiento del HEMA. El HEMA se puede hidrolizar en el enlace éster para
formar ácido metacrílico y etilenglicol (figura 4 (1)). También dos moléculas de
HEMA se pueden transesterificar para formar dimetacrilato de etilenglicol (EGDMA)
y el etilenglicol (figura 4 (2)) y por último, este se puede polimerizar por medio de
calor o radiación ultravioleta, formado su polímero (pHEMA) (figura 4 (3)).
Figura 3. Posibles reacciones ocurridas a el HEMA durante su almacenamiento. Más de 1500 publicaciones se han dedicado a este producto desde 1967 y 2000
publicaciones o patentes mencionan el polímero correspondiente, así mismo, un
13
mayor número de obras reportan la síntesis de copolímeros que incorporan este
monómero (Montheard, 1992)
La primera síntesis de metacrilato de 2-hidroxietilo y su polimerización fueron
descrita en 1936 (Reid, 1936). Las primeras aplicaciones de los polímeros como
hidrogeles se revisaron en 1960 (L\'M & D, 1960) y un estudio más fundamental de
este polímero se hizo en 1965 (Montheard, 1992).
El HEMA es uno de los monómeros utilizados más frecuentemente en la medicina,
gracias a sus buenas características fisicoquímicas (no toxicidad, biocompatibilidad,
alta resistencia a la degradación y la hidrólisis en condiciones fisiológicas) (Hamidi,
2008; Jones, 2008; Rezaei, 2013; Saini, 2012; Ziegelaar, 1999).
Los hidrogeles a base de HEMA, Poli (metacrilato de 2-hidroxietilo) o pHEMA, han
sido ampliamente investigados y utilizados. Cada unidad repetitiva presenta un
grupo hidroxilo (-OH) el cual lo hace un polímero altamente hidrofílico y no muestra
tendencia de adherencia a proteínas. Según Beers (Beers, 1999) estos hidrogeles
se han usado en diferentes aplicaciones biomédicas entre las cuales están: andamio
para ingeniería de tejidos, lentes de contacto suaves, piel artificial, órganos
artificiales biohíbridos, dispositivos de administración de fármacos, entre otras
(Coughlan, 2004; Hamidi, 2008; Kikuchi, 2002).
3.4 El entrecruzamiento y formación del gel
Los hidrogeles se componen de cadenas de polímero lineales, unidas entre sí por
medio de una molécula bifuncional denominada agente entrecruzante. Uno de los
parámetros críticos sintéticos para estos materiales es la densidad de
entrecruzamiento (Han, 2008) que se define como el número de enlaces cruzados
presentes a lo largo de la estructura de red de un hidrogel. Esta proporción dictará
las propiedades que el material poseerá cuando la síntesis sea completada (Han,
2008; Hosseinzadeh, 2011; W. Lin, 2011).
Clayton (Clayton, 1997) sintetizó esponjas a base de HEMA utilizando dimetacrilato
de etilenglicol (EGDMA) y divinilglicol (DVG) como agentes entrecruzantes y
observó que la energía necesaria para romper las esponjas de pHEMA-DVG era
mayor que la requerida para las esponjas de pHEMA-EGDMA; lo mismo ocurre
cuando se le realizan las pruebas de elongación, mostrando una disminución
14
drástica al aumentar la concentración de EGDMA, sin dejar de ser constante en el
rango de concentraciones de DVG.
Según este autor, la invariancia relativa en las propiedades mecánicas de las
esponjas a base de DVG podrían ser debidas a la naturaleza reactiva de este agente
entrecruzante, lo cual indica que estas propiedades son causadas por la menor
reactividad del DVG debido a la falta de grupos a tractores de electrones en su
estructura, en comparación con el EGDMA, el cual es un monómero vinílico
(Clayton, 1997).
Si bien Clayton ha establecido que las redes pHEMA entrecruzadas con DVG
poseen propiedades mejoradas de tracción, el efecto de la naturaleza
hidrófila/hidrófoba de este agente entrecruzante en la resistencia mecánica de las
esponjas todavía no se ha demostrado (Clayton, 1997).
3.6 Quitosano.
El quitosano poli (β-N-acetil-glucosamina-co-β-glucosamina) es el derivado más
importante de la quitina, obtenido por una reacción de desacetilación bajo
condiciones alcalinas (Honarkar, 2009; Il’ina, Kulikov, Chalenko, Gerasimova, &
Varlamov, 2008). Cuando el grado de desacetilación de la quitina alcanza
aproximadamente 50%, se vuelve soluble en un medio ácido acuoso.
Quitina
Quitosano
15
Figura 4. Representación de las estructuras de la quitina y quitosano.
La solubilización del quitosano se produce por la protonación del grupo NH2 en la
posición C-2 de la unidad repetida de la D-glucosamina, por lo que el polisacárido
se convierte en un polielectrolito en medios ácidos (Il’ina et al., 2008). El quitosano
es biodegradado por la lizosima a sus residuos naturales de glucosamina y N-
acetilglucosamina (Honarkar, 2009).
Este polisacárido lineal está compuesto de residuos distribuidos aleatoriamente de
β(1-4)-D-glucosamina y N-acetil-D-glucosamina unidas mediante enlaces
glucosídicos β-(1-4). Ha sido extraído directamente de hongos por tratamientos
ácidos y alcalinos; también se han desarrollado métodos usando microorganismos
o enzimas proteolíticas para la desproteinización en los desechos de crustáceos y
de esta forma lograr una producción más económica en la obtención de quitosano
(Honarkar, 2009).
El quitosano exhibe gran variedad de propiedades las cuales están relacionadas
con el grado de desacetilación de la quitina, que se determina comparando el
número de grupos NH2 formados en relación con el número inicial de grupos
NHCOCH3 presentes en la quitina. Este proceso regula las propiedades del material
obtenido (Chen, 2004; Honarkar, 2009; Maitz, 2013; Mi, 2001; Tiwari, 2007; Tronci,
2014). De lo mencionado anteriormente se puede llegar a la conclusión de que las
propiedades que presenta este material están influenciadas por el peso molecular,
grado de desacetilación y la degradación de las cadenas que ocurre en la hidrólisis
alcalina de la quitina (Honarkar, 2009).
Muchos materiales poliméricos son sintéticos, lo cual compromete su
biocompatibilidad y biodegradabilidad en comparación con aquellos polímeros de
origen natural como la celulosa, quitina, quitosano y sus derivados. Por tanto, el
quitosano ha sido utilizado como material en campos tan diversos como el
farmacéutico, médico, la industria alimentaria y la agricultura entre muchas otras
(Casimiro, 2007; Han, 2008; Hoffman, 2001; Honarkar, 2009; Il’ina et al., 2008;
Jones, 2008; Nedeljko, 2008; Rani, 2011; Shastri, 2003).
Los hidrogeles de quitosano contienen mucha agua, parte de esta agua se
encuentra presente como agua ligada al polímero y el resto está presente como
agua libre. La habilidad de estos hidrogeles para hincharse y deshidratarse depende
de la composición y el ambiente en el cual ha sido explotado para facilitar un rango
de aplicaciones como liberación de fármacos.
16
Cuando el hidrogel se encuentra entrecruzado, formando una malla o red
tridimensional, puede resistir esfuerzos muchos mayores sin perder su forma
original ya que los enlaces intermoleculares evitan el desplazamiento de unas
cadenas con respecto a otras denominándose a este tipo de polímero un
elastómero. Para el caso de los hidrogeles de quitosano, el grado de
entrecruzamiento determinara dicha propiedad. Se ha observado que en su estado
hinchado, las propiedades mecánicas del mismo se ven afectadas debido a la gran
cantidad de agua que ellos albergan, haciéndolos hidrogeles que fácilmente se
puedan fracturar y por tanto se ven reducidas sus aplicaciones (Han, 2008; Mi,
2001).
3.7 Redes Poliméricas Interpenetradas (IPNs).
Los IPNs son parte de una amplia clase de mezclas de polímeros que se han
definido de dos maneras. La definición más amplia los considera como una
combinación de dos o más polímeros y la definición restringida como una
combinación de dos o más polímeros sin ningún tipo de uniones de
entrecruzamiento, injerto o bloques entre las cadenas (Sperling, 1977, 1996). La
amplia clase de mezclas de polímeros se compone de seis subclases de
combinaciones las cuales se representan en la figura 1.
Las redes poliméricas interpenetradas (IPNs) son una combinación de dos o más
polímeros que están, al menos parcialmente, entrelazadas en una escala molecular,
pero no presentan uniones covalentes entre sí (Han, 2008; Hosseinzadeh, 2011;
Sperling, 1977, 1996). Esto se realiza con el fin de formar, en la mayoría de los
casos, un material que combine las propiedades más relevantes de cada polímero
(Han, 2008; Hosseinzadeh, 2011; Sperling, 1977, 1996). Los IPNs se han
sintetizado con la intención de obtener propiedades tales como la resistencia a la
tracción, mayor fuerza de impacto y resistencia térmica (Klempner, 1978).
17
Figura 5. Estructuras básicas de polímeros interpenetrados (Sperling, 1977).
De la figura anterior (figura 5) (a) ilustra una mezcla de polímeros. (b) muestra un
copolímero de injerto, en el que el final de una cadena lateral se injerta en alguna
parte de la cadena de la estructura principal (por lo general al azar). (c) ilustra un
copolímero de bloque, el cual difiere de un copolímero de injerto en el que la unión
es entre los extremos de las dos cadenas de los polímeros participantes. (d) muestra
una sola red compuesta de dos tipos de polímeros, conocidos como copolímero
entrecruzado AB. Uno de los polímeros está unido al otro, en ambos extremos,
logrando así unir dos cadenas de un mismo polímero. (e) muestra un semi-IPN,
también llamado un pseudo-IPN, compuesto de dos polímeros, uno lineal y otro
entrecruzado. (f) ilustra un IPN compuesto de dos polímeros entrecruzados
(Sperling, 1996).
Los polímeros (a), (b) y (c) son termoplásticos, es decir, pueden fundirse a elevadas
temperaturas, sin embargo, los polímeros (d), (e) y (f), son termoestables y no se
funden al aumentar la temperatura, pero se puede provocar una ruptura de los
enlaces químicos primarios causando su descomposición (Sperling, 1977, 1996).
La combinación de diversos tipos de redes poliméricas a diferentes
concentraciones, generan estructuras tridimensionales variadas, las cuales dictan
las propiedades de los IPNs. (Klempner, 1978; Sperling, 1977, 1996). En el caso
18
de que la interpenetración de los polímeros entrecruzados se lleve a cabo a una
mayor concentración, las propiedades mecánicas pueden verse modificadas
(Klempner, 1978). En algunos casos, las propiedades del material no están
relacionadas con la estructura tridimensional que presente, como en el caso de la
resistencia térmica, la cual es debida a la mezcla de diferentes polímeros
(Klempner, 1978; Sperling, 1996).
El procedimiento para sintetizar IPNs puede ser clasificado generalmente en dos
categorías: los enfoques simultáneos y secuenciales. El método de síntesis
simultáneo empieza con una mezcla de ambos monómeros para formar dos redes
poliméricas simultáneamente a través de diferentes rutas de reacción, las cuales
tienen que ser diferentes una de la otra para evitar una copolimerización de las dos
redes (Rezaei, 2013; Sperling, 1996). Por el contrario, el método de síntesis
secuencial controlan diferentes reacciones de red añadiendo secuencialmente
diferentes monómeros, generando primero una red previo a la adición del otro
monómero (Lin-jian, 2011; Sperling, 1996). Actualmente, muchos materiales
comerciales se producen como IPN secuenciales, debido a su flexibilidad y facilidad
de procesamiento. Este enfoque también permite la modificación post-
procesamiento del material sintetizado (W. Lin, 2011; Lin-jian, 2011).
19
3.8 Liberación controlada de fármacos.
En las últimas décadas, se han dedicado gran cantidad de investigaciones hacia el
desarrollo y uso de nuevos sistemas de transporte de fármacos debido a que estos
proponen una liberación controlada del componente activo en el sitio y tiempo
deseado. Los hidrogeles han ganado interés para su uso en estos sistemas
(Bierbrauer; Mi, 2001; Qiu, 2001).
Este tipo de sistemas basados en polímeros han tenido gran importancia ya que no
solo transporta el componente activo de forma efectiva sino que también presenta
un mayor cumplimento por parte de los pacientes, ofreciéndoles una mayor
comodidad. Lo que se espera obtener con estos materiales es un medio en el cual
se obtenga una respuesta óptima, con pocos efectos secundarios y una eficacia
prolongada en el organismo (Brazel, 1999; Kikuchi, 2002; Ruiz, 2002).
Cuando se utilizan sistemas convencionales de administración de fármacos, las
concentraciones en plasma sanguíneo se mueve dentro de la región del límite
terapéutico en la cual hay un límite superior donde la concentración del fármaco es
tan alta que llega a ser toxico para el paciente y un límite inferior donde el fármaco
no presenta efecto terapéutico debida a la baja concentración del componente
activo. Ambas situaciones no indeseables. Para mantener una concentración
efectiva del fármaco, en los sistemas convencionales de administración de fármacos
se utilizan dosificaciones seguras a intervalos periódicos para mantener un nivel
de concentración de fármaco deseado, sin embargo, esto no es conveniente, y
el cumplimiento del paciente es frecuentemente pobre (Leków, 2010).
Por todo esto, en las últimas décadas ha sido de gran interés el desarrollo de
dispositivos de liberación controlada que permita un nivel deseado del farmaco
durante periodos de tiempo prolongados sin alcanzar un nivel tóxico o caer por
debajo del nivel efectivo mínimo (Arredondo, 2009). (Figura 6).
20
Figura 6. comparación entre un tratamiento convencional de dosis sucesivas con un sistema ideal de dosificación controlada (Arredondo, 2009).
Los sistemas de liberación controlada a base de polímeros se pueden ubicar en
cualquier parte del cuerpo, de modo que estos puedan situarse cerca de la zona
enferma o del sitio donde se requiere una acción del fármaco. Estos pueden ser
implantados o adheridos externamente a la piel. Se ha investigado la administración
de fármacos a través de las membranas nasales, mucosa oral, del ojo, de la piel,
entre otras (Arredondo, 2009; Katime, 2004).
3.9 Características de los fármacos
Las propiedades del fármaco influyen en la forma como se pueda liberar
controladamente las cuales están la solubilidad del fármaco, el peso molecular, la
constante de disociación (pKa) y el coeficiente de partición aparente (Arredondo,
2009).
La solubilidad del fármaco en agua u otros solventes orgánicos es indispensable
para que se dé la absorción del mismo. Se ha reportado que cuando la velocidad
de disolución es de aproximadamente 0,1 mg/cm2 ocurren problemas de absorción
del fármaco en el organismo. Pero cuando las velocidades son mayores a 1 mg/cm2
21
muestra que es soluble y que su absorción se da de forma satisfactoria por difusión
(Arredondo, 2009).
El peso molecular de la molécula afectara la constante de difusión de la misma ya
que a medida que aumenta el peso molecular, disminuye dicha constante. Para el
caso de la mayoría de los fármacos es necesario que su peso molecular varíe entre
200 y 500 g/mol. Este valor puede variar hasta los 1000 g/mol, pero la difusión del
mismo se verá afectada (Arredondo, 2009; Panchangnula, 2000).
La constante de disociación determina el porcentaje de ionización del fármaco. En
general, si un fármaco que presente grupos ácidos tiene pKa bajo será fácilmente
ionizable en soluciones con determinado grado de acidez. Por el contrario, si un
fármaco presenta grupos básicos con pKa alto, este presentará un menor porcentaje
de ionización (Panchangnula, 2000). Esta misma idea se aplica a los hidrogeles, los
cuales se puede describir por el valor de pKa que posean. Esta característica
determinará en qué tipo de soluciones se puede hinchar o deshinchar.
Por último, el coeficiente de partición aparente indica la facilidad del fármaco para
atravesar tejido grasos donde un valor bajo de este coeficiente demuestra una
absorción favorable por difusión, un coeficiente alto indica la facilidad de penetrar
más en los tejidos grasos, como son los tejidos cerebrales. Todos estos factores
determinaran que hidrogel utilizar y que tipo de síntesis son más adecuados según
una aplicación particular (Arredondo, 2009; Panchangnula, 2000).
22
4. OBJETIVOS
4.1 Objetivo general
Sintetizar y caracterizar materiales compuestos por dos redes poliméricas
interpenetradas de poli (metacrilato de 2-hidroxietilo) y quitosano.
4.2 Objetivos específicos
Sintetizar cinco materiales compuestos por dos redes poliméricas
interpenetradas que se diferencian en sus proporciones relativas.
Caracterizar los materiales sintetizados mediante técnicas espectroscópicas
(FTIR).
Describir las propiedades de hinchamiento de los materiales sintetizados.
Determinar las propiedades térmicas (DSC) y reológicas de los materiales
sintetizados.
23
5. MATERIALES Y MÉTODOS
5.1 Materiales
El quitosano (de bajo peso molecular, Sigma, pureza > 98%), el dihidrocloruro de
2,2`-azobis (2-amidinopropano) (V50, pureza > 98%), el Glutaraldehido (J. T. Baker,
concentración 25%), el ácido acético glacial (J. T. Baker, grado reactivo,
concentración 99,7%) y la N,N´-metilenbisacrilamida (BIS, Bio America, pureza >
98%) se utilizaron tal como se han suministrado y el Metacrilato de 2-Hidroxieltilo
(HEMA, Sigma, pureza > 98%) se purifico para eliminar el inhibidor como así las
posibles impurezas presentes en el reactivo.
Quitosano
Metacrilato de 2-Hidroxietilo (HEMA) N,N´-metilenbisacrilamida (BIS)
2,2`-azobis (2-amidinopropano) (V50) Glutaraldehido
24
Figura 7. Estructura molecular del quitosano, el Metacrilato de 2-hidroxietilo (HEMA), la N,N´-metilenbisacrilamida (BIS), el 2,2`-azobis (2-amidinopropano) (V50) y el glutaraldehido.
La purificación del HEMA se llevó a cabo por medio de destilación al vacío a una
temperatura de 100oC durante 5 horas. De este proceso se recuperó
aproximadamente un 60% del volumen inicial utilizado.
5.2 Síntesis de los materiales poliméricos interpenetrados (IPN).
Los IPNs se prepararon por medio de dos rutas de polimerización diferentes. Para
la HEMA, tanto la polimerización como el entrecruzamiento fueron realizados vía
radicales libres, utilizando V50 como iniciador en una concentración del 1,0% con
respecto a la cantidad total de monómeros (Anexos 1 y 2) y por parte del quitosano,
su entrecruzamiento fue realizado por medio de una reacción de Schiff con
glutaraldehido (Anexos 3).
Con el fin de determinar el papel que juega la concentración de cada monómero
sobre las propiedades mecánicas de los materiales, se realizaron 5 experimentos
variando la concentración relativa de los mismos. A su vez, con la intención de
reducir el número de variables, la concentración de los agentes entrecruzantes se
mantuvo constante (15%, en relación estequiométrica a los monómeros tanto para
la BIS como para el glutaraldehido). La suma total en peso de los monómeros en
todos los experimentos fue igual a 1 gramo. La tabla 1 muestra las cantidades
utilizadas de cada uno de los experimentos.
La nomenclatura utilizada representa las cantidades utilizadas de cada uno de los
polímeros donde Q indica la cantidad en porcentaje de quitosano y H la cantidad en
porcentaje de HEMA utilizado en la composición del material. Así Q30H70 significa
que se utilizó un 30% de quitosano y un 70% de HEMA en la composición de este
material.
25
Tabla 1. Composición de los hidrogeles IPN de quitosano/pHEMA.
No.
Experimentos
Volumen
final
(mL)
Proporción
Quitosano/
HEMA (%)
Quitosano
(peso)
HEMA
(peso)
BIS
(gramos)
Glutaraldehido
al 25% (mL)
Q0H100 10 mL 0/100 N.A 1,0 g 0,04442 g N.A
Q30H70 10 mL 30/70 0,3 g 0,7 g 0,03109 g 0,04803 mL
Q40H60 10 mL 40/60 0,4 g 0,6 g 0,02665 g 0,06404 mL
Q50H50 10 mL 50/50 0,5 g 0,5 g 0,02221 g 0,08005 mL
Q60H40 10 mL 60/40 0,6 g 0,4 g 0,01777 g 0,09606 mL
Q70H30 10 mL 70/30 0,7 g 0,3 g 0,01333 g 0,11207 mL
Q100H0 10 mL 100/0 1,0 g N.A N.A 0,16010 mL
Los reactivos (Quitosano, HEMA, BIS, V50) se pesaron en beakers de 25 mL y se
disolvieron en 9 mL de ácido acético al 2%. La mezcla de reacción se burbujeó con
nitrógeno durante 10 minutos y de desgasificó por medio de ultrasonido durante 5
minutos. El burbujeo se hizo con el fin de evitar la presencia de oxígeno ya que
este interfiere en el mecanismo de polimerización y la desgasificación para eliminar
la presencia de burbujas en el producto final, las cuales alterarían las propiedades
mecánicas del material. Después se adicionó la cantidad necesaria de
glutaraldehido (disuelto en una solución de ácido acético) para obtener un volumen
final de 10 mL en cada uno de los experimentos. Por último, la mezcla se vertió en
anillos de teflón entre dos placas de acrílico transparente, estas dos herramientas
(anillo de teflón y placas de acrílico) son especiales ya que no se adhieren a los
materiales formados. Estos tendrán un tiempo de reacción de 24 horas en un horno
a 50oC.
Una vez sintetizados las IPNs se cortaron en discos de 1 cm de diámetro con un
espesor de 3 mm y se lavaron sumergiéndolos en agua destilada durante
aproximadamente 1 hora, cambiando varias veces el disolvente, con el fin de retirar
cualquier componente de la mezcla de reacción que no hubiese reaccionado. Luego
se dejaron secar durante aproximadamente 5 días a temperatura ambiente y 5 días
más a 50C, hasta alcanzar un peso constante (Xerogel) (Sadeghi, 2010).
26
5.3 Caracterización Físico-Química de las redes del IPN
5.3.1 Espectroscopía infrarroja con transformada de Fourier (FTIR)
La espectroscopía Infrarroja analiza la excitación de una molécula a partir de la
interacción de la luz infrarroja con la misma. Esta técnica nos brinda información
acerca de los grupos funcionales de los compuestos a estudiar para determinar su
estructura por medio de vibraciones moleculares. En general, los enlaces más
fuertes vibrarán a una frecuencia más elevada ya que requieren más energía para
su excitación.
El uso de esta técnica es indispensable para confirmar la formación del polímero al
comparar con espectros anteriores, la aparición o desaparición de las bandas de los
grupos funcionales característicos de cada monómero. Esta técnica se llevó a cabo
con pastillas de KBr en el equipo FTIR thermoscientific, modelo Nicolet 6700
empleando xerogeles pulverizados. Las mediciones se realizaron en el rango de
4000-400 cm-1 con 32 repeticiones.
5.3.2 Calorimetría Diferencial de Barrido (DSC).
La técnica DSC mide la diferencia de calor (absorbida o perdida) entre una muestra
y una referencia como una función de la temperatura. El principio básico de esta
técnica es que cuando la muestra experimenta una transformación física, tal como
una transición vítrea (Tg), se suministrará más o menos calor a la muestra que a la
referencia para mantener ambas a la misma temperatura. Determinando la
diferencia de flujo calorífico entre la muestra y la referencia, se puede medir la
cantidad de calor absorbido o eliminado durante tales transiciones.
Por lo general, el programa de temperaturas para un análisis DSC es diseñado de
forma que la temperatura aumente linealmente en función del tiempo. El primer
barrido de temperatura se realiza principalmente para eliminar la historia térmica de
la muestra. La muestra de referencia debería tener una capacidad calorífica bien
definida en el intervalo de temperaturas en que vaya a tener lugar el barrido.
27
Los estudios de Calorimetría Diferencial de Barrido (DSC) se realizaron utilizando
un DSC TA Instruments modelo Q2000. Las muestras son analizadas bajo
atmósfera de nitrógeno. Se hicieron tres barridos, el primero de 3-95ºC el cual se
sostuvo durante 30 minutos con el fin de eliminar posible agua ligada dentro del
material, el segundo de 3-170ºC para observar cualquier tipo de curaciones y por
ultimo de 20-220ºC para observar las diferentes transiciones que puedan suceder
dentro del material. Todos estos ciclos se realizaron a una velocidad de
calentamiento de 5ºC/min.
5.3.3 Cinéticas de hinchamiento a diferentes pHs.
Para realizar las cinéticas de hinchamiento se utilizaran tres tipos de soluciones:
ácida (pH de 5,0), neutra (pH de 7,5) y básica (pH de 9,0). Las pruebas de
hinchamiento se llevaron a cabo a temperatura ambiente (25oC) ya que se ha
observado en estudios anteriores que la temperatura no influye sobre la capacidad
de hinchamiento tanto del quitosano como del pHEMA (Tomi, 2007); a diferencia
del pH, donde el quitosano si es influenciado por el mismo. Esto es debido a la
presencia de grupos ionizables en su estructura. Las soluciones Buffer con los
valores de pH anteriormente mencionados fueron para pH 5 un buffer de acetato de
sodio con ácido acético, para pH 7,5 un buffer de fosfato de sodio monobásico y
fosfato de sodio dibásico, y para pH 9 un buffer de ácido bórico, hidróxido de sodio
y cloruro de potasio. La fuerza iónica de las soluciones buffer se mantuvieron
constante en todos los pHs a una concentración de 0,1 M en todas las soluciones
buffer.
Los discos fueron cortados con un diámetro de aproximadamente 1 cm con un
espesor de 3 mm. Posteriormente se seleccionaron seis discos de cada una de las
composiciones y se colocaron en recipientes plásticos que contenían 20 mL de las
soluciones buffer a los diferentes pH (5, 7,5, y 9).
Las muestras se pesaron cada 5 minutos la primera media hora, cada 10 minutos
hasta completar las 2 horas, cada 20 hasta completar 5 horas y por ultimo cada hora
hasta que se completa un total de 10 horas.
El grado de hinchamiento, W, a diferentes tiempos viene definido por la siguiente
expresión:
28
W =ms−md
ms (1)
Donde ms y md son los pesos de la muestra hinchada y seca, respectivamente. Tres
réplicas se utilizaron para cada composición de los distintos hidrogeles y para cada
pH, por lo que los resultados de W se expresa cómo un promedio de las mediciones.
Otra forma de representar la cantidad de agua retenida dentro del hidrogel es a
través del contenido de agua en el gel, H, que viene definido por la siguiente
ecuación:
H =ms−md
md (2)
5.3.4 Pruebas reológicas.
La reología es, por definición, la ciencia de la deformación y el flujo de la materia.
El comportamiento reológico de los polímeros implica varios fenómenos muy
diversos que pueden relacionarse en algún grado con diferentes mecanismos
moleculares. Por tanto, es de vital importancia tener en cuenta este tipo de análisis
para llegar a una conclusión más representativa de cuál de los IPNs sintetizados
presenta las mejores propiedades.
Las propiedades reológicas de los hidrogeles fueron evaluadas mediante el
reómetro Bohlin Instruments C-VOR de sistema abierto con un gap de
aproximadamente 15 mm entre las placas a 25oC. El gap se ajustó dependiendo del
grosor de cada hidrogel. Se realizaron dos tipos de análisis. En primer lugar un
experimento de análisis de fluencia – recuperación en el cual la deformación del
hidrogel fue inducida por la aplicación de una presión de 300 Pa durante 5 min,
seguido por una recuperación de 5 min en ausencia de la presión aplicada
previamente. El segundo análisis consistió en una relajación de esfuerzos en el que
se aplicó un porcentaje de deformación constante del 5% a la muestra, donde las
variaciones en la presión y el módulo de cizalla (G) fueron determinados. Estas
pruebas se llevaron a cabo en las instalaciones del laboratorio de química orgánica
de la Universidad Nacional, sede Bogotá ya que este nos facilitó este servicio.
29
5.3.5 Análisis estadístico.
El análisis de los datos se llevó a cabo por medio del paquete estadístico Minitab
16. Se realizó un análisis de varianza lo cual permitió la comparación de los
resultados obtenidos. Para eliminar posibles datos atípicos se realizó una prueba Q
de cada uno de las 6 repeticiones.
La comparación de los materiales se realizó de dos formas. Primero se comparó
como cada material se comparó en los 3 pHs para y luego se comparó en cada pH
todos los materiales.
Figura 8. Representación gráfica del análisis estadístico.
30
6. MATRIZ DE MARCO LÓGICO
Objetivo General: Sintetizar y caracterizar materiales compuestos por dos redes poliméricas interpenetradas compuesta de poli
(metacrilato de 2-hidroxietilo) y quitosano.
Actividades Supuestos Indicadores
Objetivo específico #1:
Sintetizar por lo menos
3 materiales
compuestos por dos
redes poliméricas
interpenetradas, que se
diferencian en sus
proporciones relativas
Preparar la solución de cada
uno de los polímeros (pHEMA
y quitosano) variando la
concentración de cada
monómero
Disponer de la cantidad
suficiente de polímeros para
llevar a cabo la síntesis.
Obtención de por lo menos 3 redes
poliméricas.
Garantizar la disponibilidad de
reactivos para realizar la
solución.
Usar al menos 3 diferentes
combinaciones de las
soluciones preparadas, con
sus respectivos
entrecruzantes (BIS y
glutaraldehído) a
concentraciones constantes y
Condiciones de reacción son
suficientes para que se lleve a
cabo la polimerización
31
el activador por radicales
libres (V50)
Objetivo específico #2:
Caracterizar los
materiales sintetizados
mediante técnicas
espectroscópicas (IR).
Realizar los diferentes análisis
espectroscópicos a cada uno
de los polímeros sintetizados.
Buen funcionamiento del
equipo y disponibilidad del
mismo.
Análisis de los espectros obtenidos de
FTIR de cada una de las redes
sintetizadas.
Disponibilidad de fondos para
cubrir el costo del análisis.
Analizar y comparar los
espectros obtenidos de cada
uno de los polímeros con los
espectros de cada monómero
por separado.
Disponer del material
bibliográfico necesario para
llevar a cabo la comparación
de los espectros.
Buena resolución de las
bandas características en
cada uno de los espectros.
32
Objetivo específico #3:
Caracterizar las
propiedades de
hinchamiento de los
materiales sintetizados
Variar el pH de la solución de
hinchamiento en los pH
prestablecidos dejando
contante la temperatura
(25oC).
Control de temperatura debe
llevarse a cabo de forma
adecuada. Obtención de la gráfica característica
de una cinética de hinchamiento en
intervalos preestablecidos de tiempo
con diferente condiciones de pH.
pH de las soluciones debe
permanecer contante a los
valores predeterminados con
anterioridad durante todo el
proceso de hinchamiento.
Objetivo específico #4:
Caracterizar las
propiedades térmicas y
reológicas de los
materiales sintetizados.
Realizar el análisis de
calorimetría diferencial de
barrido a cada uno de los
polímeros sintetizados.
Buen funcionamiento del
equipo y disponibilidad del
mismo.
Obtención de los termogramas y los
módulos de almacenamiento y pérdida
de los materiales sintetizados.
Disponibilidad de los
materiales necesarios para
llevar a cabo estos análisis.
Realizar pruebas de fluencia y
relajación de esfuerzos por
medio de un reómetro a cada
uno de los materiales
sintetizados.
-Préstamo del equipo por
parte de la Universidad
Nacional (Bogotá).
-Buen funcionamiento del
equipo.
33
7. RESULTADOS Y DISCUSIÓN.
7.1 Síntesis de los IPNs
Se obtuvieron cinco materiales en los cuales las proporciones relativas de cada una
de las redes varia de un experimento a otro. Se observa una clara diferencia en el
color entre los materiales a medida que la concentración de quitosano aumenta.
Lo extremos (Q30H70 y Q70H30) expresan de forma predominante la propiedad
mecánica correspondiente a la red de mayor proporción en su composición. (Figura
9.)
Q30H70 Q40H60 Q50H50 Q60H40 Q70H30
Figura 9. IPN de quitosano/pHEMA a diferentes proporciones relativas.
Durante el proceso de lavado se observó que al pasar aproximadamente una hora
de colocar los hidrogeles cortados en agua destilada, estos se fracturaban debido a
la gran cantidad de agua que absorbían. Por eso, el proceso de lavado se modificó
con respecto a lo anteriormente mencionado para evitar que el material sufriera
cualquier daño, dejándolo en agua destilada durante una hora y luego dejándolo
secar a temperatura ambiente. Posterior a esto se dejaban en el horno durante 2 o
3 días para acabar el secado (Figura 10).
34
Figura 10. Proceso de lavado y secado de los materiales cortados. Disco de 1 cm de diámetro cortado directamente del molde (1), material hinchado durante el
proceso de lavado (2) y material seco a temperatura ambiente (3).
7.2 Espectroscopia Infrarroja
Para comprobar la formación de las redes se tomaron espectros de FT-IR a los
monómeros y se compararon con los espectros de los materiales entrecruzados.
En la Figura 11, el espectro del quitosano sin entrecruzar muestra una banda ancha
a 3257 cm-1 corresponde al -OH asociado al estiramiento de los grupos hidroxilo,
cabe recalcar que la absorción debida a la banda anterior es muy ancha lo cual
impide el distinguir la banda del estiramiento del enlace N-H. La banda en 1560 cm-
1 corresponde a la deformación por flexión del enlace N-H. De la misma manera se
observa la banda del enlaces glucosídicos a 1075 cm-1 (C-O-C), enlace N-C a 1025
cm-1 (N-C) (Desbrie, 2001).
De esta misma figura (figura 11) del espectro del material control Q100H0, se
observa la aparición de una banda a 1655 cm-1 que corresponde a un enlace imina
(N=C) y otra banda a 1562 cm-1 asociada con la vibración del enlace N-H (Desbrie,
2001). Por otro lado, no hay evidencia de la banda característica relacionada con el
grupo carbonilo del aldehído libre cerca de 1720 cm-1asi como de su protón a 2830
cm-1 (Desbrie, 2001)(Figura 11). De la misma manera, un solapamiento de las
señales del grupo amida y del grupo imina pudo darse debido a la cercanía de las
mismas.
1
2
3
35
Figura 11. FTIR de quitosano comparado con el espectro hidrogel control Q100H0.
El mismo comportamiento se observó para el estiramiento C-H a 2936 cm-1. Este
hecho se puede atribuir al aumento de la contribución de la molécula de
glutaraldehído en la reacción de entrecruzamiento. Con esto se concluye que la
formación del entrecruzamiento del quitosano con glutaraldehido se llevó a cabo de
forma satisfactoria.
El espectro de la HEMA (figura 12) sin polimerizar ni entrecruzar muestra una banda
bandas a 1730 cm-1 (-COO éster), 1456 cm-1 (-C-H saturado), 1625 cm-1 (C=C) y
1159 cm-1 (-CO éster) las cuales son características de este monómero (Silverstein,
Webster, & Kiemle, 2005). La comparación de los espectros de HEMA con el de
pHEMA entrecruzado con BIS muestra una banda aproximadamente a 750 cm-1,
que nos indica la formación de una cadena alifática (–[CH2]n-) característica de los
polímeros metacrílicos. A su vez, la banda de estiramiento de alquenos conjugados
(C=C) con un grupo carbonilo, la cual se muestra alrededor de 1650-1600 cm-1
(Silverstein et al., 2005), se encuentra con una intensidad muy pequeña en el
espectro de pHEMA lo cual nos indica la formación del polímero. (Figura 12).
La incorporación de un nuevo grupo carbonilo proveniente de entrecruzante BIS
produce un desplazamiento de la señal del carbonilo del éster lo cual se evidencia
en el espectro. Las señales observadas en la comparación de los espectros de la
36
HEMA y el material Q0H100 proveen la suficiente información para tener la certeza
de que la polimerización y el entrecruzamiento del HEMA se llevaron a cabo.
Figura 12. FTIR de HEMA comparado con el espectro hidrogel control Q0H100.
Los espectros FT-IR de los controles Q100H0, Q0H100 y de los materiales
sintetizados se muestran en la Figura 12.
Figura 13. Muestra de espectro infrarrojo de los materiales interpenetrados.
37
Como se mencionó anteriormente, se observa una banda aproximadamente a 1652
cm-1 la cual se atribuye a la formación del entrecruzamiento entre el glutaraldehido
y el quitosano formando un enlace C=N para formar el puente entre las dos cadenas
del polisacárido. A su vez, se observa una banda aproximadamente a 749 cm-1, que
nos indica la formación de una cadena alifática (–[CH2]n-) característica de los
polímeros metacrílicos (Silverstein et al., 2005). Con estas dos bandas podemos
garantizar que el entrecruzamiento, tanto para quitosano como para pHEMA, se ha
generado en los materiales interpenetrados (figura 13).
Figura 14. FTIR de todos los materiales: Q100H0 (línea azul oscuro), Q30H70 (línea verde); Q40H60 (línea fucsia); Q50H50 (línea azul claro); Q60H40 (línea
roja), Q70H30 (línea negra) y Q0H100 (línea morada).
La figura 14 muestra la comparación de espectros de los materiales sintetizados
con respecto a los controles. Se observa una atenuación de la banda característica
del carbonilo proveniente del éster a medida que la concentración de quitosano
aumenta en la composición de los materiales. De la misma manera la intensidad de
la banda correspondiente al enlace imina, debida a la formación del
entrecruzamiento del quitosano, disminuye a medida que la concentración de
38
pHEMA aumenta en la composición de los materiales. De esto cabe aclarar que los
resultados de los espectros infrarrojos no son cuantitativos pues no siguen la ley de
Beer.
De esta observación se concluye que los materiales si se formaron con las
condiciones de reacción utilizadas en este proyecto. De la misma manera cabe
resaltar que no hubo interferencia por parte de los distintos mecanismos de reacción
y entrecruzamiento de las redes en la polimerización de los mismos.
7.3 Cinéticas de hinchamiento.
Se estudió el comportamiento de hinchamiento sobre la composición del IPN,
utilizando los xerogeles con diferentes proporciones de las redes quitosano/HEMA:
70/30, 60/40, 50/50, 40/60, 30/70 así como de los controles por separado 100/0 y
0/100. Todos ellos con una cantidad constante de entrecruzante del 15 %. Las
dimensiones iniciales de los xerogeles fueron de 1,00 ± 0,2 mm de espesor y 5,00
± 0,1 mm de diámetro.
7.3.1 Estudios de hinchamiento a diferentes pHs.
Se utilizaron tres soluciones de hinchamiento a diferentes pHs: 5, 7,5 y 9. Estos
valores de pH se mantuvieron constante por medio del uso de soluciones buffer.
Para comprobar la estabilidad de las soluciones, se realizaron medidas del pH
durante todo el experimento por medio de un pH-metro.
El porcentaje de hinchamiento a cada tiempo, W (%), se calculó a partir de la
ecuación (1) de la parte experimental. En la Figura 15 se presentan las curvas del
porcentaje de hinchamiento para los materiales a pH 5. La Figura 16 presenta el
contenido de agua, H (%), calculados por medio de la ecuación (2), para los
materiales a pH 5.
El contenido de agua en el equilibrio, H∞, y el grado de hinchamiento máximo o en
el equilibrio, W∞, representan las características más relevantes de los materiales,
ya que tienen mayor influencia sobre la biocompatibilidad, permeabilidad y difusión
del material. Pero a su vez, si estos parámetros tienen valores muy altos, producirán
consecuencias negativas sobre las propiedades mecánicas del mismo. Todas las
gráficas a continuación se representan con las barras de error en cada punto de los
39
experimentos, pero debido a que el error fue pequeño, estas no se aprecian en el
gráfico.
Figura 15. Representación del porcentaje de hinchamiento, W (%), en función del tiempo, a pH 5, para las composiciones de los hidrogeles: Q100H0 (□, negro),
Q30H70 (∇); Q40H60 (Δ); Q50H50 (X); Q60H40 (◊), Q70H30 (□, azul) y Q0H100 (o).
Figura 16. Representación del contenido de agua, H (%), en función del tiempo, a
pH 5, para las composiciones de los hidrogeles: Q100H0 (□, negro), Q30H70 (∇); Q40H60 (Δ); Q50H50 (X); Q60H40 (◊), Q70H30 (□, azul) y Q0H100 (o).
40
La relación entre los porcentajes de hinchamiento de los IPNs varió desde 46%
hasta 66% en relación con el contenido de quitosano. La relación de hinchamiento
del hidrogel Q70H40 fue mayor que los otros hidrogeles, siendo Q30H70 el que
presenta un menor hinchamiento.
Por su parte, el material control Q100H0 presenta un mayor hinchamiento en
relación a los demás, esto puede deberse a que son 2 redes las que se están
hinchando simultáneamente dentro de los materiales interpenetrados y por tanto las
interacciones que presenten entre ellas, delimitaran su hinchamiento.
Teniendo en cuenta que el proceso de hinchamiento está dirigido por interacciones
dipolo-dipolo y enlaces de hidrógeno entre el agua y los grupos funcionales de los
monómeros, el aumento en el contenido de quitosano en las composiciones
condujeron a un aumento en la relación de hinchamiento en el equilibrio. Esto se
atribuye a la incorporación de los grupos funcionales hidrófilos del quitosano (es
decir, -NH2 que no reaccionara y -OH) en la red de pHEMA.
Esto es debido a que el quitosano está cargado positivamente a un pH bajo lo cual
produce una repulsión entre cargas iguales, generando un distanciamiento
intermolecular y un estado hidrófilo mayor contribuyendo a la expansión de las redes
(Kim, 2005). Es sabido que una alta concentración de grupos iónicos cargados
dentro de un hidrogel aumenta el porcentaje de hinchamiento debido a la osmosis
y la repulsión entre las cargas.
En la primera etapa de hinchamiento del hidrogel, inicialmente en el xerogel, la
difusión es la que determina de la velocidad de hinchamiento del material. Primero
se observa el aumento en el grosor en los bordes del material, formando un anillo
alrededor de un núcleo todavía en forma vítrea. A medida que continúa la entrada
del líquido y el núcleo vítreo desaparece, el diámetro de la pastilla crece por la
relajación de las redes.
El cálculo del área bajo la curva en cada una de la cinética realizada, confirma la
diferencia en el porcentaje de hinchamiento entre los materiales a excepción de la
comparación de las áreas de los materiales Q40H60 y Q50H50, donde no se
observó diferencia estadística entre los valores de la media (Anexos 6). Esto quiere
decir que el hinchamiento entre estos dos materiales no es estadísticamente
diferente, lo cual se observa en el gráfico.
41
Si se considera una cinética de segundo orden, se encuentra que la ecuación para
el hinchamiento a cualquier tiempo (t) es (Farahani, 2010):
dW
dt= K(Wmax − W)2 (3)
Que al integrar se obtiene:
W =KWmax
2 t
1+KWmaxt (4)
Si la ecuación (6) se divide por KWmax2 W y se factoriza se obtiene:
tW⁄ = 1
KWmax2 ⁄ + (1
Wmax2 ⁄ )t (5)
Suponiendo que A= 1 KWmax2 ⁄ y B= 1 Wmax
2 ⁄ , la ecuación (5) se puede simplificar de
la siguiente manera:
tW⁄ = A + (B)t (6)
En una cinética de hinchamiento de segundo orden la velocidad de hinchamiento
es directamente proporcional al cuadrado de la capacidad de hinchamiento
disponible (Wmax-W), siendo W el hinchamiento del hidrogel a tiempo t. El análisis
de regresión lineal es una técnica estadística utilizada para estudiar la relación entre
las variables. Para este caso, se estudia la relación entre el porcentaje de
hinchamiento y el tiempo.
Por medio de esta técnica se observó que para todos los hidrogeles el resultado fue
similar y sus coeficientes de correlación fueron superiores a 0,99, indicando que se
ajustan a una cinética de segundo orden durante el periodo de tiempo estudiado. La
Figura 17 muestra las regresiones lineales de los 5 materiales a pH 5 las cuales se
obtuvieron aplicando la ecuación (6).
42
Figura 17. Regresiones lineales de las cinéticas de hinchamiento, de acuerdo con una cinética de segundo orden, para las composiciones de los hidrogeles: Q100H0
(□, negro), Q30H70 (∇); Q40H60 (Δ); Q50H50 (X); Q60H40 (◊), Q70H30 (□, azul) y Q0H100 (o).
La Tabla 2 resume las propiedades de hinchamiento a pH 5 encontradas para los
materiales sintetizados. En ella se observa como el contenido de agua en equilibrio,
W∞, varia a medida que lo hace el porcentaje quitosano en su composición. Esto se
puede atribuir a la mayor hidrofilicidad asociada al quitosano.
43
Tabla 2. Valores del porcentaje de agua en equilibrio, W∞, y de la constante cinética de hinchamiento a pH 5 para todos los materiales.
R2 W ∞ (%) K (min-1)
Q0H100 0,9997 42,19 ± 0,0021 0,117 ± 0,0113
Q30H70 0,9993 46,25 ± 0,0017 0,125 ± 0,0213
Q40H60 0,9999 52,32 ± 0,0166 0,153 ± 0,0179
Q50H50 0,9997 53,96 ± 0,0147 0,105 ± 0,0188
Q60H40 0,9999 59,54 ± 0,0056 0,150 ± 0,0136
Q70H40 0,9999 66,67 ± 0,0055 0,073 ± 0,0098
Q100H0 0,9997 71,67 ± 0,0037 0,0103 ± 0,0098
En cinéticas de hinchamiento, la constante de velocidad de hinchamiento, K, es la
que cuantifica la velocidad a la que el material se hincha. Aquí K depende del tiempo
de hinchamiento y de la capacidad del material a absorber agua o solvente de
hinchamiento (Farahani, 2010). Teniendo en cuenta el manejo matemático
anteriormente realizado, se observa que las unidades de la constante K
corresponden a un caso atípico con relación al orden de la cinética a la cual los
resultados se ajustaron. Las unidades de concentración ([M]) en una cinética de
segundo orden ([K2]= [M]-1[t] -1) son eliminadas debido a la adimencionalidad del
hinchamiento (W), donde el resultado obtenido muestra que las unidades son
iguales a las esperadas en una cinética de primer orden ([K1] = [t] -1) a pesar de que
los resultados obtenidos correspondan a una cinética de segundo orden.
Extrapolando lo mencionado anteriormente a los resultados obtenidos en esta
cinética, el material que obtuvo una constante más alta fue el Q40H60 (K= 0,153
min-1) y la menor fue el Q70H30 (K=0,073 min-1). No se observa una dependencia
de la concentración de las redes en la velocidad de hinchamiento en los materiales
en este pH.
44
Cabe mencionar que los materiales que presentaron un valor más alto de K
representan una entrada de solvente más rápida en la primera etapa de
hinchamiento. A medida que para tiempo, el hinchamiento de los materiales se
encuentra dirigido por la pH-sensibilidad del quitosano y no por esta constante (Qiu,
2001).
Las Figuras 18 y 19 presentan las curvas de porcentaje de hinchamiento y los
contenidos de agua, respectivamente, para los materiales estudiados a pH 7,5. En
este caso observamos una mayor variación tanto en W como en H, lo que indica un
efecto del pH sobre los hidrogeles.
Figura 18. Representación del porcentaje de hinchamiento, W (%), en función del tiempo, a pH 7,5, para las composiciones de los hidrogeles: Q100H0 (□, negro),
Q30H70 (∇); Q40H60 (Δ); Q50H50 (X); Q60H40 (◊), Q70H30 (□, azul) y Q0H100 (o).
45
Figura 19. Representación del contenido de agua, H (%), en función del tiempo, a pH 7,5, para las composiciones de los hidrogeles: Q100H0 (□, negro), Q30H70
(∇); Q40H60 (Δ); Q50H50 (X); Q60H40 (◊), Q70H30 (□, azul) y Q0H100 (o).
Por otro lado, cabe resaltar que las regresiones lineales de las cinéticas de
hinchamiento correspondientes a los 5 materiales a pH 7,5 , también presentaron
coeficientes de correlación mayores de 0,99, lo cual indica que se ajustan
perfectamente a una cinética de segundo orden(figura 20) (Tabla 3).
46
Figura 20. Regresiones lineales de las cinéticas de hinchamiento, de acuerdo con una cinética de segundo orden, para las composiciones de los hidrogeles: Q100H0
(□, negro), Q30H70 (∇); Q40H60 (Δ); Q50H50 (X); Q60H40 (◊), Q70H30 (□, azul) y Q0H100 (o).
En la Tabla 3. Se presentan los valores obtenidos para W∞ y K para los 5 materiales
a pH 7,5. Si los comparamos con los datos reportados en la Tabla 2 observamos
una disminución en el W∞.
47
Tabla 3. Valores del porcentaje de agua en equilibrio, W∞, y de la constante cinética de hinchamiento, a pH 7,5, para todos los materiales.
R2 W ∞ (%) K (min-1)
Q0H100 0,9973 34,52 ± 0,0043 0,217 ± 0,0204
Q30H70 0,9990 35,27 ± 0,0043 0,237 ± 0,044
Q40H60 0,9992 38,10 ± 0,0043 0,298 ± 0,022
Q50H50 0,9987 38,80 ± 0,0129 0,239 ± 0,069
Q60H40 0,9993 39,34 ± 0249 0,351 ± 0,009
Q70H40 0,9995 41,81 ± 0,0121 0,406 ± 0,004
Q100H0 0,9995 60,25 ± 0,0071 0,317 ± 0,0213
Los valores de la constante de velocidad de hinchamiento en este pH tampoco
revelan una tendencia clara. Como se mencionó, no hay tendencia en la
concentración de las redes sobre la constante de hinchamiento de los materiales.
El material que obtuvo una constante más alta fue el Q70H30 (K= 0,406 min-1)
donde fue este quien se hincho más rápidamente y la menor fue el Q50H50
(K=0,239 min-1) quien lo hizo más lentamente. No se observa una dependencia de
la concentración de las redes en la velocidad de hinchamiento en los materiales en
este pH.
Se observaron hincharse a pH 5 y encogerse a pH 7,5. A pH 5 Q70H40, que
contiene la mayor cantidad de quitosano entre los materiales, mostró la relación de
hinchamiento más alta.
En estudios de hinchamiento realizados a copolímeros de quitosano y pHEMA, se
ha observado un apantallamiento de los grupos cargados en el polímero producida
por un contra-ion presente en la solución de hinchamiento (soluciones buffer)
(Sadeghi, 2010). En el intervalo de pH 6-7, la mayoría de los grupos básicos y ácidos
48
están como NH3+ y –O- o como NH2 y -OH, lo cual hace que pueda ocurrir una
neutralización entre las cargas, produciendo una disminución del hinchamiento.
Esto se observa cuando se compara la relación de hinchamiento obtenida en el pH
5 con relación al pH 7,5. Esta neutralización de cargas que ocurre dentro del
material podría explicar este comportamiento.
El cálculo del área bajo la curva en a pH 7,5 confirma la diferencia en el porcentaje
de hinchamiento entre los materiales a excepción de la comparación de las áreas
de los materiales Q40H60 y Q50H50 como a su vez entre los materiales Q60H40 y
Q70H30, como ya se había mencionado, no se observó diferencia estadística entre
los valores de las medias (Anexos 6). Esto quiere decir que el hinchamiento entre
estos materiales no es estadísticamente diferente, lo que se observó en el gráfico.
Las Figuras 21 y 22 presentan las curvas de porcentaje de hinchamiento y los
contenidos de agua, respectivamente, para los 5 materiales estudiados a pH 9. En
este caso también se observa la variación tanto en W como en H, la cual es atribuida
al pH-dependencia de los materiales.
Figura 21. Representación del porcentaje de hinchamiento, W (%), en función del tiempo, a pH 9, para las composiciones de los hidrogeles: Q100H0 (□, negro),
Q30H70 (∇); Q40H60 (Δ); Q50H50 (X); Q60H40 (◊), Q70H30 (□, azul) y Q0H100 (o).
49
Figura 22. Representación del contenido de agua, H (%), en función del tiempo, a
pH 9, para las composiciones de los hidrogeles: Q100H0 (□, negro), Q30H70 (∇); Q40H60 (Δ); Q50H50 (X); Q60H40 (◊), Q70H30 (□, azul) y Q0H100 (o).
Las regresiones lineales de las cinéticas de hinchamiento correspondientes a los 5
materiales a pH 9, presentaron coeficientes de correlación mayores de 0,99, lo cual
indica que se ajustan perfectamente a una cinética de segundo orden (Figura 23)
(tabla 4).
Figura 23. Regresiones lineales de las cinéticas de hinchamiento, de acuerdo con una cinética de segundo orden, para las composiciones de los hidrogeles: Q100H0
(□, negro), Q30H70 (∇); Q40H60 (Δ); Q50H50 (X); Q60H40 (◊), Q70H30 (□, azul) y Q0H100 (o).
50
En la Tabla 4. Se presentan los valores obtenidos para W∞ y K para los 5 materiales
a pH 9. Si los comparamos con los datos reportados en la Tabla 2 observamos una
disminución en el W∞ pero un aumento en comparación con la Tabla 3.
Tabla 4. Valores del porcentaje de agua en equilibrio, W∞, y de la constante cinética de hinchamiento, a pH 9, para todos los materiales.
R2 W ∞ (%) K (min-1)
Q0H100 0,9989 34,52 ± 0,0065 0,207 ± 0,0103
Q30H70 0,9991 45,37 ± 0,0023 0,264 ± 0,0234
Q40H60 0,9978 48,36 ± 0,0009 0,288 ± 0,0120
Q50H50 0,9981 48,38 ± 0,0109 0,228 ± 0,0075
Q60H40 0,9992 53,04 ± 0,0121 0,294 ± 0,0430
Q70H40 0,9990 54,52 ± 0,0165 0,316 ± 0,0210
Q100H0 0,9998 62,60 ± 0,0111 0,269 ± 0,0128
Los valores de la constante de velocidad de hinchamiento en este pH tampoco
revelan una tendencia clara. Como se mencionó, no hay tendencia en la
concentración de las redes sobre la constante de hinchamiento de los materiales.
El material que obtuvo una constante más alta fue el Q70H30 (K= 0,316 min-1)
donde fue este quien se hincho más rápidamente y la menor fue el Q50H50
(K=0,228 min-1) quien lo hizo más lentamente. A diferencia del pH 5, en pH7,5 y pH
9 se observó una relación entre la velocidad de hinchamiento y el material. En
ambos pHs se observó que el material que se hincha más rápido corresponde a
Q70H30 y el menor Q50H50. Esto puede deberse a la sensibilidad del quitosano al
pH como al grado de interpenetración alcanzada en el material.
51
La comparación de los resultados presentados anteriormente indica la alta
dependencia del pH del proceso de hinchamiento, donde a pH bajo (pH 5) presentó
el mayor hinchamiento en comparación a los otros pHs (7,5 y 9).
A pH = 8-9, los grupos ionizables ácidos (–OH) se ionizan y la fuerza de repulsión
electrostática entre los sitios cargados (–O-) provoca el aumento en el hinchamiento
(Brazel, 1999; Hamidi, 2008; Sadeghi, 2010). Esto podría explicar la tendencia de
hinchamiento de los materiales observada en los intervalos de pH utilizados, donde
en pH 5 el hinchamiento fue mayor, seguido del pH 9 y por ultimo del pH 7,5.
Por otro lado, el quitosano no presenta gran cantidad de grupos ionizables a este
pH, por tanto la relación de hinchamiento es menor que en pH 5. A su vez, cabe
resaltar que esto también pudo hacerse debido al apantallamiento de contra iones
provenientes de las solución buffer.
De igual forma como se observó en la cinética de pH 7,5, las áreas bajo la curva de
la cinética en pH 9 confirma la diferencia en el porcentaje de hinchamiento entre los
materiales a excepción de la comparación de las áreas de los materiales Q40H60 y
Q50H50 como a su vez entre los materiales Q60H40 y Q70H30 (Anexos 6), Esto
quiere decir que el hinchamiento entre estos materiales no es estadísticamente
diferente, lo que se observó en el gráfico.
Una posible explicación al comportamiento observado en las cinéticas de
hinchamiento de los pH 7,5 y 9, donde se ve un máximo de hinchamiento
aproximadamente a los 100 minutos y luego un decaimiento del hinchamiento
después de los 130 minutos, es una separación de fases producidas por el
hinchamiento. Cuando un hidrogel en su estado inicial está en contacto con
moléculas de solvente, este último ataca la superficie del hidrogel y penetra en la
red polimérica. En este caso, la fase vítrea se separa de la región de hidrogel amorfa
(Farahani, 2010).
De la misma forma, se ha observado un fenómeno de sobrehinchamiento por parte
de la red de pHEMA, donde se describe un comportamiento anómalo al estudiar las
cinéticas de hinchamiento de este hidrogel. El fenómeno consiste en un
hinchamiento rápido inicial hasta un punto de saturación, seguida por una
disminución del mismo hasta alcanzar el hinchamiento de equilibrio del hidrogel
(Katime, 2004; Li, 2010,). Este comportamiento lo han intentado explicar distintos
autores empleando diversos modelos, pero ninguno de ellos es totalmente
satisfactorio y capaz de explicar estos resultados (Kambour, 1966; Katime, 2004;
Peppas, 1983).
52
Según Peppas (Peppas, 1983) las cadenas laterales de la pHEMA adoptaran una
conformación cíclica debido a la interacción de las cargas parciales del carbono del
carbonilo del grupo éster con el oxígeno del alcohol primario al final de la estructura
de monómero. Obviamente, la conformación cíclica es un estado
termodinámicamente más estable que la conformación estirada.
Por lo general la fase amorfa inicia el hinchamiento, permitiendo que otras
moléculas de solvente penetren la red del hidrogel. A su vez la fase vítrea genera
una restricción a la expansión de la red impidiendo la entrada de solvente al
hidrogel. Si la entrada de solvente es muy rápida en relación a la expansión de la
red, podría ocurrir un pico de hinchamiento y luego una relajación de las redes,
liberando solvente hasta llegar a un equilibrio osmótico (Farahani, 2010).
Como se mencionó, el hinchamiento no es un proceso continuo. Contra la fuerza
osmótica favorable, hay una fuerza opuesta elástica, que equilibra el estiramiento
de la red y evita su deformación. El tiempo necesario para que los hidrogeles
alcancen el equilibrio de hinchamiento en agua depende de la composición del
polímero.
En estudios anteriores la relación de hinchamiento de los materiales depende en
gran medida de la hidrofilia de toda la red (Leków, 2010; Rohindra, 2004). Un posible
caso es cuando quitosano después de su entrecruzamiento llegue a ser menos
hidrófilo en comparación con su polímero lineal, dando como resultado la pérdida
de sitios ionizables. Simultáneamente, la hidrofilicidad del agente entrecruzante
utilizado en la formación de la red influye en la hidrofilicidad de la red.
Otra posible explicación a este comportamiento, es la pérdida de masa por la salida
de reactivo que no reaccionara en el proceso de formación del material y que
posiblemente en el proceso de lavado no se retirara por completo. El poco tiempo
de lavado realizado a los materiales puede haber causado esto.
Por lo general, el incremento de la cantidad de entrecruzante en la síntesis conlleva
a una disminución de la distancia entre los puntos entrecruzado, esto provoca una
resistencia a la elongación y una disminución del tamaño del poro. El primer caso
lleva a una reducción de la cantidad de solvente que pueda entrar al material y el
segundo afecta directamente en la velocidad de hinchamiento.
Una diferencia entre el grado de entrecruzamiento entre los distintos materiales
podría explicar el comportamiento observado en la velocidad de hinchamiento de
los mismos, donde no hay relación directa entre el W∞ y la constante de
53
hinchamiento (K). El entrecruzamiento efectivo de los materiales puede verse
afectado por impedimentos estéricos provocados por la presencia de otra red en la
síntesis, generando entrecruzamiento diferente en cada uno de los materiales.
54
7.4 Calorimetría diferencial de barrio.
La temperatura de transición vítrea (Tg) de los IPNs se midió por calorimetría
diferencial de barrido con las condiciones explicadas en la metodología. Los valores
se tomaron del tercer ciclo después de calentar y enfriar las muestras a una
velocidad de 5ºC/min en atmósfera de nitrógeno. La representación de la transición
vítrea se ve como un decaimiento en el termograma, indicando una diferencia en el
flujo de calor en la muestra patrón, donde fue necesario calentarla debido a que esta
transición es endotérmica.
La Tg observada en cada uno de los materiales varía dependiendo de la
concentración relativa de las redes (tabla 5). El hecho de que se observen 2
transiciones en cada uno de los análisis confirma que se formaron los dos materiales
entrecruzados dentro del material. De la misma manera, al no observar otro tipo de
transición en el último ciclo de los termogramas indica que los materiales son
amorfos, a su vez se descarta la hipótesis de una posible copolimerización de las
redes durante la síntesis.
La figura 24 muestra los análisis de DSC correspondientes a las redes que
componen los materiales por separado donde se observa la Tg de Q0H100 y
Q100H0 a 98oC y 155oC respectivamente. Según Vargün (Varg\ n, 2007) la Tg del
pHEMA se encuentra alrededor de 88oC indicando que el desplazamiento
observado en la Tg del material sintetizado en este proyecto es debido al
entrecruzamiento del Q0H100. De la misma manera, el movimiento de la Tg del
material entrecruzado Qui-Glut puede deberse al mismo fenómeno.
Figura 24. Termograma de las redes que componen los materiales por separado.: A. Q0H100 y B. Q100H0.
55
Se observaron señales pronunciadas en algunos de los termogramas durante el
segundo ciclo del análisis, pero cuando el último ciclo es realizado, dichas señales
desaparecen. Este comportamiento se puede deber a posibles curaciones
(entrecruzamientos) dentro de los materiales y corresponden al historial térmico de
los mismos (Figura 25). Este comportamiento se podría explicar debido al corto
proceso de lavado de los materiales, ya que es posible que reactivos sin reaccionar
dentro de sus redes, junto con altas temperaturas, produjeran estas señales debidas
a entrecruzamientos posteriores.
Figura 25. Comparación de los ciclos 2 y 3 de los análisis de DSC del material Q40H60.
Se han reportado señales durante el análisis de DSC de pHEMA a una temperatura
de alrededor de 135oC atribuidas a un entrecruzamiento dentro de la red (Varg\ n,
2007). A su vez, las señales observadas después de 150ºC son atribuidas a
entrecruzamientos del quitosano ya que el termograma de dicho material (Q100H0)
presenta esta misma señal.
En estudios anteriores se ha reportado que la Tg del quitosano es poco visible
debido a la rigidez de sus cadenas, así como a su vez muchos la han reportado en
rangos tan variables como desde 50ºC hasta 200ºC (Acharyulu, 2013; Lee, 1999;
Rinaudo, 2006; Rohindra, 2004).
56
Según Acharyulu (Acharyulu, 2013) la Tg de quitosano lineal se observa a 200ºC,
pero cuando este es entrecruzado con glutaraldehído se observa que la Tg baja a
168ºC, apoyando la idea de que la leve transición observada corresponde a la Tg
de la red de quitosano entrecruzada.
Se observó que la Tg correspondiente a Q0H100 en los materiales interpenetrados
varió entre 85ºC hasta 94ºC, posiblemente debido a la interpenetración de los
materiales y a su grado de entrecruzamiento. A su vez se observa una disminución
del valor de Tg a medida que la concentración de quitosano aumenta, esto implica
interacciones moleculares más fuerte en los materiales producida entre las redes
posiblemente por medio de enlaces de hidrogeno, fuerzas de Van der Waals,
interacciones dipolo-dipolo, etc.
Figura 26. Termogramas de todos los materiales sintetizados.
57
Tabla 5. Temperaturas de transición vítrea de los materiales. Tg1 y Tg2 corresponden a las temperaturas de transición vítrea aportadas por el Q0H100 y Q100H0 respectivamente.
Tg1 (oC ± 1) Tg2 (oC ± 1) ∆Cp1 (J/g oC) ∆Cp2 (J/g oC)
Q0H100 98 N.A 0,52 N.A
Q30H70 91 140 0,55 1,03
Q40H60 94 152 0,54 0,93
Q50H50 93 164 0,49 0,60
Q60H40 84 166 0,50 0,51
Q70H40 84 166 0,50 0,51
Q100H0 N.A 155 N.A 0,68
La capacidad calorífica específica es la cantidad de calor que hay que suministrar a
un material para elevar su temperatura en una unidad (figura 26 y tabla 5). Cuando
se calienta un polímero amorfo hasta su Tg, la temperatura se eleva a una velocidad
la cual esta dictada por la capacidad calorífica del polímero. Pero cuando se alcanza
la Tg, la temperatura sigue subiendo ya que la transición vítrea no tiene calor latente
(temperatura necesaria para cambiar de estado a una sustancia) y por tanto es
considerada como una transición de segundo orden(Lampman & Internationa,
2003). Por encima de la Tg el polímero no se calienta a la misma velocidad que lo
hacía antes de experimentar esta transición, ya que ocurre un incremento en la
capacidad calorífica del mismo (Naverrete, Grau, Boix, & maupoey, 1998).
La capacidad calorífica específica surge de los diversos grados de libertad con los
que las cadenas del polímero pueden interactuar a medida de que se eleva la
temperatura del sistema. Las contribuciones por parte del polímero a esta capacidad
incluyen: las vibraciones de la red, vibraciones de baja frecuencia de grupos
funcionales y contribuciones macroscópicas de defectos como los agujeros o
deformaciones en la superficie (Lampman & Internationa, 2003). Debido a los
58
muchos tipos diferentes de contribuciones y la fuerte dependencia de la
microestructura en los polímeros en la historia térmica, obtener un valor discreto
para esta es extremadamente complejo y no muy exacto.
Esta diferencia da como resultado una transición más marcada, donde los extremos
se observan con mayor claridad, por tanto la capacidad calorífica especifica variará
a medida que estos límites cambien. El cálculo del cambio en la capacidad calorífica
se hace por medio de la diferencia entre el flujo de calor antes y después de que
ocurre la transición vítrea, y si esta diferencia es menor, u ocurre de manera más
marcada y rápida, la capacidad calorífica será menor.
De lo observado en los resultados obtenidos, la capacidad calorífica específica
presenta una relación directa con respecto a la concentración de quitosano en la
composición de los materiales. Esto puede deberse a un aumento de la misma por
la rigidez de las cadenas del quitosano. Debido a la rigidez de las cadenas de
polímero, el calor absorbido para que la temperatura varíe un grado deber ser
mayor.
Por otro lado, la interpenetración de los materiales presenta un mayor efecto sobre
la misma. Esto podría explicarse por el movimiento limitado de las cadenas, tanto
de pHEMA como de quitosano, dentro de los materiales. Por tanto un aumento en
su capacidad calorífica.
Este comportamiento se podría explicar mediante las posibles interacciones que se
dan entre las redes en los materiales. De la misma forma como se afecta el valor de
la Tg, el valor de la capacidad calorífica variará con respecto a la flexibilidad de las
cadenas, la estructura molecular, la masa molar, y las ramificaciones o
entrecruzamientos que el polímero tenga presente en su estructura.
La variación de los valores de Tg también podría deberse a una posible
copolimerización durante el proceso de síntesis de los materiales. Sadeghi reporta
una copolimerización del HEMA con el quitosano por medio de radicales libres en
el alcohol primario presente en su estructura (Sadeghi, 2010). El radical libre es
formado por medio del uso de una sal de azufre la cual se descompone por medio
de temperatura. Este mismo fenómeno ha sido observado por varios autores (Blair,
1987; Ding, 2003; Nurkeeva, 1991). Pero en este caso, se observó un valor único
de Tg, por lo cual esta hipótesis puede ser descartada.
En el estado amorfo, la distribución de las cadenas poliméricas en la matriz es
completamente aleatoria, la cual no tiene ninguna de las estructuras impuestas por
59
el ordenamiento encontrado dentro de un cristal de un polímero cristalino(Cowie &
Arrighi, 2008). En consecuencia, como el movimiento molecular en un polímero
amorfo aumenta, la muestra pasa de un estado vítreo a través de un estado gomoso
hasta que finalmente se convierta en fundido. Estas transiciones conducen a
cambios en las propiedades físicas y de aplicación de material, lo cual es importante
para examinar los cambios físicos dentro de un polímero amorfo como resultado de
variaciones en el movimiento molecular (Cowie & Arrighi, 2008).
El valor de la Tg depende en gran medida de la cantidad de energía térmica
requerida para mantener las cadenas poliméricas en movimiento, por tanto los
factores que influyen sobre la rotación de las cadenas también afectan el valor de
Tg (Cowie & Arrighi, 2008). Estos incluyen la flexibilidad de las cadenas, la
estructura molecular (efectos estéricos), la masa molar, y las ramificaciones y
entrecruzamientos del polímero. De esto se concluye que el entrecruzamiento y la
flexibilidad de las cadenas son los factores que han afectado y causado el
desplazamiento del valor de la Tg de los materiales.
Como se mencionó, las capacidades caloríficas específicas de los polímeros
incrementan con la temperatura pero cuando llegan a la Tg, esta aumenta
positivamente en un corto periodo de tiempo (Lampman & Internationa, 2003). Este
salto es debido a que cuando el polímero supera dicha transición, el calor
administrado es absorbido para mantener el movimiento del mismo. Por tanto, será
necesario administrarle más calor para aumentar la temperatura un grado.
Se ha propuesto que este cambio en la capacidad calorífica en la Tg es constante
y corresponde a 2,75 cal / mol*cadena*K (Cowie & Arrighi, 2008; Lampman &
Internationa, 2003). Las capacidades caloríficas específicas de los polímeros
generalmente varían desde 1250 hasta 25010 J / Kg.K o 0,3 a 0,6 Cal / g C a
temperatura ambiente (Lampman & Internationa, 2003; Naverrete, Grau, Boix, &
maupoey, 1998).
60
7.5 Pruebas reológicas.
7.5.1 Análisis de fluencia y recuperación
Se realizó un análisis de fluencia y recuperación para todos los materiales
sintetizados. En este tipo de experimentos, una torsión constante es aplicada a la
muestra y la deformación resultante se mide en función del tiempo. De estas
pruebas, las cuales se muestran en la Fig. 27, el hidrogel Q30H70 muestra un
comportamiento viscoelástico, el cual es común para los polímeros amorfos. La
fluencia del material se observa hasta completar 300 segundos cuando la presión
ejercida al material es liberada.
Comparando los resultados obtenidos con los controles Q0H100 y Q100H0 se
observa que a medida que aumenta la concentración de pHEMA en la compasión
de cada uno de los materiales, la viscosidad residual de los materiales disminuye.
Esto quiere decir que el material fluye más fácilmente a medida que la presión es
ejercida y por tanto se deforma más sin sufrir daños.
En la recuperación se observa un decaimiento en respuesta a la elasticidad del
material. Por otro lado, los demás materiales (Q40H60, Q50H50, Q60H40 y
Q70H30) exhiben un comportamiento predominantemente viscoso, en el cual una
recuperación por fuerzas elásticas residuales no es observable. Para los controles,
se observa que el decaimiento es más pronunciado para el caso Q0H100 el cual
presenta la mejor recuperación elástica de todos los materiales.
61
Figura 27. Análisis de creep-recovery para las 5 composiciones de los hidrogeles:
Q30H70 (∇); Q40H60 (Δ); Q50H50 (X); Q60H40 (◊); Q70H40 (□), Q100H0 (o) y Q0H100 (□). La ordenada derecha corresponde a la gráfica de Q0H100.
Los datos de creep se analizaron de acuerdo con el modelo de Burger (ecuación
(7)) que consta de una unidad de Maxwell y una unidad de Kelvin-Voigt (Casanovas,
2007; Valderruten, 2014).
J(t) =1
G0+
t
ƞ0+
1
G1[1 − exp (
−tG1
ƞ1)] (7)
J(t) representa la complianza general en cualquier tiempo t, G0 es el módulo elástico
instantáneo de la unidad de Maxwell, y G1 es el módulo elástico de la unidad de
Kelvin-Voigt (Valderruten, 2014). Esta última representa las contribuciones de la
región elástica a la complianza total. El amortiguador del elemento de Maxwell
representa la viscosidad residual, ƞ0, y el amortiguador asociado con Kelvin-Voigt
se llama la viscosidad interna ƞ1. Por otra parte, la región de viscoelasticidad lineal
se ajusta a la ecuación (8) (Casanovas, 2007), y, cuando se alcanza un estado de
equilibrio, en la mayoría de los casos el comportamiento reduce a la ecuación (9).
La Ecuación 9 se utiliza para determinar la deformación por el creep en estado
estacionario (Casanovas, 2007; Valderruten, 2014).
62
J(t) = J0e +
t
ƞ0 (8)
J0e =
1
G0+
1
G1 (9)
Los valores experimentales de J (Pa-1) en el proceso de recuperación (recovery) se
ajustaron con la siguiente ecuación:
J(t) = J∞ + Jkvexp (−Btc) (10)
Donde B y C son parámetros que definen la tasa de recuperación del sistema, J∞
es la complianza residual, Jkv es la complianza máxima del elemento Kelvin-Voigt, y
t es el tiempo. Esta ecuación (ecuación (10)) se cumple con las siguientes
condiciones:
1) Cuando t→0, J(t) es igual a J∞ + Jkv, que corresponde a la deformación
máxima de los amortiguadores en el modelo de Burger con recuperación
instantánea.
2) Para t→∞, J(t) es igual a J∞ , que proporciona la deformación residual del
sistema correspondiente al desplazamiento irreversible del amortiguador de
Maxwell.
Adicionalmente, la deformación del resorte de la Maxwell, o J0e , se obtiene mediante
el uso de la ecuación. (11), donde Jmaxes la deformación máxima correspondiente al
valor de complianza experimental para el tiempo más largo (300 s).
J0e = Jmax + (J∞ + Jkv) (11)
Por último, es posible calcularlos porcentajes de deformación (S%) y de
recuperación (R%) de cada elemento del modelo de Burger utilizando las siguientes
expresiones:
63
S = (Jelemento
Jmax⁄ ) ∗ 100 (12)
R = ([Jmax − J∞]
Jmax⁄ ) ∗ 100 (13)
Tabla 6. Viscosidad residual (ƞo) y valores de complianza (Joe, Jmax, J∞, Jkv) para los diferentes IPNs sintetizados.
ƞo
(106 Pa.s)
Joe
(10-5 Pa-1)
Jmax
(10-5 Pa-1)
J∞
(10-5 Pa-1)
Jkv
(10-5 Pa-1)
Q0H100 0,0145 170 1289,3 1250,02 130,72
Q30H70 0,11 7,76 249,00 138,00 103,24
Q40H60 0,18 5,72 145,00 128,00 11,28
Q50H50 0,25 3,90 104,00 92,40 7,70
Q60H40 1,15 1,85 23,30 19,10 2,35
Q70H40 1,12 1,83 22,80 18,60 2,37
Q100H0 1,73 1,00 8,62 6,11 1,51
64
Tabla 7. Porcentajes de deformación (S%) y recuperación (R%) para cada elemento de complianza de los diferentes IPNs sintetizados.
Materiales Deformación, S (%)
Recuperación, R (%)
Joe / Jmax J∞ /Jmax Jkv / Jmax
Q0H100 13,2 34,5 52,3 65,5
Q30H70 3,1 55,4 41,5 44,6
Q40H60 3,9 88,3 7,8 11,7
Q50H50 3,7 88,8 7,4 11,2
Q60H40 7,9 82,0 10,1 18,0
Q70H30 8,0 81,6 10,4 18,4
Q100H0 35,3 80,9 64,4 19,1
La fluencia puede ser definida como un aumento progresivo en la deformación
observada durante un período de tiempo, en un polímero que somete a una tensión
constante. La magnitud del incremento de deformación aumenta con el incremento
del esfuerzo aplicado y de la temperatura (Cowie & Arrighi, 2008).
La temperatura a la cual tiene lugar la deformación plástica de un material polimérico
es también factor importante para la determinación de la velocidad de fluencia
(Lampman & Internationa, 2003). A temperaturas por debajo de la Tg, la velocidad
es relativamente baja debido a la movilidad restringida de las cadenas del polímero.
Por el contrario, arriba de la Tg, los polímeros se deforman con más facilidad por
una combinación de deformación elástica y plástica (Cowie & Arrighi, 2008). Los
análisis se llevaron a cabo a temperatura ambiente (25oC), por tanto la movilidad de
las cadenas del polímero es limitado, produciendo una disminución de la fluencia de
los materiales. Esto es debido a que se está trabajando por debajo de la transición
65
vítrea de los materiales, lo cual limitara su movilidad porque el material presentara
de forma predominante su estado cristalino.
Estos resultados muestran que la viscosidad residual (ƞo) para el hidrogel Q30H70
es menor que para los otros materiales IPNs, lo cual indica una menor resistencia a
la deformación. Este hidrogel se deforma y fluye fácilmente cuando se aplica tensión
a la muestra. El hidrogel se recupera solo el 44,6% de su forma inicial en
comparación con el hidrogel de Q0H100, el cual se deforma el 65,5%. Esto es
debido a que la deformación en el amortiguador de Maxwell es irreversible
(Casanovas, 2007), pero en comparación, este es el que presenta el mayor valor de
recuperación, indicando una elasticidad mayor (Casanovas, 2007).
El comportamiento de tipo viscoelástico de esta composición (Q30H70) sugiere el
alargamiento y el reordenamiento de las cadenas tanto de pHEMA como de
quitosano a medida que la presión es ejercida, esto a su vez muestra una posible
ruptura del entrecruzamiento de las redes y posterior reordenamiento de las
mismas. Por tanto los materiales que no se encuentran entrecruzados serán los
materiales que presenten una mayor viscoelasticidad en comparación con los
materiales entrecruzados.
Por otro lado, se observa un aumento en la recuperación de los materiales después
de que se sube la concentración de quitosano al 60% y el que presenta una menor
recuperación corresponden a la composición Q50H50, donde su porcentaje de
recuperación es del 11,2%. Este comportamiento se puede atribuir a la rigidez del
quitosano y a la concentración relativa de las redes, donde el efecto del quitosano
predomina sobre la recuperación del material. A su vez, debido a la interpenetración
de este material, los grados de libertad de ambas redes se reducen, por tanto es
posible que la movilidad se vea limitada.
Según Gartner (Gartner, 2010) la rigidez de las cadenas de quitosano depende
principalmente del contenido de grupos acetilo y del peso molecular del mismo. De
la misma manera mencionan que debido a la combinación de los efectos estéricos
de los grupos acetilo y la repulsión debida a los grupos amino protonados la rigidez
de las cadenas aumenta (Gartner, 2010).
Cabe mencionar que las propiedades mecánicas de los materiales se ven afectadas
en gran medida por la incorporación de pHEMA a la red de quitosano, solamente
cuando la concentración de pHEMA en sus redes es del 70% observándose un
aumento significativo en la elasticidad del material. Además, la similitud en los
valores de deformación y de recuperación observados en los materiales Q60H40 y
66
Q70H30 indica que no hay una diferencia significativa en las propiedades
mecánicas de dos composiciones, este mismo comportamiento se observó en los
análisis térmicos.
7.5.2 Relajación de esfuerzos.
La aplicación de un esfuerzo constante conduce al correspondiente proceso de
relajación de tensión. La causa de la relajación de esfuerzos es que se induce el
flujo viscoso en la estructura interna del material polimérico debido a que las
cadenas se deslizan lentamente entre sí por la ruptura y deformación de los enlaces
secundarios ente las cadenas, y porque mecánicamente se “desenredan” y
retroceden (Cowie & Arrighi, 2008; Lampman & Internationa, 2003).
Figura 28. Análisis de relajación de la tensión en deformaciones de 5% para los
materiales interpenetrados: Q30H70 (∇); Q40H60 (Δ); Q50H50 (X); Q60H40 (◊); Q70H40 (□).
La figura 28 muestra los resultados de los ensayos de relajación de esfuerzos. Se
evidencia que el módulo de cizalla (G) disminuye gradualmente a medida que pasa
el tiempo cuando la deformación constante de 5% se mantiene. Esto indica que el
componente elástico de los materiales se desgasta con el tiempo (Valderruten,
2014).
67
Además, se observa que los valores del módulo de cizalla disminuyen a medida que
la concentración de quitosano en la composición de los materiales aumenta. Esto
es debido a la rigidez aportada por parte del quitosano a los materiales donde el
reordenamiento de las cadenas poliméricas está limitado por la rigidez y la
interpenetración de los materiales. A su vez cabe mencionar que a medida que
aumenta la contracción de pHEMA en los materiales, el decaimiento en el valor del
módulo de cizalla disminuye, indicando una mayor fluidez y elasticidad.
Como se mencionó anteriormente, la composición Q30H70 presento le mayor valor
de cizalla, indicando una elasticidad mayor en comparación a los otros materiales.
Esto da peso a lo discutido anteriormente donde se menciona que las propiedades
del quitosano predominan sobre las de la pHEMA.
El decaimiento en el módulo también podría ser debido a la generación de
microfisuras en los materiales debida a la presión ejercida, esto indica rigidez del
material y poca fluidez de los mismos. También cabe resaltar que debido a que se
trabaja debajo de su transición vítrea, los polímeros presentaran una estructura
predominantemente cristalina, lo cual limitara su fluidez.
La relajación de esfuerzos permite que el material alcance un estado de menor
energía espontáneamente si hay suficiente energía de activación para que el
proceso se presente, la cual en este caso, se trata de la presión ejercida durante el
experimento. Esta presión constante aporta energía suficiente para que este
proceso ocurra.
En el caso del Q100H0 (figura 29) se ve un decaimiento más pronunciado en
comparación con el resto de los materiales, esto es debido a que la rigidez
estructural del quitosano no permite el reordenamiento de las cadenas para poder
soportar la presión ejercida a diferencia del Q0H100 donde se observa una línea
recta, indicando una fluidez mayor de sus cadenas para acomodarse a la presión.
Este movimiento de cadenas del polímero afecta las propiedades mecánicas del
mismo debido a rupturas de los enlaces covalentes dentro de las redes.
68
Figura 29. Grafica de relajación de esfuerzos correspondiente a los controles
Q100H0 y Q0H100. La ordenada del lado derecho corresponde a la escala de
control Q0H100.
7.6 Experimentos de liberación controlada.
Teniendo en cuenta las propiedades observadas de cada uno de los materiales
interpenetrados obtenidos en este proyecto se puede llegar a la idea de que el uso
del material Q30H70 puede presentar mayor potencial como matriz de liberación
controlada como sistema implantables transdérmico. Este combina la flexibilidad
provista por la red de pHEMA y la biocompatibilidad y pH-sensibilidad del quitosano.
Este sería especialmente útil cargándolo con un analgésico donde la liberación sea
constante durante el tiempo y que no presente efectos secundarios en el sitio
implantado.
Se ha reportado que en este tipo de sistemas con quitosano, un mecanismo de
cinética bifásica de liberación se observó (Rohindra, 2004) donde se menciona una
liberación inicial rápida causada principalmente de la disolución del fármaco no
encapsulado de la superficie del hidrogel, seguido por una velocidad de liberación
mucho más lenta la cual está dictada por la velocidad de hinchamiento de la matriz
polimérica y la difusión simultánea del fármaco desde el interior del mismo.
69
La velocidad de liberación disminuye con un aumento en la densidad de
entrecruzamiento de la matriz. Se sabe que, como la concentración del
entrecruzante disminuye, el grado de entrecruzamiento del polímero y la densidad
de la red polimérica también disminuye. En consecuencia, como el espacio libre
disponible para la difusión del fármaco aumenta, la tasa de liberación del fármaco
también debería aumentar.
La rigidez de las cadenas del polímero también juega un papel importante en la
liberación del fármaco dentro de la matriz. En el caso del quitosano, el cual presenta
una rigidez mayor en sus cadenas que la de la pHEMA, la liberación es más lenta y
por tanto más prolongada. Este tipo de materiales seria de especial utilidad donde
la dosificación del fármaco presenta un margen terapéutico estrecho. En este tipo
de liberaciones, los materiales Q60H40 y Q70H30 tendrían esta ventaja en
comparación al resto.
La liberación de fármacos dirigida por sistemas controlados por difusión presentan
dos configuraciones básicas: de membrana y de matriz (Arredondo, 2009). Un
sistema de membrana es un fármaco que está rodeado de un polímero en forma de
película, mientras que en un sistema de matriz, el fármaco está distribuido
uniformemente dentro de un polímero solido tridimensional. En este proyecto se
sintetizaron materiales en forma de cilindro, el cual se ajusta de forma más
adecuada a una configuración de matriz.
En estos sistemas (matriciales) el compuesto activo se encuentra distribuido de
forma uniforme dentro del polímero. El fármaco puede encontrarse disuelto en la
matriz polimérica o disperso dentro de él, si su contenido es mayor que el límite de
solubilidad del mismo.
La modelación de liberación del fármaco desde polímeros hinchados, descrito por
Peppas mostró que el espesor de la matriz polimérica y el coeficiente de difusión
tanto del agua como del fármaco juegan un papel importante. Otro factor que afecta
este comportamiento es la respuesta visco elástica del polímero (Peppas, 1983)
La ecuación 14 muestra la influencia de estas variables de esta ecuación se deduce
que hay una influencia muy marcada en pequeños cambios en el espesor de la
matriz.
∂c3/ ∂t = ∂/ ∂x{𝐷3,2 ∗∂c3
∂x} (14)
70
Esta ecuación representa la liberación de un fármaco desde polímeros hinchados la
cual corresponde a un modelo de difusión fickiano, introduciendo un
comportamiento no fickiano a través del término C3, que representa el factor de
dependencia a la concentración, por parte del fármaco.
Para estudiar la liberación controlada de un fármaco a partir de los materiales se
propone el uso de compuestos polares y que sean fácilmente cuantificables. Estas
condiciones son indispensables para poder cargar el fármaco dentro del material
debido a la diferencia de polaridades dentro y fuera del polímero a su vez de seguir
la liberación a medida que pasa el tiempo. En estos sistemas el grado de
hinchamiento (y por tanto la cantidad de fármaco liberado) depende del balance
hidrófilo/hidrófobo de la matriz polimérica y del grado de entrecruzamiento que ella
presente.
Uno de estos fármacos podría ser el acetaminofén. Este compuesto se podría
disolver en soluciones buffers y colocar el xerogel del material escogido dentro de
esta solución hasta que alcance un equilibrio en el hinchamiento. La entrada del
fármaco dentro del material estará favorecida por las fuerzas osmóticas generadas
por la separación de las redes del material así como la polaridad del mismo.
El seguimiento de la liberación se puede realizar por medio de espectrofotometría
untravioleta ya que este fármaco presenta un anillo aromático en su estructura. La
radiación UV es absorbida por los electrones de valencia de este grupo los cuales
pasaran a su estado excitado.
Figura 30. Liberación de fármacos a partir de hidrogeles.
71
8. CONCLUSIONES.
La síntesis de una red polimérica interpenetrada de quitosano y pHEMA se llevó a
cabo de forma satisfactoria por medio de la polimerización de las redes en
simultáneo. De esta forma se logró sintetizar las distintas composiciones de los 5
materiales propuestos.
En la caracterización de las redes por medio de espectroscopia infrarroja (FT-IR) se
observó una disminución de la intensidad de las bandas características de la red de
pHEMA a medida que la concentración de quitosano aumenta.
A su vez, se observa una disminución de grupos amino libres de quitosano y
aumenta la formación de enlaces imina (1655 cm-1N=C) después de una reacción
de schiff indicando la formación del entrecruzamiento del quitosano por parte del
glutaraldehido. De la misma forma la banda de estiramiento de alquenos conjugados
(C=C) con un grupo carbonilo, la cual se muestra alrededor de 1650-1600 cm-1se
encuentra con una intensidad muy pequeña en el espectro de pHEMA lo cual nos
indica la formación del polímero. De esto se puede concluir que el entrecruzamiento
y la formación de los polímero si se llevó a cabo.
Los estudios cinéticos de hinchamiento de los materiales sintetizados a diferentes
pH se ajustaron a una cinética de segundo orden, donde el grado de hinchamiento
máximo en el equilibrio (W∞) aumentó a medida que la concentración de quitosano
aumento en su composición. En los pH 7,5 y 9, se observa un decaimiento del
hinchamiento, el cual es atribuido a la red de pHEMA debido a un
sobrehinchamiento reportado en estudios anteriores, donde se observa un pico de
hinchamiento hasta un máximo, luego ocurre una relajación de la red polimérica lo
cual producirá una pérdida de solvente hasta que el material llegue a un equilibrio
osmótico.
La caracterización térmica por DSC muestra que los materiales obtenidos presentan
dos transiciones vítreas, lo que indica que los materiales son completamente
amorfos y que un posible proceso de copolimerización durante la síntesis de los
materiales no se llevó a cabo. Por otro lado, la variación de los valores de Tg se
atribuye a todas las interacciones presentes dentro de los materiales, donde tanto
el grado de entrecruzamiento como los efectos estéricos entran en juego.
72
En la caracterización reológica de los materiales se observó que hay una clara
dependencia de la concentración de pHEMA en la viscoelasticidad de los materiales
donde a medida que la red de pHEMA se encuentra en mayor proporción, la fluidez
de los materiales aumenta. A su vez, se observó que los materiales son más
viscosos que elásticos ya que la recuperación de la deformación fue en todos los
casos menores al 50%.
De la misma manera, se observó que las propiedades mecánicas del quitosano
predominan sobre las de la pHEMA, por lo menos en la recuperación de las mismas,
debida a la rigidez de las cadenas. Un aumento significativo en la elasticidad de los
materiales solamente se observó cuando la concentración de pHEMA en la
composición del material fue 70%.
73
9. RECOMENDACIONES.
Se podrían cambiar las condiciones de síntesis para garantizar la formación de las
os redes por separado. Por ejemplo, cambiar la síntesis de simultánea a secuencial
para observar si el orden de la reacción afecta las propiedades del material.
También se podría cambiar el entrecruzante para ambos polímeros, con esto se
generarían nuevos proyectos de investigación para determinar cuál de las distintas
combinaciones tiene un mayor efecto sobre las características del polímero.
Por otro lado, el lavado de los materiales debería ser llevado a cabo por lo menos
una semana para garantizar que el exceso de reactivo no reaccionado dentro del
material sea expulsado en su totalidad. Para esto se podría proponer un lavado por
etapas, donde después de cortado los materiales se laven por un corto tiempo, se
sequen y se procedan a lavar nuevamente. Con el secado se garantiza que el
material no se volverá a hinchar como lo hizo en un principio y no se fracturara. Este
proceso se podría llevar a cabo por lo menos 3 veces.
También realizar un estudio de hinchamiento donde el mismo material se someta a
distintos pHs en intervalos de tiempo diferentes sería interesante. Por ejemplo
empezar el hinchamiento en pH 3 y a los 10 minutos de hinchado se coloca el
hidrogel en una solución de pH 9. Con esto se podría estudiar como el material
responde a cambios repentinos en las condiciones de hinchamiento. Esto se
realizaría pensando una posible aplicación de los materiales sintetizados en su uso
como dispositivo de administración de fármacos por vía oral, donde las condiciones
de pH cambian a medida que pasa a través del organismo.
Realizar análisis térmicos y espectroscópicos más exhaustivos a los materiales
presentaría pruebas más contundentes para descartar la hipótesis de una posible
copolimerización de las redes. Espectroscopia Raman, TGA, DMA, entre otros,
podrían dar luz sobre esta cuestión.
A su vez, para determinar si las propiedades de los materiales cambian después de
llevar a cabo los entrecruzamientos observados en los termogramas, se podría
proponer llevar estos materiales a temperaturas por encima de 160oC durante 24
horas. Luego realizar nuevas pruebas reológicas y comparar los resultados antes y
después del calentamiento.
74
Por último, realizar análisis reológicos más exhaustivos a estos materiales
(compresión, oscilatorias, etc…) ayudaran a determinar en mayor medida que
material expresa las mejores propiedades mecánicas.
Con respecto a la liberación controlada de fármacos, se podría plantear el uso de
soluciones donde el fármaco este diluido y colocar los xerogeles a cargar en el
mismo hasta alcanzar un equilibrio en el hinchamiento. El fármaco tiene que ser
polar para que la carga sea efectiva. Por medio de seguimiento en la liberación del
fármaco ya sea por espectrometría ultravioleta o por HPLC se puede determinar
cuál es la cinética de liberación de los materiales.
75
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80
81
11. ANEXOS
Esquema 1. Mecanismo de polimerización de HEMA por radicales libres.
82
83
Esquema 3. Mecanismo de entrecruzamiento del glutaraldehido con la red de
quitosano.
84
Anexo 4. Definición de área bajo la curva por medio del uso de una integral.
Se considera una función f definida en el intervalo cerrado [a,b] (R.E. Larson, 1995).
Una partición P de dicho intervalo es un conjunto de números {xo, x1, x2,…., xn} tales
que
a = x0 < x1 < x2 <…< xn-1 <xn = b
Si Δxi es la anchura del i-ésimo subintervalo [x i-1, xi], es decir Δxi = xi – x i-1, entonces
se define la norma de P, y se denota por llPll, como la longitud del subintervalo mas
grande. En otras palabras,
llPll = máx. {Δxi} = máx. {x1, x2,…., xn}
Si ci es cualquier punto del subintervalo i-ésimo, entonces la suma (R.E. Larson,
1995)
∑ 𝑓(𝑐𝑖)𝛥𝑥𝑖 𝑥 𝑖 − 1 < ci < 𝑥𝑖
𝑛
𝑖=1
Se llama suma de Riemann de la función f asociada a la partición P. Entre todos los
posibles valores de ci, se puede destacar lo siguiente:
(1) ci=mi para todo i, donde f(mi) es el valor mínimo de f en el i-ésimo
subintervalo (Stewart, 1994). Entonces la suma de Riemann
𝑠(𝑓, 𝑃) = ∑ 𝑓(𝑚𝑖)𝛥𝑥𝑖
𝑛
𝑖=1
Se denomina suma inferior a P
(2) ci=Mi para todo i, donde f(Mi) es el valor máximo de f en el i-ésimo
subintervalo (Stewart, 1994). Entonces la suma de Riemann
𝑠(𝑓, 𝑃) = ∑ 𝑓(𝑀𝑖)𝛥𝑥𝑖
𝑛
𝑖=1
Una función f definida en [a, b] se dice integrable en [a, b] si existe el limite de las
sumas de Riemann de f (cuando la norma de p tiende a 0) y se denota de la siguiente
manera:
85
lim𝑙𝑙𝑃𝑙𝑙−0
∑ 𝑓(𝑚𝑖)𝛥𝑥𝑖
𝑛
𝑖=1
= ∫ 𝑓(𝑥)𝑑𝑥𝑏
𝑎
Por tanto la relación entre el área de una región y el concepto de integral definida
queda reflejada en la siguiente frase: Si f es continua y no negativa en un intervalo
cerrado [a, b], entonces el área de la región limitada por f, el eje x y las líneas
verticales x=a y a=b viene dada por (R.E. Larson, 1995) (Stewart, 1994)
á𝑟𝑒𝑎 = ∫ 𝑓(𝑥)𝑑𝑥𝑏
𝑎
Para el comportamiento experimental se hallaron las funciones que describen el
comportamiento del hinchamiento de los materiales interpenetrados como se
describen a continuación:
pH5 pH 7,5 pH 9
Q30H70 y = 7,3948ln(x) + 1,4021 y = 5,8891ln(x) + 2,9219 y = 6,8055ln(x) + 8,0762
Q40H60 y = 7,0467ln(x) + 9,4982 y = 5,7821ln(x) + 6,6634 y = 7,9844ln(x) + 6,4577
Q50H50 y = 8,3446ln(x) + 2,7353 y = 6,3262ln(x) + 3,5713 y = 7,2608ln(x) + 11,067
Q60H40 y = 7,236ln(x) + 14,754 y = 5,448ln(x) + 12,361 y = 5,2453ln(x) + 27,409
Q70H30 y = 10,196ln(x) + 3,1083 y = 5,6267ln(x) + 8,8171 y = 5,8924ln(x) + 25,5
De lo anterior, las funciones obtenidas presentan un comportamiento similar al
comportamiento del hinchamiento de los materiales interpenetrados en el intervalo
entre 0 y 400 minutos. Dado que el experimento se llevó a cabo entre 0 y 600 se
determinó hallar el área bajo la curva por el método de los trapecios, donde el área
total nos dará una referencia de la diferencia del comportamiento del hinchamiento
en el estudio.
Anexo 5. Valores promedio de las áreas bajo la curva de los materiales
interpenetrados por medio del uso del método de los trapecios.
pH 5 pH 7,5 pH 9
Material Área
promedio Material
Área promedio
Material Área
promedio
Q30H70 23958,69 Q30H70 20102,39 Q30H70 25934,6
Q40H60 27696,06 Q40H60 21889,07 Q40H60 28552,3
Q50H50 27809,38 Q50H50 21787,13 Q50H50 28953,29
Q60H40 31421,34 Q60H40 23098,94 Q60H40 32074,03
Q70H30 34056,87 Q70H30 24123,09 Q70H30 33041,93
86
Anexo 6. Análisis de varianza para la comparación de los materiales
interpenetrados (IPNs).
Se realizaron los análisis de varianza para pH estudiado en este proyecto por medio
del programa Microsoft Excel siguiendo lo planteado en la figura 8, y se obtuvieron
los siguientes resultados:
Para la comparación del hinchamiento de los materiales en pH 5:
Modelo lineal general: Comparación de medias (área total bajo la curva Vs.
Material)
Grupos Cuenta Suma Promedio Varianza
Q30H70 3 71876,06 23958,6867 9071,5183
Q40H60 3 83088,17 27696,0575 495842,33
Q50H50 3 83428,14 27809,3807 761180,24
Q60H40 3 94264,03 31421,3429 176729,19
Q70H30 3 102170,6 34056,8673 170041,82
ANÁLISIS DE VARIANZA
Origen de las
variaciones
Suma de cuadrados
Grados de libertad
Promedio de los
cuadrados F Probabilidad
Valor crítico para F
Entre grupos 1,8E+08 4 44975117,4 139,42616 1,0026E-08 3,478049691
Dentro de los grupos 3225730 10 322573,02
Total 1,83E+08 14
Como F>F critico entonces se dice que al menos una de las medias estudiadas es
diferente.
A continuación se muestra las tablas con la comparación de los materiales por
medio de pruebas t de student pare determinar la igualdad o diferencia entre las
media.
87
88
89
90
Para la comparación del hinchamiento de los materiales en pH 7,5:
Modelo lineal general: Comparación de medias (área total bajo la curva Vs.
Material)
ANÁLISIS DE VARIANZA
Origen de las
variaciones
Suma de cuadrados
Grados de libertad
Promedio de los
cuadrados F Probabilidad
Valor crítico para F
Entre grupos 27520450,9 4 6880112,72 24,8588641 3,5315E-05 3,47804969
Dentro de los grupos
2767669,79 10 276766,979
Total 30288120,7 14
Como F>F critico entonces se dice que al menos una de las medias estudiadas
es diferente.
A continuación se muestra las tablas con la comparación de los materiales por
medio de pruebas t de student pare determinar la igualdad o diferencia entre
las media.
Grupos Cuenta Suma Promedio Varianza
Q30H70 3 60307,175 20102,3917 136573,548
Q40H60 3 65667,2 21889,0667 95327,6515
Q50H50 3 65361,375 21787,125 215452,527
Q60H40 3 69296,825 23098,9417 369678,76
Q70H30 3 72369,275 24123,0917 566802,408
91
92
93
94
Para la comparación del hinchamiento de los materiales en pH 9:
Modelo lineal general: Comparación de medias (área total bajo la curva Vs.
Material)
Grupos Cuenta Suma Promedio Varianza
Q30H70 3 77803,792 25934,5973 8088,84546
Q40H60 3 85656,8985 28552,2995 4962,25332
Q50H50 3 86859,8803 28953,2934 641219,079
Q60H40 3 96222,0905 32074,0302 262204,027
Q70H30 3 99125,7981 33041,9327 1317229,49
ANÁLISIS DE VARIANZA
Origen de las
variaciones
Suma de cuadrados
Grados de libertad
Promedio de los
cuadrados F Probabilidad
Valor crítico para F
Entre grupos 98570841,7 4 24642710,4 55,1610998 8,8604E-07 3,47804969
Dentro de los grupos
4467407,38 10 446740,738
Total 103038249 14
Como F>F critico entonces se dice que al menos una de las medias estudiadas es
diferente.
A continuación se muestra las tablas con la comparación de los materiales por
medio de pruebas t de student pare determinar la igualdad o diferencia entre las
media.
Anexo 9. Análisis estadístico de las áreas bajo la curva de los materiales
interpenetrados a pH 9.
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