Estudio de la transición inversa con la temperatura en polímeros con creciente funcionalidad

Resumen

Los polímeros inteligentes (también llamados adaptables, estímulo-respuesta o, utilizando un término anglosajón "smart"), son macromoléculas capaces de experimentar una transición de fase reversible rápida como consecuencia de pequeños cambios en su entorno como por ejemplo temperatura, pH, fuerza iónica o luz. Estos cambios resultan en una separación de fases en una disolución acuosa, cambios acusados en el tamaño de un hidrogel, o cambios en la humectabilidad de una superficie. Los polímeros inteligentes pueden encontrarse en una extensiva variedad de aplicaciones lo que hace de su estudio un campo muy activo dentro de la ciencia de materiales. La aplicación de estos polímeros puede encontrarse en el sector de ámbito nanotecnológico como pueden ser sistemas microfluídos o de dispositivos miniaturizados (lab-on-a-chip), en sectores bimédicos como los de dosificación controlada de fármacos, sistemas de biocatálisis, actuadores biomiméticos, o en ámbitos medioambientales o puramente tecnológicos. Los polímeros inteligentes tienen una base de inspiración en macromoléculas naturales. En la naturaleza muchas macromoléculas funcionales que forman parte de la complicada maquinaria celular exhiben una característica notable como es su todo-o-nada (o al menos altamente no lineal) respuesta a un estímulo. En estas biomacromoléculas se diferencian tres regiones ante una condición cambiante del entorno: en la primera los cambios ante esta condición cambiante son muy pequeños (primera región) y se mantendrá hasta que se alcance un determinado punto crítico a partir del cual la transición ocurre abruptamente, y esto lo hace dentro de un intervalo muy pequeño del parámetro cambiante (segunda región), cuando la transición se completa vuelve a dejar de existir una variación significante del sistema (tercera región). Las fuerzas causantes de estos procesos son en general del tipo repulsión polar-apolar y asociación apolar (o hidrófoba), en la que los estímulos causan variaciones de polaridad como consecuencia de, por ejemplo, neutralización de cargas o cambios conformacionales entre otros. La comunidad científica, guiada por un mayor conocimiento de las interacciones de los bipolímeros en los sistemas naturales, ha intentado imitar ese tipo de comportamientos cooperativos en sistemas sintéticos. Durante las pasadas décadas, la investigación ha identificado una gran variedad de polímeros sintéticos funcionales que responden en una forma deseada a cambios en temperatura, pH, ondas electromagnéticas u otros parámetros, en definitiva polímeros inteligentes. Uno de los polímeros inteligentes que más aparece en la bibliografía es el polímero termosensible PNIPAAm (pol[N-isopropil-acrilamida]), este polímero exhibe una transición aguda en medio acuoso entorno a 32ºC y su funcionamiento ha sido extensivamente estudiado no sólo para entender el mecanismo de la transición en si mismo si no también para el desarrollo de aplicaciones tecnológicas. Junto con este polímero se pueden destacar también, entre otros, el poli(metil vinil eter), la poli(N-vinil-caprolactama), las poli(N-etil oxazolina)s u otras poli(N-alquilacrilamida)s. Dentro de los polímeros inteligentes, los polímeros tipo elastina (ELPs) están emergiendo gracias a un conjunto de propiedades que les hacen óptimos para muchas aplicaciones de las consideradas de más interés dentro de la ciencia de materiales actual, a la vez que ha ayudado a la comprensión de efectos de plegamiento en proteínas y del funcionamiento de muchas biomoléculas naturales. El poli(VPGVG) (V=L-Valina, P=L-Prolina, G=Glicina), es sin duda el cabeza de grupo de los polímeros tipo elastina, y fue obtenido por primera vez a finales de los años 80 por el grupo del profesor D. W. Urry. Sin embargo, hasta el momento, estos polímeros no han sido suficientemente estudiados dejando incógnitas sobre su funcionamiento real y su compleja transición. Quizá la causa resida en su relativamente corta historia, junto con la dificultad de su obtención, pues estos polímeros no están disponibles comercialmente y deben ser sintetizados por el propio grupo investigador. De los grupos existentes con la capacidad de obtención de este polímero la mayor contribución al conocimiento de funcionamiento y estructura de los polímeros tipo elastina viene de grupo del profesor Urry, aunque, cabe destacar, la importancia de las contribuciones de otros grupos como son por ejemplo los grupos de A. M. Tamburro, A. Chilkoti, D. A. Tirrell, V. P. Conticello, y el propio nuestro entre los más activos dentro del campo. Estas aportaciones, aunque importantes, son todavía insuficientes para poder comprender en su totalidad, la relación existente entre las propiedades macroscópicas y las características microscópicas y moleculares de estos materiales. Entre las características más importantes de estos polímeros están sus propiedades mecánicas como son su elasticidad entrópica con una extraordinaria resistencia a la fatiga, su extrema biocompatibilidad, la capacidad de autoensamblado, o la posibilidad de obtención mediante biosíntesis que permite obtener polímeros a medida de la aplicación (ad hoc), enormemente complejos y con un control absoluto de su arquitectura molecular [8]. Aunque quizás, la característica más llamativa de esta familia de polímeros es su comportamiento inteligente que ocurre mediante una transición de fase que viene caracterizada por un cambio acusado de propiedades en torno a una temperatura denominada temperatura de transición (Tt). En disolución acuosa el polímero sufre una transición entre un estado totalmente disuelto a un estado insoluble, que conlleva una segregación de fases, al elevar su temperatura por encima de la Tt. Esta transición es completamente reversible y se produce en un proceso complejo que ocurre como consecuencia de una asociación hidrófoba y que lleva asociado un incremento de orden en el que las cadenas polímericas pasan de un estado de desorden conformacional a una disposición ordenada denominada espiral. Este incremento en el orden le diferencia de otros polímeros inteligentes que poseen una transición, mediante asociación hidrófoba, del tipo LCST (Lower Critical Solution Temperatura) y que ha hecho que al fenómeno de la transición en los polímeros tipo elastina se les denomine de forma diferente como transición inversa con la temperatura (ITT del inglés inverse temperature transition). La temperatura de transición de este tipo de polímeros ocurre con una disminución de la distancia media entre extremos de cadena y suele tener lugar a temperaturas cercanas a la temperatura ambiente o fisiológica lo que lo hace un buen candidato para muchas aplicaciones actuales que utilicen una transformación de energía térmica en energía mecánica o transducción termo-mecánica. Con una modificación adecuada del polímero modelo es posible conseguir una variación de la temperatura de transición con otro tipo de estímulos, en un mecanismo denominado Tt, con lo cual se puede encontrar polímeros inteligentes que responden a otro tipo de estímulos como el cambio en el pH, potencial químico, presión, etc., consiguiendo diferentes tipos de transducciones energéticas. Este tipo de conversiones es de gran importancia tanto en aplicaciones a nivel monomolecular como en aplicaciones a nivel macroscópico con matrices entrecruzadas de estos polímeros. En este trabajo se intenta profundizar en el conocimiento de la ITT en diferentes polímeros tipo elastina con creciente funcionalidad. Para ello se han realizado diferentes experiencias con diferentes hipótesis de funcionamiento sobre polímeros termosensibles modelo que permiten caracterizar dicha transición. Comienza el análisis con la caracterización de la dependencia temporal de la transición mediante cálculos de cinética de transición (también denominadas cinéticas de reacción) mediante métodos avanzados libres de modelo (métodos model-free), que son los únicos apropiados para sistemas complejos. Así mismo se han aplicado técnicfas de calorimetría novedosas como son la calorimetría diferencial de barrido con modulación en temperatura (TMDSC) que permite el desdoblamiento de fenómenos solapados que ocurren en el proceso de la transición. También se han realizado sobre polímeros termosensibles caracterización de parámetros tan importantes como son la influencia de la concentración de polímero o la concentración de sales sobre los parámetros de la ITT. Termina el estudio de los polímeros termosensibles con una caracterización mediante difracción de rayos X a ángulos bajos (SAXS). En este trabajo se realiza un estudio sobre polímeros sensibles al pH, obtenidos mediante ingeniería genética, lo que ha permitido el estudio de la influencia del peso molecular sobre diferentes parámetros de la ITT así como en los equilibrios de los grupos funcionales de estos polímeros. A la vez, el hecho de la producción de estos polímeros en forma monodispersa y con un control absoluto en su secuencia, ha dado lugar a la formación de procesos de autoensamblado que han sido caracterizados mediante microscopía de fuerza atómica. Por último se dan los primeros pasos hacia el estudio de sistemas más complejos de varias cadenas poliméricas unidas covalentemente formando copolímeros en bloque y se ha estudiado el efecto de la estructura molecular sobre diferentes parámetros de la ITT. La organización de este trabajo comienza con una introducción bibliográfica en el punto de partida e inspiración de estos polímeros, la elastina natural, dando paso luego a la obtención de los polímeros tipo elastina. Continuará esta revisión bibliográfica con el estudio de la estructura y funcionamiento de estos polímeros y las bases del funcionamiento de la ITT. En el apartado introducción se hace referencia a la revolución de la ingeniería genética como sistema predominante para la producción de estos polímeros y a algunas de las técnicas termodinámicas utilizadas en este trabajo para la caracterización de los polímeros y se termina la introducción con un apartado dedicado a la importancia nanotecnológica de la utilización de copolímeros anfifílicos en bloque. Después de la introducción bibliográficaq se pasa a la descripción de materiales y métodos utilizados para llevar a cabo este trabajo, los resultados y discusión, para terminar con un apartado de conclusiones. Finalmente se recogen varios apartados como el de referencias y de anexos.