Los biopolímeros son polímeros naturales producidos por las células de los organismos vivos . Al igual que otros polímeros, los biopolímeros constan de unidades monoméricas que están unidas covalentemente en cadenas para formar moléculas más grandes. Existen tres clases principales de biopolímeros, clasificados según los monómeros utilizados y la estructura del biopolímero formado: polinucleótidos , polipéptidos y polisacáridos . Los Polinucleótidos , ARN y ADN , son polímeros largos de nucleótidos . Los polipéptidos incluyen proteínas y polímeros más cortos de aminoácidos ; algunos ejemplos importantes incluyen el colágeno , la actina y la fibrina . Los polisacáridos son cadenas lineales o ramificadas de carbohidratos de azúcar ; los ejemplos incluyen almidón, celulosa y alginato. Otros ejemplos de biopolímeros incluyen cauchos naturales (polímeros de isopreno ), suberina y lignina ( polímeros polifenólicos complejos ), cutina y cután (polímeros complejos de ácidos grasos de cadena larga ), melanina y polihidroxialcanoatos (PHA) .
Además de sus muchas funciones esenciales en los organismos vivos, los biopolímeros tienen aplicaciones en muchos campos, incluida la industria alimentaria , la fabricación , el envasado y la ingeniería biomédica . [1] [2]
Una diferencia importante que define a los biopolímeros y los polímeros sintéticos se puede encontrar en sus estructuras. Todos los polímeros están formados por unidades repetitivas llamadas monómeros . Los biopolímeros suelen tener una estructura bien definida, aunque esta no es una característica definitoria (ejemplo: lignocelulosa ): la composición química exacta y la secuencia en la que se organizan estas unidades se denomina estructura primaria , en el caso de las proteínas. Muchos biopolímeros se pliegan espontáneamente en formas compactas características (ver también " plegamiento de proteínas ", así como estructura secundaria y estructura terciaria ), que determinan sus funciones biológicas y dependen de manera complicada de sus estructuras primarias. La biología estructural es el estudio de las propiedades estructurales de los biopolímeros. Por el contrario, la mayoría de los polímeros sintéticos tienen estructuras mucho más simples y aleatorias (o estocásticas). Este hecho conduce a una distribución de masa molecular que falta en los biopolímeros. De hecho, como su síntesis está controlada por un proceso dirigido por plantilla en la mayoría de los sistemas in vivo , todos los biopolímeros de un tipo (por ejemplo, una proteína específica) son todos iguales: todos contienen secuencias y números de monómeros similares y, por lo tanto, todos tienen el mismo masa. Este fenómeno se denomina monodispersidad en contraste con la polidispersidad que se encuentra en los polímeros sintéticos. Como resultado, los biopolímeros tienen una dispersidad de 1. [3]
La convención para un polipéptido es enumerar sus residuos de aminoácidos constituyentes tal como se encuentran desde el extremo amino hasta el extremo del ácido carboxílico. Los residuos de aminoácidos siempre están unidos por enlaces peptídicos . Proteína , aunque se usa coloquialmente para referirse a cualquier polipéptido, se refiere a formas más grandes o completamente funcionales y puede constar de varias cadenas polipeptídicas, así como de cadenas simples. Las proteínas también se pueden modificar para incluir componentes no peptídicos, como cadenas de sacáridos y lípidos .
La convención para una secuencia de ácido nucleico es enumerar los nucleótidos tal como aparecen desde el extremo 5' al extremo 3' de la cadena polimérica , donde 5' y 3' se refieren a la numeración de los carbonos alrededor del anillo de ribosa que participan en la formación. los enlaces fosfato diéster de la cadena. Esta secuencia se denomina estructura primaria del biopolímero.
Los polisacáridos (polímeros de azúcar) pueden ser lineales o ramificados y normalmente están unidos mediante enlaces glicosídicos . La ubicación exacta del enlace puede variar, y la orientación de los grupos funcionales de enlace también es importante, lo que da como resultado enlaces glicosídicos α y β con una numeración definitiva de la ubicación de los carbonos de enlace en el anillo. Además, muchas unidades de sacáridos pueden sufrir diversas modificaciones químicas, como la aminación , e incluso pueden formar parte de otras moléculas, como las glicoproteínas .
Existen varias técnicas biofísicas para determinar la información de secuencia. La secuencia de proteínas se puede determinar mediante degradación de Edman , en la que los residuos N-terminales se hidrolizan de la cadena uno a la vez, se derivatizan y luego se identifican. También se pueden utilizar técnicas de espectrómetro de masas . La secuencia de ácidos nucleicos se puede determinar mediante electroforesis en gel y electroforesis capilar. Por último, las propiedades mecánicas de estos biopolímeros a menudo se pueden medir utilizando pinzas ópticas o microscopía de fuerza atómica . La interferometría de doble polarización se puede utilizar para medir los cambios conformacionales o el autoensamblaje de estos materiales cuando se estimulan por el pH, la temperatura, la fuerza iónica u otros socios de unión.
Colágeno : [4] El colágeno es la estructura primaria de los vertebrados y es la proteína más abundante en los mamíferos. Debido a esto, el colágeno es uno de los biopolímeros más fáciles de obtener y se utiliza para muchos fines de investigación. Debido a su estructura mecánica, el colágeno tiene una alta resistencia a la tracción y es un material no tóxico, fácilmente absorbible, biodegradable y biocompatible. Por lo tanto, se ha utilizado para muchas aplicaciones médicas, como en el tratamiento de infecciones tisulares, sistemas de administración de fármacos y terapia génica.
Fibroína de seda : [5] La fibroína de seda (SF) es otro biopolímero rico en proteínas que se puede obtener de diferentes especies de gusanos de seda, como el gusano de morera Bombyx mori. A diferencia del colágeno, el SF tiene una menor resistencia a la tracción pero tiene fuertes propiedades adhesivas debido a su composición proteica fibrosa e insoluble. En estudios recientes, se ha descubierto que la fibroína de seda posee propiedades anticoagulantes y adhesión plaquetaria. Además, se ha descubierto que la fibroína de seda favorece la proliferación de células madre in vitro.
Gelatina : La gelatina se obtiene del colágeno tipo I formado por cisteína, y se produce por la hidrólisis parcial del colágeno procedente de huesos, tejidos y piel de animales. [6] Hay dos tipos de gelatina, tipo A y tipo B. El colágeno tipo A se deriva de la hidrólisis ácida del colágeno y tiene un 18,5% de nitrógeno. El tipo B se deriva de hidrólisis alcalina que contiene 18% de nitrógeno y sin grupos amida. Las temperaturas elevadas hacen que la gelatina se derrita y exista como espirales, mientras que las temperaturas más bajas dan como resultado una transformación de espiral en hélice. La gelatina contiene muchos grupos funcionales como NH2, SH y COOH que permiten modificar la gelatina mediante nanopartículas y biomoléculas. La gelatina es una proteína de la matriz extracelular que permite su aplicación en aplicaciones como vendajes para heridas, administración de fármacos y transfección de genes. [6]
Almidón: El almidón es un biopolímero biodegradable económico y de abundante oferta. Se pueden agregar nanofibras y microfibras a la matriz polimérica para aumentar las propiedades mecánicas del almidón, mejorando la elasticidad y la resistencia. Sin fibras, el almidón tiene propiedades mecánicas deficientes debido a su sensibilidad a la humedad. El almidón, al ser biodegradable y renovable, se utiliza para muchas aplicaciones, incluidos plásticos y tabletas farmacéuticas.
Celulosa: La celulosa está muy estructurada con cadenas apiladas que dan como resultado estabilidad y resistencia. La fuerza y la estabilidad provienen de la forma más recta de la celulosa causada por los monómeros de glucosa unidos por enlaces de glucógeno. La forma recta permite que las moléculas se agrupen estrechamente. La celulosa tiene una aplicación muy común debido a su abundante suministro, su biocompatibilidad y es respetuosa con el medio ambiente. La celulosa se utiliza ampliamente en forma de nanofibrillas llamadas nanocelulosa. La nanocelulosa presentada en bajas concentraciones produce un material de gel transparente. Este material se puede utilizar para películas biodegradables, homogéneas y densas que son de gran utilidad en el campo biomédico.
Alginato: El alginato es el polímero natural marino más abundante derivado de las algas pardas. Las aplicaciones de los biopolímeros de alginato abarcan desde la industria del embalaje, la textil y la alimentaria hasta la ingeniería biomédica y química. La primera aplicación del alginato fue en forma de apósito para heridas, donde se descubrieron sus propiedades gelificantes y absorbentes. Cuando se aplica a las heridas, el alginato produce una capa de gel protector que es óptima para la curación y la regeneración de los tejidos, y mantiene una temperatura ambiente estable. Además, ha habido avances con el alginato como medio de administración de fármacos, ya que la velocidad de liberación del fármaco se puede manipular fácilmente debido a una variedad de densidades de alginato y composición fibrosa.
Las aplicaciones de los biopolímeros se pueden clasificar en dos campos principales, que se diferencian por su uso biomédico e industrial. [2]
Debido a que uno de los principales propósitos de la ingeniería biomédica es imitar partes del cuerpo para mantener las funciones corporales normales, debido a sus propiedades biocompatibles, los biopolímeros se utilizan ampliamente para la ingeniería de tejidos , dispositivos médicos y la industria farmacéutica. [4] Muchos biopolímeros se pueden utilizar para medicina regenerativa , ingeniería de tejidos, administración de fármacos y aplicaciones médicas en general debido a sus propiedades mecánicas. Proporcionan características como cicatrización de heridas, catálisis de bioactividad y no toxicidad. [7] En comparación con los polímeros sintéticos, que pueden presentar varias desventajas como el rechazo inmunogénico y la toxicidad después de la degradación, muchos biopolímeros normalmente se integran mejor en el cuerpo, ya que también poseen estructuras más complejas, similares a las del cuerpo humano. [ cita necesaria ]
Más específicamente, los polipéptidos como el colágeno y la seda son materiales biocompatibles que se están utilizando en investigaciones innovadoras, ya que son materiales económicos y fácilmente obtenibles. El polímero de gelatina se usa a menudo para curar heridas donde actúa como adhesivo. Los armazones y películas con gelatina permiten que los armazones contengan medicamentos y otros nutrientes que pueden usarse para suministrar a una herida su curación.
Como el colágeno es uno de los biopolímeros más populares utilizados en la ciencia biomédica, aquí hay algunos ejemplos de su uso:
Sistemas de administración de fármacos basados en colágeno: las películas de colágeno actúan como una membrana de barrera y se utilizan para tratar infecciones de tejidos como tejido corneal infectado o cáncer de hígado. [8] Todas las películas de colágeno se han utilizado como portadores de genes que pueden promover la formación de hueso.
Esponjas de colágeno: Las esponjas de colágeno se utilizan como apósito para tratar a víctimas de quemaduras y otras heridas graves. Los implantes a base de colágeno se utilizan para cultivos de células cutáneas o portadores de medicamentos que se utilizan para quemaduras y reemplazo de piel. [8]
Colágeno como hemostático : cuando el colágeno interactúa con las plaquetas provoca una rápida coagulación de la sangre. Esta rápida coagulación produce un marco temporal para que las células huésped puedan regenerar el estroma fibroso. El hemostato a base de colágeno reduce la pérdida de sangre en los tejidos y ayuda a controlar el sangrado en órganos como el hígado y el bazo.
El quitosano es otro biopolímero popular en la investigación biomédica. [¿ según quién? ] El quitosano se deriva de la quitina , el principal componente del exoesqueleto de crustáceos e insectos y el segundo biopolímero más abundante en el mundo. [4] El quitosano tiene muchas características excelentes para la ciencia biomédica. El quitosano es biocompatible, es altamente bioactivo , lo que significa que estimula una respuesta beneficiosa del cuerpo, puede biodegradarse, lo que puede eliminar una segunda cirugía en aplicaciones de implantes, puede formar geles y películas y es selectivamente permeable . Estas propiedades permiten diversas aplicaciones biomédicas del quitosano.
Quitosano como administración de fármacos: el quitosano se utiliza principalmente con fármacos dirigidos porque tiene potencial para mejorar la absorción y la estabilidad del fármaco. Además, el quitosano conjugado con agentes anticancerígenos también puede producir mejores efectos anticancerígenos al provocar la liberación gradual del fármaco libre en el tejido canceroso. [9]
El quitosano como agente antimicrobiano: el quitosano se utiliza para detener el crecimiento de microorganismos . Realiza funciones antimicrobianas en microorganismos como algas, hongos, bacterias y bacterias grampositivas de diferentes especies de levaduras.
Compuesto de quitosano para ingeniería de tejidos: el polvo de quitosano mezclado con alginato se utiliza para formar apósitos funcionales para heridas. Estos apósitos crean un ambiente húmedo y biocompatible que ayuda en el proceso de curación. Este apósito para heridas también es biodegradable y tiene estructuras porosas que permiten que las células crezcan en el apósito. [4] Además, los quitosanos tiolados (ver tiomeros ) se utilizan para la ingeniería de tejidos y la curación de heridas, ya que estos biopolímeros pueden reticularse mediante enlaces disulfuro formando redes tridimensionales estables. [10] [11]
Alimentos : Los biopolímeros se utilizan en la industria alimentaria para cosas como envases, películas de encapsulación comestibles y recubrimientos de alimentos. El ácido poliláctico (PLA) es muy común en la industria alimentaria debido a su color claro y su resistencia al agua. Sin embargo, la mayoría de los polímeros tienen una naturaleza hidrófila y comienzan a deteriorarse cuando se exponen a la humedad. Los biopolímeros también se utilizan como películas comestibles que encapsulan alimentos. Estas películas pueden contener elementos como antioxidantes , enzimas , probióticos , minerales y vitaminas. Los alimentos consumidos encapsulados con la película de biopolímero pueden aportar estas cosas al organismo.
Embalaje: Los biopolímeros más comunes utilizados en los embalajes son los polihidroxialcanoatos (PHA), el ácido poliláctico (PLA) y el almidón . El almidón y el PLA están disponibles comercialmente y son biodegradables, lo que los convierte en una opción común para los envases. Sin embargo, sus propiedades de barrera (ya sea de barrera contra la humedad o de gas) y sus propiedades térmicas no son ideales. Los polímeros hidrofílicos no son resistentes al agua y permiten que el agua pase a través del embalaje, lo que puede afectar el contenido del paquete. El ácido poliglicólico (PGA) es un biopolímero que tiene excelentes características de barrera y ahora se utiliza para corregir los obstáculos de barrera del PLA y el almidón.
Purificación del agua: El quitosano se ha utilizado para la purificación del agua. Se utiliza como floculante y sólo tarda unas pocas semanas o meses en lugar de años en degradarse en el medio ambiente. El quitosano purifica el agua mediante quelación. Este es el proceso en el que los sitios de unión a lo largo de la cadena del polímero se unen con los iones metálicos en el agua formando quelatos . Se ha demostrado que el quitosano es un excelente candidato para su uso en el tratamiento de aguas pluviales y residuales. [12]
Algunos biopolímeros, como el PLA , la zeína natural y el poli-3-hidroxibutirato, se pueden utilizar como plásticos, reemplazando la necesidad de plásticos a base de poliestireno o polietileno .
Algunos plásticos ahora se denominan "degradables", "oxidegradables" o "degradables por rayos UV". Esto significa que se descomponen cuando se exponen a la luz o al aire, pero estos plásticos siguen siendo principalmente (hasta un 98 por ciento) a base de petróleo y actualmente no están certificados como "biodegradables" según la directiva de la Unión Europea sobre envases y residuos de envases ( 94/62/CE). Los biopolímeros se descompondrán y algunos son aptos para el compostaje doméstico . [13]
Los biopolímeros (también llamados polímeros renovables) se producen a partir de biomasa para su uso en la industria del embalaje. La biomasa proviene de cultivos como la remolacha azucarera, las patatas o el trigo: cuando se utilizan para producir biopolímeros, se clasifican como cultivos no alimentarios . Estos se pueden convertir en las siguientes vías:
Remolacha azucarera > Ácido glicónico > Ácido poliglicónico
Almidón > (fermentación) > Ácido láctico > Ácido poliláctico (PLA)
Biomasa > (fermentación) > Bioetanol > Eteno > Polietileno
Se pueden fabricar muchos tipos de envases a partir de biopolímeros: bandejas para alimentos, gránulos de almidón soplado para el envío de mercancías frágiles y películas finas para envolver.
Los biopolímeros pueden ser sostenibles, neutros en carbono y siempre renovables , porque están hechos de materiales vegetales o animales que pueden cultivarse indefinidamente. Dado que estos materiales provienen de cultivos agrícolas , su uso podría crear una industria sostenible . Por el contrario, las materias primas para polímeros derivados de productos petroquímicos acabarán agotándose. Además, los biopolímeros tienen el potencial de reducir las emisiones de carbono y las cantidades de CO 2 en la atmósfera: esto se debe a que el CO 2 liberado cuando se degradan puede ser reabsorbido por los cultivos que se cultivan para reemplazarlos: esto los acerca a la neutralidad en carbono .
Casi todos los biopolímeros son biodegradables en el entorno natural: los microorganismos los descomponen en CO 2 y agua . Estos biopolímeros biodegradables también son compostables : pueden someterse a un proceso de compostaje industrial y se descompondrán en un 90% en seis meses. Los biopolímeros que hacen esto pueden marcarse con un símbolo de "compostable", según la norma europea EN 13432 (2000). Los envases marcados con este símbolo pueden someterse a procesos de compostaje industrial y se descompondrán en seis meses o menos. Un ejemplo de polímero compostable es la película de PLA de menos de 20 μm de espesor: las películas que son más gruesas no califican como compostables, aunque sean "biodegradables". [14] En Europa existe una norma de compostaje doméstico y un logotipo asociado que permite a los consumidores identificar y eliminar los envases en su pila de compost. [13]
