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quitosano

El quitosano / ˈ k t ə s æ n / es un polisacárido lineal compuesto de D -glucosamina (unidad desacetilada) y N -acetil- D -glucosamina (unidad acetilada) unidas a β-(1→4) distribuidas aleatoriamente. Se elabora tratando las cáscaras de quitina de los camarones y otros crustáceos con una sustancia alcalina, como el hidróxido de sodio . [1] [2]

El quitosano tiene varios usos comerciales y posibles biomédicos. Puede usarse en agricultura como tratamiento de semillas y biopesticida , ayudando a las plantas a combatir las infecciones fúngicas. En la elaboración del vino , se puede utilizar como clarificante, ayudando también a prevenir su deterioro. En la industria, se puede utilizar como revestimiento de pintura de poliuretano autorreparable . En medicina , es útil en vendajes para reducir el sangrado y como agente antibacteriano; también se puede utilizar para ayudar a administrar medicamentos a través de la piel.

Fabricación y propiedades

Formación de quitosano por desacetilación parcial de quitina.
El quitosano comercial se deriva de los caparazones de camarones y otros crustáceos marinos, incluido el Pandalus borealis , que se muestra aquí. [3]

El quitosano se produce comercialmente mediante la desacetilación de la quitina , que es el elemento estructural del exoesqueleto de los crustáceos (como cangrejos y camarones) y de las paredes celulares de los hongos . [4] [1] [2] El grado de desacetilación (%) se puede determinar mediante espectroscopia de RMN y el grado de desacetilación en el quitosano disponible comercialmente oscila entre 60 y 100%. [5] [6] En promedio, el peso molecular del quitosano producido comercialmente es de 3800 a 20 000  daltons . Un método común para obtener quitosano es la desacetilación de quitina utilizando hidróxido de sodio en exceso como reactivo y agua como solvente. La reacción sigue una cinética de primer orden aunque se produce en dos pasos; La barrera de energía de activación para la primera etapa se estima en 48,8 kJ·mol −1 a 25–120 °C y es más alta que la barrera de la segunda etapa. [7] [8] [9]

El grupo amino en el quitosano tiene un valor de p K b de ~6,5, lo que conduce a una protonación significativa en solución neutra, que aumenta con el aumento de la acidez (disminución del pH) y el valor de %DA. Esto hace que el quitosano sea soluble en agua y un bioadhesivo que se une fácilmente a superficies cargadas negativamente [10] [11] [12] , como las membranas mucosas. Además, el quitosano puede unirse eficazmente a otras superficies mediante interacción hidrófoba y/o interacción catión-π (quitosano como fuente de cationes) en solución acuosa. [13] Los grupos amino libres en las cadenas de quitosano pueden formar redes poliméricas reticuladas con ácidos dicarboxílicos para mejorar las propiedades mecánicas del quitosano. [14] El quitosano mejora el transporte de fármacos polares a través de las superficies epiteliales y es biocompatible y biodegradable . Sin embargo, la FDA no lo aprueba para la administración de medicamentos. Hay cantidades purificadas de quitosano disponibles para aplicaciones biomédicas . [1] [4]

Se han fabricado nanofibrillas utilizando quitina y quitosano. [15]

Usos

Uso agrícola y hortícola

Los usos agrícolas y hortícolas del quitosano, principalmente para la defensa de las plantas y el aumento del rendimiento, se basan en cómo este polímero de glucosamina influye en la bioquímica y la biología molecular de las células vegetales. Los objetivos celulares son la membrana plasmática y la cromatina nuclear. Los cambios posteriores ocurren en las membranas celulares, la cromatina, el ADN, el calcio, la MAP quinasa , el estallido oxidativo, las especies reactivas de oxígeno, los genes relacionados con la patogénesis de la callosa (PR) y las fitoalexinas. [dieciséis]

El quitosano se registró por primera vez como ingrediente activo (con licencia para su venta) en 1986. [17]

Biocontrolador y elicitor natural.

En agricultura , el quitosano se utiliza normalmente como tratamiento natural de semillas y potenciador del crecimiento de las plantas, y como una sustancia biopesticida ecológica que aumenta la capacidad innata de las plantas para defenderse contra las infecciones fúngicas. [18] Los ingredientes activos de biocontrol natural , quitina/quitosano, se encuentran en los caparazones de crustáceos, como langostas , cangrejos y camarones , y en muchos otros organismos, incluidos insectos y hongos . Es uno de los materiales biodegradables más abundantes del mundo. [ cita necesaria ]

Existen moléculas degradadas de quitina/quitosano en el suelo y el agua. Las aplicaciones de quitosano para plantas y cultivos están reguladas en los EE. UU. por la EPA, y el Programa Orgánico Nacional del USDA regula su uso en granjas y cultivos orgánicos certificados. [19] Los productos de quitosano biodegradables aprobados por la EPA están permitidos para su uso en exteriores e interiores en plantas y cultivos cultivados comercialmente y por los consumidores. [20]

En la Unión Europea y el Reino Unido, el quitosano está registrado como una "sustancia básica" para su uso como fungicida y bactericida biológico en una amplia gama de cultivos. [21] [22]

La capacidad natural de biocontrol del quitosano no debe confundirse con los efectos de los fertilizantes o pesticidas sobre las plantas o el medio ambiente. Los biopesticidas activos de quitosano representan un nuevo nivel de control biológico rentable de cultivos para agricultura y horticultura. [23] El modo de acción de biocontrol del quitosano provoca respuestas de defensa naturales innatas dentro de la planta para resistir insectos, patógenos y enfermedades transmitidas por el suelo cuando se aplica al follaje o al suelo. [24] El quitosano aumenta la fotosíntesis, promueve y mejora el crecimiento de las plantas, estimula la absorción de nutrientes, aumenta la germinación y los brotes y aumenta el vigor de las plantas. Cuando se utiliza como tratamiento o recubrimiento de semillas de algodón, maíz, patatas de siembra, soja, remolacha azucarera, tomates, trigo y muchas otras semillas, provoca una respuesta de inmunidad innata en las raíces en desarrollo que destruye los nematodos quistes parásitos sin dañar a los nematodos beneficiosos y organismos. [25]

Las aplicaciones agrícolas de quitosano pueden reducir el estrés ambiental debido a la sequía y las deficiencias del suelo, fortalecer la vitalidad de las semillas, mejorar la calidad del rodal, aumentar los rendimientos y reducir la descomposición de las frutas de hortalizas, frutas y cultivos de cítricos. [26] La aplicación hortícola de quitosano aumenta las flores y extiende la vida de las flores cortadas y los árboles de Navidad. El Servicio Forestal de EE. UU. ha realizado investigaciones sobre el quitosano para controlar patógenos en los pinos [27] [28] y aumentar el flujo de resina que resiste la infestación del escarabajo del pino. [29]

Tecnología GAP de soporte vital de la NASA con frijoles sin tratar (tubo izquierdo) y frijoles tratados con biocontrol de quitosano ODC (tubo derecho) devueltos desde la estación espacial Mir a bordo del transbordador espacial - septiembre de 1997

El quitosano tiene una rica historia de investigación para aplicaciones en agricultura y horticultura que se remonta a la década de 1980. [30] En 1989, se aplicaron soluciones de sal de quitosano a los cultivos para mejorar la protección contra las heladas o a las semillas de los cultivos para prepararlas. [31] Poco después, la sal de quitosano recibió la primera etiqueta de biopesticida de la EPA, seguida de otras solicitudes de propiedad intelectual .

El quitosano también se ha utilizado para proteger las plantas en el espacio, como lo ejemplificó el experimento de la NASA para proteger los frijoles adzuki cultivados a bordo del transbordador espacial y la estación espacial Mir en 1997 (ver foto a la izquierda). [32] Los resultados de la NASA revelaron que el quitosano induce un mayor crecimiento (biomasa) y resistencia a patógenos debido a niveles elevados de enzimas β-(1→3)-glucanasa dentro de las células vegetales. La NASA confirmó que el quitosano provoca el mismo efecto en las plantas de la Tierra. [33]

En 2008, la EPA aprobó el estatus de inductor natural de amplio espectro para un ingrediente activo de peso molecular ultrabajo de 0,25 % de quitosano. [34] La EPA otorgó una etiqueta modificada para aplicaciones foliares y de riego a una solución inductora de quitosano natural para usos agrícolas y hortícolas en 2009. [26] Dado su bajo potencial de toxicidad y abundancia en el entorno natural, el quitosano no daña a las personas. , mascotas, vida silvestre o el medio ambiente cuando se usa según las instrucciones de la etiqueta. [35] [36] [37] Las mezclas de quitosano no funcionan contra los escarabajos de la corteza cuando se colocan en las hojas de un árbol o en su suelo. [38]

Filtración

El quitosano se puede utilizar en hidrología como parte de un proceso de filtración . [39] El quitosano hace que las partículas finas del sedimento se unan y posteriormente se elimina con el sedimento durante la filtración de arena. También elimina minerales pesados , colorantes y aceites del agua. [39] Como aditivo en la filtración de agua, el quitosano combinado con la filtración con arena elimina hasta el 99% de la turbidez . [40] El quitosano se encuentra entre los adsorbentes biológicos utilizados para la eliminación de metales pesados ​​sin impactos ambientales negativos. [39]

En combinación con bentonita , gelatina , gel de sílice , cola de pescado u otros agentes clarificantes , se utiliza para clarificar vino , hidromiel y cerveza . El quitosano, que se agrega al final del proceso de elaboración de la cerveza, mejora la floculación y elimina las células de levadura, las partículas de fruta y otros detritos que causan que el vino se vea turbio. [41]

Vinificación y origen fúngico del quitosano

El quitosano tiene una larga historia de uso como agente clarificante en la elaboración del vino. [42] [43] El quitosano de origen fúngico ha mostrado un aumento en la actividad de sedimentación, reducción de polifenoles oxidados en jugos y vinos, quelación y eliminación de cobre (después del trasiego) y control de la levadura Brettanomyces que causa deterioro . [ cita necesaria ] Estos productos y usos están aprobados para uso europeo según las normas de la UE y la OIV . [44] [ verificación fallida ]

Tratamiento de las heridas

Los apósitos para heridas a base de quitosano se han explorado ampliamente para una variedad de heridas agudas y crónicas. El quitosano tiene la capacidad de adherirse al fibrinógeno , lo que produce una mayor adhesión de las plaquetas , provocando la coagulación de la sangre y la hemostasia. [4] [45] [46] Los agentes hemostáticos de quitosano son sales obtenidas al mezclar quitosano con un ácido orgánico (como el ácido succínico o láctico). [47] [48] El quitosano puede tener otras propiedades que favorecen la cicatrización de heridas, incluida la actividad antibacteriana y antifúngica, que aún se encuentran bajo investigación preliminar. [4] [49]

El quitosano se usa en algunos apósitos para heridas para disminuir el sangrado. [50] Al entrar en contacto con la sangre, el vendaje se vuelve pegajoso, sellando eficazmente la laceración. [51] Los apósitos para heridas a base de hidrogel de quitosano también han resultado útiles como apósitos para quemaduras y para el tratamiento de heridas diabéticas crónicas y quemaduras por ácido fluorhídrico. [4] [50]

Los apósitos para heridas que contienen quitosano recibieron aprobación para uso médico en los Estados Unidos en 2003. [50]

Hidrogeles sensibles a la temperatura

El quitosano se disuelve en soluciones diluidas de ácidos orgánicos, pero es insoluble en altas concentraciones de iones de hidrógeno a un pH de 6,5 y precipita como un compuesto similar a un gel. [52] El quitosano está cargado positivamente por grupos amina, lo que lo hace adecuado para unirse a moléculas cargadas negativamente. Sin embargo, tiene desventajas como baja resistencia mecánica y tasa de respuesta a baja temperatura; debe combinarse con otros agentes gelificantes para mejorar sus propiedades. [52] Utilizando sales de glicerolfosfato (que poseen una única cabeza aniónica) sin modificación química ni entrecruzamiento, las propiedades de gelificación dependientes del pH se pueden convertir en propiedades de gelificación sensibles a la temperatura. En el año 2000, Chenite fue el primero en diseñar el sistema de administración de fármacos de hidrogeles de quitosano sensibles a la temperatura utilizando quitosano y β-glicerol fosfato. Este nuevo sistema puede permanecer en estado líquido a temperatura ambiente, mientras se convierte en gel al aumentar la temperatura por encima de la temperatura fisiológica (37 °C). Las sales de fosfato provocan un comportamiento particular en las soluciones de quitosano, permitiendo así que estas soluciones permanezcan solubles en el rango de pH fisiológico (pH 7), y se gelificarán sólo a temperatura corporal. Cuando la solución líquida de quitosano-glicerol fosfato, que contiene el medicamento, ingresa al cuerpo mediante una inyección con jeringa, se convierte en un gel insoluble en agua a 37 °C. Las partículas de fármaco atrapadas entre las cadenas de hidrogel se liberarán gradualmente. [52]

Investigación

El quitosano y sus derivados se han explorado en el desarrollo de nanomateriales , bioadhesivos , materiales para apósitos para heridas , [53] [14] [46] [4] sistemas mejorados de administración de medicamentos , [54] [4] recubrimientos entéricos, [55] y en medicina. dispositivos. [56] [57] [1] [58]

Bioimpresión

Grandes objetos funcionales tridimensionales fabricados con quitosano. [59]

Los materiales bioinspirados , un concepto de fabricación inspirado en el nácar natural , el caparazón de camarón o las cutículas de insectos , [60] [61] [62] han llevado al desarrollo de métodos de bioimpresión para fabricar objetos de consumo a gran escala utilizando quitosano. [63] [64] Este método se basa en replicar la disposición molecular del quitosano a partir de materiales naturales en métodos de fabricación, como el moldeo por inyección o la fundición en molde . [65] Una vez desechados, los objetos construidos con quitosano son biodegradables y no tóxicos . [66] El método se utiliza para diseñar y bioimprimir órganos o tejidos humanos . [67] [68]

Los objetos pigmentados de quitosano se pueden reciclar, [69] con la opción de reintroducir o desechar el tinte en cada paso de reciclaje, lo que permite la reutilización del polímero independientemente de los colorantes. [70] [71] A diferencia de otros bioplásticos de origen vegetal (por ejemplo, celulosa , almidón ), las principales fuentes naturales de quitosano provienen de ambientes marinos y no compiten por la tierra u otros recursos humanos. [59] [72]

La bioimpresión 3D de estructuras de ingeniería de tejidos para crear tejidos y órganos artificiales es otra aplicación en la que el quitosano ha ganado popularidad. El quitosano tiene alta biocompatibilidad , biodegradabilidad y actividades antimicrobianas , hemostáticas , cicatrizantes e inmunomoduladoras que lo hacen adecuado para fabricar tejidos artificiales. [1] [73] [74]

Pérdida de peso

El quitosano se comercializa en forma de tabletas como "aglutinante de grasas". [75] Aunque se ha evaluado el efecto del quitosano en la reducción del colesterol y el peso corporal, el efecto parece tener poca o ninguna importancia clínica. [76] [77] Las revisiones de 2016 y 2008 encontraron que no hubo ningún efecto significativo ni justificación para que las personas con sobrepeso usen suplementos de quitosano. [76] [78] En 2015, la Administración de Medicamentos y Alimentos de EE. UU . emitió un aviso público sobre los minoristas de suplementos que hacían afirmaciones exageradas sobre el supuesto beneficio de pérdida de peso de varios productos. [79]

Envases de alimentos antimicrobianos biodegradables

La contaminación microbiana de los productos alimenticios acelera el proceso de deterioro y aumenta el riesgo de enfermedades transmitidas por los alimentos causadas por patógenos potencialmente mortales. [80] Normalmente, la contaminación de los alimentos se origina superficialmente, lo que requiere tratamiento de superficie y envasado como factores cruciales para garantizar la calidad y seguridad de los alimentos. [80] Las películas de quitosano biodegradables tienen potencial para conservar diversos productos alimenticios, conservar su firmeza y restringir la pérdida de peso debido a la deshidratación. Además, se están desarrollando películas compuestas biodegradables que contienen quitosano y agentes antimicrobianos como alternativas seguras para conservar productos alimenticios. [80]

Electrolito de batería

El quitosano está siendo investigado como electrolito para baterías recargables con buen rendimiento y bajo impacto ambiental debido a su rápida biodegradabilidad , dejando zinc reciclable . El electrolito tiene una excelente estabilidad física hasta 50 °C, estabilidad electroquímica hasta 2 V con electrodos de zinc y se adapta a reacciones redox involucradas en el sistema alcalino Zn-MnO 2 . En 2022, los resultados eran prometedores, pero era necesario probar la batería a mayor escala y en condiciones de uso reales. [81] [82] [83]

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