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Poli (N-isopropilacrilamida)

La poli ( N -isopropilacrilamida) (abreviada de diversas formas PNIPA , PNIPAM , PNIPAAm , NIPA , PNIPAA o PNIPAm ) es un polímero sensible a la temperatura que se sintetizó por primera vez en la década de 1950. [2] Puede sintetizarse a partir de N -isopropilacrilamida, que está disponible comercialmente. Se sintetiza mediante polimerización de radicales libres y se funcionaliza fácilmente, lo que lo hace útil en una variedad de aplicaciones.

PNIPA se disuelve en agua, sin embargo, cuando estas soluciones se calientan por encima de su temperatura de punto de enturbiamiento , experimentan una transición reversible de fase de temperatura de solución crítica más baja (LCST) de un estado hidratado soluble a un estado deshidratado insoluble. Aunque se cree ampliamente que esta transición de fase ocurre a 32 °C (90 °F), [3] las temperaturas reales pueden diferir de 5 a 10 °C (o incluso más) dependiendo de la concentración del polímero, [3] masa molar de cadenas de polímeros, dispersidad de polímeros y restos terminales. [3] [4] Además, otras moléculas en la solución de polímero, como sales o proteínas, pueden alterar la temperatura del punto de enturbiamiento. [5] [6]

Dado que PNIPA expulsa su contenido líquido a una temperatura cercana a la del cuerpo humano , muchos investigadores han investigado los copolímeros de PNIPA para posibles aplicaciones en ingeniería de tejidos [7] [8] y administración controlada de fármacos . [9] [10] [11] [12]

Historia

La síntesis de poli( N -isopropilacrilamida) comenzó con la síntesis del monómero de acrilamida por Sprecht en 1956. [13] En 1957, Shearer patentó la primera aplicación de lo que más tarde se identificaría como PNIPA para su uso como repelente de roedores. [14] Los primeros trabajos fueron despertados por la curiosidad teórica sobre las propiedades materiales del PNIPA. El primer informe del PNIPA llegó en 1968, que dilucidaba el comportamiento térmico único en soluciones acuosas. [15] La década de 1980 marcó una explosión de interés en los PNIPA con la realización de aplicaciones potenciales debido a su comportamiento térmico único en soluciones acuosas. [2]

Propiedades químicas y físicas

PNIPA es uno de los hidrogeles termosensibles más estudiados. En solución diluida, sufre una transición de espiral a glóbulo . [16] PNIPA posee una solubilidad inversa al calentarse. Cambia abruptamente la hidrofilicidad y la hidrofobicidad en su LCST . [17] A temperaturas más bajas, PNIPA se ordena en solución para formar enlaces de hidrógeno con las moléculas de agua ya dispuestas. Las moléculas de agua deben reorientarse alrededor de las regiones no polares de PNIPA, lo que resulta en una disminución de la entropía . A temperaturas más bajas, como la temperatura ambiente, el término de entalpía negativa ( ) de los efectos de los enlaces de hidrógeno domina la energía libre de Gibbs , lo que hace que el PNIPA absorba agua y se disuelva en solución. A temperaturas más altas, domina el término de entropía ( ), lo que hace que el PNIPA libere agua y se separe de fases, lo que se puede ver en la siguiente demostración.

Representación pictórica del efecto LCST de PNIPA
  • Solución acuosa de PNIPA antes del calentamiento. Domina la entalpía negativa de los enlaces de hidrógeno y el PNIPA se disuelve en la solución.
    Solución acuosa de PNIPA antes del calentamiento. Domina la entalpía negativa de los enlaces de hidrógeno y el PNIPA se disuelve en la solución.
  • La mezcla después de calentar con una pistola de calor. La entropía negativa de la mezcla domina debido al aumento de temperatura y la fase PNIPA se separa del agua.
    La mezcla después de calentar con una pistola de calor. La entropía negativa de la mezcla domina debido al aumento de temperatura y la fase PNIPA se separa del agua.
Una demostración del calentamiento de PNIPA para demostrar el efecto LCST.

Síntesis de PNIPA sensible al calor y al pH

Homopolimerización [18]

El proceso de polimerización por radicales libres de un solo tipo de monómero , en este caso, N -isopropilacrilamida, para formar el polímero se conoce como homopolimerización. El iniciador de radicales azobisisobutironitrilo (AIBN) se usa comúnmente en polimerizaciones radicales.
Homopolimerización de PNIPA.

Copolimerización

Una polimerización por radicales de dos monómeros diferentes da como resultado una copolimerización . Una ventaja de una copolimerización incluye el ajuste fino del LCST .
Síntesis de copolimerización de PNIPA.

Terpolimerización

Una polimerización por radicales libres de tres monómeros diferentes se conoce como terpolimerización . Las ventajas de una terpolimerización pueden incluir la mejora de múltiples propiedades del polímero, incluida la termosensibilidad, la sensibilidad al pH o el ajuste fino del LCST .
Síntesis de terpolimerización de PNIPA.

Hidrogel reticulado

El siguiente esquema de reacción es una terpolimerización para formar un hidrogel reticulado . El reactivo persulfato de amonio (APS) se utiliza en la química de polímeros como un agente oxidante fuerte que a menudo se usa junto con la tetrametiletilendiamina (TMEDA) para catalizar la polimerización al fabricar geles de poliacrilamida .
Polimerización de hidrogel reticulado de PNIPA

Síntesis de PNIPA funcionalizado de extremo de cadena

PNIPA se puede funcionalizar utilizando agentes de transferencia de cadena mediante una polimerización por radicales libres . Los tres esquemas siguientes demuestran la funcionalización utilizando agentes de transferencia de cadena (CTA), donde un extremo del polímero es el iniciador de radicales y el otro es un grupo funcionalizado. La funcionalización del extremo de la cadena del polímero permite que el polímero se utilice en muchos entornos y aplicaciones diversas. Las ventajas de funcionalizar el extremo de la cadena pueden incluir la mejora de múltiples propiedades del polímero, incluida la termosensibilidad, la sensibilidad al pH o el ajuste fino del LCST . [18]

(1)Funcionalización CTA Esquema 1 del PNIPA

(2)Funcionalización CTA Esquema 2 del PNIPA

(3)Funcionalización CTA Esquema 3 del PNIPA

Aplicaciones

La versatilidad de PNIPA ha llevado a encontrar usos en geles macroscópicos , microgeles , [19] membranas, sensores , biosensores , películas delgadas , [20] [21] [22] ingeniería de tejidos y administración de fármacos . La tendencia de las soluciones acuosas de PNIPA a aumentar su viscosidad en presencia de moléculas hidrófobas lo ha hecho excelente para la recuperación de petróleo terciario .

Como las soluciones acuosas de PNIPA tienen su temperatura de solución crítica más baja en temperaturas cercanas a la temperatura del cuerpo humano , estos polímeros pueden disolverse en agua a temperatura ambiente y administrarse en el cuerpo. [23] Sin embargo, tras la administración, estos polímeros se separan en fases y forman agregados insolubles en el lugar de la administración (este proceso se llama termogelificación). [23] Cuando PNIPA se administra en músculos de ratones, su vida media fue de aproximadamente 48 días ( Mw = 20 kg/mol) y 66 días ( Mw = 32 kg/mol) y no causó patologías locales o sistémicas . [23] Estos hidrogeles de fases separadas se pueden utilizar para aplicaciones de administración local de fármacos . [24] El PNIPA se puede colocar en una solución de moléculas bioactivas, lo que permite que las moléculas bioactivas penetren en el PNIPA. Luego, el PNIPA se puede colocar in vivo , donde hay una liberación rápida de biomoléculas debido al colapso inicial del gel y una eyección de las biomoléculas al medio circundante, seguida de una liberación lenta de biomoléculas debido al cierre de los poros de la superficie. [25]

PNIPA también se ha utilizado en sistemas de administración de fármacos sensibles al pH . Algunos ejemplos de estos sistemas de administración de fármacos pueden incluir la administración intestinal de calcitonina humana, [26] la administración de insulina, [26] y la administración de ibuprofeno. [27] Cuando se inyectaron por vía intravenosa a ratas copolímeros de PNIPA radiomarcados con diferentes pesos moleculares, se descubrió que el umbral de filtración glomerular del polímero era de alrededor de 32 000 g/mol. [28]

PNIPA se ha utilizado en actuadores de gel , que convierten estímulos externos en movimiento mecánico. [29] Al calentarse por encima del LCST , el hidrogel pasa del estado hidrofílico al estado hidrofóbico . [30] Esta conversión da como resultado una expulsión de agua que provoca un cambio conformacional físico , creando un movimiento mecánico de bisagra.

Además, las películas delgadas basadas en PNIPA se pueden aplicar como nanointerruptores que presentan múltiples estados distintos de película delgada, lo que se basa en el efecto de cononsolvencia . [31] [32] [33]

Referencias

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