El ácido algínico , también llamado algina , es un polisacárido comestible de origen natural que se encuentra en las algas pardas . Es hidrófilo y forma una goma viscosa cuando se hidrata. Cuando el ácido algínico se une a los iones de sodio y calcio, las sales resultantes se conocen como alginatos . Su color varía del blanco al marrón amarillento. Se vende en forma filamentosa, granulada o en polvo.
Es un componente significativo de las biopelículas producidas por la bacteria Pseudomonas aeruginosa , un importante patógeno que se encuentra en los pulmones de algunas personas que tienen fibrosis quística . [1] La biopelícula y P. aeruginosa tienen una alta resistencia a los antibióticos , [2] pero son susceptibles a la inhibición por los macrófagos . [3]
El alginato fue descubierto por el científico químico británico ECC Stanford en 1881, y patentó un proceso de extracción para él en el mismo año. [4] El alginato se extraía, en la patente original, primero sumergiendo las algas en agua o ácido diluido, luego extrayendo el alginato sumergiéndolo en carbonato de sodio y finalmente precipitando el alginato de la solución. [5] [ se necesita una mejor fuente ]
El ácido algínico es un copolímero lineal con bloques homopoliméricos de residuos de β-D- manuronato (M) y α-L -guluronato (G) unidos (1→4), respectivamente, unidos covalentemente entre sí en diferentes secuencias o bloques. Los monómeros pueden aparecer en bloques homopoliméricos de residuos G consecutivos (bloques G), residuos M consecutivos (bloques M) o residuos M y G alternados (bloques MG). El α-L-guluronato es el epímero C-5 del β-D-manuronato. [ cita requerida ]
Los alginatos se refinan a partir de algas pardas . En todo el mundo, muchas de las algas pardas de la clase Phaeophyceae se cosechan para procesarlas y convertirlas en alginato de sodio. El alginato de sodio se utiliza en muchas industrias, incluidas las de alimentos, alimentos para animales, fertilizantes, impresión textil y productos farmacéuticos. El material de impresión dental utiliza alginato como su medio de gelificación. El alginato de grado alimenticio es un ingrediente aprobado en alimentos procesados y manufacturados. [6]
Las algas pardas varían en tamaño desde el alga gigante Macrocystis pyrifera , que puede medir entre 20 y 40 metros de largo, hasta algas gruesas y parecidas al cuero, de entre 2 y 4 m de largo, y especies más pequeñas, de entre 30 y 60 cm de largo. La mayoría de las algas pardas que se utilizan para los alginatos se recolectan de forma silvestre, con la excepción de Laminaria japonica , que se cultiva en China para la alimentación y su material excedente se desvía a la industria del alginato en China.
Los alginatos de diferentes especies de algas pardas varían en su estructura química, lo que da como resultado diferentes propiedades físicas de los alginatos. Algunas especies producen un alginato que da un gel fuerte , otras un gel más débil, algunas pueden producir un alginato crema o blanco, mientras que otras son difíciles de gelificar y se utilizan mejor para aplicaciones técnicas donde el color no importa. [7]
El alginato de calidad comercial se extrae de algas gigantes Macrocystis pyrifera , Ascophyllum nodosum y tipos de Laminaria . Los alginatos también son producidos por dos géneros bacterianos Pseudomonas y Azotobacter , que desempeñaron un papel importante en el desenlace de su vía de biosíntesis . Los alginatos bacterianos son útiles para la producción de micro o nanoestructuras adecuadas para aplicaciones médicas. [8]
El alginato de sodio (NaC 6 H 7 O 6 ) es la sal sódica del ácido algínico. El alginato de sodio es una goma.
El alginato de potasio (KC 6 H 7 O 6 ) es la sal de potasio del ácido algínico.
El alginato de calcio (CaC 12 H 14 O 12 ) es la sal de calcio del ácido algínico. Se obtiene reemplazando el ion sodio del alginato de sodio por un ion calcio ( intercambio iónico ).
El proceso de fabricación utilizado para extraer alginatos de sodio de las algas pardas se divide en dos categorías: 1) método del alginato de calcio y 2) método del ácido algínico. [ aclaración necesaria ]
Químicamente el proceso es sencillo, pero surgen dificultades por las separaciones físicas requeridas entre los residuos viscosos de las soluciones viscosas y la separación de los precipitados gelatinosos que retienen grandes cantidades de líquido dentro de su estructura, por lo que resisten la filtración y la centrifugación . [9] El proceso convencional implica grandes cantidades de reactivos y disolventes, así como pasos que consumen mucho tiempo. [4] Las técnicas más simples y nuevas, como la extracción asistida por microondas, ultrasonidos, alta presión, extracción con fluidos presurizados y extracción asistida por enzimas, son objeto de investigación. [4]
El proceso de extracción convencional más común implica seis pasos: pretratamiento de la biomasa de algas, tratamiento ácido, extracción alcalina, precipitación, blanqueo y secado. [4] Los pretratamientos tienen como objetivo principal romper la pared celular para ayudar a extraer el alginato o eliminar otros compuestos y contaminantes de las algas. [4] El secado es del primer tipo, que también ayuda a prevenir el crecimiento bacteriano; las algas que se secan también suelen pulverizarse para exponer más superficie. [4] Los tratamientos comunes para eliminar contaminantes incluyen tratamientos con etanol y formaldehído , el último de los cuales es muy común; las soluciones de etanol ayudan a eliminar los compuestos unidos al alginato, y las soluciones de formaldehído ayudan a prevenir reacciones enzimáticas o microbianas. [4]
Las algas se tratan luego con una solución ácida para ayudar a romper las paredes celulares, lo que convierte las sales de alginato en ácido algínico insoluble; una solución alcalina aplicada posteriormente (pH 9-10), generalmente carbonato de sodio , lo convierte nuevamente en alginato de sodio soluble en agua, que luego se precipita. [4] También es posible extraer el alginato directamente con un tratamiento alcalino, pero esto es menos común. [4]
El ácido algínico se suele precipitar, a través de diferentes técnicas, ya sea con un alcohol (normalmente etanol), cloruro de calcio o ácido clorhídrico . [4] Después de que la alginina se precipita en una pasta fina, se seca, se muele hasta el tamaño de grano deseado y finalmente se purifica a través de una variedad de técnicas. [4] El alginato comercial para uso biomédico y farmacéutico se extrae y purifica a través de técnicas más rigurosas, pero estas son secretos comerciales. [4]
Se pueden producir diversos materiales a base de alginato, incluidos materiales de andamiaje poroso, hidrogel de alginato, telas no tejidas y membranas de alginato. [10] Las técnicas utilizadas para producirlos incluyen la reticulación iónica, el hilado microfluídico, la liofilización, el hilado húmedo y el hilado por chorro centrífugo inmersivo. [10]
La sal de calcio [ aclaración necesaria ] se puede liberar en gotas en una solución de alginato de calcio para inducir la reticulación iónica, que produce el hidrogel. La liofilización del hidrogel para eliminar el agua produce el material de andamiaje poroso. [10]
El hilado en húmedo consiste en extruir una solución de alginato desde una hilera hasta una solución de sal de calcio para inducir la reticulación iónica (formación del gel) y luego extraer las fibras del baño con rodillos de arrastre. El hilado microfluídico, una implementación más simple y ecológica del proceso, implica la introducción de flujos de sal de calcio que fluyen a lo largo y tocan un flujo "central" de alginato. Estos flujos forman una "vaina". Luego, la fibra emerge del flujo central. Esta técnica se puede utilizar para producir fibras con forma y ranuras. [10]
La fibra de alginato, que se utiliza en tejidos, se produce normalmente mediante hilado microfluídico o hilado húmedo, o electrohilado para obtener fibras más delgadas. [10] El tejido, que se puede utilizar en apósitos para heridas y otras aplicaciones, se produce cardando y luego punzando con agujas [ aclaración necesaria ] las fibras. [10]
A partir de 2022, el alginato se había convertido en uno de los materiales más preferidos como biopolímero natural abundante. [10] Es particularmente útil como biomaterial debido a su no toxicidad, higroscopicidad y biocompatibilidad , y puede imitar los bioambientes locales; su producto de degradación puede eliminarse fácilmente por los riñones. [10]
El alginato absorbe agua rápidamente, lo que lo hace útil como aditivo en productos deshidratados como los adelgazantes , y en la fabricación de papel y textiles. [ cita requerida ]
El alginato también se utiliza para impermeabilizar e ignifugar tejidos, en la industria alimentaria como espesante para bebidas, helados, cosméticos, como gelificante para gelatinas, conocido con el código E401 y tripas para embutidos. [11] [12] El alginato de sodio se mezcla con proteína de soja para hacer análogos de carne . [13]
El alginato se utiliza como ingrediente en diversas preparaciones farmacéuticas , como Gaviscon , en el que se combina con bicarbonato para inhibir el reflujo gastroesofágico . [ cita requerida ]
El alginato de sodio se utiliza como material para hacer impresiones en odontología , prótesis , fundición y para crear positivos para fundición a pequeña escala . [ cita requerida ]
El alginato de sodio se utiliza en la impresión con colorantes reactivos y como espesante para colorantes reactivos en la serigrafía textil . [ cita requerida ] Los alginatos no reaccionan con estos colorantes y se eliminan fácilmente, a diferencia de los espesantes a base de almidón . También sirve como material para la microencapsulación . [ 14 ]
El alginato de calcio se utiliza en diferentes tipos de productos médicos, incluidos apósitos para heridas de la piel para promover la curación, [15] [16] y puede eliminarse con menos dolor que los apósitos convencionales. [ cita requerida ]
En la investigación sobre la reconstrucción ósea, los compuestos de alginato tienen propiedades favorables que fomentan la regeneración, como una mejor porosidad , proliferación celular y resistencia mecánica . [17] El hidrogel de alginato es un biomaterial común para la biofabricación de andamios y la regeneración de tejidos. [18]
Mediante la unión covalente de grupos tiol al alginato se pueden introducir altas propiedades gelificantes in situ y mucoadhesivas. El polímero tiolado ( tiomero ) forma enlaces disulfuro dentro de su red polimérica y con subdominios ricos en cisteína de la capa mucosa. [19] Los alginatos tiolados se utilizan como hidrogeles gelificantes in situ, [20] y se encuentran en investigación preliminar como posibles sistemas de administración de fármacos mucoadhesivos. [21] Los hidrogeles de alginato se pueden utilizar para la administración de fármacos, mostrando respuestas a cambios de pH, cambios de temperatura, redox y la presencia de enzimas. [22]