Los polímeros inteligentes , polímeros sensibles a estímulos o polímeros funcionales son polímeros de alto rendimiento que cambian según el entorno en el que se encuentran.
Estos materiales pueden ser sensibles a diversos factores, como la temperatura , la humedad , el pH , los compuestos químicos, la longitud de onda o la intensidad de la luz o un campo eléctrico o magnético y pueden responder de diversas maneras, como alterando el color o la transparencia, volviéndose conductores o permeables al agua o cambiando de forma ( polímeros con memoria de forma ). Por lo general, pequeños cambios en el entorno son suficientes para inducir grandes cambios en las propiedades del polímero. [1] [2] [3]
Los polímeros inteligentes aparecen tanto en aplicaciones altamente especializadas como en productos de uso diario. Se utilizan para sensores y actuadores como músculos artificiales , la producción de hidrogeles , envases biodegradables y, en gran medida, en ingeniería biomédica . Un ejemplo es un polímero que sufre un cambio conformacional en respuesta al cambio de pH, que se puede utilizar en la administración de fármacos . [4] Otro es un polímero sensible a la humedad utilizado en apósitos autoadaptativos para heridas que regulan automáticamente el equilibrio de humedad dentro y alrededor de la herida. [5] [6]
La respuesta no lineal de los polímeros inteligentes es lo que los hace tan únicos y efectivos. Un estímulo muy pequeño puede inducir un cambio significativo en la estructura y las propiedades. Una vez que se produce ese cambio, no hay más cambios, lo que significa que se produce una respuesta predecible de todo o nada, con una uniformidad completa en todo el polímero. Los polímeros inteligentes pueden cambiar la conformación , la adhesividad o las propiedades de retención de agua , debido a ligeros cambios en el pH, la fuerza iónica , la temperatura, los ultrasonidos u otros desencadenantes. Por ejemplo, Kubota et al. diseñaron y cargaron microperlas de hidrogel sensibles a los ultrasonidos con nanopartículas de sílice que se liberaron bajo estimulación ultrasónica. [7]
Otro factor que influye en la eficacia de los polímeros inteligentes reside en la naturaleza inherente de los polímeros en general. La fuerza de la respuesta de cada molécula a los cambios en los estímulos es el resultado de cambios en las unidades monoméricas individuales que, por sí solas, serían débiles. Sin embargo, estas respuestas débiles, combinadas cientos o miles de veces, crean una fuerza considerable que impulsa los procesos biológicos.
La industria farmacéutica ha estado directamente relacionada con los avances de los polímeros. En este campo, los polímeros están jugando un papel importante, y sus avances están ayudando a poblaciones enteras en todo el mundo. El cuerpo humano es una máquina con un sistema complejo y funciona como una respuesta a señales químicas. Los polímeros juegan el papel de la tecnología de administración de fármacos que puede controlar la liberación de agentes terapéuticos en dosis periódicas. [8] Los polímeros son capaces de reconocimiento molecular y dirigir la administración intracelular. [8] Los polímeros inteligentes entran en el campo para jugar y aprovechar el reconocimiento molecular y finalmente producir sistemas de concienciación y portadores de polímeros para facilitar la administración de fármacos en el sistema corporal.
Varios sistemas de polímeros responden a la temperatura y experimentan una transición de fase a una temperatura crítica de solución más baja . Uno de los polímeros mejor estudiados es la poli(N-isopropilacrilamida) , con una temperatura de transición de aproximadamente 33 °C. Varias N - alquilacrilamidas homólogas también muestran un comportamiento LCST, en el que la temperatura de transición depende de la longitud de la cadena lateral hidrófoba . Por encima de su temperatura de transición, estos polímeros se vuelven insolubles en agua. Se cree que este comportamiento está impulsado por la entropía .
En la actualidad, el uso más frecuente de los polímeros inteligentes en biomedicina es la administración de fármacos a un objetivo específico. Desde la aparición de los fármacos de liberación controlada , los científicos se han enfrentado al problema de encontrar formas de administrar fármacos a un sitio concreto del cuerpo sin que se degraden primero en el entorno altamente ácido del estómago. La prevención de efectos adversos sobre los huesos y los tejidos sanos también es una consideración importante. Los investigadores han ideado formas de utilizar polímeros inteligentes para controlar la liberación de fármacos hasta que el sistema de administración haya alcanzado el objetivo deseado. Esta liberación se controla mediante un desencadenante químico o fisiológico.
Existen polímeros inteligentes lineales y matriciales con una variedad de propiedades que dependen de los grupos funcionales reactivos y las cadenas laterales. Estos grupos pueden responder al pH, la temperatura, la fuerza iónica , los campos eléctricos o magnéticos y la luz. Algunos polímeros están reticulados de forma reversible mediante enlaces no covalentes que pueden romperse y reformarse dependiendo de las condiciones externas. La nanotecnología ha sido fundamental en el desarrollo de ciertos polímeros de nanopartículas, como los dendrímeros y los fulerenos , que se han aplicado para la administración de fármacos. La encapsulación tradicional de fármacos se ha realizado utilizando polímeros de ácido láctico . Los desarrollos más recientes han visto la formación de matrices en forma de red que mantienen el fármaco de interés integrado o atrapado entre las hebras de polímero.
Las matrices de polímeros inteligentes liberan fármacos mediante una reacción que altera la estructura química o fisiológica, a menudo una reacción de hidrólisis que da como resultado la ruptura de enlaces y la liberación del fármaco a medida que la matriz se descompone en componentes biodegradables . El uso de polímeros naturales ha dado paso a polímeros sintetizados artificialmente como polianhídridos , poliésteres , ácidos poliacrílicos , poli(metacrilatos de metilo ), poli(ftalaldehído) y poliuretanos . Se ha descubierto que los polímeros hidrófilos , amorfos y de bajo peso molecular que contienen heteroátomos (es decir, átomos distintos del carbono) se degradan más rápido. Los científicos controlan la velocidad de administración del fármaco variando estas propiedades, ajustando así la velocidad de degradación.
Un copolímero de injerto y bloque son dos polímeros diferentes injertados entre sí. Ya existen varias patentes para varias combinaciones de polímeros con diferentes grupos reactivos. El producto exhibe propiedades de ambos componentes individuales, lo que agrega una nueva dimensión a una estructura polimérica inteligente y puede ser útil para ciertas aplicaciones. La reticulación de polímeros hidrófobos e hidrófilos da como resultado la formación de estructuras similares a micelas que pueden ayudar de manera protectora a la administración del fármaco a través de un medio acuoso hasta que las condiciones en la ubicación objetivo provoquen la descomposición simultánea de ambos polímeros.
Un método de injerto y bloqueo podría ser útil para resolver los problemas que surgen con el uso de un polímero bioadhesivo común, el ácido poliacrílico (PAA). El PAA se adhiere a las superficies mucosas, pero se hincha y se degrada rápidamente a un pH de 7,4, lo que da como resultado la liberación rápida de los fármacos atrapados en su matriz. Una combinación de PAAc con otro polímero que sea menos sensible a los cambios a un pH neutro podría aumentar el tiempo de residencia y retardar la liberación del fármaco, mejorando así la biodisponibilidad y la eficacia.
Los hidrogeles son redes de polímeros que no se disuelven en agua, sino que se hinchan o colapsan en entornos acuosos cambiantes. Son útiles en biotecnología para la separación de fases porque son reutilizables o reciclables . Se están investigando nuevas formas de controlar el flujo, o la captura y liberación de compuestos objetivo, en hidrogeles. Se han desarrollado hidrogeles altamente especializados para administrar y liberar medicamentos en tejidos específicos. Los hidrogeles hechos de PAAc son especialmente comunes debido a sus propiedades bioadhesivas y su tremenda capacidad de absorción .
La inmovilización de enzimas en hidrogeles es un proceso bastante bien establecido. Las redes de polímeros reticulados reversiblemente y los hidrogeles se pueden aplicar de manera similar a un sistema biológico donde la respuesta y la liberación de un fármaco son desencadenadas por la propia molécula objetivo. Alternativamente, la respuesta puede activarse o desactivarse por el producto de una reacción enzimática . Esto se hace a menudo incorporando una enzima, un receptor o un anticuerpo , que se une a la molécula de interés, en el hidrogel. Una vez unido, se produce una reacción química que desencadena una reacción del hidrogel. El desencadenante puede ser el oxígeno, detectado mediante enzimas oxidorreductasas o una respuesta de detección de pH. Un ejemplo de esto último es el atrapamiento combinado de glucosa oxidasa e insulina en un hidrogel sensible al pH. En presencia de glucosa, la formación de ácido glucónico por la enzima desencadena la liberación de insulina del hidrogel.
Dos criterios para que esta tecnología funcione de manera eficaz son la estabilidad enzimática y la cinética rápida (respuesta rápida al desencadenante y recuperación después de la eliminación del desencadenante). Se han probado varias estrategias en la investigación de la diabetes tipo 1 , que implican el uso de tipos similares de polímeros inteligentes que pueden detectar cambios en los niveles de glucosa en sangre y desencadenar la producción o liberación de insulina. Asimismo, existen muchas posibles aplicaciones de hidrogeles similares como agentes de administración de fármacos para otras afecciones y enfermedades. [9]
Los polímeros inteligentes no sólo sirven para la administración de fármacos. Sus propiedades los hacen especialmente adecuados para las bioseparaciones. El tiempo y los costes que implica la purificación de proteínas podrían reducirse significativamente si se utilizan polímeros inteligentes que experimentan cambios rápidos y reversibles en respuesta a un cambio en las propiedades del medio. Los sistemas conjugados se han utilizado durante muchos años en separaciones físicas y por afinidad e inmunoensayos . Los cambios microscópicos en la estructura del polímero se manifiestan como la formación de precipitados , que pueden utilizarse para facilitar la separación de las proteínas atrapadas en la solución.
Estos sistemas funcionan cuando una proteína u otra molécula que se desea separar de una mezcla forma un bioconjugado con el polímero y precipita con el polímero cuando su entorno sufre un cambio. El precipitado se elimina del medio, separando así el componente deseado del conjugado del resto de la mezcla. La eliminación de este componente del conjugado depende de la recuperación del polímero y de su retorno a su estado original, por lo que los hidrogeles son muy útiles para tales procesos.
Otro enfoque para controlar las reacciones biológicas mediante polímeros inteligentes es preparar proteínas recombinantes con sitios de unión de polímeros integrados cerca de los sitios de unión de ligandos o células. Esta técnica se ha utilizado para controlar la actividad de unión de ligandos y células, en función de una variedad de factores desencadenantes, como la temperatura y la luz.
Los polímeros inteligentes desempeñan un papel esencial en la tecnología de los apósitos autoadaptativos para heridas. El diseño del apósito presenta polímeros inteligentes sintéticos superabsorbentes patentados inmovilizados en la matriz de fibra tridimensional con una funcionalidad de hidratación adicional lograda mediante la incorporación de hidrogel en el núcleo del material.
El modo de acción del apósito se basa en la capacidad de los polímeros de detectar y adaptarse a los cambios de humedad y contenido de líquido en todas las áreas de la herida simultáneamente y de cambiar de forma automática y reversible de la absorción a la hidratación. La acción inteligente del polímero garantiza la respuesta sincronizada activa del material del apósito a los cambios en la herida y alrededor de ella para favorecer un entorno de curación húmedo óptimo en todo momento. [5] [6]
Se ha sugerido que se podrían desarrollar polímeros que puedan aprender y autocorregir su comportamiento con el tiempo. Aunque esta podría ser una posibilidad muy lejana, existen otras aplicaciones más factibles que parecen estar surgiendo en un futuro cercano. Una de ellas es la idea de los inodoros inteligentes que analizan la orina y ayudan a identificar problemas de salud. En biotecnología ambiental , también se han propuesto sistemas de riego inteligentes . Sería increíblemente útil tener un sistema que se encienda y apague, y controle las concentraciones de fertilizantes , en función de la humedad del suelo , el pH y los niveles de nutrientes. También se están investigando muchos enfoques creativos para sistemas de administración de medicamentos dirigidos que se autorregulen en función de su entorno celular único .
Existen posibles problemas obvios asociados con el uso de polímeros inteligentes en biomedicina . El más preocupante es la posibilidad de toxicidad o incompatibilidad de las sustancias artificiales en el cuerpo, incluidos los productos de degradación y los subproductos . Sin embargo, los polímeros inteligentes tienen un enorme potencial en biotecnología y aplicaciones biomédicas si se pueden superar estos obstáculos.