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.
Dichos materiales pueden ser sensibles a una serie de 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 alterar el color o la transparencia, volverse conductores. o permeables al agua o cambiantes de forma ( polímeros con memoria de forma ). Normalmente, 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 cotidianos. Se utilizan para sensores y actuadores como músculos artificiales , 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 puede usarse en la administración de fármacos . [4] Otro es un polímero sensible a la humedad utilizado en apósitos para heridas autoadaptativos 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 total uniformidad 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, el ultrasonido u otros factores desencadenantes. Por ejemplo, Kubota et al diseñaron y cargaron microperlas de hidrogel sensibles a ultrasonidos con nanopartículas de sílice que se liberaron bajo estimulación ultrasónica. [7]
Otro factor de 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 la combinación de cambios de unidades monoméricas individuales que, por sí solas, serían débiles. Sin embargo, estas respuestas débiles, compuestas cientos o miles de veces, crean una fuerza considerable para impulsar los procesos biológicos.
La industria farmacéutica ha estado directamente relacionada con los avances del polímero. En este campo, los polímeros están desempeñando un papel importante y sus avances están ayudando a poblaciones enteras de todo el mundo. El cuerpo humano es una máquina con un sistema complejo y funciona como respuesta a señales químicas. Los polímeros desempeñan el papel de tecnología de administración de fármacos que pueden controlar la liberación de agentes terapéuticos en dosis periódicas. [8] Los polímeros son capaces de reconocimiento molecular y de dirigir la entrega intracelular. [8] Los polímeros inteligentes entran en el campo para jugar y aprovechar el reconocimiento molecular y finalmente produjeron sistemas de conciencia y portadores de polímeros para facilitar la administración de fármacos en el sistema corporal.
Varios sistemas poliméricos responden a la temperatura y experimentan una transición de fase de temperatura de solución crítica más baja . Uno de los polímeros mejor estudiados es la poli(N-isopropilacriamida) , con una temperatura de transición de aproximadamente 33 °C. Varias N- alquilacrilamidas homólogas también muestran comportamiento LCST, dependiendo la temperatura de transición 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 .
Actualmente, el uso más frecuente de los polímeros inteligentes en biomedicina es la administración de fármacos específicamente dirigidos. Desde la llegada de los productos farmacéuticos de liberación prolongada , los científicos se han enfrentado al problema de encontrar formas de administrar medicamentos a un lugar particular del cuerpo sin que se degraden primero en el ambiente altamente ácido del estómago. La prevención de efectos adversos sobre huesos y 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 está controlada por un desencadenante químico o fisiológico.
Los polímeros inteligentes lineales y de matriz existen 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 entrecruzados de forma reversible mediante enlaces no covalentes que pueden romperse y reformarse según las condiciones externas. La nanotecnología ha sido fundamental en el desarrollo de ciertos polímeros de nanopartículas como los dendrímeros y los fullerenos , que se han aplicado para la administración de fármacos. La encapsulación tradicional de fármacos se ha realizado utilizando polímeros de ácido láctico . 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 del polímero.
Las matrices poliméricas inteligentes liberan fármacos mediante una reacción química o fisiológica que altera la estructura, 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 rápidamente. Los científicos controlan la tasa de administración de fármacos variando estas propiedades ajustando así la tasa de degradación.
Un copolímero de injerto y bloque son dos polímeros diferentes injertados entre sí. Ya existen varias patentes para diversas 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 hidrofóbicos e hidrofílicos da como resultado la formación de estructuras similares a micelas que pueden ayudar de manera protectora a la administración de fármacos a través de un medio acuoso hasta que las condiciones en la ubicación objetivo provoquen la descomposición simultánea de ambos polímeros.
Un enfoque de injerto y bloque podría resultar útil para resolver los problemas encontrados por el uso de un polímero bioadhesivo común , el ácido poliacrílico (PAA). El PAA se adhiere a las superficies mucosas pero se hinchará y degradará rápidamente a un pH de 7,4, lo que provocará la rápida liberación de los fármacos atrapados en su matriz. Una combinación de PAAc con otro polímero que sea menos sensible a los cambios en el 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 poliméricas 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 los hidrogeles. Se han desarrollado hidrogeles altamente especializados para administrar y liberar fármacos en tejidos específicos. Los hidrogeles elaborados a partir de PAAc son especialmente comunes debido a sus propiedades bioadhesivas y su tremenda absorbencia .
La inmovilización de enzimas en hidrogeles es un proceso bastante bien establecido. Las redes de polímeros e hidrogeles reticulados reversiblemente 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 podría activarse o desactivarse mediante el producto de una reacción enzimática . Esto a menudo se hace incorporando al hidrogel una enzima, receptor o anticuerpo que se une a la molécula de interés. 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 del pH. Un ejemplo de esto último es el atrapamiento combinado de glucosa oxidasa e insulina en un hidrogel que responde 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 eficazmente 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 aplicaciones posibles de hidrogeles similares como agentes de administración de fármacos para otras afecciones y enfermedades. [9]
Los polímeros inteligentes no sirven sólo para la administración de fármacos. Sus propiedades los hacen especialmente adecuados para bioseparaciones. El tiempo y los costos involucrados en la purificación de proteínas podrían reducirse significativamente mediante el uso de polímeros inteligentes que experimenten cambios rápidos y reversibles en respuesta a un cambio en las propiedades del medio. Los sistemas conjugados se han utilizado durante muchos años en inmunoensayos y separaciones físicas y de afinidad . Los cambios microscópicos en la estructura del polímero se manifiestan como la formación de precipitados , que pueden usarse para ayudar a separar las proteínas atrapadas de la solución.
Estos sistemas funcionan cuando una proteína u otra molécula que se va a 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 del retorno a su estado original, por lo que los hidrogeles son muy útiles para tales procesos.
Otro enfoque para controlar las reacciones biológicas utilizando polímeros inteligentes es preparar proteínas recombinantes con sitios de unión a polímeros incorporados cerca de los sitios de unión a ligandos o células. Esta técnica se ha utilizado para controlar la actividad de unión de ligandos y células, basándose en una variedad de factores desencadenantes que incluyen la temperatura y la luz.
Los polímeros inteligentes desempeñan un papel esencial en la tecnología de los apósitos para heridas autoadaptativos. El diseño del apósito presenta polímeros inteligentes sintéticos superabsorbentes patentados inmovilizados en una matriz de fibra tridimensional con funcionalidad de hidratación adicional que se logra mediante la incorporación de hidrogel en el núcleo del material.
El modo de acción del apósito se basa en la capacidad de los polímeros para detectar y adaptarse a los cambios de humedad y contenido de líquido en todas las áreas de la herida simultáneamente y para cambiar de forma automática y reversible de la absorción a la hidratación. La acción inteligente del polímero garantiza la respuesta activa sincronizada del material del apósito a los cambios dentro y alrededor de la herida para favorecer el 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, hay otras aplicaciones más factibles que parecen surgir en un futuro próximo. Una de ellas es la idea de inodoros inteligentes que analicen la orina y ayuden 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 fármacos dirigidos que se autorregulan en función de su entorno celular único.
Existen posibles problemas obvios asociados con el uso de polímeros inteligentes en biomedicina . Lo más preocupante es la posibilidad de toxicidad o incompatibilidad de sustancias artificiales en el organismo, incluidos productos y subproductos de degradación . Sin embargo, los polímeros inteligentes tienen un enorme potencial en biotecnología y aplicaciones biomédicas si se pueden superar estos obstáculos.