La polietilenimina ( PEI ) o poliaziridina es un polímero con unidades repetidas compuestas por el grupo amina y dos espaciadores alifáticos de carbono CH2CH2 . Las polietileniminas lineales contienen todas las aminas secundarias , en contraste con las PEI ramificadas que contienen grupos amino primarios, secundarios y terciarios. También se han reportado formas dendrímeras totalmente ramificadas . [1] La PEI se produce a escala industrial y encuentra muchas aplicaciones generalmente derivadas de su carácter policatiónico . [2]
El PEI lineal es un sólido semicristalino a temperatura ambiente , mientras que el PEI ramificado es un polímero completamente amorfo que existe como líquido en todos los pesos moleculares. La polietilenimina lineal es soluble en agua caliente, a bajo pH, en metanol , etanol o cloroformo . Es insoluble en agua fría, benceno , éter etílico y acetona . La polietilenimina lineal tiene un punto de fusión de alrededor de 67 °C. [3] Tanto la polietilenimina lineal como la ramificada se pueden almacenar a temperatura ambiente. La polietilenimina lineal es capaz de formar criogeles tras la congelación y posterior descongelación de sus soluciones acuosas. [3]
El PEI ramificado se puede sintetizar mediante la polimerización por apertura de anillo de aziridina . [4] Dependiendo de las condiciones de reacción, se puede lograr un grado diferente de ramificación. El PEI lineal está disponible mediante la modificación posterior de otros polímeros como poli(2-oxazolinas) [5] o poliaziridinas N -sustituidas. [6] El PEI lineal se sintetizó mediante la hidrólisis de poli(2-etil-2-oxazolina) [7] y se vendió como jetPEI. [8] La generación actual de jetPEI in vivo utiliza polímeros de poli(2-etil-2-oxazolina) a medida como precursores. [9]
La polietilenimina encuentra muchas aplicaciones en productos como: detergentes, adhesivos, agentes de tratamiento de agua y cosméticos. [10] Debido a su capacidad para modificar la superficie de las fibras de celulosa, el PEI se emplea como agente de resistencia en húmedo en el proceso de fabricación de papel . [11] También se utiliza como agente floculante con soles de sílice y como agente quelante con la capacidad de formar complejos con iones metálicos como el zinc y el circonio. [12] También existen otras aplicaciones de PEI altamente especializadas:
El PEI tiene varios usos en biología de laboratorio, especialmente en el cultivo de tejidos , pero también es tóxico para las células si se usa en exceso. [13] [14] La toxicidad se produce por dos mecanismos diferentes, [15] la alteración de la membrana celular que conduce a la muerte celular necrótica (inmediata) y la alteración de la membrana mitocondrial después de la internalización que conduce a la apoptosis (retardada).
Las polietileniminas se utilizan en el cultivo celular de células de anclaje débil para aumentar la adhesión. El PEI es un polímero catiónico; las superficies externas de las células con carga negativa son atraídas por las placas recubiertas de PEI, lo que facilita la adhesión más fuerte entre las células y la placa.
La poli(etilenimina) fue el segundo agente de transfección polimérico descubierto, [16] después de la poli-L-lisina. La PEI condensa el ADN en partículas con carga positiva, que se unen a los residuos aniónicos de la superficie celular y se introducen en la célula mediante endocitosis . Una vez dentro de la célula, la protonación de las aminas da como resultado una afluencia de contraiones y una reducción del potencial osmótico. Se produce una hinchazón osmótica que hace estallar la vesícula y libera el complejo polímero-ADN (poliplex) en el citoplasma. Si el poliplex se descomprime, el ADN queda libre para difundirse al núcleo. [17] [18]
La poli(etilenimina) también es un permeabilizador eficaz de la membrana externa de las bacterias Gram-negativas . [19]
Tanto la polietilenimina lineal como la ramificada se han utilizado para la captura de CO2 , frecuentemente impregnada sobre materiales porosos. El primer uso del polímero PEI en la captura de CO2 se dedicó a mejorar la eliminación de CO2 en aplicaciones de naves espaciales, impregnado sobre una matriz polimérica. [20] Después de eso, el soporte se cambió a MCM-41, una sílice mesoestructurada hexagonal, y grandes cantidades de PEI se retuvieron en la llamada "cesta molecular". [21] Los materiales adsorbentes MCM-41-PEI condujeron a mayores capacidades de adsorción de CO2 que el material PEI a granel o MCM-41 considerados individualmente. Los autores afirman que, en este caso, se produce un efecto sinérgico debido a la alta dispersión de PEI dentro de la estructura porosa del material. Como resultado de esta mejora, se desarrollaron más trabajos para estudiar más en profundidad el comportamiento de estos materiales. Se han realizado trabajos exhaustivos sobre la capacidad de adsorción de CO2 así como sobre la selectividad de adsorción de CO2/O2 y CO2/N2 de varios materiales MCM-41-PEI con polímeros PEI. [ 22 ] [ 23 ] Además , se ha probado la impregnación de PEI sobre diferentes soportes como una matriz de fibra de vidrio [24] y monolitos. [25] Sin embargo, para un desempeño apropiado en condiciones reales de captura postcombustión (temperaturas suaves entre 45-75 °C y presencia de humedad) es necesario utilizar materiales de sílice estables térmica e hidrotermalmente, como SBA-15 [26] que también presenta una mesoestructura hexagonal. También se han probado condiciones de humedad y del mundo real al utilizar materiales impregnados con PEI para adsorber CO2 del aire. [27]
Una comparación detallada entre el PEI y otras moléculas que contienen amino mostró un excelente desempeño de las muestras que contienen PEI con ciclos. Además, solo se registró una ligera disminución en su absorción de CO2 al aumentar la temperatura de 25 a 100 °C, lo que demuestra una alta contribución de la quimisorción a la capacidad de adsorción de estos sólidos. Por la misma razón, la capacidad de adsorción bajo CO2 diluido fue de hasta el 90% del valor bajo CO2 puro y también, se observó una alta selectividad no deseada hacia SO2 . [28] Últimamente, se han realizado muchos esfuerzos para mejorar la difusión del PEI dentro de la estructura porosa del soporte utilizado. Se logró una mejor dispersión del PEI y una mayor eficiencia del CO2 (ratio molar CO2 / NH ) impregnando un material PE-MCM-41 ocluido en plantilla en lugar de poros cilíndricos perfectos de un material calcinado, [29] siguiendo una ruta descrita previamente. [30] También se ha estudiado el uso combinado de organosilanos como aminopropil-trimetoxisilano, AP y PEI. El primer enfoque utilizó una combinación de ellos para impregnar soportes porosos, logrando cinéticas de adsorción de CO 2 más rápidas y mayor estabilidad durante los ciclos de reutilización, pero no mayores eficiencias. [31] Un método novedoso es la llamada "doble funcionalización". Se basa en la impregnación de materiales previamente funcionalizados por injerto (unión covalente de organosilanos). Los grupos amino incorporados por ambas vías han mostrado efectos sinérgicos, logrando altas captaciones de CO 2 de hasta 235 mg CO 2 /g (5,34 mmol CO 2 /g). [32] También se estudió la cinética de adsorción de CO 2 para estos materiales, mostrando tasas de adsorción similares a los sólidos impregnados. [33] Este es un hallazgo interesante, teniendo en cuenta el menor volumen de poro disponible en materiales doblemente funcionalizados. Por lo tanto, también se puede concluir que su mayor captación de CO2 y eficiencia en comparación con los sólidos impregnados se puede atribuir a un efecto sinérgico de los grupos amino incorporados por dos métodos (injerto e impregnación) más que a una cinética de adsorción más rápida.
Zhou y Kippelen et al. han demostrado que la poli(etilenimina) y la poli(etilenimina) etoxilada (PEIE) son modificadores eficaces de baja función de trabajo para la electrónica orgánica. [34] Podría reducir universalmente la función de trabajo de metales, óxidos metálicos, polímeros conductores y grafeno, etc. Es muy importante que el polímero conductor procesado en solución de baja función de trabajo pueda producirse mediante la modificación de PEI o PEIE. Con base en este descubrimiento, los polímeros se han utilizado ampliamente para células solares orgánicas, diodos emisores de luz orgánicos, transistores orgánicos de efecto de campo, células solares de perovskita, diodos emisores de luz de perovskita, células solares de puntos cuánticos y diodos emisores de luz, etc.
La polietilenimina (PEI), un polímero catiónico, ha sido ampliamente estudiada y ha demostrado ser muy prometedora como vehículo eficaz de administración de genes. Asimismo, el péptido Tat del VIH-1, un péptido permeable a las células, se ha utilizado con éxito para la administración intracelular de genes. [35]