Los polímeros sensibles al pH o sensibles al pH son materiales que responderán a los cambios en el pH del medio circundante variando sus dimensiones. Los materiales pueden hincharse, colapsar o cambiar dependiendo del pH de su entorno. Este comportamiento se manifiesta debido a la presencia de ciertos grupos funcionales en la cadena polimérica. Los materiales sensibles al pH pueden ser ácidos o básicos, respondiendo a valores de pH básicos o ácidos. Estos polímeros pueden diseñarse con muchas arquitecturas diferentes para diferentes aplicaciones. Los usos clave de los polímeros sensibles al pH son los sistemas de administración controlada de fármacos, la biomimética , los sistemas micromecánicos, los procesos de separación y la funcionalización de superficies. [1]
Los polímeros sensibles al pH se pueden dividir en dos categorías: aquellos con grupos ácidos (como -COOH y -SO 3 H) y aquellos con grupos básicos (-NH 2 ). El mecanismo de respuesta es el mismo para ambos, solo varía el estímulo. La forma general del polímero es una estructura principal con "grupos colgantes" funcionales que cuelgan de ella. Cuando estos grupos funcionales se ionizan en ciertos niveles de pH, adquieren una carga (+/-). Las repulsiones entre cargas iguales hacen que los polímeros cambien de forma. [1] [2]
Los poliácidos, también conocidos como polímeros aniónicos, son polímeros que tienen grupos ácidos. [2] Los ejemplos de grupos funcionales ácidos incluyen ácidos carboxílicos (-COOH), ácidos sulfónicos (-SO 3 H), ácidos fosfónicos y ácidos borónicos. Los poliácidos aceptan protones a valores de pH bajos. A valores de pH más altos, se desprotonan y se cargan negativamente. [1] Las cargas negativas crean una repulsión que hace que el polímero se hinche. Este comportamiento de hinchamiento se observa cuando el pH es mayor que el pKa del polímero. [2] Los ejemplos incluyen polímeros de polimetilmetacrilato (pharmacologyonline 1 (2011)152-164) y ftalato de acetato de celulosa.
Las polibases son el equivalente básico de los poliácidos y también se conocen como polímeros catiónicos. Aceptan protones a un pH bajo como lo hacen los poliácidos, pero luego se cargan positivamente. Por el contrario, a valores de pH más altos son neutrales. El comportamiento de hinchamiento se observa cuando el pH es menor que el pKa del polímero. [1]
Aunque muchas fuentes hablan de polímeros sintéticos sensibles al pH, los polímeros naturales también pueden mostrar un comportamiento sensible al pH. Los ejemplos incluyen quitosano , ácido hialurónico , ácido algínico y dextrano . [1] El quitosano, un ejemplo usado con frecuencia, es catiónico. Dado que el ADN está cargado negativamente, el ADN podría unirse al quitosano como una forma de entregar genes a las células. [3] El ácido algínico, por otro lado, es aniónico. A menudo se evalúa como una sal de calcio para aplicaciones de administración de fármacos (International journal of biological macromolecules 75 (2015) 409-17). Los polímeros naturales tienen atractivo porque muestran una buena biocompatibilidad, lo que los hace útiles para aplicaciones biomédicas. Sin embargo, una desventaja de los polímeros naturales es que los investigadores pueden tener más control sobre la estructura de los polímeros sintéticos y, por lo tanto, pueden diseñar esos polímeros para aplicaciones específicas. [2]
Los polímeros pueden diseñarse para responder a más de un estímulo externo, como el pH y la temperatura. A menudo, estos polímeros se estructuran como un copolímero donde cada polímero muestra un tipo de respuesta. [1]
Se han creado polímeros sensibles al pH con arquitecturas de copolímeros en bloque lineales, en estrella, ramificados, dendrímeros, en cepillo y en peine. Los polímeros de diferentes arquitecturas se autoensamblan en diferentes estructuras. Este autoensamblaje puede ocurrir debido a la naturaleza del polímero y del solvente, o debido a un cambio en el pH. Los cambios de pH también pueden hacer que la estructura más grande se hinche o deshinche. Por ejemplo, los copolímeros en bloque a menudo forman micelas, al igual que los polímeros en estrella y los polímeros ramificados. Sin embargo, los polímeros en estrella y ramificados pueden formar micelas en forma de varilla o de gusano en lugar de las típicas esferas. Los polímeros en cepillo se utilizan generalmente para modificar superficies, ya que su estructura no les permite formar una estructura más grande como una micela. [1]
A menudo, la respuesta a diferentes valores de pH es la hinchazón o la deshinchazón. Por ejemplo, los poliácidos liberan protones para cargarse negativamente a un pH alto. Dado que las cadenas de polímeros suelen estar muy próximas a otras partes de la misma cadena o a otras cadenas, las partes del polímero con carga similar se repelen entre sí. Esta repulsión conduce a una hinchazón del polímero. [ cita requerida ]
Los polímeros también pueden formar micelas (esferas) en respuesta a un cambio de pH. Este comportamiento puede ocurrir con copolímeros de bloques lineales. Si los diferentes bloques del copolímero tienen diferentes propiedades, pueden formar micelas con un tipo de bloque en el interior y otro tipo en el exterior. Por ejemplo, en el agua, los bloques hidrófobos de un copolímero podrían terminar en el interior de una micela, con bloques hidrófilos en el exterior. [4] Además, un cambio de pH podría hacer que las micelas intercambien sus moléculas internas y externas dependiendo de las propiedades de los polímeros involucrados. [1]
También son posibles otras reacciones además de la simple hinchazón y deshinchazón con un cambio de pH. Los investigadores han creado polímeros que experimentan una transición sol-gel (de una solución a un gel) con un cambio de pH, pero que también cambian de un gel rígido a un gel blando para ciertos valores de pH. [5]
Los polímeros sensibles al pH se pueden sintetizar utilizando varios métodos de polimerización comunes. Dependiendo del tipo de polimerización, puede ser necesario proteger los grupos funcionales para que no reaccionen. El enmascaramiento se puede eliminar después de la polimerización para que recuperen su funcionalidad sensible al pH. La polimerización viva se utiliza a menudo para fabricar polímeros sensibles al pH porque se puede controlar la distribución del peso molecular de los polímeros finales. Los ejemplos incluyen polimerización por transferencia de grupo (GTP), polimerización radical por transferencia de átomos (ATRP) y transferencia de cadena por adición-fragmentación reversible (RAFT). [1] Los copolímeros de injerto son un tipo popular para sintetizar porque su estructura es una cadena principal con ramificaciones. La composición de las ramificaciones se puede cambiar para lograr diferentes propiedades. [2] Los hidrogeles se pueden producir utilizando polimerización en emulsión. [1]
Se pueden utilizar varios métodos para medir el ángulo de contacto de una gota de agua sobre la superficie de un polímero. El valor del ángulo de contacto se utiliza para cuantificar la humectabilidad o hidrofobicidad del polímero. [2]
Equivale a (peso hinchado - peso deshinchado)/peso deshinchado *100 % y se determina midiendo la masa de los polímeros antes y después del hinchamiento. Esto indica cuánto se hinchó el polímero al cambiar el pH. [2]
El pH en el que se observa un cambio estructural significativo en la disposición de las moléculas. Este cambio estructural no implica la ruptura de enlaces, sino un cambio en la conformación. Por ejemplo, una transición de hinchamiento/deshinchamiento constituiría un cambio conformacional reversible. El valor del punto crítico de pH se puede determinar examinando el porcentaje de hinchamiento en función del pH. Los investigadores apuntan a diseñar moléculas que realicen la transición a un pH que sea importante para la aplicación dada. [2]
La microscopía confocal , la microscopía electrónica de barrido , la espectroscopia Raman y la microscopía de fuerza atómica se utilizan para determinar cómo cambia la superficie de un polímero en respuesta al pH. [2]
Se ha considerado el uso de polímeros sensibles al pH para membranas. Un cambio en el pH podría modificar la capacidad del polímero para dejar pasar los iones, lo que le permitiría actuar como filtro. [1]
Los polímeros sensibles al pH se han utilizado para modificar las superficies de los materiales. Por ejemplo, se pueden utilizar para cambiar la humectabilidad de una superficie. [1]
Los polímeros sensibles al pH se han utilizado para la administración de fármacos. Por ejemplo, se pueden utilizar para liberar insulina en cantidades específicas. [6]