Preparación de miliesferas de quitosana-xantana entrecruzadas con ácido cítrico: Estudio de la viscosidad, de la resistencia en medios ácidos y su caracterización espectroscópica y calorimétrica

Abstract

Los hidrogeles son materiales poliméricos altamente hidrofílicos, capaces de absorber grandes cantidades de agua, sin disolverse. Debido al equilibrio que se establece entre el agua y las redes de polímero, se forman geles estables con propiedades de difusión de iones o moléculas, tales [11] como metales pesados, colorantes o nutrientes; esta cualidad permite su aplicación en el tratamiento de aguas residuales[1] y en el diseño de liberadores de fármacos [2]. Además, con el contenido de agua adecuado, los hidrogeles pueden presentar flexibilidad similar al tejido natural, por lo que, también son de gran importancia en la ingeniería de tejidos. La mayor parte de los hidrogeles se preparan a partir de polímeros sintéticos que provienen de fuentes fósiles, los cuales tienen bajas velocidades de degradación y algunos de ellos como el ácido poliacrílico son tóxicos[3]. Por este motivo se prefieren obtener hidrogeles a partir de polímeros naturales como lo son la quitosana y la xantana, polisacáridos con propiedades de biocompatibilidad, biodegradabilidad, antimicrobianos, no tóxicos y de notable importancia industrial[4]. Se ha reportado previamente en la literatura que la quitosana tiene capacidad de remover especies iónicas de disoluciones acuosas, incluyendo algunos contaminantes del agua como colorantes[5] y metales pesados[6]. No obstante, a pesar de esta cualidad, la quitosana presenta limitaciones en la práctica, por un lado, usarla en su presentación comercial de forma de polvo no es eficiente, debido a que el polímero se aglomera y no permite un buen contacto con la disolución acuosa. Para una mayor eficiencia en la remoción de contaminantes se opta por obtener hidrogeles de quitosana en forma de miliesferas y con esta presentación se puede utilizar como material de empaque para procesos de tratamientos de agua en columna. Cabe mencionar que otra limitante de la quitosana, es su baja resistencia mecánica y su propiedad de disolverse en medios ácidos y considerando que algunas aguas residuales tienen valores de pH ácidos, esto evita que la quitosana se pueda utilizar en un amplio rango de pH. Debido a lo anterior, se busca la obtención de compositos de quitosana mediante la mezcla con otros biopolímeros capaces de interactuar con la quitosana para mejorar las propiedades del material. La xantana es un polímero resistente en medios ácidos, que además contiene en su estructura grupos funcionales polares (i.e. hidroxilos y carboxilos) útiles para la captación de especies iónicas. Mediante la obtención de una mezcla de quitosana-xantana se pueden combinar las propiedades de captación de la quitosana con la resistencia en medios ácidos de la xantana; además, al utilizar ácido cítrico como agente entrecruzante se puede mejorar la estabilidad mecánica del material composito a largo plazo, ya que este entrecruzante ha demostrado mejorar las propiedades mecánicas de polisacáridos naturales[7]. De la mezcla quitosana-xantana ya se han obtenido hidrogeles mediante de un entrecruzamiento formado por interacciones electrostáticas entre los grupos amino de la quitosana y los grupos carboxilo de la xantana[8]. Estos geles han demostrado capacidad de actuar como inmovilizadores de enzimas[9] y como liberadores de fármacos[10,11]. Entre las [12] propiedades de los hidrogeles de quitosana-xantana se ha demostrado que los grupos amino e hidroxilo de la quitosana funcionan como sitios activos para la remoción de colorantes en sistemas acuosos [12]. En nuestro grupo de investigación se han obtenido xerogeles (gel seco) de quitosanaxantana entrecruzados con ácido cítrico en forma de película[13] , con propiedades de flexibilidad y resistencia mecánica, además de resistencia en medios ácidos. Estos materiales se aplicaron en la captación de curcumina (que es un antiinflamatorio natural), además de que mediante plasma fueron modificados superficialmente insertando grupos funcionales como carbonilos. Para concluir, la finalidad del proyecto fue obtener materiales provenientes únicamente componentes naturales que tenga la presentación adecuada para que puedan ser utilizados en procesos de sorción, por tal motivo se prepararon miliesferas de hidrogel de quitosana-xantana y ácido cítrico por el método de goteo simple-baño de gelificación, con la hipótesis de que en esta presentación también presentarán buenas propiedades mecánicas y resistencia en medios ácidos. Para encontrar la composición con las mejores propiedades mecánicas se realizó un diseño de experimentos con mezclas restringido de 18 tratamientos. Los resultados obtenidos indicaron que con todos los tratamientos del diseño de experimentos fue posible obtener miliesferas de hidrogel, además se diseñó un sistema con el cuál fue posible manipular el tamaño, de tal forma que con la mezcla de cada tratamiento se obtuvieron miliesferas en dos tamaños diferentes. A las partículas posteriormente se les realizó un estudio de hinchamiento y de resistencia en medios ácidos. Además, se caracterizó mediante espectroscopía de infrarrojo por transformada de Fourier y por calorimetría: DSC y TGA. Finalmente, con los resultados obtenidos se determinó la composición con las mejores propiedades físicas y químicas.