Polímero inteligente

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 varias maneras, como alterando el color o la transparencia, volviéndose conductores o permeables al agua, o cambiando de forma ( polímeros con memoria de forma ). Generalmente, pequeños cambios en el entorno son suficientes para inducir grandes cambios en las propiedades del polímero. ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]}

Varios sistemas poliméricos responden a la temperatura, experimentando una transición de fase con una temperatura crítica de solución inferior ( LCST ). 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 presentan un comportamiento LCST, cuya temperatura de transición depende de la longitud de la cadena lateral hidrofóbica . Por encima de su temperatura de transición, estos polímeros se vuelven insolubles en agua. Se cree que este comportamiento está impulsado por la entropía .

Existen polímeros inteligentes lineales y matriciales con diversas propiedades que dependen de grupos funcionales reactivos y cadenas laterales. Estos grupos pueden responder al pH, la temperatura, la fuerza iónica , los campos eléctricos o magnéticos y la luz. Algunos polímeros se entrecruzan reversiblemente 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 en la administración de fármacos. La encapsulación tradicional de fármacos se ha realizado utilizando polímeros de ácido láctico . Desarrollos más recientes han propiciado la formación de matrices reticulares que mantienen el fármaco de interés integrado o atrapado entre las cadenas poliméricas.

Un copolímero de injerto y bloque consiste en dos polímeros diferentes unidos mediante injerto. Ya existen varias patentes para diversas combinaciones de polímeros con distintos grupos reactivos. El producto presenta propiedades de ambos componentes individuales, lo que añade una nueva dimensión a la estructura inteligente del polímero y puede resultar útil para ciertas aplicaciones. La reticulación de polímeros hidrofóbicos e hidrofílicos da lugar a la formación de estructuras similares a micelas que pueden facilitar la administración de fármacos a través de un medio acuoso hasta que las condiciones en el lugar de destino provoquen la degradación simultánea de ambos polímeros.

Un enfoque de injerto y bloqueo podría ser útil para resolver los problemas que surgen al usar un polímero bioadhesivo común, el ácido poliacrílico (PAA). El PAA se adhiere a las superficies mucosas, pero se hincha y degrada rápidamente a pH 7,4, lo que provoca la liberación rápida de los fármacos atrapados en su matriz. Una combinación de PAAc con otro polímero menos sensible a los cambios a pH neutro podría aumentar el tiempo de residencia y ralentizar la liberación del fármaco, mejorando así la biodisponibilidad y la eficacia.

Los hidrogeles son redes poliméricas que no se disuelven en agua, pero se hinchan o colapsan en entornos acuosos cambiantes. Son útiles en biotecnología para la separación de fases, ya que son reutilizables o reciclables . Se están investigando nuevas formas de controlar el flujo, o la captura y liberación de compuestos específicos, en los hidrogeles. Se han desarrollado hidrogeles altamente especializados para administrar y liberar fármacos en tejidos específicos. Los hidrogeles hechos de PAAc son especialmente comunes debido a sus propiedades bioadhesivas y su gran capacidad de absorción .

La inmovilización de enzimas en hidrogeles es un proceso bastante consolidado. Las redes poliméricas reticuladas reversiblemente y los hidrogeles pueden aplicarse de forma similar a un sistema biológico donde la respuesta y liberación de un fármaco se activan por la propia molécula diana. Alternativamente, la respuesta puede activarse o desactivarse mediante el producto de una reacción enzimática . Esto se suele lograr incorporando al hidrogel una enzima, un receptor o un anticuerpo que se une a la molécula de interés. Una vez unidos, se produce una reacción química que desencadena una reacción en el hidrogel. El desencadenante puede ser el oxígeno, detectado mediante enzimas oxidorreductasas , o una respuesta sensible al pH. Un ejemplo de esto último es la inmovilización combinada 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 eficazmente son la estabilidad enzimática y una cinética rápida (respuesta rápida al estímulo y recuperación tras su eliminación). Se han probado varias estrategias en la investigación de la diabetes tipo 1 , que implican el uso de polímeros inteligentes similares capaces de detectar cambios en los niveles de glucosa en sangre y desencadenar la producción o liberación de insulina. Asimismo, existen numerosas aplicaciones posibles de hidrogeles similares como agentes de administración de fármacos para otras afecciones y enfermedades. ^{[ 4 ]}

Los geles de piromelitamida son tipos de geles basados ​​en moléculas de piromelitamida. ^{[ 5 ] [ 6 ]} Estos geles se están desarrollando para permitir la reparación de músculos y médulas espinales seccionadas en pacientes.

Los polímeros inteligentes aparecen tanto en aplicaciones altamente especializadas como en productos cotidianos. Se utilizan en sensores y actuadores , como músculos artificiales , en la producción de hidrogeles , en envases biodegradables y, en gran medida, en ingeniería biomédica . Un ejemplo es un polímero que experimenta un cambio conformacional en respuesta a cambios de pH, que puede utilizarse en la administración de fármacos . ^{[ 7 ]} Otro ejemplo 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. ^{[ 8 ] [ 9 ]}

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 su estructura y propiedades. Una vez que ocurre 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 su conformación , adhesividad o propiedades de retención de agua debido a ligeras variaciones en el pH, la fuerza iónica , la temperatura, los ultrasonidos u otros desencadenantes. Por ejemplo, Kubota et al. diseñaron y cargaron microesferas de hidrogel sensibles a los ultrasonidos con nanopartículas de sílice que se liberaban bajo estimulación ultrasónica. ^{[ 10 ]}

Otro factor que influye en la eficacia de los polímeros inteligentes reside en la naturaleza intrínseca de los polímeros en general. La intensidad de la respuesta de cada molécula a los cambios en los estímulos es la suma de los cambios en las unidades monoméricas individuales que, por sí solas, serían débiles. Sin embargo, estas respuestas débiles, multiplicadas cientos o miles de veces, generan una fuerza considerable para impulsar los procesos biológicos.

La industria farmacéutica ha estado directamente relacionada con los avances de los polímeros. En este campo, los polímeros desempeñan un papel significativo y sus avances están ayudando a poblaciones enteras en todo el mundo. El cuerpo humano es una máquina con un sistema complejo que funciona en respuesta a señales químicas. Los polímeros desempeñan un papel en la tecnología de administración de fármacos, ya que pueden controlar la liberación de agentes terapéuticos en dosis periódicas. ^{[ 11 ]} Los polímeros son capaces de reconocimiento molecular y dirigir la administración intracelular. ^{[ 11 ]} Los polímeros inteligentes entran en juego en este campo, aprovechando el reconocimiento molecular, y finalmente producen sistemas de conciencia y portadores de polímeros para facilitar la administración de fármacos en el organismo.

El polímero fluorescente amplificador (AFP), un tipo de polímero inteligente, se utiliza para detectar explosivos como el TNT , así como PFAS y materiales ilícitos. ^{[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]}

Se ha sugerido que podrían desarrollarse polímeros capaces de aprender y autocorregir su comportamiento con el tiempo. Si bien esto podría ser una posibilidad lejana, existen otras aplicaciones más factibles que parecen estar gestándose en un futuro próximo. Una de ellas es la idea de 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 sumamente útil contar con 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 . Asimismo, se están investigando numerosos enfoques innovadores para sistemas de administración dirigida de fármacos que se autorregulan en función de su entorno celular específico .

Existen problemas potenciales evidentes asociados al uso de polímeros inteligentes en biomedicina . El más preocupante es la posible toxicidad o incompatibilidad de sustancias artificiales en el organismo, incluyendo productos de degradación y subproductos . Sin embargo, los polímeros inteligentes tienen un enorme potencial en biotecnología y aplicaciones biomédicas si se logran superar estos obstáculos.

• Materia programable
• Material inteligente
• Redes adaptables covalentes / vitrímeros