Síntesis y caracterización de poliesteramidas biodegradables a partir de L-arabinosa y D-xilosa

Resumen

La persistencia en el medio ambiente de ciertos materiales poliméricos, su reciclad, la preocupación existente acerca de las emisiones durante su incineración, etc, ha llevado a realizar grandes esfuerzos en el desarrollo de materiales biodegradables. La primera generación de materiales biodegradables consistió en el mezclado de polímeros con productos naturales como el almidón. El segundo intento se concentró en la inserción de grupos funcionales tales como las uniones éster en la cadena de polímero. Estas uniones son susceptibles al ataque de microorganismos. La tercera aproximación es el desarrollo de materiales como el poli(hidroxibutirato) (PHB) que son sintetizados y degradados por bacterias bajo ciertas condiciones. El reto de reemplazar los materiales convencionales por otros que sean biodegradables consiste en el diseñar materiales que presenten estabilidad tanto funcional como estructural durante su almacenamiento y uso, pero que sean susceptibles de la degradación de microorganismos y/o el ambiente una vez desechados, sin que esto cause ningún impacto adverso en dicho ambiente. No es únicamente esta preocupación por la naturaleza, lo que está promoviendo enormemente el estudio de nuevos materiales poliméricos degradables, sino que, la investigación sobre materiales sintéticos que puedan utilizarse en aplicaciones médicas o farmacéuticas ha crecido considerablemente en las últimas tres décadas. Así, existen una amplia variedad de materiales que se utilizan en contacto con fluidos biológicos. A estos materiales se les conocen por biomateriales. Muchos de ellos se utilizan, como componentes de implantes o de aparatos para diagnóstico o terapia. También se usan en procesos de laboratorio, industriales, en agricultura, marina, etc. Dentro del grupo de biomateriales degradables los polímeros biodegradables son sin duda el grupo más representativo, debido fundamentalmente a que sus propiedades pueden ser ajustadas convenientemente tanto por medios químicos como físicos tales como la copolimerización, funcionalización química y mezclado. La degradación de la mayoría de estos polímeros tiene lugar por hidrólisis de ciertos enlaces hidrolíticamente inestables (éster, anhídrido,�.) presentes en estos materiales. Los poliésteres constituyen la familia de polímeros más pródiga en aplicaciones como materiales biodegradables ya que el grupo éster es fácilmente hidrolizable. Los principales tipos de polímero que actualmente se comercializan como biomateriales son los siguientes: ácido poliglicólico (PGA), ácido poliláctico (PLA), copolímeros PGA-PLA, poli(ß-hidroxibutirato)s(PHB) y copolímeros. Estos materiales presentan una buena biodegradabilidad y una biocompatibilidad aceptable, al menos superior a la que presentan los materiales de origen natural. Sin embargo su resistencia mecánica es defectuosa cuando se trata de aplicarlos en forma de piezas moldeadas tales como grapas, tornillos o clavos para cirugía ósea. Además la simplicidad constitucional de estos polímeros limita su uso como biomateriales funcionales y restringe considerablemente su potencial de aplicaciones. Por otro lado tenemos las poliamidas, que no han llegado a alcanzar el grado de desarrollo de los poliésteres, pero que constituyen junto con los poliuretanos y los polianhídridos el segundo grupo importante de biomateriales biodegradables. La mayor resistencia a la hidrólisis de la función amida determina que la degradación de las poliamidas sea considerablemente más lenta que la de los poliésteres. Por el contrario las propiedades mecánicas son claramente superiores y es especialmente esta característica la que les confiere especial atractivo como biomaterial. Por todo esto, se eligió a las poliesteramidas como la clase de polímero a preparar en la presente Tesis, ya que posiblemente podrían conjugar las buenas propiedades mecánicas de las poliamidas con la mayor facilidad a la degradación y biodegradación mostrada por los poliésteres. Además, las poliesteramidas sintetizadas en este proyecto han sido preparadas a partir de derivados de carbohidratos, lo que posiblemente les confiera una mayor facilidad para degradarse ya que serán compuestos altamente oxigenados, y con un gran carácter hidrofílico. La capacidad de absorción de agua de un polímero será una propiedad importante del mismo a considerar, puesto que el entorno biológico en el que se va a encontrar está principalmente compuesto por este líquido. El objetivo principal de este trabajo es la síntesis, caracterización de las propiedades físicas y estudio de la degradación de las poliesteramidas derivadas de L-arabinosa y D-xilosa. También es de interés una evaluación preliminar de la biodegradación de estas poliesteramidas con posible aplicación en el campo de la medicina. Las poliesteramidas descritas en esta Tesis se prepararán a partir de derivados de carbohidratos. Estos compuestos ofrecen interesantes propiedades para su utilización como materiales de partida en la preparación de nuevos materiales poliméricos. Así, es de esperar que los polímeros derivados de carbohidratos presenten una alta hidrofilia, una gran capacidad de absorción de agua, y posiblemente biodegradabilidad y biocompatibilidad. Además, los carbohidratos proceden de fuentes renovables lo que supone una ventaja frente a otros monómeros tradicionales que provienen del petróleo. Finalmente, debemos de considerar la gran variedad estereoquímica con la que estos compuestos se presentan en la naturaleza. Esto nos va a permitir la preparación de numerosos derivados, estereoregulares o no, finalmente nos llevarán a ajustar las propiedades físicas del polímero. Entre las desventajas que podemos encontrar en el empleo de los carbohidratos como material de partida para la preparación de polímeros es precisamente su multifuncionalidad. El que sean compuestos multifuncionales nos obliga a tener que usar una técnica de �protección de grupos funcionales/desprotección� hasta conseguir el monómero adecuado. Esto, en la gran mayoría de los casos, alarga el procedimiento sintético del polímero, aunque bien es cierto que la mayoría de los métodos de protección-desprotección en la química de carbohidratos están bien establecidos. En el caso de preparar polímeros del tipo AABB, es también muy importante el seleccionar la forma estereoisomérica adecuada del azúcar, puesto que esto nos llevará finalmente a la obtención de polímeros atácticos o estereoregulares. Así, por ejemplo recientemente se ha publicado politartaramidad del tipo AABB, con altos rendimientos, y pesos moleculares elevados. Estas poliamidas son estereoregulares debido a la existencia de un eje de simetría C-2 en el monómero del cual se obtienen. Los monómeros derivados de azúcares preparados en esta Tesis son los hidrocloruros de 1-amino-1-desoxi-2,3,4-tri-0-metil-5-0-[(pentaclorofenoxi)succinil]-L-arabinitol, 1-amino-1-desoxi-2,3,4-tri-0-metil-5-0-[(pentaclorofenoxi)glutaril-L-arabinitos, y 1-amino-1-desoxi-2,3,4-tri-0-metil-5-0-[(pentaclorofenoxi)succinil]-D-xilitol. Como se puede observar, hemos protegido las funciones alcohol secundario del carbohidrato en forma de metil éter. De este modo nos aseguramos su no participación en reacciones secundarias al ser este grupo protector poco reactivo. Por otro lado, al ser pequeño, no influirá de manera decisiva en los movimientos de la cadena de polímero. La presencia de estos grupos metoxilo unidos a la cadena principal incrementará la hidrofilia de los polímeros en comparación con la mostrada por los nylons convencionales, ya que aumentará la interaccion del polímero con el agua gracias al a formación de puentes de hidrógeno. Por otro lado, tenemos que destacar que las poliesteramidas descritas en esta Tesis son del tipo AB y se han preparado por el método de ésteres activos, por lo que, en este caso, no es importante elegir previamente la forma estereosimérica adecuada, puesto que los polímeros obtenidos son siempre estereoregulares, independientemente de la configuración del monómero de partida. Los objetivos concretos que se proponen para la realización de este trabajo son: 1.- Poliesteramidas derivadas de la L-arabionsa: PAS, PAG y PAF. Síntesis de 1-(terc-butoxicarbonilamino)-1-desoxi-2,3,4-tri-0-metil-L-arabinitol, y condensación con los anhídridos succínico, glutárico, o ftálico. Preparación de las poliesteramidas por policondensación. Caracterización y estudio de sus propiedades. 2.- Poliesteramida derivada de la D-xilosa: PXS. Síntesis de 1-(terc-butoxicarbonilmarino)-1-desoxi-2,3,4-tri-0-metil-D-xilitol y condensación con el anhídrido succínico. Preparación de la poliesteramida por policondensación. Caracterización y estudio de sus propiedades. 3.- Degradación hidrolítica. Estudio de la degradación hidrolítica de los polímeros sintetizados en los objetivos anteriores, tanto en agua como en condiciones fisiológicas (pH 7.4 y 37º C). 4.- Biodegradación. Estudio preliminar de la biodegradación de la poliesteramida PAS por medio de bacterias.