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OBTENCIÓN DE MICRO Y NANO-PARTÍCULAS DE POLIÉSTERES
BIODEGRADABLES
Rafael Alejandro Paiva Alba
Miniproyecto de Ingeniería Química
dirigido por
Prof. Marcos Sabino Departamento de Química
RESUMEN
A partir de emulsiones usando poliésteres biodegradables Policaporlactona (PCL) y Poliácido Láctico (PLA)
se prepararon partículas de tamaño micro y nanométrico, empleando Polivinil Alcohol como agente
surfactante. Se estudió el tamaño de las partículas obtenidas en función a los parámetros de agitación
Además se recubrieron las micropartículas de PCL con quitosano QN, en una suspensión acuosa con hexano
para concederles propiedades hidrofílicas y de biocompatibilidad. Por medio de Microscopía Electrónica de
Barrido se verificó el tamaño de las partículas y el recubrimiento de las mismas. Se obtuvieron partículas
esféricas con diámetros < 10µm, y nanométricos bajo ultradispersión/ ultrasonido. El recubrimiento del PCL
con QN se logró satisfactoriamente, pero poco homogeneo de las particulas recubiertas.
INTRODUCCIÓN
En las últimas décadas, las investigaciones con
biomateriales funcionales han incentivado el desarrollo de
nuevos sistemas de transporte de fármacos (Dash , et. al.,
2011). Las micro y nanopartículas de poliésteres
biodegradables evocan un tema de gran interés en diversos
estudios actuales, principalmente en el ámbito farmacéutico,
gracias a sus aplicaciones para el encapsulamiento y la
administración de medicinas: proporcionan mayor eficacia al
extender su efecto en el organismo; al facilitar el transporte
del fármaco hasta una zona específica deseada dentro del
organismo (Sáez et. al. 2004); y al mejorar su estabilidad y
evitar su pronta degradación química a causa de agentes
externos (Guinebretiere et. al. 2002).
De esta forma, copolímeros de ácido láctico han sido
ampliamente estudiados para estas aplicaciones debido a que
presentan productos de degradación inocuos (Bodmeir y
McGinity, 1988). Así como también se ve involucrada la
policaprolactona en la producción de micro y nanopartículas,
principalmente por su carácter biocompatible y
biodegradable.
Muchas de estas partículas poliméricas a escala
micro/nanométrica no son capaces de absorber agua o su
degradación puede acelerarse por reacciones con las
sustancias químicas presentes en el organismo, y por ende
no son capaces de retener el fármaco por el tiempo deseado
o requerido. Estudios con micropartículas hidrofóbicas como
el poliestireno, sin cargas o cargado positivamente, tienen
afinidad con los epitelios asociados a folículos, mientras que
su versión cargada negativamente sólo muestra una pequeña
afinidad a tejidos intestinales; y nanopartículas de polímeros
hidrofílicos han mostrado propiedades bioadhesivas en tales
regiones del organismo, lo cual sugiere que una matriz
híbrida parte hidrofóbica y parte hidrofílica tendrá un efecto
positivo en la zona gastrointestinal (Pinto et. al., 2005).
Diversos estudios se han enfocado en solventar este
inconveniente, concluyendo que la cantidad de fármaco
liberada dependerá de un balance entre un polímero hidrófilo
y un polímero hidrófobo que consoliden un mismo
encapsulamiento (Sáez, et. al., 2004). Por consiguiente, se
han enfocado las investigaciones a recubrir las partículas con
polímeros biocompatibles, generalmente de origen natural.
Ohya, T., et. al. (2000) reportaron partículas de polímeros
recubiertas con quitosano como transporte de insulina, y la
incorporación y liberación del fármaco dependió de la
duración entre la interacción polímero-quitosano.
Los recubrimientos de estos polímeros permiten un
cambio de propiedades físicas y químicas (Guild, 2000),
para adaptarlas a parámetros que se específicos del fármaco,
que mejoren la eficiencia del mismo en el transporte y
suministro del mismo. Algunos de estos polímeros son el
quitosano, el alginato, el almidón y polióxido de etileno en
forma de hidrogeles.
Para la obtención de las micro y nanopartículas de
polímeros se han desarrollado y patentados diversos
métodos, basados en evaporación de solvente,
nanoprecipitación, “salting out”, difusión de disolvente y
usando fluidos supercríticos (Rocha et. al., 2009). Uno de
los más comunes es vía emulsión, donde se tienen dos fases:
en una el o los monómeros de las sustancias poliméricas son
dispersados en un medio, donde un agente estabilizante es
capaz de controlar la polimerización dentro de unas micelas,
y se puede mantener un tamaño microscópico. En este
proceso de emulsión, es un factor clave en el tamaño de
partícula de los polímeros resultantes la velocidad de
agitación y el medio donde se agita (Venier-Julienne y
Benoit, 1996).
Bajo estas premisas, el siguiente trabajo esta enfocado
en establecer los parámetros de agitación que garanticen la
formación de micro/nanopartículas de dos biopolímeros: la
policaprolactona (PCL) y el poliácido láctico (PLA), en una
preparación vía emulsión. Se controlarán variables como el
tiempo de agitación, la concentración de
ii. Poliácido Láctico (PLA). Tal como explican
Södergånd y Stolt (2002), el ácido láctico (ácido 2-
hidroxipropanóico) es una de las moléculas ópticamente
activas más pequeñas, y puede presentarse como un
esteroisómero L o D. Es producido por animales, en plantas
y por microrganismos en la naturaleza como bacterias y
levaduras. El poliácido láctico es uno de los biopolímeros
que pueden sintetizarse a partir de esta especie química,
mediante un mecanismo de polimerización por apertura de
anillos o por procesamiento post-polimerización mediante
mecanismos descritos por Benoit et. al. (1996)
Las nanocápsulas de PLA se caracterizan por un núcleo
central aceitoso, rodeado por una delgada pared de polímero
(Guterres et. al., 1994). No obstante, se han hecho pocos
estudios acerca de las nanocápsulas de este polímero.
El poliácido láctico es un polímero con un punto de
fusión cercano a 180°C; con una solubilidad que depende
altamente de su peso molecular, de su grado de cristalinidad
y de la existencia de algún otro monómero en su estructura
(Södergånd y Stolt, 2002).
El uso de mezclas de PLA con otros polímeros ofrece la
posibilidad de cambiar las propiedades del mismo, por
ejemplo, su tasa de degradación o la tasa de liberación del
fármaco asociado (Södergånd y Stolt, 2002).
iii. Quitosano. El uso del quitosano data del siglo
XIX, tras un estudio de Rouget sobre las formas
desacetiladas del polímero matriz, quitina (Dash et. al.,
2011). La investigación del Quitosano a finales del siglo XX
fue prominente en cuanto a avances tecnológicos y
bioquímicos, inhibición de biosíntesis, combinaciones con
polímeros naturales y sintéticos e inclusive su
implementación como suplemento alimenticio y conservante
(Muzarelli y Muzarelli, 2005).
El quitosano es un polisacárido, con grupos funcionales
reactivos, capaz de formar geles, con gran capacidad de
adsorción y biodegradabilidad que deriva de fuentes
naturales, como el exoesqueleto de insectos, crustáceos y
algunos hongos. Además es totalmente biocompatible y no
es tóxico para tejidos vivos (Dash et. al., 2011).
Su solubilidad en agua ocurre a pH menor a 6,
dependiendo de su densidad, su peso molecular y del método
de desacetilación empleado para su obtención (Dash et. al.,
2011). En ambientes acídicos es empleado como un agente
para aumentar la viscosidad, la cual se incrementa
proporcionalmente con la concentración del mismo (Dash et.
al., 2011).
Ha sido vastamente usado en numerosas investigaciónes.
Lee et. al. (2000), por ejemplo, desarrollaron un método para
liberar adriamicina usando agregados de nanopartículas
esféricas de quitosano modificado con ácido desoxicólico.
Sistemas de micro-emulsión. La técnica de emulsión-
difusión patentada por Quintanar-Guerrero et. al. es utilizada
para producir microcápsulas basadas en polímeros
biodegradables. (Guinebretière et. al., 2002), que sirven para
almacenar drogas y fármacos que serán transportados dentro
del organismo hasta un locus definido. La difusión del
soluto, en este caso el fármaco, a partir de un material
polimérico puede ser fickiana o no, dependiendo de la
velocidad de relajación del polímero en el proceso de
hinchamiento (Sáez et. al., 2004).
Estos sistemas dependen claramente de la necesidad de
transporte para algún fármaco en específico, y de acuerdo a
las soluciones, la velocidad de agitación, entre otros, para
definir las variaciones en los resultados únicamente en
función del tipo de agitación y del medio donde ésta es
llevada a cabo.
ASPECTO TEÓRICO
Nanotecnología. La nanotecnología como ciencia ha
tenido su enfoque en la química de los polímeros, ante la
producción de nanopartículas y nanocápsulas destinadas a
la administración de fármacos. Las nanocápsulas se
definen como sistemas vesiculares en los cuales algún
fármaco es confinado a una cavidad con un núcleo interno
líquido rodeado de una membrana polimérica (Pinto, C., et.
al., 2006)
Según Guinebretière et. al. (2002), en el campo de las
aplicaciones farmacéuticas de las encapsulaciones de
drogas por recubrimientos de polímeros, cápsulas basadas
en polímeros biodegradables con tamaño promedio de
500nm se han obtenido a través de un método patentado de
emulsión-difusión.
Con este fin, las nanopartículas han tenido una ventaja
por encima de las micropartículas, pues están mejor
capacitadas para transporte intravenoso, pues existen
capilares en el cuerpo con diámetro entre 5-6μm, y para
estos fines las partículas han de ser significativamente
menores y sin riesgos de formar agregados (Hans y
Lowman, 2002).
La morfología, el tamaño y la estructura de las
nanocápsulas definen sus propiedades farmacéuticas, en
especial la liberación de fármaco (Guinebretière et. al.,
2002).
Polímeros Biodegradables.
i. Policaprolactona (PCL). La policaprolactona es
un polímero sintético hidrofóbico, con una temperatura de
fusión alrededor de 60°C, buena procesabilidad y
solubilidad. Puede ser preparada mediante la
polimerización por apertura de anillos del ε-caprolactona
con catálisis aniónica/catiónica, o por polimerización de
radicales libres con apertura de anillo del 2-metileno-1-3-
dioxepano (Woodruff y Hutchmacher, 2010).
Además de su adecuada biocompatibilidad y su baja
inmunogenicidad, presenta una biodegradación más lenta
que otros polímeros de uso común, como el PLGA (ácido
poliláctico coglicólico), lo cual aumenta el tiempo
biológico de fármacos contenidos en su interior, lo cual es
útil en caso de administración prolongada de principios
activos (Rocha et. al., 2009)
El PCL ha sido usado para el suministro controlado de
varios fármacos con bajo peso molecular (Cha y Pitt,
1990). Se trata de un poliéster biodegradable que ha atraído
atención para ser usado como como agente de transporte
controlado de fármacos gracias a su carácter no tóxico y a
su bajo precio, al compararlo con otros polímeros
semejantes (Sahoo et. al., 2009).
Fue uno de los primeros polímeros sintetizados en la
década de 1930 por el grupo Carothers. La molécula es
soluble en cloroformo, diclorometano, tetracloruro de
carbono, benceno, tolueno, ciclohexano y 2-nitropropano a
temperatura ambiente (Woodruff y Hutchmacher, 2010).
para que las micro/nanopartículas se depositen (fig. 1); éstas
son lavadas en reiteradas ocasiones para remover cualquier
resto de estabilizante en sus estructuras (Rocha et. al., 2009).
Fig. 1. Representación esquemática del método de
Vanderhoff (Pinto et al., 2006)
El tamaño de las partículas a escala micro y nanométrica
depende de diversos factores, como el peso molecular de los
polímeros con los que se trabaja, características propias de
dichos polímeros, como el grado de cristalización, la técnica
de preparación usada, los tiempos de preparación, agitación,
agregación. El factor del tipo de agitación también destaca
por su influencia en este parámetro, según describen Venier-
Julienne y Benoit (1996), pues una mayor dispersión durante
la emulsión donde se sintetizan las micropartículas facilita
su formación en tamaños más diminutos. Por ello se evalúan
cuatro (4) síntesis de un mismo polímero (PCL) bajo
distintos regímenes de agitación, con el fin de corroborar
estos estudios y evaluar el mecanismo más beneficioso.
Para el recubrimiento de las micro/nanopartículas ya
formadas con el biopolímero a trabajar (quitosano), se ha de
recurrir al método de emulsión-difusión según Quintanar-
Guerrero et. al. (1999), en el cual básicamente se produce
una emulsión entre una fase acuosa donde se diluye un
agente surfactante (PVA), y una fase oleosa con el polímero
concentrado que se agrega bajo agitación a la primera; y
luego se procede a una dilución de la emulsión final
empleando un agente capaz de romper la emulsión, que
conlleva a la deposición de las micro/nanopartículas
formadas. Trabajos previos han estimado que las emulsiones
resultantes de este tipo deben presentar tamaños de
partículas que oscilen entre los 0,4 y 1,3 μm (Guinebretière
et. al., 2002).
Preparación de las Micro y Nanopartículas de
Policaprolactona PCL. Se preparó una solución de
Polivinil alcohol (PVA) en agua destilada al 0,5% P/V (2g de
polímero), la cual se mantuvo bajo agitación magnética hasta
lograr homogeneidad. Por otro lado, se disolvió
Policaprolactona (PCL) al 10% en 6ml de cloroformo, bajo
agitación magnética.
Se aplicó el método ya mencionado diseñado por
Vanderhoff para cuatro casos de síntesis de micro/nano
partículas. El primer caso se hizo con una alícuota de 100ml
de la disolución de PVA dentro de un beaker común de
100ml. Se colocó y se puso en funcionamiento el
ultradispersor sobre el recipiente, sumergiendo la punta
agitadora en la solución; durante 20 minutos se agregó la
solución de PCL en cloroformo gota a gota, con una
micropipeta de 500µl; las gotas eran liberadas desde una
altura significativa y no directamente sobre la superficie de
la solución, para garantizar la mayor penetración posible en
ello se define el tipo de polímero que participará en la
emulsión. Se ha recurrido incluso al recubrimiento de las
nanocápsulas con algún otro polímero que modifique sus
propiedades. Diversos investigadores se han interesado en
el tópico, entre ellos Rodríguez et. al. (1998), quienes
diseñaron un sistema multiparticulado con un núcleo
hidrofóbico recubierto con un polímero hidrofílico con la
capacidad de hincharse para el transporte de fármacos para
tratar enfermedades relacionadas con el cólon.
Plantea Langer y Peppas (1981), el compuesto activo
se encuentra disuelto o disperso en un soporte de polímero
hidrófilo, el cual se hincha sin disolverse cuando se pone
en contacto con un medio acuoso. Estos sistemas
polímeros se denominan hidrogeles y han despertado gran
interés porque con ellos es posible, al menos en teoría,
conseguir una velocidad de liberación constante.
Micro/nanopartículas e hidrogeles son vastamente
utilizados en el diseño de sistemas terapéuticos basados en
quitosano (Dash et. al., 2011).
MATERIALES Y MÉTODOS
I. Materiales
Reactivos. Se utilizaron los polímeros
Policaprolactona (PCL) (Aldrich Chemical, USA) con un
peso molecular reportado de 4x104g/mol, y Poliácido
láctico (PLA) (Mv≈1x105g/mol) en sus versiones
comerciales en forma de pellets. Se dispuso de Polivinil
Alcohol (PVA) (Mw≈2x105g/mol) en su versión en polvo.
El polímero Quitosano (Qn) puro, en forma de un polvo
fino (Aldrich Chemical, USA; de alto peso molecular, Mw
≈ 1,90-3,75 x105 g/mol). Agua destilada, cloroformo, ácido
acético, tween80 como surfactante y hexano técnico.
Todos los materiales fueron suministrados por el
Laboratorio de Química Orgánica, Grupo B5IDA. Vale
acotar que los valores para el peso molecular de los
polímeros fueron determinados mediante análisis
viscosimétrico en el laboratorio.
Equipos. Los instrumentos de laboratorio
implementados fueron materiales de uso común: beakers,
pipetas, balones, micropipetas, agitadores magnéticos.
Adicionalmente se empleó una Balanza Analítica, un
equipo de Ultrasonido VWR™, una centrifugadora, un
ultradispersor eléctrico IKA™T10 Basic Ultra-Turrax™ a
unas 15mil RPM, un rotavaporador, un vórtex Fischer
Genie 2; y un beaker, cumpliendo funciones de reactor,
cuyas paredes internas fueron modificadas en forma de
aletas para garantizar mayor turbulencia al efectuar
agitación.
II. Metodología
La preparación de micro/nanopartículas de los
polímeros biodegradables usados, PCL y PVA, se llevó a
cabo siguiendo el método patentado por Vanderhoff et. al.
(1979), con las ligeras modificaciones que lo han mejorado
a través de los años. Consiste en tomar una fase acuosa con
un agente estabilizante previamente diluido, a la que se le
agrega el polímero diluido en algún solvente orgánico
apropiado, bajo agitación controlada. Al final del proceso,
la suspensión es sometida a la evaporación del solvente
se mezclaron 460ml de agua destilada y 2,5g de quitosano
comercial en polvo, bajo agitación magnética. Cuando el
polvo de Qn estuvo disperso en todo el volumen, se
agregaron 40ml de ácido Acético concentrado y se mantuvo
la agitación hasta obtener una solución uniforme.
Recubrimiento de las micro/nanopartículas de
Policaprolactona. Se preparó una solución al 1% P/V de las
micro/nanopartículas de Policaprolactona correspondientes a
la muestra PCL-RP1 en la solución de quitosano 0,5%
previamente obtenida, empleando un agitador magnético;
dado que sólo se dispuso de 0,15g de polímero, se
prepararon 15ml de solución. Con una agregación muy
minuciosa, añadiendo pocas partículas del polímero sólo
cuando no se percibían rastros de los sólidos en la
disolución, el tiempo de esta etapa fue cercano a los 20
minutos.
Por otro lado se preparó una emulsión con 25ml de agua
destilada y 75ml de hexano técnico. El agente emulsionante
o surfactante fue Tween80, del cual se añadieron 0,5ml (2%
V/V). Las sustancias se mantuvieron bajo fuerte agitación
magnética con el fin de conservar la suspensión de las
partículas.
Con una micropipeta se agregaron muy lentamente, en
un lapso cercano a los 30 minutos, los 15ml de solución
PCL-Qn en la suspensión agua/hexano.
Se eliminó el hexano presente en la mezcla por medio
del rotovaporador, a una temperatura cercana a los 80°C. Las
partículas del fondo del balón fueron lavadas dos veces con
agua destilada y finalmente liofilizadas. La muestra
resultante (PCLR-RP1) fue preparada para la Microscopía
Electrónica.
Caracterización por Microscopía Electrónica de
Barrido. Utilizando el microscopio electrónico de barrido
modelo JEOL JSM 6460 a 25 kV, de la sección de
Microscopía Electrónica del Laboratorio de Superficies
(Laboratorio E) de la Universidad Simón Bolívar, fue
posible analizar las muestras de partículas sintetizadas en el
laboratorio: PCL-RP1, PCL-RP2, PCL-RP3, PLA-RP1 y
PCLR-RP1, tras recubrirlas con una fina capa de oro. El
estudio habría de delimitar parámetros como tamaño
promedio de partículas, forma, texturas, distribución de
partículas, y para el caso de la muestra recubierta: forma del
recubrimiento, textura y distribución.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Tabla 1. Diámetros promedio y desviación estándar de
los mismos para los casos experimentales, en base a las
imágenes de la fig. 1
el seno de la sustancia. Cualquier película superficial que
aparecía era removida para evitar su interferencia en la
interacción gota-solución.
Al terminar la agregación, se continuó la agitación de
la mezcla por 100 minutos, para luego remover el
ultradispersor. Se mantuvo bajo agitación magnética hasta
el día siguiente para garantizar la evaporación del solvente
(cloroformo). La solución final fue centrifugada dos veces,
y el sobrenadante fue eliminado. Las partículas
sedimentadas fueron lavadas con agua destilada y
finalmente liofilizadas (muestra PCL1-JP), luego
preparadas para la Microscopía Electrónica de Barrido
(MEB).
El mismo procedimiento se repitió en una segunda
ocasión, bajo los mismos parámetros de agitación, pero
esta vez cambiando el recipiente contenedor de la emulsión
por el reactor con aletas (fig. 2). De tal forma, se obtuvo
la muestra PCL-RP1.
Fig. 2. Diagrama de régimen de flujo en el reactor con
aletas (A) contra el reactor simple (B), proyección en el
plano. Puede verse como las aletas generan mayor
turbulencia durante la agitación.
La tercera y cuarta ocasión fue una simple variación
de la experiencia con el reactor con aletas. En una la
agitación, durante la etapa de mezclado de las soluciones
de PVA y de PCL, se efectuó con el ultradispersor y un
agitador magnético adicional (muestra PCL-RP2); y en la
otra, la agitación fue gracias al ultradispersor y al equipo
de Ultrasonido (muestra PCL-RP3), respectivamente.
Preparación de las Micro y Nanopartículas de
Poliácido Láctico PLA. El procedimiento fue similar a la
preparación de partículas de PCL. Se preparó una solución
de 100ml de solución de Polivinil Alcohol en agua al 0,5% P/V y a ella se le añadieron 6,0ml de una solución al 10% P/V de Poliácido Láctico en cloroformo, lentamente durante
20 minutos y utilizando una micropipeta. La agregación
fue bajo agitación con el ultradispersor en conjunto con el
equipo de ultrasonido, durante un tiempo total de 120
minutos.
Una vez terminado el proceso, se dejó reposar hasta el
día siguiente. La solución fue centrifugada; y las partículas
sedimentadas fueron lavadas con agua destilada. Por
último, la muestra (PLA-RP1) fue liofilizada, y
posteriormente preparada para la Microscopía Electrónica
de Barrido.
Preparación de la solución de Quitosano. El objetivo
fue preparar una solución de Quitosano (Qn) al 0,5% P/V en
una solución acuosa de ácido acético al 8% V/V. Para ello,
hallada para 50 partículas diferentes (fig. 3.1). No obstante,
esto no implica que no se hayan podido obtener partículas
de diámetros menores cercanos a la escala nanométrica, pues
una de estas partículas puede observarse aislada (fig. 4.b),
aunque existen en muy poca cantidad según el análisis con el
microscopio.
Fig. 4. A. Partículas de PCL1-JP, donde puede
apreciarse una de ellas abierta, demostrando que son huecas.
B. Partículas de la muestra PCL1-JP en una escala de 2μm.
Micropartículas de Policaprolactona producto de
agitación mecánica empleando un microdispersor en un
reactor modificado con aletas. La muestra PCL-RP1
mantuvo las mismas características básicas de las
micropartículas obtenidas usando un beaker cilíndrico, en
cuanto a formas y texturas. Sin embargo, la inclusión de un
reactor que influye en la agitación interna del sistema
emulsionante es notable al analizar el tamaño promedio de
las partículas (fig. 3.2). En general, cualitativamente puede
apreciarse un desorden y una heterogeneidad en cuanto al
tamaño de las moléculas para ambos casos A y B, aunque el
caso A muestra una sección donde hay un predominio de
partículas más pequeñas. Con el cambio de la forma del
medio de agitación se ha logrado conseguir un mayor
número de micropartículas de menor diámetro, bajo los
mismos parámetros de agitación.
Para una escala de 100μm, no se evidencia ningún
cambio aparente (fig. 5.a). Sin embargo, con las mediciones
de los diámetros promedios (en especial los de la fig. 1.2.B),
el valor decrece de un rango de 18-28 μm hasta uno que
abarca el intervalo 3-12 μm (fig. 5.B). La desviación de
estos valores también disminuye notablemente, lo que se
traduce en un menor grado de heterogeneidad, sin llegar
todavía a un perfil homogéneo. Las partículas aisladas de
diámetros diminutos, que representan una minoría, alcanzan
valores cercanos a 1μm, ligeramente menores a las
sintetizadas en la muestra anterior.
Micropartículas de Policaprolactona producto de
agitación mecánica empleando un microdispersor y un
agitador magnético en un reactor modificado con aletas.
Las imágenes obtenidas por el método de microscopía
electrónica muestran el mismo patrón visto en casos
anteriores: partículas esféricas y lisas agrupadas en
aglomerados. Un estudio exhaustivo del diámetro de
partículas para este caso en particular, donde además de
emplear una agitación a 15.000 RPM se incluía una
agitación magnética moderada, arroja valores semejantes al
Fig. 3. Imágenes de la Microscopía electrónica que
muestran las Micro/nanopartículas de las muestras de
policaprolactona y poliácido láctico usadas en la
determinación del tamaño promedio
Micropartículas de Policaprolactona producto de
agitación mecánica empleando un microdispersor en un
reactor cilíndrico. Siguiendo las pautas del método de
Vanderhoff, sin hacer mayor énfasis en la agitación del
sistema en emulsión, sólo con un ultradispersor
funcionando a unas 15.000 RPM, se obtuvieron partículas
a nivel micrométrico, con un diámetro promedio según el
descrito en la tabla 1 (fig. 3.1). Las partículas se aprecian
totalmente esféricas, con una superficie lisa, unidas entre sí
en aglomeraciones, con cierta flexibilidad al observarse
algunas ligeramente deformadas en las zonas de contacto
con otra partícula, y huecas (fig. 4.A). Al tomar como
referencia el experimento llevado a cabo por Guinebretiere
et. al. (2002), también usando PCL, el tamaño de las
micropartículas obtenidas fue mayor al esperado, aunque
es posible atribuir las diferencias a las diferencias en el
peso molecular de los polímeros usados (80KDa reportado
en la literatura), y al mecanismo de preparación de las
micropartículas, que en su caso fue vía emulsión-difusión.
Pueden verse partículas bastante grandes a una escala
óptica de 100μm, en una distribución que puede
considerarse muy heterogénea (en lo que a tamaños se
refiere), según el valor arrojado por la desviación estándar
A B 3.5
A B 3.4
A B 3.1
3.3
A B
A B
3.2 A B
organización de las partículas bastante homogéneo,
respaldado por el valor experimental de la desviación
estándar que surge al determinar el diámetro promedio
(fig.7.A); y se aprecian secciones esporádicas con esferas de
menor diámetro (menor a 1µm) adheridas a alguna partícula
de tamaño promedio. También son apreciables partículas de
diámetros nanométricos (fig. 7.B) menores a los de
partículas obtenidas con los otros regímenes de agitación, y
en mayor cantidad a pesar de no ser los tamaños que rigen el
sistema.
Fig. 7. A. Partículas de la muestra PCL-RP3 ante una escala
de 100μm. B. Partícula nanométrica de PCL, con un rado
cercano a 200nm, dentro del cúmulo que se observa en la
imagen A.
Existen trabajos previos que han empleado el ultrasonido
como procedimiento homogeneizador, tal como se pudo
apreciar para este sistema en particular. Sin embargo,
establecen que el uso de este mecanismo puede traer consigo
una serie de inconvenientes, como un elevado índice de
polidispersión en las nanopartículas, inducción de posibles
reacciones químicas de degradación, y es de gran dificultad
su implementación a gran escala (Hans y Lowman, 2002).
Micropartículas de Poliácido láctico producto de
agitación mecánica empleando un microdispersor y
ultrasonido en un reactor modificado con aletas. A juzgar
por las imágenes, las micropartículas obtenidas tienen un
tamaño común en los aglomerados. Esto quiere decir que la
aplicación de ultrasonido como mecanismo homogeneizador
fue mucho más eficaz para el PLA que para el PCL.
A grandes rasgos, las micro/nanopartículas del poliácido
láctico presentan una forma esférica, una textura aparente
bastante lisa y, como ocurrió para el PCL en condiciones
idénticas, también se aglomeran con partículas de tamaños
iguales o muy semejantes.
Las partículas de PLA se manejan a niveles
nanométricos. De acuerdo a la tabla 1, el diámetro promedio
varía entre los 700 y 900 nm, y la dispersión es mínima con
respecto a sistemas de PCL. Existen también partículas
dispersas mucho más pequeñas (fig. 8.A). Luego, es lógico
pensar que el poliácido láctico maneja alguna propiedad
química, distinta a la del PCL, que garantiza la formación de
partículas más pequeñas. El peso molecular (100.000 para el
PLA y 40.000 para el PCL), en base a la bibliografía, puede
Fig. 5. A. Partículas de la muestra PCL-RP1 ante una
escala de 100μm. B. Micropartícula aislada de PCL en la
muestra PCL-RP1.
caso donde se obvia dicha agitación. Las imágenes
estudiadas (fig. 4.3) tienen un tamaño comprendido entre
los 8 y los 13 μm.
La distribución ordenada de las partículas, en cuanto a
su tamaño, sigue siendo poco apreciable ante una escala de
100μm (fig. 6.A). Sin embargo, sí existe una diferencia
importante que restringe el descarte de este caso
experimental: los diámetros de las partículas aisladas
presentes en minoría son mucho menores que en el caso
anterior, abarcando ahora el orden nanométrico (fig. 6.B).
Fig. 6. A. Partículas de la muestra PCL-RP2 ante una
escala de 100μm.B. Nanopartícula de PCL con un diámetro
menor a 1µm de la muestra PCL-RP2.
Micropartículas de Policaprolactona producto de
agitación mecánica empleando un microdispersor y
ultrasonido en un reactor modificado con aletas. Si bien
la muestra colectada bajo parámetros de agitación con
microdispersor y con el ultrasonido (PCL-RP3) se
compone por partículas iguales a las de muestras anteriores
en cuanto a forma, textura y agrupación, presentó
características muy diferentes a las de muestras anteriores
en cuanto a su tamaño. El tamaño de partículas promedio
dentro de las aglomeraciones de esferas se mantuvo entre
1µm y 3µm (fig. 4.4), es decir, fueron las partículas
sintetizadas más pequeñas de policaprolactona.
Asimismo, las imágenes muestran un patrón de
A B
A B
El recubrimiento de las partículas es el adecuado, sin
embargo la existencia de trazas del quitosano en la muestra
es motivo suficiente para necesitar una alteración en el
procedimiento experimental con el fin de maximizar la
cantidad de partículas recubiertas y reducir los restos del
polisacárido.
Se puede verificar que la partícula está en realidad
cubierta al compararla con alguna micropartícula de la
muestra antes de su recubrimiento (PCL-RP1). Se evidencia
claramente una textura que no estaba presente en la
microcápsula original (fig. 10).
Fig. 10. Comparación entre PCL recubierto con Qn
(derecha) y sin recubrimiento (izquierda).
CONCLUSIONES
La preparación de micro y nanopartículas de los
polímeros biodegradables manejados es totalmente factible,
y arroja resultados bastante exactos, que pierden precisión
debido a las variaciones en parámetros intrínsecos de los
polímeros, como el peso molecular.
Es evidente que, controlando de la mejor forma posible
todas las perturbaciones que influyen en el tamaño de las
micro y nanopartículas formadas a través de una técnica de
emulsión con evaporación del solvente, exceptuando el tipo
y el medio de agitación, es posible establecer una
dependencia entre ambas variables. El tamaño de las
partículas formadas va a ser directamente dependiente del
tipo de agitación que presente la emulsión durante la etapa
de mezclado de la fase acuosa con la fase aceitosa.
Se obtuvieron partículas con diámetros entre 15 y 28 μm
con alta dispersión de tamaños para un sistema de agitación
con ultradispersión, en un reactor cilíndrico Diámetros
cercanos a 10μm cuando se sustituye el reactor por uno con
aletas, que aumenta el grado de turbulencia durante la
agitación y los choques con las paredes.
Al usar la combinación entre agitación con el
ultradispersor y un agitador magnético, no hay cambios
aparentes y puede considerarse el efecto de éste último sobre
las dimensiones de las partículas, despreciable. Sin embargo,
las imágenes muestran que si tiene un efecto positivo, pues
forma una minoría de partículas con diámetros mucho
menores.
ser el factor crucial que justifica este hecho.
Fig. 8. A. Nanopartículas de PLA producidas por agitación
con el microdispersor y el ultrasonido, de diámetros
cercanos a 0,2μm. B. Aglomerados de nanopartículas
adheridos a partículas más grandes.
Es peculiar en este caso es que los grupos de partículas
de menor tamaño rodean y enlazan las partículas más
grandes (fig. 8.B). Esto puede sugerir que, para unos
parámetros parecidos de agitación, pero aumentando la
intensidad en alguno de ellos, podrían homogeneizarse más
los aglomerados de nanopartículas de PLA.
Micropartículas de PCL recubiertas con quitosano.
Con lo que se aprecia en las imágenes de la muestra de
Policaprolactona recubierta con Quitosano (PCLR-RP1),
los aglomerados de partículas de escala micrométrica dejan
de aparecer. Se ven grandes porciones de Quitosano, donde
existen partículas de polímero recubiertas y adheridas, que
no son muy útiles porque implican un grado de dificultad
elevado para separarlas del medio de quitosano.
Otras partículas se encuentran aisladas, con un
recubrimiento liso y ligeras irregularidades en la superficie.
En estos casos es un recubrimiento total, en forma de una
fina capa que envuelve las esferas de polímero (fig.9).
Fig. 9. Dos partículas diferentes de PCL recubiertas por
una fina capa de Quitosano.
A
B
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La agitación con ultradispersor y ultrasonido resulta la
mejor alternativa en la obtención de micropartículas que
alcanzan órdenes nanométricos. La desviación en los
diámetros de las partículas resultantes es muy baja, lo que
se traduce en grupos de microcápsulas homogéneos y con
uniformidad estructural.
El recubrimiento de partículas de polímeros
hidrofóbicos con un polisacárido hidrofílico como el
quitosano, a través de la técnica vía emulsión estudiada, es
factible. Sin embargo, deben regularse parámetros en la
suspensión que permitan eliminar trazas del quitosano de
las partículas, con el fin de evitar la adherencia de
micropartículas recubiertas al polímero orgánico.
En base a las investigaciones referidas en la
bibliografía, es un hecho que recubrir polímeros como la
policaprolactona con quitosano, le confiere a éstos
propiedades nuevas, ideales para las distintas condiciones
requeridas por los fármacos a encapsular para cumplir su
objetivo tras su suministro.
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