biodegradables estudiante resproductividad.cimav.edu.mx/productividad/adjuntos/libros... ·...

MB

ATERIALESIODEGRADABLES

Equipo de los Módulos Mundo de los Materiales

AutoresAnita GriersonWilliam Weber

, Ingeniera Biomecánica, Profesor de Física,

Rufus King High School

Prueba de Campo y Revisores

Warren Bjork

Evalyn Campbell

August Merz III

Laura Ann Miller

Douglas E. Zimmer

Profesor de Ciencias y Supervisor de EnseñanzaGleenbrook South High SchoolGlenview, Illinois

Profesora de FísicaWheaton-Warrenville South High SchoolWheaton, Illinois

Profesor de FísicaStafford Middle SchoolTucson, Arizona

Ingeniería BiomédicaNorthwestern UniversityEvanston, Illinois

Profesor de Física y QuímicaWheaton-Warrenville South High SchoolWheaton, Illinois

Programa MWM

Director

Desarrollo del Programa

Coordinador del Programa

Consultor en Educación

Distribución/Difusión

Red de Comunicación

Contralor

Editor de la Serie

Diseños Gráficos de la Serie

Editor del Módulo

Diseño Gráfico del Módulo

Editor de Fotografía

Producción

Prof. Robert P. H. Chang

Matthew Hsu

Beth Abbott

Richard Goodspeed

Barbara J. Pellegrini

Bin Chen

Elaine Kiner

Diseño del Producto

Elizabeth Kaplan

Maria Mariottini

Erica Lauf

Patricia Parra

Mary E. Goljenboom

Paula Long

Derechos de Autor © 1999

Northwestern University.

Derechos reservados. Este trabajo no puede reproducirse

o transmitirse en ninguna forma o por ningún medio

electrónico o mecánico, incluyendo fotocopias o

grabaciones o por ningún sistema de almacenamiento

o reproducción sin la previa autorización escrita de la

Universidad Northwestern, a menos que esa

reproducción esté permitida expresamente por las

leyes federales del derecho de autor.

Dirección para solicitudes: Materials World Modules,

Northwestern University, Evanston, IL 60208

Este proyecto fue financiado en parte, por la

Las opiniones expresadas en este documento son

propias de los autores y no necesariamente son las

de la Fundación

National Science Foundation

Programa Módulos Mundo de los MaterialesMéxico

Traducción, Adaptación e InstrucciónCentro de Investigación en MaterialesAvanzados, S.C.

Coordinador TécnicoLuis Fuentes Cobas

Titular del Módulo de MaterialesBiodegradables

Adriana Ramos Palomino

María Elena Montero Cabrera

Antonino Pérez HernándezAmando Zaragoza ContrerasFrancisco Espinosa MagañaJosé Martin Herrera RamirezRoberto Sánchez MartínezSión Federico Olive Méndez

Edición del Módulo

Programa Financiado por la Secretaría deEducación, Cultura y Deporte del Gobiernodel Estado de Chihuahua. Edición 2012-2013

Jorge Mario Quintana Silveyra

Secretario de Educación, Cultura y

Deporte

Director de Educación Media Superior

y Superior

Salomón Maloof Arzola

Secretario Técnico de la CEPPEMS

(Comisión Estatal para la Planeación y

Programación de la Educación Media Superior)

Victor Hugo López de Lara Chávez

Supervisor Operativo del Proyecto

Carlos González Herrerra

Ricardo Cervantes Sixtos

Subsecretario de Educación, Cultura y

Deporte

Centro de Investigación enMaterialesAvanzados, S.C.

Jesús González HernándezDirector General

Alfredo Aguilar ElguezabalDirector Académico

Gob i e r no de l E s t ado

Secretaría de EducaciónCultura y Deporte

ISBN: 978-607-8272-06-8Biodegradable, Manual del Alumno

Comparando Materiales de Embalaje 1Expandiendo los Conceptos 3

La Necesidad de los Materiales Biodegradables 4A Cazar Objetos Biodegradables 6Expandiendo los Conceptos 9

Gelatina- Un Polímero Biodegradable 10Procesando Materiales Biodegradables y Comparandosus Propiedades Mecánicas 12Expandiendo los Conceptos 17

Haciendo Materiales Biodegradables 18Midiendo la Rapidez de Descomposición de los MaterialesBiodegradables 20Expandiendo los Conceptos 25

Investigando Materiales Biodegradables 26

Diseñando un Dispositivo para laLiberación Prolongada de un Medicamento 29

Diseñando un Nuevo Producto Biodegradable 33

37

Proyectos de Diseño

Glosario

INDICE

Introducción al Módulo Materiales Biodegradables

1

2

3

4

5

1

2

Conforme realizas la actividadconsidera las siguientespreguntas:¿Qué puede causar que unmaterial de embalajebiodegradable se quiebre?¿Qué tan efectivo es elmaterial biodegradablecomparado con el nobiodegradable?

¿Cuáles son las posiblesventajas y desventajas deusar materialesbiodegradables

Predicciones

·

Tú compararás la efectividad de dostipos de materiales de embalaje: un material de embalaje biodegradableque se descompone bajo ciertas condiciones y otro no biodegradable.¿Qué piensas que pasará a cada tipo de material cuando se ponga enagua? ¿Cuál material de embalaje hará un mejor trabajo al proteger unhuevo en una bolsa plástica? Registra tus predicciones en una tabla.

· Tipos de materiales de embalaje

Propiedades de cada tipo de materiales de embalaje

material de embalaje en agua

. Compara las propiedades de materiales de embalajesbiodegradables y no biodegradables. Observa ambos materiales conuna lupa. Registra tus observaciones.

Haz una tabla de datos con las siguientes categorías

Procedimiento, Datos y Observaciones1

·

·

Predicción y observación del comportamiento de cada

Predicción y observación de la actividad de cada material deembalaje

Actividad 1 Comparando Materiales de Embalaje 1

ACTIVIDAD

1

G PUÍA DE LANEACIÓN

Actividad 1 te permite comparar dos tipos de materiales para empaquetar, uno quees biodegradable y otro que no lo es.

Comparando Materiales de Embalaje

Un equipo de paleontólogos hadescubierto un cráneo frágil dedinosaurio.¿Cómo pueden enviarlo de manerasegura al laboratorio?El material de embalaje se usa a menudopara proteger los objetos quebradizosdurante el embarque.¿Sabes qué propiedades debe tener unmaterial de embalaje?

onexión con el diseño

2.

3.

1.

En resumen2.

3

4.

Me pregunto

Sumerge en agua una pieza de cada tipo de material.Registra qué sucede a cada material.

Empaca un huevo en una bolsa de plástico usandomaterial de embalaje no biodegradable. Deja caer la bolsa unmetro de distancia y observa si se rompe el huevo. Ahora usael material biodegradable y repite el experimento. Registratus observaciones.

Lava tus manos después de trabajar con los huevos.

Compara cómo cada tipo de material protege al huevodentro de la bolsa. ¿Fue correcta tu predicción?

¿Qué propiedades de un material de embalaje ayudan aproteger un objeto?

¿Separar en partes en el agua es una buena forma dedegradar material de embalaje biodegradable?¿Por qué sí o por qué no?¿De qué otra forma se puede descomponer un materialbiodegradable?

¿Qué otros factores, además del material de embalaje,afectan el resultado cuando dejas caer el huevo?

¿Cuál puede ser otro uso para un material biodegradable quese estropea en el agua?

¿Qué preguntas nuevas tienes sobre los materialesbiodegradables? Escribe por lo menos tres preguntas de lasque te gustaría conocer las respuestas. Da las razones depor qué te gustaría encontrar las respuestas para cada una delas preguntas.

Nota de seguridad


2 Módulo Materiales Biodegradables

Puedes

observar

mucho

con sólo

mirar

Yogi Berra,Jugador estadounidense

de béisbol

Reflexiones

Observaste que losdos tipos demateriales deembalaje tienen

propiedades similares.La explicación de abajo te ayudará aencontrar el por qué.

Actividad 1 Comparando Materiales de Embalaje 3

E X P A N D I E N D O

l o s

ONCEPTOS

Los materiales de embalajemodernos están hechos conestructuras llamadas espumas.Algunas espumas sonbiodegradables, mientras queotras no lo son, pero ambos tiposde espumas tienen propiedadesmecánicas similares. Puedesver en la figura que una espumaestá hecha de un material conmuchas bolsas de airedistribuidas en éste. El aire lepermite a la espuma actuarcomo amortiguador, el cualpuede usarse para soportar elcontenido de un paquete yprotegerlo de roturas. Ademásde usarse como materiales deembalaje, las espumas tambiénse usan para otros propósitos.Por ejemplo, las espumas seusan para hacer esponjas yalmohadas.El material biodegradable con elque trabajaste en la actividad esuna espuma hecha de almidón.El almidón es una molécula decarbohidrato que se encuentra

en las plantas. Está formado pormoléculas de azúcar máspequeñas.Cuando el materialbiodegradable se coloca enagua, el agua penetra laestructura porosa del material ylo disuelve. Conforme laespuma se disuelve, ésta sedisuelve en piezas máspequeñas de espuma y al final,en moléculas más pequeñas.Después de un tiempo lasbacterias en el agua degradanestas moléculas en agua ydióxido de carbono, rompiendociertas uniones de las moléculas.

Los materiales de embalaje nobiodegradables que usaste en laactividad es una espuma hechade un plástico llamadopoliestireno. El poliestireno esuna molécula grande que essintética, o hecha por el hombre.El agua no disuelve la espumade poliestireno, en parte porquelas moléculas de poliestirenorepelen el agua y evitan quepenetre el agua a ellas. Lasbacterias no degradan elpoliestireno porque no puedenromper las uniones entre lasmoléculas de poliestireno. Estaes la razón por la cual la espumade poliestireno no esbiodegradable.

Esponja antes de la compresión

Esponja después de la compresión

Bolsa de Aire

MaterialBolsade Aire


INTRODUCCIÓN

2 En la actividad 1, aprendiste que un material biodegradable puede ser

tan efectivo como uno no biodegradable para ciertos trabajos.

La Necesidad de los Materiales Biodegradables

Una corredora de maratón iba al frente durantela carrera. Ella habría ganado si no hubieseestado una roca en el camino. Ahora ellanecesitará algunas puntadas para esa cortadaen su pierna. El material para coserla, llamadode sutura, puede estar hecho de un material quese descomponga al pasar el tiempo.Este tipo de sutura no necesita ser removida porun doctor cuando la cortada comienza a curarseporque eventualmente se cae sola.La sutura se hace de material biodegradable.

Los materiales biodegradables son materialesque se descomponen, o degradan, por procesosnaturales en partes más pequeñas y no tóxicasque regresan al medio ambiente. Los materialesbiodegradables han existido en la Tierra desdeque se inició la vida. Los degradadores, talescomo algunas bacterias y otrosmicroorganismos, descomponen los restos deorganismos muertos en moléculas que van aformar parte del ambiente. Estas moléculaspueden ser reutilizadas por otros organismos.

Un material biodegradablese descompone por unproceso natural en partesmás pequeñas y no tóxicasque son devueltas al medio

ambiente y pueden ser reutilizados por losorganismos.

ONCEPTOS

MATERIALESBIODEGRADABLES

detrás de los

Actividad 2 A Cazar Objetos Biodegradables 5

Recientemente, las propiedades de materialesbiodegradables han sido de gran interés debido alcreciente problema del manejo de desechos. Cada año,la población de los Estados Unidos produce millones detoneladas de basura que se depositan en rellenossanitarios. La mayoría de los desechos, tales comocomida, madera y productos de papel sonbiodegradables. Aún así, pueden permanecer enrellenos sanitarios por más de 30 años. Los desechos nobiodegradables, como son envases de vidrio, latas dealuminio, y contenedores de plástico, se mantienen enlos rellenos sanitarios indefinidamente y ocupanenormes espacios.

Una respuesta al problema de los desechos ha sido lacolecta y reciclaje de desechos no biodegradables porlas comunidades. Otra respuesta ha sido el aumento deesfuerzo de investigadores para desarrollar materialessintéticos biodegradables que pueden usarse en lugarde materiales no biodegradables en varios productos.Cuando se desechan, estos nuevos materiales sedegradarían en periodos de tiempo similares a losmateriales biodegradables, transformados en productosque no serían dañinos al medio ambiente.

El desarrollo de materiales biodegradables también seha hecho importante en el campo de la medicina. Porejemplo, los clavos y agujas ortopédicos, usados en eltratamiento de fracturas, ahora se hacen con materialesfuertes biodegradables. Después de que una fractura hasanado, los clavos y agujas ortopédicos no requierenremoverse quirúrgicamente ya que se degradan dentrodel cuerpo sin dañarlo. Los materiales biodegradablestambién se utilizan para hacer dispositivos que seimplantan en el cuerpo. Conforme el material sedegrada lentamente el dispositivo libera un medicamentoen cantidades controladas a un lugar de un órgano otejido.

¿Qué hay en un relleno sanitario?

Otros10%

Papel 42%

Basurade Jardín

16%

Plás

tico

7%

Vidrio9%

Alimento 7%

Metal 9%


ACTIVIDAD

2 A Cazar Objetos Biodegradables

Como muchas familias, tu familia puede usarmateriales de desecho, así como platosdesechables, toallas y bolsas. Hoy, más ymás productos desechables se hacen demateriales biodegradables. Piensa en otrosobjetos comunes que posiblemente puedanser elaborados con materialesbiodegradables.¿Podrían los objetos aún así ser efectivospara el propósito que fueron hechos?¿Deberían algunos objetos no fabricarse conmateriales biodegradables? Por ejemplo,¿Deberían los materiales de construcción,tales como las tejas para el techo, hacersecon materiales biodegradables? Imagina siasí fuera. Los tejados gotearían siempre quelloviera las casas durarían cuando muchounos cuantos meses o años. Es claro que notodo puede ser biodegradable. De este modo¿qué tipos de objetos podrían serlo?

Elabora una o más tablas para registrar:

· Objetos que tú crees que deberían ser biodegradables

···

···

Razones por las que deberían ser biodegradables

Si esos objetos de hecho son o no biodegradables

Objetos biodegradables que pueden usarse en lugar de los

no biodegradables

Objetos que consideras que no deberían ser biodegradables

Razones por las que no deberían ser biodegradables

Objetos biodegradables encontrados en la cacería

Conforme realizas la actividadconsidera las siguientespreguntas:

¿Qué objetos deberían serbiodegradables?¿Qué objetos comunes que veso usas todos los días estánhechos con materialesbiodegradables?

¿Por qué alguien podríaescoger hacer un producto dematerial biodegradable?



1.

2.

3.

Enlista por lo menos diez objetos que tú piensas que deberíanhacerse de materiales biodegradables. También enlista por lomenos diez objetos que no deberían hacerse con materialesbiodegradables. Para cada objeto que enlistaste, define por quédebería o no ser biodegradable. Anota todas tus razones.

Lee tu lista “lo que debería ser biodegradable”.Trata de encontrar tantos objetos enlistados como te seaposible. Debes buscar en tu casa, una tienda o en una ferretería.¿Los objetos que encontraste son biodegradables? Por ejemplo,si tú enlistaste vasos de plástico desechable y encontraste queno son biodegradables, ¿habrá otro tipo de vasos desechablesdisponibles que sean biodegradables? Anota tus resultados.

Una vez que hayas visto los artículos en tu lista, ve si puedesencontrar otros objetos biodegradables. Recuerda lo que leístesobre materiales biodegradables en la introducción. Conformehaces tu investigación, lee las etiquetas de información delproducto cuidadosamente si dice que el producto esbiodegradable.Pudieras necesitar leer la impresión pequeña en la etiqueta atrásdel producto. Compártelo a tu grupo y hagan una lista de toda laclase. ¿Qué puedes concluir acerca de los tipos de objetos queson biodegradables?

Procedimiento, Datos y Observaciones


La

imaginación

es más

importante

que el

conocimiento.

Albert Einstein, científico americano

1.

2.

3.

En resumen

4.

5.

Me pregunto

¿Encontraste algunas sorpresas en tucacería de materiales biodegradables?Explica si tus observaciones confirmaron orefutaron tus expectativas.

¿Alguno de tus compañeros de clase noestuvo de acuerdo contigo acerca de sialgún objeto es o no biodegradable?Describe el objeto y di por qué no estás deacuerdo.

¿Qué descubriste acerca de ladisponibilidad de los objetosbiodegradables?

¿Qué tienen en común la mayoría delos objetos biodegradables?

¿Cómo crees tú que la disponibilidad demateriales biodegradables cambiará en elfuturo? Explica por qué.

¿Cuáles son las ventajas de hacer objetoscon materiales biodegradables?

¿Qué preguntas nuevas tienes acerca demateriales biodegradables? Escribe abajotres preguntas o más de lo que te gustaríaconocer. Da una razón del por qué tegustaría conocer la respuesta de cada unade esas preguntas.

Reflexiones




l o s

ONCEPTOS

Todos los materialesbiodegradables queencontraste en lacacería tienen algo

en común.Lee abajo y encuentra qué es.

La mayoría, si no es quetodos, de los materialesbiodegradables están hechos depolímeros. Un polímero es unamolécula gigante compuesta deunidades repetitivas llamadasmonómeros. Algunos polímeros,como las proteínas, losalmidones y ácidos nucleicos, seencuentran en los seres vivos.Tales polímeros naturales sonbiodegradables. Otrospolímeros, como los plásticos,son sintéticos, o hechos por elhombre. Muchos polímerossintéticos que se usan hoy sonno biodegradables.

Cuando un polímerobiodegradable se descompone,se rompe en moléculas más ymás pequeñas queeventualmente regresan almedio ambiente. Por ejemplo, unpolímero biodegradable primerose debe romper en pequeñaspiezas de polímero, después enmonómeros individuales, yfinalmente, en compuestossimples, tales como dióxido decarbono y agua, los que debenvolver a la atmósfera o al aguaque tomas.

Los polímeros biodegradablespueden romperse paso a pasopor varios procesos naturales.Los siguientes ejemplosdescriben algunos de losprocesos por los que losmateriales biodegradables sedescomponen.

1) Los polímeros en la

materia orgánica, tales como losque permanecen en organismosmuertos, se descomponen en elmedio ambiente por ciertasbacterias, hongos y algas. Estosmicroorganismos rompen lospolímeros en compuestos máspequeños que forman parte delmedio ambiente y pueden serusados por otros organismoseventualmente.

2) La comida que la gente yotros organismos comen sedegrada por enzimas en elcuerpo. Las enzimas rompen lospolímeros de la comida encomponentes más pequeños queson usados por el cuerpo oexcretados al medio ambientedonde pueden reutilizarse.

3) Algunos polímerosbiodegradables, tales comociertas suturas, comienzan adegradarse por un procesollamado hidrólisis.

Las moléculas de aguareaccionan con las uniones delmaterial, rompiéndolas yeventualmente degradando elmaterial en pequeñas piezas depolímeros y monómeros. Estasmoléculas más pequeñaspueden degradarse aún más pormicrobios o enzimas.

4) Los rayos ultravioleta delsol pueden causar que lospolímeros en algunos plásticosbiodegradables comiencen adegradarse. Los rayos rompenuniones moleculares en lospolímeros produciendo partesmás pequeñas de polímeros ymonómeros. Estas moléculasmás pequeñas pueden terminarde degradarse por microbios oenzimas.

Ruptura encadena

polimérica

Degradación de un polímero vía radiación UV

Radiación ultravioleta

Enlace cruzado

Enlaceinestable

Cadena polimérica


INTRODUCCIÓN

3Como aprendiste en la Actividad 2, muchos objetos se hacen con materiales

biodegradables. Un material biodegradable, la gelatina, es un polímero que se

usa para procesar alimentos, hacer cápsulas de medicina y otros productos.

Gelatina- Un Polímero Biodegradable

Las cápsulas de gelatina son biodegradables.Los fabricantes producen millones de cápsulascada hora.

La gelatina es una proteína; así que es unpolímero biodegradable. La gelatina es underivado del colágeno, una proteína que seencuentra en la piel y huesos de los animales.Se prepara tratando la piel o huesos con ácido,se hierve el material y entonces se dejan secar yse muelen en gránulos. Los gránulos de gelatinason incoloros, inodoros e insípidos. Se disuelvenen agua caliente, formando un gel conforme lasolución se enfría.

La gelatina tiene muchos usos. Por ejemplo, seusa comúnmente para hacer productosalimenticios. La gelatina se encuentra en dulces,productos cárnicos, y sopas. Muchas recetasusan gelatina para que espesen los líquidos. Seusa como un emulsificante en nieves ymalvaviscos. Un emulsificante dispersa líquidos,tales como el agua y el aceite, uno en el otro, asíque pueden mezclarse.

La gelatina se usa en la industria farmacéuticapara hacer cápsulas de medicina. El procesopara hacer las cápsulas de gelatina

Los materialesbiodegradables puedenprocesarse en diferentesformas que varían suspropiedades mecánicas

ONCEPTOS


detrás de los

Actividad 3 Procesando Materiales Biodegradables y Comparando sus Propiedades Mecánicas 9

se inventó en 1834 por un estudiante francés de

farmacia, Francois Achille Bernabé Mothes. Las

primeras cápsulas se hicieron sumergiendo una

pequeña bolsa llena con mercurio en una

solución de gelatina. Cuando la gelatina

endurecía, formaba una cápsula alrededor de la

bolsa.El mercurio se vaciaba de la bolsa, y la

cápsula de gelatina se separaba. Después de

que se adicionaba la medicina a la cápsula, la

abertura de la cápsula se sellaba con gelatina.

Después de algunos años de modificaciones y

mejoras, el primer proceso de manufactura para

cápsulas de gelatina se desarrolló en 1888 en los

Estados Unidos por John B. Russell.Para 1895,

hubo otras modificaciones adicionales, una

máquina sola era capaz de producir entre 6000 y

10,000 cápsulas por hora.

Ahora, las cápsulas de gelatina se hacen en dos

piezas. Primero unas agujas de acero se

sumergen en una solución de gelatina. Después

de que la gelatina se seca, las dos mitades de la

cápsula se sacan de las agujas, se cortan a la

medida y se unen. Una sola máquina puede

hacer millones de cápsulas cada hora. La

medicina se adiciona a las cápsulas en un paso

posterior, en el que las cápsulas se abren, se

llenan con medicina, y entonces se vuelven a

cerrar.

Mothes mostró este boceto junto con su solicitud de patentepara hacer las cápsulas de gelatina.

ACTIVIDAD

3 Procesando Materiales Biodegradables y Comparando susPropiedades Mecánicas

Si alguna vez has intentado romper estirando unabolsa de plástico, probablemente encontraste quees muy difícil.

Una de las ventajas de los plásticos, que en sumayoría son polímeros no biodegradables, esque son durables y relativamente resistentes.

¿Podría un polímero biodegradable tener lasmismas propiedades?

Procesando gelatina en un gel y películasPARTE A

En esta parte de la actividad, procesarás gelatina, unpolímero biodegradable en dos diferentes formas unapelícula y un gel.

Predicciones

Lee el procedimiento para hacer el gel y las películas. ¿Quédeberá suceder cuando adicionas diferentes cantidades degelatina a un solvente? Predice cómo la concentración de lagelatina afectará las soluciones. Registra tus predicciones.

Piensa en estas preguntasconforme hagas la actividad:

¿Cómo se procesa la gelatina engel y películas?

¿Cómo varían los materialesprobados en resistencia ycompresión?

¿Cómo afecta la concentración degelatina en la resistencia de laspelículas?

¿Cuáles crees tú que sean unosusos prácticos del gel y películasbiodegradables?

Tus predicciones acerca de las concentraciones de lassoluciones de gelatinaDescripción de las cápsulas de gelatinaConcentraciones de la gelatina (porciento en peso) de lassolucionesMasa de la gelatina usada para hacer cada soluciónObservaciones de cada solución de gelatinaObservaciones de las películas y del gelMasas de las películas y del gel

Haz una tabla de datos con las siguientes categorías:

7 frascos y tapas con 10 ml de solución de HCl (pH 1) encada frascocápsulas de gelatinabalanzatijeras6 cajas de petri de plásticolápiz de ceraespátula

Recoge estos materiales para la Parte A



Procedimiento, Observaciones y datos

Nota de seguridad:

Usar lentes durante esta actividad. El ácido clorhídrico (HCl) es corrosivo.

El HCl concentrado puede quemar tu piel y ropa. No pruebes o comas ningunode los materiales.

1. Observa cuidadosamente una cápsula de gelatina. ¿Cómo se ve?

¿Cómo se siente? Registra tus observaciones.

2. Prepara tres tipos de soluciones de gelatina que varíen en porciento enpeso de gelatina. Una solución de gelatina al 1% en peso/volumen (p/v)es equivalente a 1 g de gelatina por 100 ml de HCl. Hacer tressoluciones de gelatina al 5% p/v, tres al 10% p/v y una al 20% p/vadicionando el número correcto de gramos de gelatina a 10 ml desolución de ácido clorhídrico en cada frasco. Necesitarás cortar lascápsulas de gelatina con tijeras. Etiqueta los frascos. Registra lascantidades de gelatina que adicionaste a cada frasco.

3. Tapa cada frasco y agítalo bajo agua tibia dejando correr el agua hastaque la gelatina se haya disuelto. Nota de Seguridad: Sé cuidadoso de noderramar ningún líquido, ya que contiene ácido. Observa las solucionesque hiciste y registra tus observaciones.

4. Etiqueta tres cajas de petri con 5% p/v y otras tres cajas con 10% p/v.Para hacer películas, vacía toda la solución de gelatina del frascoapropiado en cada caja de petri. Deja las películas toda la noche parasecarse.

5. Para hacer un gel, deja el frasco con solución 20% p/v durante toda lanoche. Mantén el frasco tapado.

6. El siguiente día, examina el gel y los dos tipos de películas. Registra tusobservaciones.

7. Saca las películas de las cajas de petri y saca con cuidado el gel delfrasco. Pesa las películas y el gel y registra tus datos.

Guarda el gel y las películas para la Parte B. Guarda las películas en lascajas de petri correspondientes. Regresa el gel al frasco.



1. ¿Cómo afecta a la solución el incremento de la cantidad de gelatina?

2. ¿Podría una solución al 5% p/v usarse para hacer un gel? Explica porqué si o por qué no.

3. ¿Cómo se compara la masa final de cada muestra con la masa degelatina usada para hacer la muestra? Explica cualquier diferencia osimilitud.

4. ¿Cómo se comparan tus resultados con tus predicciones?5. ¿Qué aprendiste acerca de la gelatina en esta actividad?

En esta parte de la actividad, tu probarás la resistencia y compresibilidadde las cápsulas de gelatina, películas y gel de la Parte A, así como losmateriales biodegradables para empacar de la Actividad 1. Piensa acercade los tipos de pruebas que podrías hacer para comparar las propiedadesmecánicas de esos diferentes materiales.

Las propiedades mecánicas del gel y las películas son determinadas, enparte, por el porciento en peso de las soluciones de gelatina de las cualesse hicieron. Predice cómo el porciento en peso de las soluciones degelatina afectará la resistencia del gel y las películas. Registra tuspredicciones y discute las bases para tus predicciones.

Reflexiones

Probando Propiedades Mecánicas

Predicciones

Interpretación de Datos

PARTE B

Tus predicciones acerca de la resistencia del gel y laspelículasMateriales que probarásObservaciones de la cápsula de gelatina, materiales paraempaquetar y el gelObservaciones de la película al 5% p/v y al 10% p/v

Películas y gel de la Parte ACápsula de gelatinaMaterial biodegradable para empaquetarTijeras

Toma una cápsula de gelatina y una pieza de materialbiodegradable para empaquetar. Prueba estirándolos ycomprimiéndolos. Registra tus observaciones.

Corta a la mitad el gel que hiciste en la Parte A. Pruebaestirando una de las piezas y comprimiéndola. Registratus observaciones.

Dobla una película al 5% p/v a mano hastaque se rompa. Entonces haz lo mismo a unapelícula al 10% p/v. Registra qué tipo depelícula es más rígida. Prueba comprimiendouna porción de cada película entre tus dedos.Registra tus observaciones.

Haz tu tabla de datos con la clase para registrarlo siguiente:

Aparta estos materiales para la parte B:

Procedimiento, Observaciones y Datos

1.

2.

3.


Además deaprender aver, hay otroarte queaprenderno ver loque no hay.

Maria Mitchell,

astrónoma Americana

1. ¿Cuál de los dos tipos de películas, la de 5% p/v o lade 10% p/v, fue más resistente?

2. ¿Cómo se comparó la resistencia y compresibilidaddel gel con la de las películas?

3. ¿Cómo se comparan tus resultados con tuspredicciones?

Da las razones posibles para cualquier diferencia.

4. ¿Qué tipo de pruebas mecánicas puedes hacer enlos materiales que puedan ser más precisas ymenos subjetivas que los métodos que usaste en laactividad?

5. ¿Cómo crees que difiere estructuralmente unapelícula de un gel?

6. ¿Cuál es la relación entre la resistencia de unapelícula y el porciento en peso de la solución con lacual se hizo?

7. ¿Por qué difieren en sus propiedades mecánicas losmateriales que probaste en esta actividad?

¿Por qué es importante el conocimiento de laspropiedades mecánicas de materiales biodegradablespara hacer nuevos productos?

¿Qué nuevas preguntas tienes acerca de laspropiedades de los materiales biodegradables? Escribeabajo tres o más preguntas que te gustaría conocer. Dauna razón por la cual te gustaría encontrar susrespuestas.

Reflexiones

En resumen

Me pregunto





l o s

ONCEPTOS

¿Por qué losmaterialesprobados en laactividad tienen

diferentes propiedades mecánicas?Compara la siguiente explicación con laque propusiste.


Los polímeros varían en suestructura. Un polímero linearestá hecho de largas cadenasque no están unidas unas conotras. Un polímero unidoentrecruzado, por otro lado, tienecadenas que se unen porenlaces químicos. Los enlacescruzados pueden ser enlacescovalentes fuertes o enlacesiónicos o enlaces de puentes dehidrógeno o fuerzas de van derWaals.

Algunos polímeros se usanpara hacer geles. Un gel es unsólido de red tridimensional enun medio líquido, formado porcadenas de polímeros cruzados.Por ejemplo, un postre degelatina es un gel en el cual lospolímeros de gelatina formanuna red en el agua.

Mira el diagrama de un gel.Las líneas horizontalesmarcadas con cuentas en lafigura representan las cadenasde polímeros en un gel. Laslíneas verticales son las unionesde los eslabones. Los círculosson moléculas de un líquido. Túpuedes ver que el gel retiene oatrapa el líquido. El líquidosoporta a la red y la mantiene asíevitando que colapse (o que“coagule”).

Es necesario un númeromínimo de cadenas de polímeropara formar un gel. A bajasconcentraciones, una soluciónde polímero no forma gel porqueno tiene suficientes cadenascruzadas. El medio no es

suficientemente denso parapermitir la formación desuficientes enlaces. El aumentode la concentración del polímeropermite el entrecruzamiento delas cadenas y esto, la formaciónde gel.

Los lentes de contacto son unejemplo de gel rígido. Estos seforman por un polímeroentrecruzado, llamadopolyHEMA, con agua. Losgases pueden disolverse en elagua, permitiendo el transporteentre el aire y la córnea del ojo.Este movimiento de gases haceque los lentes sean confortablesal usarlos.

Los polímeros tambiénpueden usarse para hacerpelículas. Una película se hacevaciando una solución depolímero en una superficie lisa.El solvente se evapora, dejandouna capa delgada de cadenasdel polímero enredadas, comose muestra abajo. Las películasse usan para hacer pinturas,fotografías, cubiertas de

protección, tales como lascubiertas que se usan paraproteger los automóviles, ylaminados, tales como losusados para proteger laslicencias de conducir.

Las películas pueden variaren resistencia, dependiendo enla concentración de la soluciónde polímero de que estánhechas. Aumentando laconcentración del polímero seincrementa el número decruzamientos entre las cadenasde polímeros. Entre másenredados estén los polímeros,la película será más resistentepara romperse.

Los geles y las espumas,tales como las de los materialespara empaquetar que utilizasteen la actividad, no son tanresistentes como las películasdebido a su estructura. La grancantidad de solvente en lasbolsas de gel y de aire en lasesponjas hace que este materialsea muy compresible y fácil deromper.

Estructura de gel

Enlacecruzado

Cadenapolimérica

Moléculadel Líquido

Cadenapolimérica

Estructura de la película

INTRODUCCIÓN

4 En la actividad anterior, aprendiste como el diseño de materiales

biodegradables afecta las propiedades mecánicas de los materiales.

Haciendo Materiales Biodegradables

Si fueras a inspeccionar un rellenosanitario, probablemente encontraríasmuchos objetos hechos con plástico nodegradable. La mayoría serían paraempaquetar artículos, tales como bolsas deplástico, botes y cajas. De acuerdo aalgunos expertos, para el año 2000 losdesechos plásticos ocuparán una terceraparte del volumen de desechos sólidos enlos rellenos sanitarios. Muchos rellenossanitarios en Estados Unidos estánalcanzando esa proporción. Por esta razón,algunas comunidades han hecho leyes queregulen el uso de plástico para empacar enrestaurantes y tiendas.

Los investigadores se encuentrandesarrollando nuevos materiales quetomarán el lugar de los plásticos nodegradables. Una investigación ha hechola síntesis de un polímero, llamado E/CO,que comienza a degradarse cuando seexpone a la luz del sol por más de seishoras. Para hacer E/CO, los científicosagregaron moléculas de monóxido decarbono al polímero no degradable depolietileno, que se utiliza para hacer anillosplásticos para envases de six-pack. E/COse degrada en piezas más pequeñas depolímero no tóxicas cuando se exponen alsol, ya que los rayos ultravioleta del solrompen los enlaces que forman lasmoléculas del monóxido de carbono en elpolímero. Un anillo de polímero de six-packhecho de E/CO se lleva una semana paradegradarse.

Desechos de plástico no degradable

Las condiciones ambientalespueden afectar el rango dedegradación de algunosmateriales biodegradables.

ONCEPTOS


detrás de los


Desafortunadamente, cuando E/CO se degrada por laluz solar, las piezas más pequeñas del polímero quese producen no pueden degradarse en compuestosmás simples que puedan usarse por los organismos.Así que E/CO es un material degradable, pero nobiodegradable. Cualquier material que puedaromperse en partes más pequeñas, por lo que sea, esun material degradable. La degradación de losproductos de un material degradable puede o no sertóxico. Sin embargo, un material degradable essolamente biodegradable si se puede romper porprocesos naturales en partes más pequeñas y notóxicas que puedan usarse por los organismos.

Aunque E/CO ha ayudado con el problema dedesechos plásticos, una mejor solución sería eldesarrollo de nuevas formas de materialesbiodegradables. Por ejemplo, los científicos handesarrollado un polímero biodegradable llamadoPHBV, que se degrada por el agua y microbios en elsuelo. PHBV se usa para hacer una variedad deproductos, incluyendo botellas de shampoo,rasuradoras desechables, y peines. Este polímeroestá hecho con bacterias que se alimentan de ciertosquímicos. El químico es un monómero que estáenlazado químicamente con la bacteria, formando unpolímero biodegradable (PHBV) que es secretado porla bacteria.

Los científicos también están haciendo nuevosmateriales biodegradables agregando rellenosbiodegradables, tales como el almidón, a ciertospolímeros no degradables. Cuando los polímerosrellenos de almidón se llevan a rellenos sanitarios, losmicrobios descomponen el almidón y causan que lospolímeros se separen. Las piezas más pequeñas depolímero se degradan en partes más pequeñas decompuestos reutilizables por químicos que sedescargan durante la descomposición del almidón.

Actividad 4 Midiendo la Rapidez de Descomposición de los Materiales Biodegradables 19

La foto muestra la degradación de un vaso queestuvo enterrado en el suelo por 12 meses.El vaso está hecho de un material sintético

biodegradable llamado poliéster caprolacton

Midiendo la Rapidez de Descomposiciónde los Materiales Biodegradables

ACTIVIDAD

4

Piensa en estas preguntasconforme hagas laactividad:¿Qué sucede a un materialbiodegradable cuando sedescompone?¿Qué factores ambientalespueden afectar la maneray rapidez de ladegradación de un materialbiodegradable?¿Cómo afectan laspropiedades del materialy cómo fue hecho a larapidez de la degradación?

¿Cómo puede afectar elmedio ambiente en el cualun material biodegradableserá usado al diseño delmaterial?

Los materiales biodegradables son deseables porque sedescomponen en productos inofensivos. ¿Pero qué sucede si unmaterial se descompone demasiado pronto antes de que tengasoportunidad de usarlo? ¿Y qué sucedería si un material sedescompone solo bajo algunas condiciones, y no bajo otras?

¿Cuáles son algunos factores ambientales que afectan la rapidez dedescomposición de tus películas de gelatina y gel? Por ejemplo, elpolímero PHBV, descrito en la introducción, se afecta por la cantidadde agua a que se expone. El PHBV se podría degradar más rápidoen el ambiente húmedo de un bosque de lluvia tropical que en undesierto.Piensa acerca de la forma en que se hicieron tus muestras degelatina. Considera cómo debería descomponerse el tipo degelatina que usaste. Como equipo, escribe abajo todos los factoresque tú crees que puedan afectar la rapidez de descomposición detus muestras. Explica cómo crees que cada factor afectaría tusmuestras. Haz una tabla para registrar tus ideas.

En esta parte de la actividad, tú tendrás la oportunidad de medir losfactores que afectan la descomposición de diferentes tipos demateriales. Te enfocarás en la temperatura y pH. Si tú enlistasotros factores ambientales en la Parte A, piensa en cómo podríasmodificar el siguiente procedimiento para probar esas variablestambién.

Considera los efectos de temperatura y pH en la rapidez dedescomposición de los materiales con los que trabajaste en laActividad 3. ¿Cuál material predices que se descompondrá másrápido durante cada condición? ¿Cuál será más lento? Relacionatus predicciones con las propiedades de los materiales. Registra tuspredicciones en una tabla de datos.

Probando la Rapidez de Descomposición

Predicciones

Suposiciones sobre la Descomposición de la GelatinaPARTE A

PARTE B



Es fácilentendertodas lasverdades unavez que hansidodescubiertas;el problemaesdescubrirlas.

Galileo Galilei,Científico Italiano

Predicciones acerca de los materiales que se probaránCriterios usados para decidir si un material se hadegradadoLa masa de cada tipo de muestraTiempo de descomposición de cada muestra bajo cadacondiciónTiempo promedio de descomposición de cada tipo dematerial bajo cada condiciónRapidez promedio de descomposición de cada tipo dematerial bajo cada condición

Materiales para empacar biodegradables, cápsulas degelatina, gel y películas de la Actividad 3Tijerasbalanza5 vasos de precipitadoagua destiladasolución diluida de HCl (pH 4)solución diluida de NaOH (pH 10)mechero Bunsen2 termómetroshieloreloj de mano con segundero, o cronómetropapel para graficar y lápices de colores

Discute con tu grupo los criterios que usarás para decidircuál material se ha degradado. Registra tus criterios en tutabla de datos antes de que empieces a probar losmateriales.

t .Corta el gel y las películas en muestras de 0.2 g cada una yregistra las masas. Cada muestra debe ser una sola pieza.Compara las medidas de las muestras con sus masas.¿Qué puede causar que las muestras varíen en tamañoaunque tengan la misma masa?

Elabora una o más tablas de datos con las siguientescategorías:

Reúne estos materiales:

Procedimiento

1.

2. Notas de seguridad:Usa lentes. No pruebes o comas ninguno de los ma eriales


3. Determina la masa de la cápsula de gelatina y de unapieza del material de empaque biodegradable.Registra las masas.

4. Usa los vasos de precipitado para preparar tres baños deagua con al menos 200ml de agua en cada uno. Calientael primer baño de agua a 100º C. Continúa calentando elagua, si es necesario, para mantener su temperatura. Usacubos de hielo para mantener la temperatura del segundobaño de agua a alrededor de 0º C. Mantén el tercer bañode agua a temperatura ambiente.

5. Coloca una pieza de material de empaque biodegradableen el baño de agua caliente. Registra el tiempo que letoma degradarse. Entonces coloca una muestra de cadauno de los otros cuatro tipos de materiales (cápsula degelatina, gel, película al 5% p/v y la película al 10% p/v)dentro del agua caliente, una por vez. Asegúrate de mediry registrar el tiempo de degradación antes de poner lasiguiente muestra en el agua.

6. Coloca una muestra de cada material en los otros dosbaños de agua. Esta vez puedes poner todas las muestrasjuntas. Registra el tiempo que toma a cada muestradegradarse. (El material de empaquetar no se degradarácompletamente durante el tiempo que dure la clase.Su tiempo de descomposición se debe registrar cuando elmaterial se haya quebrado).

7. Coloca una muestra de cada material juntos en un vasoque contenga 200 ml de solución diluida de HCL (pH 4).


Coloca otra muestra de cada material juntos en otro vasoque contenga 200 ml de solución diluida de NaOH (pH 10).Los baños con las soluciones deben estar a temperaturaambiente. Registra el tiempo que le toma a cada muestradegradarse. Nota que las muestras puestas en agua tenían unpH neutro. Incluye en tu tabla de datos los tiempos dedescomposición de las muestras con pH 7, a temperaturaambiente.

1. Comparte tus datos con otros equipos. Usa los datos de laclase para calcular y registrar el tiempo promedio dedescomposición para cada tipo de material en cada una delas diferentes condiciones.

2. Calcula y registra la rapidez promedio de descomposiciónde cada tipo de material bajo las diferentes condiciones,dividiendo la masa promedio del material por el tiempopromedio que le tomó degradarse. Para las cápsulas degelatina, asume que la masa de cada muestra que usastefue igual a la masa de la muestra que registraste. Haz lomismo para el material de empaque biodegradable.

3. Haz una gráfica que muestre las relaciones entre la rapidezpromedio de descomposición de cada material y latemperatura del agua. Haz otra gráfica que muestre larelación entre la rapidez promedio de descomposicióny el pH.

Datos y Observaciones



En el campodeobservación,la casualidadfavorece sóloa aquellasmentes quese hanpreparado.

Luis Pasteurcientífico Francés

1. Estudia las gráficas que hiciste. ¿Cuál material sedegradó más pronto bajo cada condición?¿Cuál tardó más?

2. ¿Cómo afectan el pH y la temperatura a la proporción dedegradación? ¿Es la misma relación para todos losmateriales biodegradables que probaste?

3. Compara tus predicciones con los resultados de laactividad. ¿Te sorprendiste por alguno de los resultados?Explica.

4. Explica por qué fue importante calcular los tiempospromedio de descomposición.

5. ¿Qué factores ambientales pueden afectar ladescomposición de materiales biodegradables?

6. ¿Cómo afectan las propiedades de los materialesbiodegradables a su rapidez de descomposición?

7. ¿Se descomponen todos los materiales biodegradablesen la misma forma? Explica.

Si estuvieras haciendo un dispositivo biodegradable degelatina, ¿Qué factores afectarían tu decisión para procesarla gelatina en gel o en película?

¿Qué nuevas preguntas tienes acerca de la rapidez dedescomposición de los materiales biodegradables? Escribeabajo tres o más preguntas de las que te gustaría conocer larespuesta. Da una razón por la cual te gustaría encontrarsus respuestas.

Reflexiones

En resumen

Me pregunto



Los materiales biodegradablesse descomponen de diferentesformas, dependiendo de suestructura química. La figuramuestra los tres tipos demecanismos de degradación delos polímeros. En la degradaciónTipo 1, los enlaces cruzadosinestables de un polímeroentrecruzado se rompen. En ladegradación Tipo II, los enlacesinestables de la cadena principalde un polímero entrecruzado serompen. La degradación Tipo IIIes similar a la Tipo II, sólo queocurre en polímeros lineales.

En la actividad el ácido separó elgel por los tres mecanismos dedegradación. Primero, losenlaces cruzados del gel,formados por puentes hidrógenoo fuerzas de van der Waals, sedegradaron mediante elmecanismo Tipo I. Comoresultado, el gel se separó enestructuras más pequeñas ycadenas lineales. El ácidodegradó aún más el gel por elmecanismo Tipo II y las cadenaslineales por el mecanismo TipoIII. Los factores que afectan larapidez de descomposición deun material incluyen la estructuraquímica, geometría, y densidad(en el caso de soluciones degelatina, el porciento en peso).Ciertos factores ambientalestambién juegan un importanterol. Estos factores incluyen los

siguientes:

luz solar

· acción microbiana(descomposición) por ciertasbacterias, hongos y algas

· presencia de agua (hidrólisis)

· pH del medio ambiente

· temperatura

· enzimas

Un material biodegradablepuede degradarse debido a unoo más de los factores antesmencionados.

Por ejemplo, el polímero delácido poliláctico, usado comomaterial de sutura, se degradapor hidrólisis en el cuerpohumano. Durante la hidrólisis,las moléculas de agua facilitan laseparación de las uniones delpolímero, produciéndosemonómeros de ácido láctico.Los monómeros se degradanmás por las enzimas paraproducir dióxido de carbono yagua, los cuales son excretadospor el cuerpo.



l o s

ONCEPTOS

Lee más acerca decómo se descomponenlos materialesbiodegradables y cómo

pueden afectar los factores ambientales sudegradación. ¿Tiene sentido la explicacióndadas las observaciones de los materialesen la actividad?

cadena polimérica

enlaceinestable

enlacecruzadoinestable

enlaceinestable

cadena polimérica

cadenapolimérica

Degradación Tipo I

Degradación Tipo II

Degradación Tipo III


ACTIVIDAD

5 ¿Cómo se diseñan, prueban y producen los nuevos materiales biodegradables?Realiza este proyecto de investigación para averiguarlo.

GUÍA DEPLANEACIÓN

Investigando Materiales Biodegradables

¿Podrían algún día los materiales

biodegradables usarse para hacer nuevas partes

del cuerpo? Algunos investigadores creen que sí.

Actualmente se están desarrollando polímeros

biodegradables que pueden usarse para

regenerar la piel, huesos y otros tipos de tejidos.

Se hacen crecer células humanas en polímeros,

que luego se implantan en el cuerpo. Las células

llevan a cabo sus funciones específicas mientras

se degradan los polímeros. Los materiales

biodegradables tienen muchas aplicaciones en

medicina, ingeniería, agricultura y otras áreas.

Realiza una investigación para aprender acerca

de un material biodegradable que te interese.

La lista de la izquierda puede ayudarte a

seleccionar un tópico. Puedes también

seleccionar de la lista de objetos biodegradables

que identificaste en la Actividad 2. Tu reporte se

entregará al final del módulo. Utiliza referencias

bibliográficas o investigaciones por Internet para

encontrar cómo el material biodegradable que tú

escogiste fue desarrollado, de qué está hecho,

cómo se degrada y cómo se usa. Busca por lo

menos tres recursos de información. Estos

deben encontrarse en libros, revistas, y en

Internet. Guarda tus fuentes bibliográficas

completas. También puedes desear contactar y

entrevistar expertos en el campo, tales como

bioingenieros e investigadores de ciencias de los

materiales.

La Dra. Linda Griffith-Cima

está trabajando en desarrollar una estructura en lacual las células vivas puedan crecer y entoncesimplantarse en pacientes con fallas hepáticas.

La estructura consiste en un polímero sintético concanales corriendo a través de él.

Implantes dentales

Fertilizantes

Micro cápsulas de medicación prolongada

Implantes ortopédicos

Materiales para empaquetar

Suturas

Regeneración de tejidos

Actividad 5 Investigando Materiales Biodegradables 27

Atrevámonos aleer, pensar,hablar y escribir.

John Adams

Segundo presidente de losEstados Unidos

Después de completar tus investigaciones, escribe un

reporte describiendo el desarrollo, manufactura, y uso

del material biodegradable. Tu reporte deberá incluir una

introducción, cuerpo, conclusión y bibliografía. En la

introducción di si el material biodegradable es sintético o

natural, de qué está hecho, y el uso del material en el

que te enfocaste. En el cuerpo del reporte di cómo se

descubrió o se desarrolló el material; también describe

detalles sobre su uso; finalmente, evalúa las ventajas y

desventajas de este material, incorporando una

evaluación de aspectos económicos y ambientales de

su manufactura, degradación y uso. En tu conclusión

propón nuevos usos para el material. Explica cómo las

propiedades del material podrían permitirle ser usado en

las formas que propusiste.

Toma la bibliografía completa de tu reporte, usando elsiguiente estilo:

Autor. “Título del artículo”. ,volumen (fecha), páginas.

Autor. “Título del artículo”. , fecha.

Autor. . Lugar de publicación: Editor, fecha,páginas.

Autor. Dirección de Internet

Para artículos de revistas:

Para artículos de periódico:

Para libros:

Para fuentes en línea:

Nombre de la Revista

Nombre del periódico

Título

Título.

Los investigadores de Farmacéuticos Buenos Para Usted esperan encontrar undispositivo seguro que lleve las medicinas dentro del cuerpo humano de manera efectiva. Lameta para el dispositivo es liberar la medicina poco después que se ingiera y que continúe asípor un periodo continuo de tiempo. Tal dispositivo aumentaría al máximo el efecto de lamedicina en el cuerpo.

Hasta ahora, los investigadores no han tenido éxito. Su más reciente dispositivo, unacápsula hecha de gelatina, toma de 10 a 15 minutos para empezar a liberar la medicina enuna solución de pH 3 (aproximadamente igual al pH del estómago) a 37º C (temperaturacorporal normal). Desafortunadamente, toda la medicina se libera en un momento.

Los dueños de Farmacéuticos Buenos Para Usted están al extremo de la desesperación.El dispositivo de liberación prolongada de un medicamento debió completarse ¡hace seismeses! La compañía ha hecho una búsqueda nacional de gente que pueda ayudarlos.Debido a tu extenso conocimiento sobre el proceso de la gelatina, se te ha pedido que asistasa los investigadores. Tú necesitarás usar lo que has aprendido en las actividades paradiseñar un dispositivo de medicamento de liberación prolongada. Tu dispositivo entrará enun concurso de la compañía. El dispositivo ganador se usará para desarrollar un productofinal que se comercializará y será vendido al público.

Diseñando un Dispositivo para la Liberación

Prolongada de un Medicamento

Proyecto de Diseño 1 Diseñando un Dispositivo para la Liberación Prolongada de un Medicamento 29

PROYECTODE DISEÑO

1

30 Módulos Materiales Biodegradables

Piensa en estas preguntasconforme trabajas con tusdispositivos.

¿Cuáles son los criterios para undispositivo de medicamento deliberación prolongada?

¿Cuáles son las condicionesambientales bajo las que eldispositivo se llevará a cabo?

¿Cómo pueden afectar esascondiciones al dispositivo?

¿En qué formas pueden variar laspropiedades de las películas degelatina y el gel?

¿Cómo pueden estas propiedadesusarse en el diseño de undispositivo efectivo demedicamento de liberaciónprolongada?

Sugiere un diseño para un dispositivo de liberaciónprolongada de un medicamento

1.

2.

3.

4.

5.

Discute y registra los diferentes diseños posibles para undispositivo de liberación prolongada de un medicamento.

El dispositivo deberá enfrentarse con los siguientes criterios, loscuales han sido especificados por Farmacéuticos Buenos ParaUsted.

El dispositivo debe ser biodegradable

La masa total del dispositivo no debe exceder 2 gramos.

El tinte debe liberarse en una solución ácida (pH 3) a 37º C.

El dispositivo deberá comenzar a liberar el tinte a lostres minutos o menos de ponerse en la solución. De otromodo, el dispositivo será descalificado del concurso.

El tinte debe liberarse continuamente durante tantotiempo como sea posible. El tiempo efectivo deldispositivo, t , es el tiempo del periodo durante el cual se

libera el tinte. Para calcular t , usa la ecuación:

t = t 2t

Donde t es el tiempo que pasó antes de que el tinte

comience a liberase y t es el tiempo que tardó en liberarse

completamente el tinte.

ef

ef

i ef f i

i

f

Cada grupo deberá realizar un registro de diseño mientrasparticipa en el reto del diseño. Tu maestro puede darte un juego dehojas de trabajo para llenar mientras diseñas, pruebas y evalúas tusprototipos. Tú puedes también hacer tu registro de diseño.Asegúrate de registrar todas tus ideas, aún aquellas que consideresque no funcionarán por alguna razón. Estas ideas pueden darte unavisión de algo que realmente no entendiste antes.

DEl Reto

deliseño

Tu meta es diseñar un dispositivo para la

liberación prolongada de un medicamento eficaz

hecho de gelatina.

El dispositivo liberará un tinte, el cual representa un medicamento.Un dispositivo de liberación prolongada efectivo liberará la tinturarápida y continuamente cuando se coloque en el solvente.

Haz un registro de diseño

Proyecto de Diseño 1 Diseñando un Dispositivo para la Liberación Prolongada de un Medicamento 31

Por ejemplo, si el dispositivo comienza a liberar el tinte en un minuto(t ) y se detiene la liberación del tinte en tres minutos (t ), el tiempo

efectivo del dispositivo (t ) es un minuto (3 min. 2 min. = 1 min.).

Escoge tres posibles diseños para el dispositivo de liberaciónprolongada de medicamento. Dibuja los diseños y nombra suspartes. Registra los materiales que necesitarás y los pasos queseguirás para hacer los dispositivos. Mientras hagas los dispositivos,recuerda seguir las precauciones de seguridad necesarias.

Predice que tan rápido los dispositivos van a liberar el tinte, siliberarán el tinte continuamente, y por cuánto tiempo. Da lasrazones para tus predicciones.

Decide como probarás tus dispositivos para evaluar su efectividad deacuerdo a los criterios de rendimiento descritos en las páginasanteriores. Registra los materiales que usarás y los pasos de tuprocedimiento; entonces prueba tus dispositivos. Sigue lasprecauciones de seguridad necesarias.

Registra en una tabla los datos que obtuviste de las pruebas de tusdispositivos. Tus datos deben incluir valores para y . Usa estos

datos para calcular el tiempo efectivo ( ) de tus dispositivos.

También registra cualquier observación que tú pienses pueda serimportante.

Analiza cuán bien o mal cumplieron los dispositivos los criterios dedesempeño. Explica por qué piensas que fueron buenos o malos.Describe conclusiones acerca del desempeño general de tusdispositivos, basados en tu interpretación de resultados. Da lasrazones para tus conclusiones.

i f

ef

i f

ef

Usa procedimientos repetibles para construir tus dispositivos

Predice como funcionarán tus dispositivos

Usa un procedimiento repetible para probar tus dispositivos

Registra los datos de las pruebas

Interpreta los datos

t t

t

No haysustitutopara eltrabajoduro.

Thomas Edison, inventor

Americano

Reflexiona sobre tus predicciones

Presenta tus dispositivos a la clase

Permite que tus compañeros critiquen tu trabajo

Rediseña tu mejor dispositivo

Habla sobre los resultados de la competencia

Describe las conclusiones de lo que aprendiste

Discute cómo tus resultados confirmaron o refutaron lo quepredijiste que pasaría. Analiza las causas del error experimental.

Describe tus dispositivos y cómo los hiciste. Explica los resultadosde tu prueba y cómo interpretaste los datos.

Después de que tu equipo haga su presentación, pide a tuscompañeros que critiquen tu trabajo. Haz lo mismo con los otrosequipos. La clase debe evaluar cómo el dispositivo de cada equipofue hecho y probado y cómo fueron interpretados los resultados.Tus compañeros deben dar también sus opiniones acerca de si losdispositivos satisficieron los criterios de rendimiento. Registra loscomentarios y sugerencias que tus compañeros hicieron de tutrabajo.

De los tres dispositivos que hiciste, escoge el que haya funcionadomejor. ¿Por qué crees que funcionó mejor? Intenta probar tudiseño identificando las variables clave que pueden afectar elrendimiento del dispositivo. Cambia una de las variables cada lavez. Construye los dispositivos rediseñados, pruébalos y participacon el mejor dispositivo en la competencia. El dispositivo con eltiempo efectivo más largo (t ) será el ganador.

Descubre los resultados del diseño en la competencia. Discutequé fue lo que hizo diferente al diseño ganador. Festeja con tuscompañeros por tomar parte del desafío.

Explica qué aprendiste de los materiales biodegradables y delproceso de diseño, construcción, prueba y rediseño de losdispositivos durante la participación de este desafío de diseño.

ef

¿P

?

or quénosotrosnuncatenemostiempo paraperfeccionar eldiseño laprimera vez,pero siempretenemostiempo pararevisar eldiseño cuándoalgo falla

Ingeniero Anónimo


2

PROYECTODE DISEÑO

Diseñando un Nuevo

Producto Biodegradable

Proyecto de Diseño 2 Diseñando un Nuevo Producto Biodegradable 33

La Compañía la Gelatina Ondulante quisiera expandir su mercado. Actualmente la mayorparte de la gelatina que hace se vende a industrias de procesamiento de alimentos o acompañías farmacéuticas. Los investigadores de la Gelatina Ondulante están buscandonuevos usos para la gelatina. Si los investigadores tienen éxito, la Gelatina Ondulantevenderá sus descubrimientos a compañías manufactureras. Seguramente, estascompañías comprarán grandes cantidades de gelatina de la Gelatina Ondulante.

Tú eres parte del equipo de investigación de la Gelatina Ondulante. Estás buscandodiferentes clases de gelatinas que pueden usarse para mejorar los productos existentes ocrear otros nuevos. Claro que debido a que cada miembro de tu equipo ha trabajado parala Gelatina Ondulante por varios años, todos ustedes conocen mucho acerca de la gelatina.

Tu meta es encontrar un nuevo uso para la

gelatina. Busca un problema que pueda

resolverse usando este materialbiodegradable. Sigue los siguientes pasos en tuinvestigación.

Cada grupo deberá tener un registro mientras participe en elreto del diseño. Tu maestro puede darte un juego de hojasde trabajo para llenar mientras diseñas, pruebas y evalúastus muestras. Tú puedes también tener tu propio registro dediseño. Asegúrate de registrar todas tus ideas, aún aquellasque consideres que no funcionarán por alguna razón. Estaspueden darte una visión de algo que realmente no entendisteantes. Usa tu registro de diseño para ayudarte a recopilar yescribir tu reporte final.

Piensa acerca de las propiedades de la gelatina. ¿Cómopueden utilizarse estas propiedades al hacer un nuevoproducto o mejorar uno ya existente? Mediante una lluvia deideas con tu grupo busquen por lo menos cuatro nuevasformas de usar la gelatina. Escoge un nuevo producto degelatina y propón tres diferentes muestras que puedanusarse para determinar cuál de los nuevos productos es másfactible. Las muestras de gelatina deben cumplir lossiguientes requerimientos:

Las muestras deben ser procesadas en una de las formasque aprendiste en los módulos.

Las muestras deben ser biodegradables bajo ciertascondiciones ambientales, las cuales tú especificarás.

Piensa acerca de las características importantes del nuevoproducto de gelatina. Entonces, elabora una lista decaracterísticas que tus muestras deben mostrar con el fin deencontrar especificaciones del nuevo producto.

Haz un registro de diseño

Propón un nuevo uso para la gelatina

1.

2.

Decide los criterios para evaluar tus muestras degelatina

DEl Reto

deliseño


Piensa en estaspreguntas conformetrabajas con tusmuestras de gelatina.

¿Qué tipos de nuevosproductos puedeshacer usandogelatina?

¿Qué tipo deproductos existentespodrías mejorarusando gelatina?

¿Cómo pueden serútiles las propiedadesde la gelatina al hacereste producto?

Usa procedimientos repetibles para construir tus muestras

Predice el desempeño de tus muestras de gelatina

Registra los datos de las pruebas

Interpreta los datos

Reflexiona en tus predicciones

Presenta Tus Muestras de Gelatina y los Resultados de TusPruebas

Registra los pasos que seguirás para hacer y procesar lasmuestras de gelatina. También enlista los materiales queutilizarás. Conforme hagas las muestras, sigue lasprecauciones de seguridad necesarias, tales como manipularlos ácidos con cuidado.

Decide cómo probarás tus muestras de gelatina para evaluar sicumplen los criterios que especificaste. Registra los materialesque usarás y los pasos en tu procedimiento; entonces pruebatus muestras. Toma las precauciones de seguridad necesarias.

Registra en una tabla los datos que obtuviste de las pruebas.Identifica cada muestra, relaciona las condiciones bajo lascuales se probó, y describe su desempeño.

Analiza qué tan bien o mal cumplió la muestra de gelatina conlos criterios que escogiste. Entonces, anota tus conclusionesbasado en tus interpretaciones. ¿Cuál muestra de gelatinasería la mejor en el nuevo producto? ¿El producto quepropusiste es el más factible?

Discute cómo tus resultados de las pruebas de las muestrasconfirmaron o refutaron lo que predijiste que podría pasar.Analiza las causas del error experimental.

Describe el producto de gelatina que propusiste y los criteriosque estableciste para evaluar el desempeño de tus muestras degelatina.

Es mejorconoceralgunas delaspreguntasque todaslasrespuestas.

James Thurber, humorista

Americano

Proyecto de Diseño 2 Diseñando un Nuevo Producto Biodegradable 35


Muestra tus prototipos y di como los hiciste. Describe cómoprobaste los propotipos. Explica los resultados de laspruebas y cómo interpretaste los datos.

Después de que tu grupo haga su presentación, pide a tuscompañeros que critiquen tu trabajo. Haz lo mismo con losotros equipos cuando completen sus presentaciones. Laclase debe evaluar cómo fueron hechas las muestras degelatina, cómo se probaron y cómo se interpretaron losresultados de cada equipo. Como parte de la evaluación, loscompañeros de clase deben también dar sus opinionesacerca de cuál muestra obtuvo los mejores resultados.Registra los comentarios y sugerencias que hayan dado tuscompañeros de tu trabajo.

Propón un nuevo producto mejorado de gelatina. Intentamejorar tu producto, identificando las variables importantesque pueden afectar su desempeño. Cambia una variablecada vez. Repite el ciclo de diseño para hacer, probar yevaluar las muestras de gelatina.

Escribe un reporte que resuma tu trabajo. Incluye unaintroducción, descripciones de cada paso en el diseño y losprocesos de prueba, y una recomendación final acerca de tuproducto de gelatina. Discute quién puede estar interesadoen este producto y evalúa si vale la pena manufacturarlo.

Explica qué aprendiste al hacer y probar productos degelatina. Reflexiona en lo que aprendiste sobre materialesbiodegradables. Si disfrutaste este proyecto, debesconsiderar buscar una carrera en ciencias de materiales oingeniería.

Permite que tus compañeros critiquen tu trabajo

Rediseña tu producto de gelatina

Compila un reporte final acerca de tu producto degelatina

Anota conclusiones acerca de lo que tú aprendiste

Uno de losgrandesdolores delanaturalezahumana eles dolor deuna nuevaidea.

Walter Bagehot,científico socialBritánico

Glosario 37

GlosarioÁcido nucleico

Almidón

Aplicación

Ciencia de materiales

Compresibilidad

Concentración

Crítica

Degradar

Descomponedor

Dispositivo para liberación prolongada de medicamento

Enlace covalente

Enlace iónico

Enzima

Evaluar

Error experimental

Espuma

Estructura

polímero encontrado en todas las células vivientes queestá involucrado en la reproducción y en las funciones celulares; el ADN yARN son ácidos nucleicos

un polímero encontrado en células vivientes hecho de unidadesrepetitivas de azúcar llamada glucosa; por ejemplo, las plantas guardanazúcar en forma de almidón

el uso específico que se le da a algo

el estudio de características de materiales y susposibles aplicaciones en ciencia, tecnología e industria

la habilidad de una sustancia para ser presionada,reduciendo su volumen o tamaño

la cantidad de una sustancia en un área o volumendados

- examinar algo cuidadosamente y dar los comentariosconstructivos sobre él

separar en partes más pequeñas

un organismo que se alimenta de materia orgánicamuerta, ya que separa la materia en partes más pequeñas

un aparatoque libera una medicina dentro del cuerpo durante un periodo dado detiempo

enlace químico formado cuando dos átomoscomparten un par de electrones

enlace químico entre iones positivos y negativos, loscuales son átomos que han ganado o perdido electrones y por tantollevan una carga

proteína que cambia la velocidad de una reacción química

examinar y juzgar algo cuidadosamente

circunstancias que producen variabilidad demediciones o cálculos erróneos en un experimento

polímero con muchas burbujas de aire distribuidas dentro de él

algo hecho de un número de partes que están sostenidas ounidas en una forma particular para un propósito específico

38 Glosario

Fuerzas de van der Waals

Gel

Gelatina

Hidrólisis

Hipótesis

Material

Material biodegradable

Material procesado

Medio

Medio ambiente

Molécula

Monómero

Observación

PH

Película

Peso molecular

Polímero

Polímero de cadenas cruzadas

Porciento en peso

Polímero linear

fuerzas de atracción débiles entre todos losátomos y moléculas

red tridimensional en un medio líquido formado por cadenascruzadas de polímero

una proteína derivada de piel y huesos animales

rompimiento de enlaces químicos en presencia de agua

posible explicación que puede comprobarse

sustancia de la cual está hecha una cosa; algunos materialescomunes son: vidrio, plásticos, cerámica, metales y compósitos hechos deuna combinación de éstos y otros materiales

una sustancia que se descompone en partesmás pequeñas no tóxicas que regresan al medio ambiente y pueden serreutilizadas por los organismos

un material que ha sido modificado en una formadiferente, tal como el gel o la película

sustancia circundante

las condiciones circundantes

partícula más pequeña en que puede dividirse un compuestosin cambiar las propiedades químicas o físicas de la partícula

unidad repetitiva de un polímero

algo visto o notado

una unidad de medición usada para expresar la acidez o alcalinidadde una solución

- una capa delgada de material

la suma de los pesos atómicos de los átomos queforman una molécula

una molécula gigante hecha de unidades repetitivas llamadasmonómeros

un polímero cuyas cadenas seencuentran ligadas entre sí por enlaces químicos

proporción del peso de un componente de unamezcla por peso total de la mezcla expresada en porciento.

un polímero cuyas cadenas no están entrelazadas

Glosario 39

Predicción

Propiedad

Propiedades mecánicas

Proteína

Puente de hidrógeno

Rapidez de degradación o descomposición

Red

Regenerar

Relleno

Sintético

Solución

Solvente

Sutura

Variable

el acto de decir lo que podría pasar de antemano de suocurrencia

característica o rasgo de un objeto o material

propiedades de un material relacionadas a laaplicación de una fuerza en el material; las propiedades mecánicasincluyen tensión, compresión y torsión

polímero encontrado en todas las células vivientes hechas deunidades repetitivas llamadas aminoácidos; las proteínas forman lasestructuras celulares y están involucradas en las reacciones químicascelulares

enlace químico en el cual un átomo de hidrógenoes atraído a un átomo fuertemente electronegativo

cantidad de materiadegradada por unidad de tiempo

un sistema hecho de partes interconectadas

formar nuevamente; los polímeros son utilizados pararegenerar tejido nuevo de las células humanas

sustancia adicionada a un material para incrementar el peso ollenar los espacios

algo hecho por los humanos, no encontrado en la naturaleza

una mezcla en la cual las sustancias están dispersasuniformemente en toda su extensión; por ejemplo el azúcar disuelta enagua es una solución

una sustancia que puede disolver otras sustancias; por ejemploel agua es un solvente común

hilo o fibra con la cual se cose una herida para unir los tejidoscircundantes

en un experimento científico, una característica que varíacuando todas las otras características se mantienen iguales

biodegradables estudiante resproductividad.cimav.edu.mx/productividad/adjuntos/libros... ·...

Documents