obtenciÓn de nanofibras por el mÉtodo de …

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E

INDUSTRIAS EXTRACTIVAS

“OBTENCIÓN DE NANOFIBRAS

POR EL MÉTODO DE

ELECTROSPINNING Y FILMS

BIODEGRADABLES DE AMILOSA

Y AMILOPECTINA”

TESIS INDIVIDUAL

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE

INGENIERO QUÍMICO INDUSTRIAL

DIRIGIDA POR:

M. en C. SERGIO HERNÁNDEZ GARRIDO

P R E S E N T A:

RENÉ SAÚL GÓMEZ ZÁRATE

México, D.F. Noviembre del 2013

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA EINDUSTRIAS EXTRACTIVAS

DEPARTAMENTO DE EVALUACiÓN Y SEGUIMIENTO ACADÉMICO

SECRETARIA DE

EDUCACION PUBLICA

T-032-13 México, D. F., 02 de abril de12013.

Al C. Pasante: Boleta: Carrera: Generación: RENÉ SAÚL GÓMEZ ZÁRATE 2008320165 /Q/ 2007-2012 Plan de Ayala Lote 6 Manzana 30 Lázaro Cárdenas Cuautitlan Estado de México C.P. 54870

Mediante el presente se hace de su conocimiento que este Departamento acepta que el C.

M. en C. Sergio Hernández Garrido, sea orientador en el tema que propone usted desarrollar como

prueba escrita en la opción Tesis Individual, con el título y contenido siguiente:

"Obtención de nano fibras por el método de e/ectrospinning y films biodegradables de ami/osa yami/opectina".

Resumen. Introducción.

1.- Antecedentes. 11.- Proceso practico. 111.- Análisis de resultados.

Conclusiones. Bibliografía.

áximo de un año, a partir de esta fecha, para presen

c. c. p.- Control Escolar.

GATA/ams

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERlOR DE INGENIERlA QUÍMICA EINDUSTRIAS EXTRACTIVAS

DEPARTAMENTO DE EVALUACiÓN Y SEGUIMIENTO ACADÉMICO

SECRETARIA DE

EDUCACION PUBLICA T-032-13

México, D. F., 26 de Abril del 2013.

Al C. Pasante: Boleta: Carrera: Generación: RENÉ SAÚL GÓMEZ ZÁRA TE 2008320165 IQI 2008-2012 PRESENTE

Los suscritos tenemos el agrado de informar a usted, que habiendo procedido a revisar el

borrador de la modalidad de titulación correspondiente, denominado:

"Obtención de nanofibras por el método de e/ectrospinning y films biodegradables de ami/osa yami/opectina".

encontramos que el citado Trabajo de Tesis Individual, reúne los requisitos para autorizar el Examen

Profesional y PROCEDER A SU IMPRESIÓN según el caso, debiendo tomar en consideración las

indicaciones y correcciones que al respecto se le hicieron.

Atentamente

JURADO

Q.F.B. Flor de}>

(j : /

C.C.p.- Expediente GATA/rcr

OBTENCIÓN DE NANOFIBRAS POR EL MÉTODO DE ELECTROSPINNING Y FILMS

BIODEGRADABLES DE AMILOSA Y AMILOPECTINA


RECONOCIMIENTOS INSTITUCIONALES

Al Instituto Politécnico Nacional, por haberme

brindado la oportunidad de ingresar a sus aulas

y darme en ellas la gama de conocimientos que

me permitirían ser un profesionista de

excelencia, así como las bases de una cultura de

calidad y compromiso.

A la Escuela Superior de Ingeniería Química e

Industrias Extractivas, que me brindó las

herramientas necesarias que hicieron posible el

despliegue a un alto desempeño como Ingeniero

Químico Industrial.




AGRADECIMIENTOS

A la Bióloga Ma. Esther Sánchez Espíndola de la

Escuela Nacional de Ciencias Biológicas del IPN

y a la Ing. Marcela Guerrero del Centro de

Investigación y de Estudios Avanzados del IPN,

Dpto. de Física, por su apoyo técnico.

Al Maestro Sergio Hernández Garrido y a la

Profesora Flor del Monte A. D. por brindarme su

apoyo para sacar adelante esta tesis, por su

comprensión y dedicación, gracias.




DEDICATORIAS

A Dios, por darme la oportunidad de vivir y por estar conmigo

en cada paso que doy, por fortalecer mi corazón e iluminar mi

mente y por haber puesto en mi camino a aquellas personas

que han sido mi soporte y compañía durante todo el periodo de

estudio.

A Mi madre Hermelinda Zárate, por darme la vida, por

haberme dado su apoyo y amor en todo momento. Mamá,

muchas gracias, todo te lo debo a ti.

A Mi padre Sabás Gómez (QEPD), por tu esfuerzo y amor a tus

hijos, gracias a eso tuvimos la oportunidad de estudiar, mil

gracias, siempre estarás en mi memoria, seguiré las

enseñanzas que me pudiste dar.

A Mis abuelos Mamá Rafa y Papá Cruz, por ser mis segundos

padres y brindarme su cariño en todo momento, gracias por

todo, los quiero mucho.

A Mis hermanos, Josseles, Isela y Karina que juntos vamos en

la vida.

A Mis sobrinas Danna, Zuri y mi sobrino Santi, para que vean

en mí un ejemplo a seguir.

A todos mis amigos, por acompañarme en los mejores

momentos.




ÍNDICE

RESUMEN i

INTRODUCCIÓN ii

CAPÍTULO I.- ANTECEDENTES

I.1 Amilosa y amilopectina 1

I.2 Alcohol polivinílico (PVOH) 7

I.3 Electrospinning 8

I.4 Aplicaciones de nanofibras por electrospinning 12

I.5 Avances en electrospinning de almidón y PVOH 14

I.6 Técnicas de entrecruzamiento 15

CAPÍTULO II.- PROCESO PRÁCTICO

II.1 Materiales 17

II.2 Preparación de soluciones almidón/EVOH 17

II.3 Preparación de soluciones almidón/PVOH 18

II.4 Preparación de fibras por la técnica de electrospinning 19

II.5 Preparación de películas de almidón/PVOH 20

II.6 Fotoentrecruzamiento de películas y fibras 20

II.7 Caracterización de las muestras 21

CAPÍTULO III.- ANÁLISIS DE RESULTADOS

III.1 Fibras de almidón/EVOH por la técnica de electrospinning 24

III.2 Fibras de almidón/PVOH por la técnica de electrospinning 25

III.3 Fotoentrecruzamiento de películas vaciadas 28

III.4 Determinación de absorción de humedad en películas

vaciadas

37

III.5 Entrecruzamiento de fibras almidón/PVOH por la técnica de

electrospinning

38

CONCLUSIONES 40

BIBLIOGRAFÍA 42



RENÉ SAÚL GÓMEZ ZÁRATE i

RESUMEN

Dado el potencial que tienen las fibras poliméricas electrohiladas y el almidón en el ámbito de las

aplicaciones farmacológicas, en este trabajo se pretende obtener nanofibras de almidón en mezcla

con otros polímeros, ya que el almidón por sí solo no es fácil de electrohilar; así como modificar sus

propiedades de resistencia a la humedad por métodos químicos. El trabajo se dividió en tres partes:

i) obtención de nanofibras mediante la técnica de electrospinning de almidón mezclado con otros

polímeros fácilmente electrohilables, ii) la obtención de películas vaciadas de éstas mezclas y su

entrecruzamiento con luz UV, para posteriormente entrecruzar las nanofibras en base a los

resultados de las pruebas con las películas y iii) evaluación del cambio en propiedades de absorción

de humedad.

En la primera parte se elaboraron distintas mezclas de almidón con etilen-vinil-alcohol (EVOH) y

alcohol polivinílico (PVOH) para determinar con cuál de estos polímeros se pueden obtener

nanofibras electrohiladas, describiéndose de manera detallada los parámetros involucrados en el

proceso y que afectan significativamente a la morfología de las fibras electrohiladas. La morfología

fue evaluada por Microscopía Electrónica de Barrido (MEB). Esta parte fue fundamental para el

resto del trabajo, ya que con la solución con la que se obtuvieron mejores nanofibras se prepararon

películas por el método de vaciado, que en este sistema fue la solución de almidón/PVOH.

En la segunda parte, se elaboraron las películas por el método de vaciado a partir de soluciones de

almidón/PVOH y se entrecruzaron con radiación de luz ultravioleta. Se realizó la cuantificación del

grado de entrecruzamiento utilizando métodos químicos y físicos. Dichas pruebas involucraron el

uso de espectroscopía UV-Vis, la determinación de grado de hinchamiento (GH) y fracción gel

(FG), y por último la absorción de humedad de las películas (%Hum.).

Con ésta información se intentó el entrecruzamiento de las nanofibras de almidón, lo cual no fue

posible. Indicando con esto que con la irradiación de películas de almidón/PVOH no se produjo

entrecruzamiento en ellas, sino que llevó a la formación un hidrogel físico.

.



RENÉ SAÚL GÓMEZ ZÁRATE ii

INTRODUCCIÓN

Debido a la creciente preocupación por el medio ambiente, la biodegradabilidad y la seguridad

ambiental se han vuelto características importantes a considerar en el diseño de nuevos materiales.

Entre la gran variedad de materiales biodegradables que pueden ser usados en diversas aplicaciones

se encuentra el almidón, el cual constituye una importante fuente de polímeros naturales puesto que

es renovable, está disponible en grandes cantidades y es económico.

Por otra parte, se sabe que mediante la técnica de electrospinning, pueden obtenerse fibras

poliméricas de diámetros muy pequeños, entre 1 y 10 nm, que presentan características muy

diferentes y superiores a las presentadas por los mismos polímeros elaborados en otras formas. Estas

fibras pueden formar tejidos o mallas altamente porosas con excelente interconexión, que han sido

utilizados en aplicaciones que van desde sistemas de liberación controlada de fármacos hasta la

posible fabricación de dispositivos ópticos y electrónicos.

Una de las principales razones para obtener nanofibras a partir del almidón de papa es la posibilidad

de encapsular compuestos como enzimas, proteínas o vacunas, permitiendo diversas aplicaciones

farmacológicas con este material. Adicionalmente, resulta muy conveniente lograr obtener

nanofibras a partir de almidones, ya que su estructura les permite acomplejarlos con iodo o plata,

elementos que tienen amplias aplicaciones en la medicina. Aunque es necesario mezclarlo con otros

polímeros para poder obtener películas y nanofibras electrohiladas, de otra forma resulta bastante

difícil por el alto peso molecular que tiene el almidón.

Cabe resaltar que la fácil disponibilidad y bajo costo del almidón, otorgan a este material una

viabilidad enorme para su utilización como materia prima en la producción de nuevos materiales

biodegradables. No obstante, estos materiales con base almidón han presentado limitaciones en sus

aplicaciones comerciales debido a su baja resistencia mecánica y al hecho de que son materiales

hidrofílicos. Es de saberse que al absorber agua, los materiales con base almidón tienden a

desintegrarse; teniendo en cuenta que la absorción de humedad limita el desarrollo del almidón en

nuevos materiales y aplicaciones.



RENÉ SAÚL GÓMEZ ZÁRATE iii

El presente proyecto de tesis se fundamenta en anteriores avances en los que se han podido elaborar

nanofibras poliméricas a partir de la técnica de electrospinning, así como mejoras de esta misma; y

considerando que son muy pocos los trabajos reportados sobre obtención de nanofibras utilizando

almidón de papa, este trabajo se considera un buen aporte a éste campo de investigación.

A partir de la fundamentación del trabajo se propuso como objetivo principal el obtener películas y

nanofibras electrohiladas a partir de mezclas de almidón/PVOH y entrecruzarlas por su exposición a

la luz ultravioleta (UV), con el fin de aumentar su resistencia a la absorción de agua y humedad.

Para lograr lo propuesto se establecieron objetivos específicos para la experimentación:

Obtener una solución bicomponente de almidón/PVOH que permita la fabricación de

nanofibras mediante la técnica de electrospinning y al mismo tiempo definir los parámetros

adecuados con los que se obtuvieron los mejores resultados.

Elaborar películas de almidón/PVOH con la solución óptima encontrada en la obtención de

nanofibras y entrecruzarlas mediante un tratamiento con irradiación de luz ultravioleta.

Entrecruzar las nanofibras de almidón/PVOH con las mejores condiciones encontradas en el

entrecruzamiento de las películas.

Evaluar la resistencia a la absorción de humedad de las películas y las nanofibras de

almidón/PVOH.

Durante la experimentación se fueron obteniendo los resultados que irían estableciendo las

condiciones bajo las cuales se lograrían los objetivos.

Se obtuvo una solución de almidón/PVOH que permitió generar nanofibras satisfactoriamente con

las proporciones siguientes: 8%w/v de PVOH/agua destilada, 5%w/w de metanol en relación a la

solución de PVOH + agua y 42.5%w/w de almidón con respecto a la proporción del PVOH.

Con la técnica de electrospinning se obtuvieron películas a partir de la solución de almidón/PVOH,

con espesores entre 0.02 y 0.03 mm y un área de 3.7x3.7 cm, por el método de vaciado y secadas a

60°C por 24 h.



RENÉ SAÚL GÓMEZ ZÁRATE iv

Las condiciones en las que se obtuvieron mejores resultados en las pruebas de entrecruzamiento en

las películas de almidón/PVOH son las siguientes: la proporción de benzoato de sodio como

fotosensibilizador fue de 3%w/w en relación con el almidón + PVOH, exposición de las películas a

un tiempo de 90 minutos con luz UV de 254nm.

De acuerdo a las características de las películas obtenidas después de exponerlas a radiación UV,

éstas mostraron propiedades de hidrogeles físicos, los cuales no son característicos de conformarse

por entrecruzamientos covalentes, sino de uniones por enredamientos moleculares menos estables.

Por lo que se concluyó que la radiación UV en estado sólido de las películas, llevó a una

modificación molecular que no puede determinarse como un entrecruzamientos por enlaces

covalentes, más bien como uniones por enredamientos moleculares que caracterizan a un hidrogel

físico y las cuales pueden ser enlaces de hidrogeno o interacciones hidrófobas.



RENÉ SAÚL GÓMEZ ZÁRATE 1

CAPÍTULO I

ANTECEDENTES

El almidón se presenta en forma de gránulos compuestos de una mezcla de dos glucanos: la amilosa

y la amilopectina. La mayor parte de ellos contienen un 20-30% de amilosa y un 80-70% de

amilopectina. Se conocen sin embargo, variedades de maíz (maíz amiláceo) cuya proporción de

amilosa llega a ser del 50-80% y en los chícharos la amilosa se presenta en una proporción del 60%.

Por otra parte, también existen algunas variedades de maíz y mijo, conocidas como céreas, que

llegan a contener hasta prácticamente el 100% de amilopectina. [1]

I.1 Amilosa y amilopectina

La amilosa está compuesta por uniones de unidades de α-glucosa (OH del carbono anomérico en

posición axial) (Fig. I.1). Sólo aparecen enlaces 1-4, por lo que su estructura es lineal (esto no

significa que las cadenas sean rectas, sino que se enrollan formando una hélice). El tamaño

molecular de la amilosa es muy variable; el grado de polimerización de los almidones en cereales se

encuentra entre 1.000 y 2.000, en el de papa alcanza 4.500. Ello se corresponde con pesos

moleculares comprendidos entre 150.000 y 750.000. [2]

Fig. I.1. Estructura molecular de la amilosa.




La amilopectina es un polímero compuesto por unión de unidades de α-glucosa mediante enlaces

1-4, pero ramificado con uniones 1-6 cada 20 a 25 restos de glucosa. Es la parte ramificada del

almidón y posee la estructura mostrada en la Fig. I.2.

Fig. I.2. Estructura molecular de la amilopectina.

Los gránulos de almidón se sintetizan en los amiloplastos, son sencillos o complejos, están formados

por capas concéntricas o excéntricas de distinto espesor, tienen tamaños entre 2 y 150 µm y su

distribución de tamaño y forma es variable. Además de amilosa y amilopectina, la mayoría de las

veces contienen pequeñas cantidades de lípidos y proteínas.

Aproximadamente el 70% de la masa de un grano de almidón se considera amorfo y el 30%

cristalino. En las zonas amorfas se localiza la mayor parte de la amilosa, aunque también contienen

una fracción considerable de la amilopectina. Las zonas cristalinas están formadas

predominantemente por amilopectina. El grado de cristalinidad depende del contenido acuoso. Para

el almidón de papa secado al aire (19.8% de agua) es del 24%, para el producto humedecido (45-

55% de agua) del 29-35% y para el almidón desecado a través de P2O5 y rehidratado posteriormente

solo del 17%.

Distribución y obtención [1]

El almidón de encuentra ampliamente distribuido en las plantas como carbohidrato de reserva. Es

también, como componente de gran cantidad de alimentos, la fuente más importante de

carbohidratos de la alimentación humana. Además, los almidones y sus derivados tienen gran




importancia en diferentes ramas de la industria, tales como la alimentaria, textil y papelera. La

obtención de almidón se lleva a cabo principalmente a partir de las fuentes citadas en la Tabla I.1.

Tabla I.1. Materias primas para la obtención de almidón [3]

Materias

primas

Producción de almidón en el año

2000

De importancia

industrial

Millones de

toneladas

% de la

producción

mundial

Maíz 39.4 81.2

Maíz céreo

Papa 2.5 5.3

Trigo 4.1 8.4

Otras 2.5 5.1

Total 48.5 100

Los almidones de distinta procedencia tienen características diferentes y distintivas en lo que a

forma, tamaño, distribución de tamaños, composición y cristalinidad de los granos se refiere. En

algunos casos, por ejemplo en la papa, los gránulos de almidón se encuentran libres en el interior de

las células, de tal modo que su aislamiento es un proceso relativamente sencillo. Como primera

etapa de su obtención, el material vegetal se tritura y el almidón es arrastrado por corriente de agua,

posteriormente, se separa de la suspensión (leche de almidón) y se seca.

Gelatinización y retrogradación del almidón

Los gránulos de almidón se hinchan cuando se suspenden en agua fría y su diámetro aumenta entre

un 30 y 40%. Al calentar la suspensión, se originan una serie de modificaciones irreversibles a partir

de una temperatura que es característica para cada almidón (50-70°C), la temperatura de

gelatinización. Los gránulos de almidón absorben 20-40 g de agua/g de almidón y la viscosidad de

la disolución aumenta notablemente a la vez, que una parte de la amilosa difunde fuera del granulo.

Finalmente, el granulo explota. En esta primera fase de la gelatinización, los cristales de almidón




funden y forman una red polimérica. A temperaturas más elevadas (100°C aproximadamente) esta

red se rompe y como consecuencia la amilosa y la amilopectina se disuelven (Fig. I.3).

Fig. I.3. Transiciones del almidón durante la gelatinización

En el proceso de gelatinización (en el que primero se produce una difusión de agua al grano,

después una fusión en la zona cristalina favorecida por hidratación y finalmente una disolución),

conforme aumenta el hinchamiento debido a la difusión continua de agua, se rompen principalmente

puentes de hidrógeno entre las cadenas de glucosa de los cristales, y probablemente también algunas

partes de la zona amorfa. El hinchamiento de la zona amorfa facilita la disolución y salida de la

amilopectina de los cristales que se han desestabilizado. [4]

Los mismos cambios que se producen al calentar una suspensión de almidón en agua, se presentan al

suspender almidón en otros disolventes, por ejemplo en amoniaco líquido o dimetil sulfóxido

(DMSO), y al dañarlo mecánicamente, como por ejemplo durante la molienda en seco. [1]

Por otra parte, el tratamiento del almidón a contenidos acuosos bajos y altas temperaturas conduce a

una estabilización de los cristales y como consecuencia a una disminución de la capacidad de

hinchamiento. Las modificaciones provocadas en las propiedades físicas mediante estos tratamientos

varían según el origen botánico del almidón, como se ve en el ejemplo de la Tabla I.2.




Tabla I.2. Características físico-químicas de almidones antes (1) y después (2) de un tratamiento

térmico en estado hidratado*

Característica Almidón de trigo Almidón de papa

1 2 1 2

Temperatura al

inicio de la

gelatinización

(°C)

56.5 61 60 60.5

Temperatura al

final de la

gelatinización

(°C)

62 74 68 79

Solubilidad a

80°C (%) 2.59 5.93 31.0 10.10

Capacidad de

hinchamiento a

80°C (%)

7.15 5.94 62.3 19.05

Capacidad de

retención de agua

(%)

89.1 182.6 102.00 108.7

Solubilidad al

ataque

enzimático

(%disuelto)

0.44 48.55 0.57 40.35

*(T=100°C, t=16 h, H2O= 24%).

El almidón que ha sido gelatinizado, tiende a retrogradarse. Se denomina así el paso en gran medida

irreversible del estado disuelto, fuertemente hinchado, a un estado microcristalino insoluble sin

hinchar (Fig. I.4), que se consigue también por el enfriamiento lento de un gel de almidón. La

tendencia a la retrogradación se favorece con temperaturas bajas, especialmente en torno a los 0°C,

pH neutro, concentraciones altas y con la presencia de sustancias tensoactivas. Depende del peso

molecular y del tipo de almidón.

También los lípidos influyen en las propiedades de los almidones, ya sea porque formen complejos

de inclusión con la amilosa, como en el caso de los monoglicéridos o esteres de ácidos grasos o

porque los diglicéridos y triglicéridos disminuyan la capacidad de hinchamiento y la solubilidad por

inhibición de la difusión de agua. Por ello, tanto el desengrasamiento, como la adición de lípidos

juegan un papel en los métodos de modificación química de los almidones.




Fig. I.4. Retrogradación del almidón.

Usos y aplicaciones

El almidón es un aglutinante y espesante usado comúnmente en sopas, salsas, alimentos infantiles,

productos de panadería, mayonesas, etc. El almidón de maíz es comestible y el más importante

como materia prima para la obtención de jarabe de almidón y de glucosa.

La amilosa es útil para recubrimientos de frutas (dátiles, higos) y frutas desecadas o glaseadas, pues

evita la adhesividad que normalmente poseen. Un tratamiento similar de las patatas fritas hace

disminuir el peligro de oxidación. La buena capacidad de formación de geles de la amilosa

dispersable la hace indicada para su uso en postres y salsas instantáneas. Las películas de amilosa se

utilizan también para un mejor envasado de alimentos como café y té instantáneos. Mientras que la

amilopectina se utiliza extensamente como espesante, estabilizante y adhesivo.

Almidones modificados

Las propiedades del almidón y de sus fracciones (amilosa y amilopectina) pueden mejorarse o

adaptarse a necesidades tecnológicas específicas por modificaciones físicas o químicas. De esta

manera se pueden obtener almidones de los siguientes tipos: Almidón dañado mecánicamente,




almidón extruido, almidón pregelatinizado, almidón levemente hidrolizado, ésteres de almidón,

éteres de almidón, almidones oxidados y almidones entrecruzados.

Almidones entrecruzados

Según el grado de entrecruzamiento conseguido se obtendrán productos de temperatura de

gelatinización más o menos incrementada y de capacidad espesante más o menos disminuido. Los

almidones entrecruzados se utilizan en todos aquellos productos en los que es necesaria una gran

estabilidad.

Almidones electrohilados

El almidón, considerado como un biocomponente, también puede ser usado en la formación de

nanofibras. Debido a su biodegrabilidad y excelente absorción de iodo, el almidón puede ser

utilizado para propósitos médicos. Una de las principales ventajas del almidón en comparación con

el quitosano es la reducción del costo y al mismo tiempo sus buenas propiedades medicas [5]

. Se ha

reportado que es posible formar nanofibras de almidón a partir de soluciones poliméricas

conteniendo almidón catiónico y una gran cantidad de etanol (30%w). También se han obtenido

fibras de almidón catiónico a partir de sus soluciones en mezcla con alcohol polivinílico (PVOH).

I.2 Alcohol polivinílico (PVOH) [6]

El alcohol polivinílico (PVOH) es un polímero soluble en agua producido industrialmente por la

hidrólisis del polivinil acetato (PVA) lo que permite que sea comercializado, según su grado de

hidrolisis, en alto, medio o parcialmente hidrolizado. El PVOH posee excelentes propiedades físicas

y mecánicas, lo que ha permitido su uso en diversas aplicaciones como fabricación de fibras,

recubrimientos para el papel, adhesivos, entre otras. En los últimos años, el uso del PVOH se ha

enfocado hacia aplicaciones biomédicas, como hidrogeles, que incluyen lentes de contacto, órganos

artificiales y sistemas de dosificación de medicamentos.

El alcohol polivinílico es un polímero comúnmente usado debido a sus muchas propiedades útiles,

como son su solubilidad química y térmica, no toxicidad y buena absorción al agua; por lo que ha

sido extensivamente estudiado como un polímero apto para elaborar fibras. Con relación a la

fabricación de fibras de PVOH de diámetros micrométricos, existen muchas investigaciones y todo




un desarrollo industrial y comercial sobre el sistema. Recientemente debido al interés que hay sobre

la nanotecnología, se han llevado a cabo estudios sobre la obtención de nanofibras de PVOH

utilizando una técnica llamada electrospinning.

I.3 Electrospinning

Existen diversos métodos que se han desarrollado para la obtención de nanofibras, entre ellos se

encuentran: el estiramiento, síntesis por plantilla, separación de fase, auto-ensamble y el

electrospinning. De todos ellos la técnica de electrospinning es actualmente más prometedora para

producir nanofibras a gran escala además de que el diámetro puede ser ajustado de los nanómetros a

los micrómetros; además, el electrospinning es una técnica relativamente fácil y es un proceso

rápido en la producción de nanofibras. [7]

Esta técnica descubierta por Formhals en 1934, consiste fundamentalmente en un montaje de tres

partes como se observa en la Fig. I.5, correspondientes a una fuente de alto voltaje, una jeringa con

aguja metálica (donde se almacena la solución polimérica) y un colector conectado a tierra [8]

. Esta

técnica es conocida en México como electrohilado de nanofibras.

Según Ramakrishna y col. [9]

, la aplicación de la técnica de electrospinning es ventajosa, comparada

con otras técnicas para obtener nanofibras, porque se puede desarrollar a escala de laboratorio, con

potencial proyección a nivel industrial, posee repetibilidad y control de la dimensión de las fibras;

aunque indican que una desventaja del proceso es la inestabilidad del haz proyectado y la

interferencia del mismo.

Descripción de la técnica [9]

Una de las configuraciones más comunes para electrospinning es la que se muestra en la Fig. I.5. Un

campo electrostático lo suficientemente fuerte, es aplicado entre dos polos opuestos, conformados

por una aguja o sistema de inyección y una placa metálica o colector (el cual está a un potencial

cero), donde se depositan las fibras nanométricas formando un tejido con textura, color y densidad

características.




Fig. I.5. Diagrama del montaje de la técnica de electrospinning

El procedimiento se inicia con la preparación de la solución polimérica que se coloca en la jeringa

conectada a una aguja, ésta solución se polariza eléctricamente al conectarse a una fuente de alto

voltaje, el cual oscila normalmente entre 1 y 30 kV. Una bomba de infusión unida al émbolo de la

jeringa genera un flujo constante a través de la aguja, al parecer por los efectos de polarización por

el campo eléctrico aplicado, la solución es arrojada en forma de jet hacia una superficie conductora

conectada con tierra (por lo general una pantalla metálica) a una distancia entre los 5 y 30 cm del

cono o aguja. Durante la creación del jet, el solvente gradualmente se evapora, el producto obtenido

es una manta de fibra no-tejida compuesta de nanofibras con diámetros que van de 50 nm a 10 µm.

En la Fig. I.6 se puede apreciar un acercamiento del fenómeno. Estas características dependen

fuertemente de las condiciones ambientales, humedad y temperatura.

Fig. I.6. Modelo teórico del electrospinning, en donde se muestran las dos principales etapas en las

que se divide éste fenómeno electrodinámico.




La técnica de electrospinning ocurre debido a que la fuerza eléctrica aplicada sobre la solución

polimérica, logra vencer la tensión superficial de ésta, generando un haz eléctricamente cargado que

es expulsado hacia un colector, Fig. I.7.

Fig. I.7. Representación tridimensional de la técnica de electrospinning y sus etapas en la formación

de nanofibras, a partir de una solución viscosa.

Durante la inyección y formación del “cono de Taylor”, las fuerzas generadas por el campo eléctrico

llegan a romper la tensión superficial en el líquido, creando una inestabilidad que conduce a la

formación del jet y por tanto de las fibras electrohiladas. Cuando las fibras se secan, quedan

cargadas eléctricamente y son dirigidas y aceleradas por las fuerzas eléctricas sobre el colector, en

donde son depositadas.

En el flujo electro-hidrodinámico ( ) del jet, las cargas son inducidas en el fluido a través de la

distancia de separación de los dos electrodos (aguja y colector), en este punto es en donde se rompe

la tensión superficial a través del campo eléctrico y el fluido se descompone en una tangencial (τt) y

una normal (τn), formando el cono de Taylor. La Fig. I.8 muestra la distribución de las cargas a

través del jet.




Fig. I.8. Distribución del jet

A medida que el jet toma una aceleración, su diámetro disminuye en magnitud y de esta forma, la

componente tangencial y la componente normal son balaceadas; finalmente el jet se solidifica

creando una fibra de medidas nanométricas y presentándose una corriente del orden de micro

amperios sobre el jet.

Los polímeros son dieléctricos, es decir, en presencia de un campo eléctrico puede considerarse

como un arreglo de dipolos eléctricos microscópicos compuestos por cargas positivas y negativas

cuyos centros no coinciden perfectamente, y que tampoco se trata de cargas libres, las cuales no

contribuyen al proceso de conducción. Más aun, se mantienen en su lugar por acción de las fuerzas

atómicas y moleculares, y sólo pueden cambiar su posición ligeramente en respuesta a fuertes

campos eléctricos externos. Son llamadas cargas ligadas, en contraposición a cargas libres que

determinan la conductividad en otro material “conductor”. Las cargas ligadas pueden ser tratadas

como cualquier otra fuente de campo electrostático [8].

Control de las variables en el proceso de fabricación de nano y micro fibras [9]

Las variables físicas que intervienen en la técnica de electrospinning son el campo eléctrico (voltaje

y distancia entre cargas), temperatura, humedad, viscosidad, conductividad de la solución, distancia

entre la punta de la aguja y el colector y el flujo del polímero a través del inyector. El control sobre

estas variables determina la estabilidad del sistema y la calidad del material fabricado.




Distancia de inyección.

Es la distancia de recorrido del jet entre el inyector y el colector (tierra); depende de la variación de

voltaje aplicado y de la densidad del polímero empleado.

Velocidad de recolección de las fibras.

La placa de recolección de fibras o colector, puede ser fija o móvil dependiendo del grosor

requerido. Si es móvil, la velocidad de recolección de fibras debe ser cuidadosamente seleccionada

para no romper las fibras y para evitar formación de grumos.

Variación del Potencial eléctrico.

Para esta aplicación, se requiere de una fuente que proporcione una variación de voltaje entre los 0 y

+/-50kV. El voltaje aplicado va ligado a la distancia entre el inyector y la superficie de recolección.

A mayor potencial eléctrico las fibras son más delgadas y livianas, proporcionalmente a la distancia

de inyección.

Humedad

Es una de las variables claves en la fabricación de fibras, ya que un porcentaje relativamente alto de

humedad generaría un ambiente propicio para la ionización de partículas del biopolímero, la

reacción temprana de las soluciones y retardo de la evaporación de los solventes, produciendo goteo

y mal formación de fibras. Un porcentaje óptimo de humedad relativa está ente el 10 y 40%.

Las variables mecánicas de las fibras como resistencia, elasticidad y grosor, dependen fuertemente

de las condiciones iniciales del sistema, es decir, la clase de polímero, las características del

solvente, los cálculos de energía potencial y el voltaje aplicado, además de las precauciones por

aislamiento y seguridad eléctrica.

I.4 Aplicaciones de nanofibras por electrospinning

El uso de campos electroestáticos en la producción de tejidos a partir de la unión y enlace de

numerosas fibras, puede tener múltiples aplicaciones para fabricación de materiales poliméricos,

convirtiéndose en una técnica novedosa a nivel mundial. En especial, es extraordinario su potencial

en el área de biomedicina, donde se utilizan tanto en prótesis como en sistemas controlados de




liberación de drogas [10]

. Algunos investigadores como W. Gamboa y col. [11]

han estado realizando

estudios para la aplicación de ésta técnica en la elaboración de fibras con aplicaciones

farmacológicas, especialmente la producción de nanofibras que al activarse liberan óxido nítrico

(NO) para tratamientos de ulceras diabéticas.

La técnica de electrospinning permite no solo el producir fibras que tienen un diámetro en el rango

de los nanómetros, sino también el encapsular o atrapar materiales en las fibras matrices. Para uso

farmacológico, se puede preservar/encapsular enzimas, vacunas, proteínas, queratinocitos,

macrófagos, inorgánicos, orgánicos y otros compuestos, emulando el proceso de liofilización en

seco. Los polímeros empleados para estos procesos suelen ser poliuretanos de grado médico.

La técnica ha sido utilizada para propósitos netamente académicos en todos los enfoques y

solamente algunas compañías utilizan el electrospinning para fabricación de filtros para líquidos y

aire, a partir de materiales resistentes, elásticos y biodegradables.

Las propiedades físicas y químicas de los polímeros que se han empleado para formar fibras

resistentes, elásticas y duraderas son muy diversas y en el caso de aplicaciones farmacológicas, se

hace indispensable el empleo de polímeros que sean biocompatibles y en algunos casos

biodegradables. Un caso interesante es el del quitosano cuaternizado y el alcohol polivinílico que

tienen actividades antimicrobianas intrínsecas, y por tanto pueden ser usados en la fabricación de

materiales para cicatrización de heridas.

La síntesis controlada de materiales a escala nanométricas, ha ofrecido a la comunidad biomédica la

promesa de una nueva clase de dispositivos regenerativos y terapéuticos con propiedades ópticas,

magnéticas, eléctricas y bioquímicas únicas. Estos materiales son particularmente adecuados para

aplicación médica porque operan al mismo tamaño de escala, de decenas a cientos de nanómetros,

como estructuras y moléculas biológicas.

Tradicionalmente, las nanofibras electrohiladas han sido preparadas de fuentes poliméricas simples,

pero recientemente las mezclas de polímeros han sido usadas para formar las llamadas nanofibras de




polimezclas. Las nanofibras preparadas de una solución premezclada de múltiples polímeros

muestran varias ventajas sobre los sistemas de componentes simples.

Algunos polímeros de origen natural, como es el almidón, no son buenos para la aplicación en

electrospinning, por cuestiones de peso molecular o solubilidad. Los polímeros a base de almidón

han sido ampliamente estudiados para diferentes aplicaciones dentro del campo de los biomateriales,

incluyendo andamios usados en ingeniería de tejido [12]

. Recientemente la técnica de electrospinning

ha venido ganando interés como una técnica con potencial aplicación en la manufactura de

estructuras tridimensionales altamente porosas las cuales proporcionan una amplia área superficial

para adhesión y proliferación celular, siendo esta técnica adecuada para numerosos usos en la

ingeniería de tejidos.

En investigaciones hechas por H. Yikauppila [12]

, se ha demostrado que es posible producir

nanofibras electrohiladas altamente porosas basadas en una polimezcla de almidón/policaprolactona

(PCL). Dichas estructuras son potencialmente utilizables en el campo de ingeniería de tejidos en

diferentes tejidos como la piel, huesos, y cartílago.

Aunque no se encontraron reportes de fibras electrohiladas de almidón/etilen vinil alcohol (EVOH),

se ha reportado que la extrusión de esta mezcla conduce a materiales con un rango útil de

propiedades mecánicas, aunque tienden a volverse quebradizos con el tiempo [13]

. Sin embargo el

carácter biodegradable que les confiere el almidón, lo convierten en un sistema interesante para ser

evaluado por electrospinning.

I.5 Avances en electrospinning de almidón y PVOH

Son pocos los trabajos reportados sobre este sistema, siendo los efectos más significativos los que a

continuación se mencionan.

Efecto del etanol en la formación de nanofibras de PVOH

En estudios hechos por Sukyte y col. [14]

, se analizó la influencia que tiene el etanol en el

electrospinning del PVOH, encontrándose que al incrementar la cantidad de etanol en la solución

utilizada para el electrospinning, se forman residuos en la red de nanofibras, aunque no tiene una




influencia significativa en el diámetro de las nanofibras. Al no agregar el etanol, se notó que solo era

posible formar nanofibras con un voltaje muy alto, 45 kV; mientras que para la solución de PVOH

con un concentración 5 %w de etanol fue posible formar nanofibras incluso a los 35 kV.

Efecto del almidón en la formación de nanofibras de PVOH

En el mismo estudio por Sukyte et al. [14]

se encontró que al incrementar la cantidad de almidón, la

viscosidad de la solución de PVOH/almidón también se incrementa; el almidón de papa es el

espesante de la solución de PVOH. Se ha observado que al incrementar la viscosidad de la solución,

la densidad de las nanofibras también incrementa linealmente. Al incrementar la cantidad de

almidón en la solución de electrospinning, PVOH/almidón, fue posible formar tejidos de nanofibras

sin residuos de solución.

En investigaciones realizadas por Adomaviciute [15]

, se probó el desempeño del almidón catiónico

en la formación de nanofibras, encontrándose que mediante un procedimiento de homogenización de

la solución polimérica del almidón con el alcohol polivinílico (PVOH) se mejoran las propiedades

de la solución que facilitan su utilización en la técnica de electrospinning.

I.6 Técnicas de entrecruzamiento

Una de las mayores desventajas de los materiales biodegradables a base de almidón es que sus

propiedades mecánicas son particularmente susceptibles a la humedad; hecho generalmente

atribuido a la estructura muy ramificada de la amilopectina lo que le da una hidrofilicidad intrínseca.

Actualmente esto limita el campo de aplicación de los materiales a base de almidón [16]

.

A partir de modificaciones, como son el injerto o el entrecruzamiento, se ha logrado limitar el

hinchamiento y los movimientos macromoleculares de distintos polímeros. Los tratamientos

radioactivos en estado sólido o líquido como son: irradiación γ o haz de electrones, han sido usados

para modificar almidón, especialmente en el proceso de injerto. De igual manera, diversos estudios

han reportado la posibilidad de mejorar la resistencia a la absorción de agua de los materiales a base

de almidón, por medio del entrecruzamiento por irradiación UV, utilizando como agente

fotosensibilizador el benzoato de sodio. [16-19]




La eficiencia del fotosensibilizador está basada en la afinidad química con los monómeros a

polimerizar. La reacción de entrecruzamiento ocurre a través de un mecanismo por radicales; los

fotosensibilizadores, benzoato de sodio o derivados de ácidos carboxílicos aromáticos, son

descompuestos para producir radicales a través de la irradiación con luz UV. El sensibilizador más

efectivo para el almidón es el benzoato de sodio y su fotólisis por irradiación UV se describe en la

Fig. I.9.

Na+

O-

O

O-

O

OH

O

+

+

O

O-

Na+

h

h

-e-M-H

M

2 M-H

+ Na+

+ 2 M

h h

O

+ OH- +

OH

O

M-H M-H

H

O

+ OH2 +OHH

OO

O-

H

+ M M+

..

. . .

....

..

Fig. I.9. Mecanismo implicado en la fotólisis del benzoato de sodio. [17]

Una excesiva cantidad del aditivo fotoquímico incrementa la absorción de luz UV y actúa como un

filtro fotoquímico que limita la penetración de la luz en la película expuesta, lo que provoca una baja

densidad de entrecruzamiento. [17]




CAPÍTULO II

PROCESO PRÁCTICO

En este capítulo se incluye la descripción de los materiales y métodos empleados para la obtención

de nanofibras electrohiladas de almidón/EVOH, así como de películas vaciadas y de nanofibras

electrohiladas de almidón/PVOH, con y sin entrecruzamiento. También se incluye una breve

descripción de las condiciones de medición de las diferentes técnicas que se utilizaron para

caracterización de las películas y de las fibras: espectrometría UV-Vis, microscopía electrónica de

barrido (MEB), absorción de humedad, grado de hinchamiento (GH) y fracción gel (FG).

II.1 Materiales

Para preparar las distintas soluciones de almidón se utilizaron como polímeros: almidón de papa de

Meelunie, Holanda; etilen vinil alcohol (EVOH) y alcohol polivinílico (PVOH) de Gohsenol, EUA,

con un grado de polimerización de 2400 y un grado de hidrólisis de 98.41% (GM-14R). Como

solventes se utilizaron, dependiendo el sistema, metanol (MeOH), isopropanol, dimetil sulfóxido

(DMSO) y agua destilada. Para el entrecruzamiento se utilizó benzoato de sodio (de Fermont) como

fotosensibilizador.

II.2 Preparación de soluciones almidón/EVOH

Se preparó una solución de EVOH al 5%w con respecto a una mezcla de isopropanol/agua destilada

en relación 70/30% vol., la cual se mantuvo en agitación magnética y calentamiento en baño maría

por 4 h a una temperatura de 78°C; considerando las condiciones, al sistema de calentamiento se le

añadió un refrigerante para evitar pérdidas de solvente. Una vez disuelto el EVOH, se agregó a la




solución almidón al 2%w con respecto a la solución y se continuó el calentamiento y agitación

durante 1 h. Las condiciones utilizadas para el electrospinning de esta solución se presentan en la

Tabla II.1.

Tabla II.1. Condiciones de electrospinning de las solución de almidón/EVOH.

Corrida Voltaje

(kV)

Velocidad de

alimentación

(mL/h)

1 1.5 15

2 1.5 20

3 1.5 25

4 1.5 30

5 0.5 15

6 0.5 20

7 0.5 25

8 0.5 30

II.3 Preparación de soluciones almidón/PVOH

Se prepararon soluciones de PVOH en agua destilada al 8%w/v utilizando agitación magnética y en

calentamiento en baño maría a temperatura controlada entre 80-85°C, hasta la disolución completa

del PVOH (aproximadamente en 30 min).

Después de que el PVOH se disolvió, se agregó el almidón en cantidad suficiente para obtener una

concentración de 42.5%w/w respecto al PVOH y de metanol para obtener una concentración de

5%w/w en relación a la solución PVOH + agua, de acuerdo a lo reportado por Sukyte y col. [14]

También se preparó otra serie de soluciones a las que se agregó el benzoato de sodio variando su

concentración (0, 0.5, 1, 2 y 3%w/w respecto al almidón + PVOH). Se continuó con la agitación en

calentamiento con el baño maría (aproximadamente 1 h) al mismo intervalo de temperatura, hasta

que se disolvieron todos los componentes agregados (Fig. II.1). Después de esto, se detuvo el

calentamiento y se mantuvo la agitación por las siguientes 24 h.




Fig. II.1. Solución de almidón/PVOH con agitación magnética en baño maría.

Las concentraciones de las soluciones almidón/PVOH con y sin metanol, así como las condiciones

de electrospinning empleadas en estas soluciones se presentan en la Tabla II.2.

Tabla II.2. Composición de las soluciones almidón/PVOH y condiciones de electrospinning

Sin metanol Con metanol

Muestra Velocidad de inyección

(mL/h)

Voltaje

aplicado

(kV)

Muestra Velocidad de inyección

(mL/h)

Voltaje

aplicado

(kV)

1 3 15 1 3 15

2 3 20 2 3 20

3 3 30 3 3 30

4 1 15 4 1 15

5 1 20 5 1 20

6 1 30 6 1 30

7 0.5 15 7 0.5 15

8 0.5 20 8 0.5 20

9 0.5 30 9 0.5 30

II.4 Preparación de fibras por la técnica de electrospinning

Para la técnica de electrospinning, se trabajó con una fuente de alto voltaje (Gamma RR30-5P) en un

intervalo de voltaje entre 15 y 30 kV. Esta fuente se conectó a una aguja metálica de 22g y a un

colector de aluminio; la altura entre el colector y la aguja se trabajó a 24 cm. Las soluciones se

inyectaron con una jeringa de plástico a través de una manguera de teflón conectada a la aguja

metálica, a una velocidad controlada de acuerdo a lo indicado en las tablas anteriores, utilizando una

bomba de infusión Fisher (Fig. II.2).




Fig. II.2. Montaje del sistema de electrospinning con la fuente de alto voltaje y la bomba de infusión

II.5 Preparación de películas de almidón/PVOH

Se prepararon películas de almidón/PVOH por el método de vaciado. Para tal efecto, se utilizaron

tapas de cajas de acrílico de 3.7x3.7 cm por lado, como superficie en la que se vaciaron 0.3 mL de

cada de las soluciones preparadas, y se pusieron a secar en la estufa a 60 °C por 24 h, obteniéndose

películas con un espesor entre 0.02 y 0.03 mm. Esta operación se repitió varias veces para obtener

las películas necesarias para las diferentes técnicas de caracterización.

II.6 Fotoentrecruzamiento de películas y fibras

Estas pruebas se realizaron en una cámara de entrecruzamiento con lámparas UV de 350 y

posteriormente de 254 nm, para las películas de almidón/PVOH que contenían benzoato de sodio

como fotosensibilizador.

Las películas se fijaron en posición vertical y a una distancia aproximada de 10 cm de las lámparas

(Fig. II.3). Se radiaron a diferentes tiempos: 30, 60, 90, 120 min. Con los datos obtenidos en el

entrecruzamiento de películas, se seleccionaron y radiaron solo las fibras preparadas con las

soluciones que dieron las mejores condiciones encontradas en las películas.

Fuente de

alto

voltaje

Bomba de

Infusión Jeringa y

colector




PELÍCULAS A IRRADIARLÁMPARA

UV

LÁMPARA

UV

Fig. II.3. Cámara de entrecruzamiento UV con muestras de películas.

II.7 Caracterización de las muestras

Caracterización por microscopia electrónica de barrido (MEB)

La caracterización morfológica de las nanofibras obtenidas por electrospinning se realizó en un

microscópico electrónico de barrido marca OLYMPUS modelo BX60 FS a 500x, 2500x y 5500x.

Caracterización del grado de entrecruzamiento para las películas

La cinética del grado de entrecruzamiento de las películas de almidón/PVOH con diferentes

concentraciones de benzoato de sodio, 0.5, 1.0, 2.0 y 3.0%w, y expuestas por diferentes tiempos a

radiación UV se estableció por medio de la cinética de la fotólisis del benzoato de sodio mediante un

método químico, y por la determinación del grado de hinchamiento (GH) y la fracción gel (FG),

mediante un método físico. El método físico se realizó de acuerdo al procedimiento de Delville y

col. [17]

y de Zhou J. y col. [19]

y el método químico de acuerdo al método de Delville y col [17]

.

Método químico

Este método se basó en la relación directa que tiene la cinética del grado de entrecruzamiento con la

cinética de la fotolisis del benzoato de sodio. La razón de la descomposición del benzoato de sodio

se determinó mediante el análisis de las muestras radiadas con un espectrofotómetro UV/Vis. El

benzoato de sodio muestra picos de absorción en los espectros corridos por espectrometría UV: uno




mayor en 224-225 nm y 3 picos centrados en 270. El decrecimiento del pico en 224-225 nm indica

la foto-descomposición del benzoato de sodio. [17]

A partir de los espectros obtenidos de las muestras foto-entrecruzadas a diferentes concentraciones

de benzoato de sodio se determinó la razón A/A0, la cual representa la absorbancia de una película

radiada a un tiempo t con respecto a la absorbancia de una película de referencia no radiada.

Método físico

Este método contempla la determinación de dos parámetros: el grado de hinchamiento (GH) y la

fracción gel (FG). El GH es conocido por ser dependiente a la densidad de entrecruzamiento de las

cadenas poliméricas, entre más alta es la densidad de entrecruzamiento menor es el grado de

hinchamiento; y la FG está directamente relacionada con el grado de entrecruzamiento de las

macromoléculas; estos valores nos permiten registrar la cinética de entrecruzamiento de las películas

en función de variables experimentales como el tiempo de exposición a radiación UV a las que son

expuestas y la cantidad de fotosensibilizador añadida. [16]

Las películas radiadas se secaron a 60°C por 24 h, después se introdujeron en frascos con una

solución saturada de CaCl2 (57% HR); se almacenaron por 24 h y después se sacaron para registrar

su peso (M0). Enseguida de registrar el peso, cada película se sumergió en dimetil sulfóxido

(DMSO) por 24 h y se sometieron a lavados con agua desmineralizada y con etanol, con el fin de

eliminar los residuos de benzoato de sodio no consumido en el entrecruzamiento. El líquido

excedente se retiró con toallas de papel y se registró el peso de cada película hinchada (Mh);

después de secaron en la estufa a 60°C por otras 24 h y se registró su peso seco (Ms). Con estos

datos se obtuvo el Grado de Hinchamiento (GH) (ec. II.1) y la Fracción Gel (FG) (ec. II.2):

……………………………………………………………… II.1

1 .................................................................. II.2




Determinación de absorción de humedad

La absorción de humedad se determinó de acuerdo al método de Zhou J. [19]

, en las películas de

almidón/PVOH entrecruzadas utilizando la lámpara UV de 240 nm. Estas películas se

acondicionaron por 48 h en frascos con una humedad relativa (HR) controlada, a temperatura

ambiente. Las sales seleccionadas fueron cloruro de bario (BaCl2) y cloruro de calcio (CaCl2),

cuyas soluciones saturadas llevan a humedades relativas de 90 y 57%, respectivamente. Antes de

poner las muestras entrecruzadas dentro de los frascos, éstas fueron secadas en una estufa a 60°C y

posteriormente pesadas en una balanza analítica (Ms).

Después de haber sido almacenadas durante el periodo mencionado, las muestras se sacaron y se

registró su peso (Mh) para construir la curva de la cinética de absorción de humedad. El porcentaje

de contenido de humedad (%Hum.) (ec. II.3) fue calculado usando el peso de la muestra húmeda

(Mh) y el peso de la muestra seca (Ms) de acuerdo a la siguiente relación:

.

1 ………………………………….. II.3




CAPÍTULO III

ANÁLISIS DE RESULTADOS

En éste capítulo de describen los resultados del desarrollo experimental, mostrando imágenes

tomadas por microscopía electrónica de barrido (MEB) de las nanofibras obtenidas con los sistemas

de almidón/EVOH y almidón/PVOH, así como la descripción e interpretación de los resultados de

entrecruzamiento de las películas y nanofibras de almidón/PVOH, además de las técnicas para

caracterizar el grado de entrecruzamiento de dichas películas.

III.1 Fibras de almidón/EVOH por la técnica de electrospinning

Para el electrospinning de la mezcla almidón/EVOH se variaron distintos parámetros: velocidad de

inyección, voltaje aplicado y distancia del colector a la aguja, con el fin de establecer las

condiciones óptimas para la obtención de fibras a partir de las soluciones preparadas. Se determinó

visualmente a qué valores de estos parámetros la solución ya no fluía como gotas, sino como un jet,

y también que éste jet formara una fina capa de material blanco en el colector, como indicador de un

buen depósito de fibras.

Estas muestras se analizaron por microscopía electrónica de barrido (MEB), para determinar si

efectivamente se habían obtenido fibras de tamaño micrométrico o nanométrico. Siguiendo este

criterio, se fueron modificando los parámetros hasta llegar a lo que se consideró un depósito

uniforme de fibras de dimensiones nanométricas.




En la Fig. III.1 se presentan las micrografías MEB obtenidas para las fibras electrohiladas de

almidón/EVOH obtenidas a 30 kV y con una velocidad de inyección de 0.5 mL/h. Ambas imágenes

muestran fibras de tamaño nanométrico, pero con superficies no homogéneas, con defectos llamadas

cuentas, similares a las que se reportan en otros sistemas poliméricos. [6]

La presencia de estas cuentas es un problema común en fibras electrohiladas que suele atribuirse,

principalmente, a la acción conjunta de tres fuerzas: i) a la tensión superficial, que tiende a convertir

el jet en gotas, ii) a la repulsión electrostática entre las cargas de la superficie del jet, la cual no

favorece la formación de gotas y si la de un jet delgado y iii) a las fuerzas viscoelásticas que resisten

cambios rápidos a la forma y que promueven la superficie de fibras homogéneas. Las cuentas se

presentan cuando las dos últimas fuerzas no son capaces de contra restar la tensión superficial. [20]

Fig. III.1. Micrografías MEB de nanofibras electrohiladas de almidón/EVOH, a 30 kV y 0.5 mL/h.

Las fibras preparadas a menores voltajes, presentaron siempre la presencia de estas cuentas. El

voltaje se bajó hasta 10 kV, que era donde se observaba que ya solamente caían gotas del inyector al

colector. El cambio en la velocidad de inyección a un menor (0.1 mL/h) o mayor (1 mL/h) valor, no

evitó que se siguieran presentando estos defectos. Por esta razón se decidió cambiar al sistema

almidón/PVOH durante las pruebas subsecuentes.

III.2 Fibras de almidón/PVOH por la técnica de electrospinning

De igual manera que con la soluciones del sistema anterior, se variaron los mismos parámetros y se

establecieron las condiciones óptimas para la obtención de fibras con la solución de almidón/PVOH.

a b

CUENTAS

CUENTAS




En las primeras pruebas se buscó mejorar las propiedades de la solución para que durante el

electrospinning se obtuvieran mejores resultados y evitar por tanto, los defectos en las fibras. Para

tal efecto se añadió etanol a las soluciones de almidón/PVOH en una proporción de 5%w (respecto

al PVOH+agua); ya que se ha reportado que al añadir una cantidad de etanol a soluciones de

almidón/PVOH se tiene una influencia positiva en la técnica de electrospinning, pudiéndose obtener

nanofibras a un menor voltaje que el que se necesita cuando no se añade etanol a las soluciones. [14]

Sin embargo durante las pruebas realizadas con etanol, no se logró un proceso aceptable para

generar las fibras, ya que se presentaron problemas de paso de corriente al aplicar voltajes mayores a

20 kV, limitando el depósito de las fibras en los colectores. Posteriormente se replanteó la

formulación de la solución, y se sustituyó el etanol por metanol, ya que al tener éste propiedades

cercanas al etanol aunque una tensión superficial menor, se probó en la experimentación para

observar su desempeño en la técnica de electrospinning y se hicieron pruebas con soluciones con 5 y

0%w de metanol, inyectando la solución a velocidades de flujo de 3, 1 y 0.5 mL/h y aplicando

voltajes de 15, 20 y 30 kV.

En la Fig. III.2 se muestran las imágenes tomadas por MEB de nanofibras obtenidas a partir de

soluciones de almidón/PVOH sin metanol (Fig. III.2 a, c y e) y con metanol (Fig. III.2 b, d y f),

inyectadas a diferentes velocidades de flujo y con distinto voltaje aplicado. En ellas se puede

observar que la superficie de las fibras obtenidas de soluciones con metanol es más lisa y no

presentan cuentas, en comparación con las fibras obtenidas de soluciones sin metanol.

Durante el electrospinning se lograron obtener muestras a 15 y 20 kV, pero no así con 30 kV. Con

respecto a las velocidades de flujo, se observó que a 3 mL/h la solución goteaba y no se alcanzaban

a formar fibras, a diferencia de las velocidades 1 mL/h y 0.5 mL/h con las que si se lograron obtener

depósitos de fibras.

En comparación de las fibras obtenidas con almidón/EVOH, se puede apreciar que las fibras de

almidón/PVOH son mucho más lisas y homogéneas y prácticamente no presentan cuentas en su

estructura, obteniéndose una mejor distribución de la red de nanofibras con la solución que contenía

metanol. Cabe mencionar que durante el electrospinning se observó que al inyectarse la solución que




contenía metanol, el material se depositaba en el centro del colector, contrario a la solución sin

metanol, el material tendía a depositarse en las orillas. Por estas razones, se optó por continuar el

trabajo utilizando soluciones de almidón/PVOH con 5%w de metanol.

Fig. III.2. Micrografías MEB de nanofibras de almidón/PVOH sin metanol (a, c, e) y con metanol

(b, d, f). En a y b: 1mL/h y 15 kV. En c y d: 1 mL/h y 20 kV. En e y f: 0.5 mL/h y 20 kV.

a) b)

c) d)

f) e)




III.3 Fotoentrecruzamiento de películas vaciadas

Para las pruebas de entrecruzamiento se decidió elaborar películas vaciadas con y sin

fotosensibilizador, de acuerdo al procedimiento indicado en el capítulo II, a partir de la solución que

resultó más adecuada para obtener nanofibras de almidón/PVOH, ya que las mallas o tejidos de

fibras son muy delgados y frágiles y hubiese sido muy complicado e inexacto trabajar con ellos en

estas pruebas.

Evaluación por métodos químicos

Las pruebas para entrecruzamiento de películas se iniciaron utilizando una lámpara UV de 350 nm

de acuerdo a lo reportado por Delville y col. [17]

. En la Fig. III.3 se presentan los espectros de

absorción de películas de almidón/PVOH con distintas concentraciones de benzoato de sodio como

fotosensibilizador (0.5, 1 y 2 %w), irradiadas por 90 min.

200 220 240 260 280 300

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

Ab

sorb

an

cia

Longitud de onda (nm)

a)




Fig. III.3. Espectros UV-Vis de películas con diferentes concentraciones de benzoato de sodio: a)

0.5%, b) 1.0% y c) 2.0%, irradiadas con luz UV de 350 nm por 90 min.

200 220 240 260 280 300

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

Ab

sorb

an

cia


b)

200 220 240 260 280 300

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

Ab

sorb

an

cia


c)




En estos espectros se observa un pico predominante en la región de 224 nm. Este pico de absorción

es característico del benzoato de sodio incluido en películas de almidón/PVOH, y su disminución ha

sido relacionada con la foto-descomposición del benzoato de sodio en películas irradiadas con luz

UV [17]

. También se han reportado 3 picos centrados en 270 nm en estos materiales irradiados, que

en este caso no se apreciaron.

En la Fig. III.4 se muestran los cambios en la razón de absorbancia A/A0, en donde A representa la

absorbancia referenciada a 224nm en una película irradiada a un tiempo t, y A0 es la referencia no

irradiada. Esta razón se determinó a diferentes tiempos y con ello se pudo determinar que no se tuvo

una reacción significativa con el fotosensibilizador, ya que solamente se registró un consumo

máximo del 5% en las películas irradiadas.

Adicionalmente, las películas irradiadas en agua se sumergieron, notándose que se desintegraban

casi de inmediato. Con esto se comprobó que no se presentó un entrecruzamiento significativo en las

películas irradiadas con luz UV de 350nm.

Fig. III.4. Indicador A/A0 de la foto descomposición del fotosensibilizador en películas irradiadas a

diferentes tiempos con luz UV de 350nm.

0 20 40 60 80 100 1200.85

0.90

0.95

1.00

1.05

1.10

1.15

Razό

n A

/A0 a

224 n

m

Tiempo de irradiaciόn (min)

2

1

0.5

Benzoato de sodio

(%w)




A partir de los resultados anteriores se optó por cambiar la lámpara UV de 350 nm por una de

254nm, ya que ésta ha sido utilizada también en el entrecruzamiento de la superficie de películas

con base de almidón de maíz. [18]

Los espectros de absorción obtenidos con esta lámpara se muestras en la Fig. III.5, en ellos se puede

observar que el pico en 224 nm casi no es perceptible y que en este caso si se presentan los picos

centrados en 270 nm. Éstos se han relacionado a subproductos de la reacción del fotosensibilizador

injertados en las películas y que posiblemente participan en el entrecruzamiento. [17]

200 220 240 260 280 300

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

2.2

2.4

2.6

Ab

sorb

an

cia


a)




200 220 240 260 280 3001.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

Ab

sorb

an

cia


b)

200 220 240 260 280 3001.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

Ab

sorb

an

cia


c)

Fig. III.5. Espectros UV-Vis de películas con diferentes concentraciones de benzoato de sodio: a)

0.5%, b) 1.0% y c) 3%, irradiadas con luz UV de 254nm por 90 min.




Al igual que con los resultados obtenidos con la lámpara de 350nm se calculó la razón A/A0 y se

graficó en función al tiempo, obteniéndose las curvas de la cinética de la fotólisis del benzoato de

sodio mostradas en la Fig. III.6.

0 20 40 60 80 100 1200.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

Razόn

A/A

0 a

224 n

m

Tiempo de irradiaciόn (min)

0.5

1

2

3

Benzoato de sodio

%w

Fig. III.6. Indicador A/A0 de la foto descomposición del fotosensibilizador en películas irradiadas a

diferentes tiempos con luz UV de 254 nm.

Con los resultados obtenidos utilizando la lámpara de 254nm se notó un cambio significativo, ya

que interpretando la cinética de las curvas se puede observar que se alcanza una mayor

descomposición del benzoato de sodio a diferencia de los resultados con la lámpara anterior.

Además, se observó que los mayores niveles que se alcanzaron en el consumo de benzoato de sodio,

se presentaron a un tiempo de 90 min; después de este tiempo ya no se registró una continuación de

la reacción de fotólisis.

Con base en estos resultados se concluyó de manera preliminar que la concentración de benzoato de

sodio con la que se obtendría mayor descomposición y por lo tanto el mayor entrecruzamiento de

ambos polímeros, sería la del 0.5%w y que el tiempo óptimo de irradiación sería de 90 min. Estos

parámetros se comprobarían con las pruebas por métodos físicos.




Evaluación por métodos físicos

En la Fig. III.7 se presentan los resultados obtenidos para la fracción gel (FG) en pruebas con

DMSO, donde se puede observar que esta fracción aumenta al incrementarse la concentración de

fotosensibilizador. La fracción gel está directamente relacionada con el grado de entrecruzamiento

[16]; por tanto, estos resultados indican que el entrecruzamiento es mayor a 3%w de benzoato de

sodio, en contraposición a los resultados obtenidos con las pruebas de absorción UV donde parecía

que a 0.5%w de fotosensibilizador se alcanzaba el mayor grado de entrecruzamiento.

Estos resultados de fracción gel pueden atribuirse entonces, a la presencia de los picos centrados en

270 nm, cuya magnitud aumenta al incrementarse la concentración de fotosensibilizador y que como

ya se mencionó, son atribuidos a subproductos de la descomposición del fotosensibilizador

injertados en la película pudiendo contribuir al entrecruzamiento. Ya que en los resultados basados

en los espectros de absorción se consideran solamente los cambios en el pico 224 nm, éstos no son

indicativos de la presencia de los subproductos mencionados.

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.00

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Fra

cciό

n G

el (

%)

Benzoato de Sodio (%)

Fig. III.7. Fracción Gel de películas irradiadas a 90 min en función del contenido de benzoato de

sodio.




En la Fig. III.8 se muestran los valores obtenidos para el grado de hinchamiento (GH) en función de

la concentración de fotosensibilizador benzoato, los cuales tienden a disminuir al aumentar la

concentración de fotosensibilizador. El grado de hinchamiento está inversamente relacionado con la

densidad de la red de cadenas recién entrecruzadas durante la fotólisis y es común que siga una

tendencia inversa a la de la fracción gel, como es el caso en estas muestras.

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.08

10

12

14

16

18

20

22

Gra

do d

e h

inch

am

ien

to (

razό

n)

Benzoato de Sodio (%)

Fig. III.8. Grado de hinchamiento de películas irradiadas a 90 min en función del contenido de

benzoato de sodio.

Con éstos parámetros, se comprobó que las películas radiadas con la lámpara de 254 nm y alto

contenido de benzoato de sodio presentaron mayor grado de entrecruzamiento, ya que al sumergirlas

en DMSO por 24 h, no se desintegraron, sino que se conservaron en forma de geles con buena

consistencia, como puede apreciarse en la Fig. III.9. Por otra parte, las películas con 0,5%w de

benzoato de sodio se desintegraron casi de inmediato al sumergirlas en DMSO, corroborando de esta

forma su bajo grado de entrecruzamiento.




Fig. III.9. Películas irradiadas de almidón/PVOH con 3.0, 2.0 y 0.5%w de benzoato de sodio (a, b y

c respectivamente), inmersas en DMSO después de 24 h.




III.4 Determinación de absorción de humedad en películas vaciadas

Esta prueba se realizó en películas vaciadas, por la misma razón que la mencionada al inicio del

punto anterior. En la Fig. III.10 se presentan los valores de absorción de humedad de las películas

irradiadas a 90 min. con diferentes contenidos de benzoato de sodio (0.5, 1.0, 2.0, y 3.0%w),

acondicionadas a un 57% RH.

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.00

10

20

30

40

Ab

sorc

iόn

de

hu

med

ad

(%

)

Benzoato de sodio (%)

Fig. III.10. Ganancia de humedad en función del contenido de benzoato de sodio para películas

irradiadas a 90 min, acondicionadas a 57%RH.

Se puede observar que no se obtuvieron variaciones significativas en la absorción de humedad de las

muestras al variar la concentración de benzoato, por lo que éstas se acondicionaron en un ambiente

con mayor humedad relativa, con el fin de evidenciar diferencias entre ellas. Los resultados

reportados en la Fig. III.11 son para las mismas muestras, pero acondicionadas a 90% RH. Donde se

puede observar que las muestras entrecruzadas absorben más humedad.




0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.00

10

20

30

40

Ab

sorc

iόn

de h

um

ed

ad

(%

)

Benzoato de sodio (%)

Fig. III.11. Ganancia de humedad en función del contenido de benzoato de sodio para películas

irradiadas a 90 min, acondicionadas a 90 %RH.

En base a lo que reporta Zhou J. y col. [19]

, es de esperarse que una película con entrecruzamientos

en su estructura tuviera menos absorción de humedad que una película que no está entrecruzada en

un ambiente controlado a una humedad relativa sin embargo, los resultados anteriores mostrados en

la Fig. III.10 indican lo contrario, por lo que se considera que en este sistema almidón/PVOH con

benzoato, radiado con luz UV se formaron hidrogeles, que como es sabido tienden a absorber

humedad.

III.5 Entrecruzamiento de fibras almidón/PVOH por la técnica de electrospinning

Como las pruebas de fracción gel indicaron un mayor grado de entrecruzamiento al utilizarse 3%w

de benzoato de sodio como agente fotosensibilizador, se prepararon fibras electrohiladas a partir de

una solución con esta concentración de fotosensibilizador y se irradiaron con la lámpara de luz UV

de 254 nm por 90 min. También se irradiaron fibras con 1%w de benzoato, con fines comparativos.




Estas fibras se sumergieron el agua por 1 h y su morfología fue evaluada utilizando MEB. La

integridad de las fibras no pudo mantenerse en ambas concentraciones, aún a tan cortos tiempo de

estar sumergidas en agua, Figura III.12, indicando que los entrecruzamientos en este sistema no

pudieron generarse como en las películas. Se puede considerar que bajo las condiciones de

electrospinning, donde las moléculas están sujetas a fuerzas electrostáticas muy fuertes, estás

uniones físicas no se dan y el sistema almidón/PVOH no puede formar los hidrogeles que se

formaron en las películas.

Fig. III.12 Micrografías MEB de nanofibras de almidón/PVOH irradiadas con luz UV con 1% a) y

3% b) de fotosensibilizador, sumergidas en agua por 1h.

Por una interconsulta académica se aportó que, en el caso de las películas, el material obtenido

cumple con las características de un hidrogel, y se plantea que durante la exposición a radiación UV

pudo haber tenido lugar una aportación de entrecruzamientos tanto químicos como físicos. Pero se

requiere confirmar mediante otras evaluaciones, como tratamientos con soluciones de NaCl,

calentamiento moderado o estudios en RMN (resonancia magnética nuclear), para confirmar si es

que se obtuvo un hidrogel químico o físico. [21,22]

a)

b)




CONCLUSIONES

Los estudios por MEB indicaron que es posible obtener nanofibras homogéneas electrohiladas a

partir de soluciones de almidón/PVOH con metanol, en las proporciones evaluadas de estos

polímeros. Mientras que con la solución de almidón/EVOH, éstos estudios indicaron que solo fue

posible obtener fibras con defectos denominados cuentas. Cabe añadir que con las soluciones que

contenían metanol se obtuvo un depósito mejor de las nanofibras en el electrospinning que en los

otros sistemas, refiriéndose a que el material depositado se concentraba en el centro del colector.

La evaluación del entrecruzamiento de las películas por espectroscopía UV-Vis indicó que las

películas más entrecruzadas son las de menor contenido de benzoato de sodio, mientras que las

pruebas de fracción gel indicaron que las más entrecruzadas son las de mayor contenido de benzoato

de sodio. Al sumergirlas en DMSO se comprobó que las películas con menor contenido de agente

fotosensibilizador (0.5%w) se desintegraban casi inmediatamente, ocurriendo lo mismo al

sumergirlas en agua destilada. Mientras que las películas con mayor contenido de benzoato de sodio

(2.0 y 3.0%w) no se disolvieron en DMSO, manteniendo una consistencia de película hinchada, y

demostrando con estos cambios la obtención de entrecruzamientos en su estructura con estos

porcentajes de agente fotosensibilizador y tiempo de exposición a la radiación de 90 min.

Los picos en los espectros de absorción centrados en 270 nm pueden explicar los resultados de la

evaluación por espectroscopia UV y las pruebas de fracción gel; ya que dichos picos crecieron

conforme se aumentó el contenido de benzoato de sodio lo cual indica un injerto de los

subproductos de descomposición del benzoato que puede llevar a la formación de

entrecruzamientos.

Las películas de almidón/PVOH/benzoato de sodio irradiadas con luz UV de 254 nm absorbieron

más humedad que las películas sin benzoato, indicando la formación de hidrogeles capaces de

absorber humedad sin desintegrarse.

Las nanofibras de almidón/PVOH/benzoato de sodio irradiadas se deshicieron al sumergirlas en

agua por un corto tiempo, lo que indicó que los entrecruzamientos formados en sus correspondientes




películas no pueden formarse bajo las condiciones en las que las nanofibras son obtenidas, ya que al

quedar depositadas en el colector durante el electrospinning, estas quedan cargadas eléctricamente, y

esto puede afectar que el fotoentrecruzamiento no ocurra de igual manera que en las películas.

Con respecto a las películas entrecruzadas, se recomienda confirmar por medio de otras

evaluaciones si los entrecruzamientos que tuvieron lugar fueron físicos, químicos, o un aporte de

ambas partes. Dichas evaluaciones pueden ser, someter las muestras a calentamiento moderado

(entre 50 y 60°C) y a soluciones de NaCl, sabiendo que dichos tratamientos debilitan los puentes de

hidrogeno presentes, y así al solubilizarse se demostraría que se obtuvieron hidrogeles físicos, y si

una porción de la muestra resiste a estos tratamientos se obtuvo una combinación entre físicos y

químicos.

Otra recomendación es evaluar las muestras mediante resonancia magnética nuclear antes y después

de la irradiación UV, y así comprobar si se desarrollaron nuevos enlaces en las macromoléculas.

Para trabajos posteriores que representen una continuación de este trabajo de investigación se

recomienda buscar otros métodos para el entrecruzamiento de nanofibras como el propuesto por

Tang y col. en su publicación In Situ Cross-Linking of Electrospun Poly(vinyl) alcohol Nanofibers,

en la revista Macromolecules 2010, 43, 630-637, el cual propone una configuración que permite el

entrecruzamiento de las nanofibras durante el proceso de electrospinning utilizando glutaraldehído

como agente entrecruzante y ácido clorhídrico como catalizador.




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[21] Comunicación vía email. Dra. Haydée Oliva y Dra. Diana Soto. Escuela de ingeniería

Química, Universidad del Zulia, Zulia, Venezuela. (5 de mayo 2013).

[22] Comunicación vía email. Prof. Joseph W. Freeman. Departament of Biomedical Engineering,

Rutgers University, Newark, NJ, EUA. (6 de mayo 2013).

obtenciÓn de nanofibras por el mÉtodo de …

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