Modificación post-síntesis de macrogeles y nanogeles: Control del grado de entrecruzamiento, estructura y funcionalización

Abstract

La actual, es considerada la generación de los materiales inteligentes. Éstos se caracterizan por ser capaces de sensar estímulos en su entorno, o su propio estado, y responder cambiando sus propiedades físico-químicas, de manera predecible y funcional. En los últimos años, el alto grado de desarrollo en este área ha generado la necesidad de sintetizar polímeros de alta complejidad que exhiben funcionalidades y propiedades distintivas. Como estrategia para alcanzar dicha complejidad, se recurre a los criterios de diseño y técnicas de control a nivel molecular desarrolladas en la Química Orgánica, que permiten la preparación de polímeros bien definidos y materiales nanoestructurados. Entre los materiales inteligentes más desarrollados en los últimos años, están los hidrogeles (HGs). Estos son redes poliméricas entrecruzadas, que tienen la capacidad de absorber y retener grandes cantidades de agua o fluidos biológicos. Poseen propiedades particularmente excepcionales, que los han colocado en la mira del desarrollo científico en el área de materiales. La versatilidad química de los hidrogeles, por ser un material polimérico; sus propiedades mecánicas; sus propiedades de hinchamiento; su porosidad; la presencia de una interfaz líquido-sólido en su interior; y su similitud con tejidos biológicos, son algunas de las características que proponen el uso de estos materiales en un creciente número de aplicaciones, principalmente en el área de biomedicina. La aplicación de los hidrogeles en entornos complejos como los biológicos, realizando funciones altamente específicas, requiere de la optimización de las propiedades mecánicas, propiedades de hinchamiento y funcionalidad química de los materiales. Por lo tanto, es necesario superar las barreras impuestas por los métodos tradicionales de síntesis de hidrogeles para lograr estructuras más controladas y funcionales tanto en la macro como en la micro o nanoescala.En este contexto, se ubica el presente trabajo de tesis doctoral titulado: ?MODIFICACIÓN POST-SÍNTESIS DE MACROGELES Y NANOGELES: control del grado de entrecruzamiento, estructura y funcionalización?. Este trabajo tiene como objetivo principal el estudio y desarrollo de metodologías de síntesis de hidrogeles y nanogeles (NGs) por polimerización radicalaria, que permitan su modificación post-síntesis, para el control de la morfología, propiedades mecánicas, propiedades de hinchamiento y funcionalidad química de los materiales.Durante el transcurso de esta tesis, se estudiaron y desarrollaron estrategias de síntesis radicalaria de hidrogeles que fueron útiles para controlar las propiedades mencionadas. Estas estrategias permitieron superar, en etapas post-síntesis, dificultades y limitaciones impuestas por las metodologías de síntesis radicalaria tradicionales de hidrogeles y nanogeles. En particular, se estudió la utilización del agente entrecruzante (+)-N,N´-dialiltartradiamida (DAT) en presencia o ausencia de N,N´-metilenbis(acrilamida) (BIS), para la síntesis radicalaria de hidrogeles (HGs) y nanogeles (NGs) basados en diferentes monómeros vinílicos derivados de la acrilamida o metacrilamida. La presencia de un grupo funcional (GF) diol vecinal en DAT permitió la modificación post-síntesis de los HGs y NGs, por tratamiento con soluciones de periodato de sodio. Estas reacciones se llevaron a cabo en solución acuosa, a tiempos cortos y temperatura ambiente. La modificación post-síntesis generó cambios en el grado de entrecruzamiento de HGs y NGs, por clivaje de los entrecruzamientos debidos a DAT, modificando sus propiedades de hinchamiento, propiedades mecánicas, morfología y funcionalidad química. Además, la oxidación de los dioles vecinales sensibles a periodato, permitió obtener GF α-oxo-aldehídos en los materiales sintetizados. Este GF es de alto valor sintético por su participación en reacciones (bio)ortogonales principalmente frente a aminas y α-nucleófilos como hidrazidas y alcoxilaminas. Los α-oxo-aldehídos son frecuentemente obtenidos en péptidos y proteínas para su utilización en bioconjugación, pero tienen muy escasos antecedentes en materiales sintéticos y no se encuentran reportes de su obtención en hidrogeles blandos. Posteriormente, se ensayó la reactividad de este GF con aminas e hidrazidas, en diferentes condiciones de reacción.Como soporte de los estudios realizados y sus resultados, esta tesis se organizó de la siguiente manera: En el Capítulo 1, se introducen conceptos sobre la naturaleza de los hidrogeles, sus características principales y su continuo desarrollo en la elaboración de materiales funcionales. Se describen sus actuales aplicaciones en desarrollo y los desafíos que presentan, principalmente en el control de sus propiedades por limitaciones en las metodologías de síntesis. En el Capítulo 2 se presentan los objetivos generales y específicos de este estudio. En los siguientes Capítulos (3, 4, 5) se muestran los resultados obtenidos en la síntesis y modificación post-síntesis de (macro)hidrogeles con creciente complejidad sintética. Posteriormente, en el Capítulo 6, las metodologías desarrolladas en HGs se aplicaron a la síntesis de NGs termosensibles. La necesidad de control del tamaño, la polidispersidad y la estructura en estos sistemas, impone un mayor número de limitaciones a la obtención de productos por síntesis directa. Por lo tanto, la metodología desarrollada es una herramienta de utilidad para la síntesis y modificación post-síntesis de nanogeles. Posteriormente, y como prueba de concepto, se exploraron tres diferentes aplicaciones basadas en los nanogeles termosensibles sintetizados: la encapsulación de proteínas para su liberación controlada; el desarrollo de nanogeles termosensibles con doxorrubicina, un fármaco anticancerígeno, inmovilizado mediante enlaces covalentes pH sensibles para su liberación controlada; y la obtención de nanogeles huecos (nanocápsulas) basados en poli(N-isopropilacrilamida) (p-NIPAm). En el Capítulo 7 se presentan las conclusiones generales del trabajo de tesis y sus posibles proyecciones. Este trabajo de tesis fue realizado en el Laboratorio de Materiales Poliméricos (LaMaP) de la Facultad de Ciencias Químicas de la Universidad Nacional de Córdoba, en colaboración con el grupo de investigación del Profesor Marcelo Calderón de la Freie Universität Berlín, Alemania. La metodología desarrollada y los resultados obtenidos en esta tesis conforman una nueva herramienta para el desarrollo de materiales funcionales, que podrían ser aplicadas en cualquiera de las actuales líneas de investigación de LaMaP: desde la producción de (nano)dispositivos para la liberación controlada de fármacos, al desarrollo de actuadores blandos (soft actuators), la modificación de superficies, el anclaje de biomoléculas en soportes cromatográficos, entre otras.