Propiedades de líquidos iónicos y su aplicación a la síntesis de nanopartículas de fibroína de seda

Abstract

RESUMEN Durante las últimas décadas, la mayoría de los procesos implicados en las industrias farmacéuticas y de química fina han requerido elevados consumos energéticos a la vez que han generado grandes cantidades de residuos. De este modo, han ido contribuyendo a la degradación medioambiental la cual de forma gradual se ha convertido en un problema global. Con esta perspectiva, los intereses medioambientales han ido creciendo y se han establecido leyes cada vez más estrictas por lo que ha surgido la necesidad de desarrollar nuevas tecnologías de menor impacto medioambiental. Es en este contexto donde surgió hace algunos años el concepto de Química Verde con el objetivo de contribuir en mayor o menor grado a la solución de dicho problema. Uno de los principios fundamentales de la Química Verde dice literalmente que "se evitará, en lo posible, el uso de sustancias que no sean imprescindibles (disolventes, reactivos para llevar a cabo separaciones, etc.) y en el caso de que se utilicen que sean lo más inocuas posible". En este sentido, los líquidos iónicos presentan una menor toxicidad, son más seguros y menos contaminantes que los disolventes convencionales. Los líquidos iónicos son sales orgánicas que se encuentran en estado líquido a temperatura inferior a 100ºC y, desde el punto de vista medioambiental, sus propiedades más importantes son: su presión de vapor, prácticamente nula, y sus excelentes propiedades químicas y térmicas. Uno de los aspectos de mayor relevancia de los líquidos iónicos es la posibilidad de modular sus propiedades fisicoquímicas (hidrofobicidad, densidad, índice de refracción, viscosidad, punto de fusión y polaridad entre otras) mediante modificaciones en el catión y el anión constituyentes. Por estos motivos, los líquidos iónicos son conocidos como "disolventes de diseño" y presentan suficiente potencial para reemplazar los disolventes orgánicos convencionales en procesos de síntesis, catálisis y separación. La mayoría de los líquidos iónicos no son compuestos volátiles, como consecuencia de las interacciones electroestáticas que se presentan entre los componentes de los mismos, por lo que no presentan efectos sobre la contaminación atmosférica. Sin embargo, sí que presentan un grado significativo de solubilidad en agua donde sus efectos aún no han sido estudiados en profundidad. Además, debido a su elevada estabilidad, los líquidos iónicos podrían llegar a ser agentes contaminantes persistentes en aguas residuales. Por ello, es muy importante cuantificar este efecto mediante parámetros toxicológicos como el coeficiente de reparto octanol-agua (Kow), que clasifica los líquidos iónicos en función de su hidrofobicidad o hidrofilicidad, y la toxicidad acuática (EC50). Durante la realización de esta Tesis Doctoral se han dedicado intensos esfuerzos al estudio de las propiedades fisicoquímicas de los líquidos iónicos relacionadas con sus aplicaciones, prestando especial atención a su uso como disolventes del biopolímero fibroína de seda para sintetizar nanopartículas de fibroína de seda por primera vez a partir de soluciones fibroína de seda-líquido iónico. En el ámbito de la nanotecnología, una partícula es definida como un pequeño objeto que se comporta como una unidad independiente en relación a sus propiedades y a su transporte. Al emplear un procedimiento específico para la liberación terapéutica de fármacos en una zona afectada, normalmente es posible encontrar muchas barreras las cuales requieren especial consideración cuando se están diseñando nuevas terapias. Así, la eficacia de cualquier terapia depende del modo de liberación y de su potencia en el área afectada. Durante las dos últimas décadas, se han desarrollado numerosos estudios en el campo de los sistemas de liberación de fármaco con el objetivo de lograr mecanismos de liberación controlada que permitan dirigir el fármaco a un tejido específico (por ejemplo, un tumor) empleando nanopartículas. Un ejemplo de sistema de liberación derivado de una estructura biológica podría estar basado en nanopartículas de fibroína de seda debido a su biocompatibilidad y degradación controlada. La fibroína de seda del gusano Bombyx mori es una proteína biopolimérica ampliamente usada en aplicaciones biomédicas ya que presenta propiedades mecánicas similares a las de los polímeros sintéticos más avanzados. La fibroína de seda es insoluble en la mayoría de disolventes por lo que, tradicionalmente, se han empleado dos sistemas disolventes en la disolución de fibras de seda: disoluciones iónicas acuosas, como LiBr 9.3M o CaCl2 50% (w/v) y disoluciones iónicas hidroalcohólicas como la mezcla CaCl2/Etanol/Agua (reactivo de Ajisawa). Ambos tipos de disolución requieren una diálisis exhaustiva posterior y un proceso de concentración hasta el nivel requerido. Sin embargo, estos dos procesos, diálisis y concentración, implican largos tiempos y las soluciones de seda obtenidas son inestables. El empleo de líquidos iónicos para la disolución de fibroína de seda es una opción mucho más benigna que los disolventes empleados de modo convencional ya que se reduce el número total de etapas del proceso de disolución. No obstante, en este caso la disolución completa de las proteínas de la seda empleando energía térmica también puede durar varias horas, incluso aumentando la temperatura hasta unos 100 ºC, dando lugar a la pérdida de la integridad de la proteína. Por este motivo, en la presente tesis se han incorporado mejoras en el proceso de disolución de la seda aplicando energía de ultrasonidos de elevada potencia, con control de temperatura, a la mezcla fibroína de seda-líquido iónico para acelerar el proceso y evitar períodos largos de calentamiento. Los objetivos principales de la presente tesis han sido i) el estudio de dos propiedades físicoquímicas de líquidos iónicos (densidad e índice de refracción) y de su toxicidad mediante el coeficiente de reparto octanol-agua y la toxicidad acuática y ii) la aplicación de estos líquidos iónicos como disolventes del polímero fibroína de seda para obtener nanopartículas de este material. Los resultados obtenidos en la presente Tesis Doctoral se pueden resumir en una conclusión final afirmando que se ha profundizado en el conocimiento de las propiedades de los líquidos iónicos enriqueciendo las bases de datos disponibles y se ha conseguido un nuevo procedimiento para la disolución de las fibras de seda con líquidos iónicos mediante una técnica rápida, la cual preserva la integridad proteica y es más respetuosa con el medio ambiente, ya que pueden reciclarse los líquidos iónicos y se pueden obtener micro- o nanopartículas de tamaño controlado en función de las aplicaciones a las que vayan a ser destinadas.