DESARROLLO Y CARACTERIZACIÓN DE NANOCOMPUESTO PVA/HAP POR ELECTROHILADO Y SU RESPUESTA BIOLÓGICA

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(1)CENTRO DE INVESTIGACION DE MATERIALES AVANZADOS, S.C. DIVISION DE ESTUDIOS DE POSGRADO. DESARROLLO Y CARACTERIZACIÓN DE NANOCOMPUESTO PVA/HAP POR ELECTROHILADO Y SU RESPUESTA BIOLÓGICA. TESIS PARA OBTENER EL GRADO DE. DOCTOR EN CIENCIA EN MATERIALES. PRESENTA. ROSALIA RUIZ SANTOS. DIRECTOR DE TESIS Dr. JOSÉ GUADALUPE CHACÓN. CHIHUAHUA, CHIH. 14 DE DICIEMBRE 2016. 1.

(2) Índice de Figuras Figura 1 Estructura Cristalina de la Hidroxiapatita. Pag. 14. Figura 2. Imagen Tem de nanofibras porosas Li, L., & Hsieh, Y. L. (2006). [40] Pag 23 Figura3 Imagen Esem de nanofibras planas Lyons, J., Li, C., & Ko, F. (2004). [41]. Pag 23 Figura 4. Imagen Sem de nanofibras huecas (a, b) Bazilevsky, A.V et al. (2007) [42], (c,d) Li, D., McCann, J. T., & Xia, Y. (2005). [43].. Pag 24. Figura 5. Imagen Sem de nanofibras ramificadas Choi, S.S., et al. 2004 [44].. Pag 25. Figura 6. Imagen Sem de nanofibras helicoidales Weng, S.,et al. (2010) [45].. Pag 26. Figura 7. Estructura Quimica del Polivinyl Alcohol. Pag 31. Figura 8 Influencia del peso molecular en las propiedades del PVA.. Pag 33. Figura 9. Influencia del peso molecular en las propiedades del PVA.. Pag 33. Figura 10. Método de obtención HAp estado sólido. Pag 40. Figura 11 Síntesis de HAp por mecoquimica. Pag 41. Figura 12 Esquema de la Molienda de Alta Energia.. Pag 41. Figura 13.Obtencion de Hidroxipatita método de precipitación convencional.. Pag 43. Figura 14. Obtención de Hidroxipatitia método Hidrotérmico. Pag 45. Figura 15.Efecto de las condiciones hidrotermales sobre la morfología de HAp. Pag 45. Figura 16. Obtención de Hidroxiapatita por el método de Combustión.. Pag 46. Figura 17. Método de Pirolisis para la obtención de Hidroxiapatita. Pag 47. Figura 18. Método de obtención de síntesis basados en fuentes biogenicas.. Pag 48. Figura 19. Anatomía del hueso cortical y esponjoso .. Pag 50. 2.

(3) Figura 20.Representación esquemática de los componentes del hueso desde escala nanoscópica hasta macroscópica.. .. Pag 52. Figura 21. Fases del remodelado óseo en la superficie del hueso trabecular. Origen y localización de las células óseas.. .. Pag 56. Figura 22.Digrama de flujo para la preparacion de los polvos de Hidroxipatita a partir de femur de puerco Figura 23 Imágenes de la materia prima de hueso a hidroxiapatita Figura 24. Molino Alta Energía Spex modelo M8000.. Pag 61 Pag 62 Pag 63. Figura 25. Diagrama de flujo para el proceso de alta energía de la materia prima HAp a partir de hueso de puerco. Pag 63. Figura 26. Diagrama de proceso para la preparación de soluciones de PVA y HAp Pag 65 Figura 27.Solución del Compostito PVA/HAp.. Pag 67. Figura 28. Fotografías del equipo de electrohiladura Nonobond Standar Untit NEU-01 China a) Vista del panel de Control, b) Substrato Colector, c) Sistema de alimentación de sustancias poliméricas, d) Otra perspectiva del sustrato colector.. Pag 68. Figura 29. Velos de nanofibras composito de PVA/HAp. Pag 68. Figura 30 Diagrama de Proceso para elaboración de fibras de PVA/HAp.. Pag 69. Figura 31. Protocolo anestésico. Pag 70. Figura 32. Protocolo de cuidados posoperatorios. Pag 72. Figura 33. Protocolo quirúrgico, a) Extracción, b) Inducción fractura c) Colocación del composito de fibras de PVA con HAp.. Pag 72. Figura 34. Método de Extracción de Muestra a) fémur control y b) fémur con fibras PVA y HAp.. Pag 75. 3.

(4) Figura 35. Ensayo in vitro. Pag 74. Figura 36. Resumen Esquemático de las pruebas de respuesta biológica al material composito de fibras PVA-HAp. Pag 76. Figura 37 Micrografias SEM con Hueso de Puerco sin tratamiento térmico. Pag 78. Figura 38 Micrografias SEM de Hueso de puerco con tratamiento térmico. Pag 79. Figura 39 EDS de muestras de hueso de puerco después de tratamiento térmico Pag 80 Figura 40.DRX Hueso de puerco e Hidroxipatita.. Pag 81. Figura 41.Tamaño de Partícula polvo de Hidroxipatita. Pag 82. Figura 42. DRX Polvos de hidroxipatita realizados después de la molienda de alta energía Pag 83 Figura 42. DRX Polvos de hidroxipatita realizados después de la molienda de alta energía Pag 83. Figura 43. Viscosidad de PVA en función de la concentración Figura 44 DRX Composito de nanofibras Figura 45 Termograma de las nanofibras composito HAp/PVA. Pag 85 Pag.87 Pag 88. Figura 46 Micrografias SEM de nanofibras al 10% de PVA. Pag 89. Figura 47 Micrografias SEM con 15% de PVA. Pag 90. Figura 48 Micrografias SEM compostio HAp/PVA con 10% en peso. a) y b) imágenes a 10,000 aumentos, c) y d) imágenes a 15,000 aumentos. Pag 91. Figura 49 Micrografias SEM compostio HAp/PVA con 10% en peso. a) imagen a 27,000 aumentos , b) y c) imágenes a 30000 aumentos. Pag 92. Figura 50 Mapeo de composito de HAp/PVA. Pag.93. Figura 51. Imagen de composito HAp/PVA al 10% en peso y perfil de rugosidades. La línea indica el perfil seleccionado.. Pag 94 4.

(5) Figura 52. Imagen de composito HAp/PVA al 15% en peso y perfil de rugosidades. La línea indica el perfil seleccionado. Pag 95. Figura 53. a) Imagen SEM fibras composito PVA-HAp 15%, b) Histograma de frecuencias diámetros de fibra. Pag 96. Figura 54. a) Imagen SEM fibras PVA, b) Histograma de frecuencias diámetros de fibra Figura 55. Imagen SEM Prueba in vivo 7 días, a) control,b) hueso con compositos de nanofibras PVA-HAp. Pag 97. Figura 56 Imagen SEM pruebas in vitro 21 días, a) Control, b) hueso de rata.. Pag 98. Figura 57 Imagen SEM por electrones retrodispersados de las pruebas in vitro 21 días, a) Control, b) hueso de rata.. Pag 98. Figura 58 Imagen SEM pruebas in vitro 21 días.. Pag 99. Figura 59 Evaluación Clínica de ratas wistar, después de la colocación del nanocomposito. Figura 60. Imágenes de la extracción del fémur de la rata wistar después de 7 días, a) Fémur con composito recuadro negro área de incisión y colocación del implante, b) acercamiento a la región de acción del composito de fibras.. Pag 100. Figura 61. Imágenes SEM, a) Control hueso de rata tibia a 7 días prueba in vivo, b) Hueso de rata tibia con fibras PVA-HAp 15%. Pag. 101 Figura 62. Imágenes SEM, a) Control hueso de rata fémur a 7 días prueba in vivo, b) Hueso. de. rata. fémur. con. fibras. PVA-HAp. 15%. Pag 101 Figura 63. Imágenes SEM, a) Fibras de PVA-HAp 15%, b) acercamiento 6500000 aumentos de la misma zona.. Pag 102. 5.

(6) Figura 64. Imágenes SEM, a) Control hueso de rata, b) Hueso de rata con fibras de PVAHAp. Pag. 103 Figura 65. Imágenes SEM, a 1500000 aumentos hueso de rata con fibras PVA-HAp 15% Pag 103 Figura 66. Mecanismo propuesto de regeneración en el hueso de rata cepa wistar. Pag 105. 6.

(7) Índice de Tablas Tabla 1 Condiciones de operación del equipo de Electrohiladura.. Pag 68. Tabla 2. Reactivos con sus respectivas cantidades y pureza para la preparación de SBF [22]. Tabla 3Relación Ca/P en polvo de hidroxipatia.. Pag 81. Tabla 4 Parámetros de temperatura y humedad de la solución precursora de electrohilado. Tabla 5 Parámetros de operación del equipo de electrohilado para solucione con 10% PVA y 15% de PVA. pag 86. 7.

(8) Acrónimo. Significado. AFM. Microscopia Fuerza Atómica. DRX. Difracción de Rayos X. EDS. Espectroscopia de energía dispersiva de rayos X. HAp. Hidroxiapatita. KV. KiloVolts. PVA. Poli vinil Alcohol. SBF. Fluido Fisiológico Simulado. SEI. Electrones secundarios. SEM. Microscopia Electrónica de Barrido. TGA. Análisis termogravimétrico. WD. Distancia de trabajo. g. gramos. mA. microAmperes. mg. miligramos. ml. mililitros.. 8.

(9) 9.

(10) 1. 1.1. INTRODUCCION Biomaterial. Biomaterial se define como ―cualquier sustancia o combinación de sustancias distinta a los fármacos, que en su origen ya sean sintéticos o naturales pueden ser utilizados en cualquier tejido, órgano o función del cuerpo, con el fin de mantener o mejorar la calidad de vida del individuo‖ [1]. Se han encontrado evidencia que las civilizaciones antiguas como la egipcia utilizaban ojos, orejas y dientes artificiales [2]. Indios y chinos utilizaban ceras, gomas y tejidos en la reconstrucción de piezas faltantes o defectuosas del cuerpo a través de los siglos, los avances en materiales sintéticos, las técnicas quirúrgicas y métodos de esterilización han permitido el uso de biomateriales en muchos sentidos [3]. Actualmente la práctica médica utiliza los biomateriales en un gran número de implantes (ligamentos, injertos vasculares, válvulas cardíacas, lentes intraoculares, implantes dentales, etc) y en dispositivos médicos (marcapasos, biosensores, corazones artificiales, etc) los cuales son utilizados para reemplazar y/o restaurar la función de un tejido u órganos degenerado y por lo tanto mejorar la calidad de vida de los pacientes. En los primeros días se utilizaron todo tipo de materiales naturales como de madera, pegamento, goma, así como. metales tales como el hierro, oro zinc y el vidrio. Los. materiales biológicos, tales como la placenta fueron utilizados desde la década de 1900. El celuloide fue el primer plástico artificial utilizado en defectos craneales y el polimetacrilato de metilo fue aceptado como material médico a partir de la Segunda Guerra Mundial. Sin embargo se observó lo siguiente: bajo ciertas condiciones algunos materiales fueron tolerados por el cuerpo mientras que otros fueron rechazados en otras condiciones. Por lo tanto durante los últimos 30 años se han logrado avances considerables para entender las. 10.

(11) interacciones entre los tejidos y los materiales. Generando así el concepto de biocompatibilidad. En 1999 Willams [1] definió la biocompatibilidad como ―capacidad de un material para llevar a cabo una respuesta apropiada donde el huésped es sometido a una situación específica‖. Aunque esta definición parece vaga, representa un gran salto para lo que anteriormente se creía. La opinión que precedía a esta definición era que los materiales ―exitosos‖ jugaron en gran medida papeles inertes en el cuerpo. Una larga lista de propiedades habían evolucionados para los biomateriales ―exitosos‖, los cuales se definen a partir de una serie de observaciones médicas, ya que el material no debe inducir su separación, reacción inflamatoria o de cuerpo extraño, no debe provocar respuestas del sistema inmunológico, no debe ser bioabsorbible al extremo de su destrucción en el medio biológico siendo eliminado naturalmente, ni debe alterar genéticamente las células adyacentes [4]. Teniendo en cuenta que el cuerpo humano trabaja en ambientes biológicos complejos, la idea de colocar un material extraño sin ningún tipo de respuesta parece ingenua. Basado en la reacción del tejido, los biomateriales se pueden clasificas en tres categorías distintas [5]: Biotolerantes: El organismo no produce respuesta inflamatorio al implante aunque interacciona en este encapsulándolo mediante una capa de tejido fibroso conjuntivo. Como ejemplo de esto podemos citar el Polimetilmetacrilato PMMA (cemento óseo), acero inoxidable utilizado en placas y otros materiales de osteosíntesis y las aleaciones de Cromo-Cobalto. Bioinertes: Estos biomateriales no causan ninguna respuesta de su huésped y esto se debe generalmente a que no producen ningún tipo de reacción química entre ambos; esto es porque la mayoría de estos materiales son metales con su superficie recubierta de una capa de óxido estable. Como resultado de esto las células pueden estar en contacto directo con el material pero sin formar ningún tipo de unión entre ambos, a su vez no se produce. 11.

(12) inhibición de la osteogenesis. Ejemplo de estos pueden ser la Alúmina, Zirconio y el Titanio. Bioactivos: Son biomateriales de más reciente desarrollo. Tienen la capacidad de reaccionar con el tejido adyacente y formar enlaces químicos directos con el mismo. Normalmente las células crecen directamente junto al biomaterial y en algunos casos van formando tejido especializado dentro del mismo. Ejemplo: Cerámicas de Fosfato de Calcio, Cerámicas de óxido de Silicio o Biovidrios. La otra clasificación de biomateriales la podemos según su composición química, y los dividiremos en: . Metales. . Polímeros. . Cerámicas. . Compositos. 1.1.1 Bioceramicas Los materiales cerámicos son usados industrialmente en una sorprendente gama de aplicaciones. El procesamiento de cerámicas involucra usualmente polvos, y para impedir la introducción de defectos durante el procesamiento de este se deben de tomar rigurosos cuidado. En años recientes ha existido un creciente interés en los principios que gobiernan la composición, arquitectura y métodos de ensamblaje de una gran variedad de cerámicas biológicas tales como la que se encuentra en huesos y dientes [6]. Podemos decir que las cerámicas utilizadas en medicina son materiales biocompatibles. Presentan propiedades la de ser mas rígidos y resistentes que el acero cuando se someten a fuerzas de compresión, soportan más calor y corrosión que los metales o los polímeros, tienen una densidad menor que la mayoría de los metales y sus aleaciones; y sus materias primas son abundantes y baratas.. 12.

(13) Por el contrario debemos decir que son materiales muy quebradizos, es decir que no tienen deformación plástica y que tienen una escasa resistencia a las fuerzas de tracción, flexión o cizallamiento. Las biocerámicas se clasifican:  Según su estructura . Sólidos Cristalinos. . Policristalinos por chorro de plasmas. . Sólidos Amorfos.  Composición química . Óxidos cerámicos. . Biovidrios. . Fosfatos de calcio.  Actividad Biologica [7] . Bioinertes (alúmina, zirconia). . Bioactivos (hidroxiapatita, biovidrio, biovitrocerámicas). . Reabsorvibles (fosfato de calcio). 1.1.2 Hidroxiapatita Entre las diferentes clases de biocerámicas, la hidroxiapatita (Hap) es ampliamente utilizada en diversas aplicaciones biomédica, principalmente en ortopedia y odontología [8]. Posee un excepcional biocompatibilidad y una bioactividad única [9,10]. El término ―apatita‖ se aplica a un grupo de compuestos (no solo fosfatos cálcicos) con una formula general M10(XO4)6Z2, donde M2+ es un metal y la especies XO4-3 y Z- son aniones. El nombre particular de cada apatito depende de los elementos o radicales M, X y Z. En estos términos, la Hap tiene la estructura molecular de la apatita donde M es el calcio (Ca2+), X es el fósforo (P5+) y Z es el radica hidroxilo (OH-). Esto se conoce como hidroxiapatita estequiometria y su relación atómica Ca/P es 1.67. Su fórmula química es Ca10(PO4)6(OH)2, con el 39% en peso de Ca, 18.5% en P y 3.38% de OH.. 13.

(14) La hidroxiapatita cristaliza en un sistema hexagonal, aunque con alguna excepción en un sistema monoclínico [11,12]. El sistema pertenece al grupo espacial P63 hexagonal/m, simetría de rotación hexagonal y un plano de reflexión m, y con parámetros a=b= 9.418 Å y c=6.88 Å. La figura 1 muestra la celda unitaria de la hidroxipatita. El esqueleto de la celda unitaria de la HAp, lo constituye el arreglo tetraédrico de los fosfatos (PO4-3). Dos de los oxígenos están alineados con el eje c. Figura 1. Estructura cristalina de la Hidroxiapatita [12]. Aunque se utilice la hidroxipatita estequimetrica como modelo, hay que destacar que las hidroxipatitas producidas biológicamente tiene una estequiometria más complicada, con una relación Ca/P menor a 1.67. La relación estequiometria varía de acuerdo al tipo específico de tejido, que se relaciona con las propiedades y la bioactividad de la HAp. Si la relación estequimetrica de Ca/P se acerca al valor 1.67, mayor la estabilidad del material en el interior del cuerpo humano y tiende a ser inerte, por otro lado si el valor de la relación Ca/P disminuye la Hap tendrá una mejor bioactividad. Otro aspecto que se debe considerar es el grado de cristalinidad. Se ha observado que la cristalinidad en los tejidos, para el esmalte de los dientes es muy alta, mientras que en los 14.

(15) huesos y en la dentina, es muy pobre. Esto significa que la reactividad depende del grado de cristalinidad, ya que la reactividad en la dentina y el hueso es mayor que el esmalte de dientes. Se han desarrollado un gran número de investigaciones para producir hidroxiapatita sintética, ya sea por precipitación acuosa, síntesis hidrotermal, procesada en sólido, hidrólisis y sol-gel entre otras. Los procedimientos o condiciones bajo las cuales se sintetiza pueden influir en sus características físicas y químicas [13].. 1.13 Aplicaciones de la Hidroxiapatita La aplicación principal HAp es como relleno de hueso, ya que este material no soporta altas cargas mecánicas. La idea es crear vínculos fisicoquímicos entre la cerámica y el tejido óseo, promoviendo su integración y el crecimiento de nuevo tejido [14]. Otro factor a considerar es el fenómeno llamado osteoconductividad, que se produce en materiales con alta afinidad con el tejido óseo, que promueven la formación de nuevo tejido, pero también son capaces de dirigir su crecimiento, dependiendo de la estructura que tienen. Es conocido que estos materiales deben tener alta porosidad (del orden de cientos de micras) para permitir el desarrollo del hueso dentro y a través de ellos. Esta propiedad ha sido utilizada para el desarrollo de cementos con aditivos HAp [15]. Otra aplicación importe es tomar a la Hap como recubrimiento de prótesis metálicas, que se realiza para dar a la superficie un aspecto adecuado y reconocible para el tejido dadas su características y biocompatibilidad.. En todos los casos, estos materiales proporcionan una superficie adecuada para la adhesión celular, que por acción enzimática permanece en largo plazo. El comportamiento in vivo de los implantes de fosfato de calcio depende de varios factores: la relación Ca/P, la estructura. 15.

(16) cristalina y la porosidad. El entorno fisiológico también puede tener una influencia decisiva en la respuesta biológica.. 1.2 Electrohilado. El electrohilado ha. sido reconocido como una técnica eficaz para la fabricación de. nanofibras de polímeros. Varios polímeros han sido exitosamente maquinados en fibras ultrafinas en los últimos años. Las cuales tienen un gran potencial de aplicaciones específicamente como refuerzo en el desarrollo de nanocompuestos [16].. 1.2.1 Procesamiento La figura 1 muestra un diagrama esquemático del funcionamiento del electrohilado. Hay que cumplir básicamente con tres componentes: un alto voltaje, un tubo capilar con una pipeta o aguja de diámetro pequeño, y una pantalla de metal como colector de fibras. La alta tensión se utiliza para generar una alta carga eléctrica, donde la solución viscoelastica se somete a un estiramiento coaxial por efecto del voltaje, donde antes de llegar al colector el hilo de la solución se evapora o se solidifica depositándose en la pantalla una red interconectada de pequeñas fibras [17,18]. La técnica consiste en hacer girar soluciones de polímero a través de altos campos eléctricos, se basa en aplicar suficientes fuerzas eléctricas que superan las fuerzas de la tensión superficial en la solución de polímero cargado, de esta forma a un voltaje determinado, finos chorros de solución son expulsados desde el capilar hasta el plato colector. Posteriormente el chorro se mueve en la dirección del campo eléctrico, elongándose de acuerdo a las fuerzas externas e internas y experimentado inestabilidad en algunas ocasiones. El disolvente se evapora y los segmentos de fibra son depositados en el sustrato [19].. 16.

(17) EL electrohilado puede ser desarrollado de forma horizontal o vertical según lo desee, el principal inconveniente al trabajar en posición vertical es la posible salida de gotas de solución desde el capilar hacia el plato colector las cuales pueden caer sobre las fibras depositadas haciendo defectuosa la superficie de las mismas e interrumpiendo el proceso. Para impulsar la solución a través del capilar puede utilizarse una bomba de infusión; si se trabaja de forma horizontal, la salida de la solución puede estar determinada por la fuerza de gravedad ligada a la viscosidad de la solución. Para el inicio del proceso, el polímero debe estar diluido en el o los disolventes que permitan una dilución completa del mismo (debe ser completa, para evitar el taponamiento del capilar durante el proceso) pero que a la vez promuevan la obtención de fibras homogéneas. Los polímeros son dieléctricos, en presencia de un campo eléctrico pueden considerarse como un arreglo de dipolos eléctricos microscópicos compuestos por cargas positivas y negativas cuyos centros no coinciden perfectamente [20], se mantiene en su lugar por acción de las fuerzas atómicas y moleculares, y solo pueden cambiar su posición ligeramente en respuesta a fuertes campos eléctricos externos, lo que explica por qué ocurre el estiramiento de la solución en el proceso. Son llamadas cargas ligadas en contraposición a cargas libres que determinan la conductividad en otro material ―conductor‖ [21]. Una vez que se tiene la solución en el lugar sea jeringa o cono se inicia la aplicación de alto voltaje, cuando este potencial eléctrico se aplica, las cargas se acumulan promoviendo la formación de una gota en la punto del capilar, a medida que la intensidad del campo eléctrico se incrementa, la gota se alarga para crear una forma cónica conocida como cono de Taylor [22-24]. La fuerza de campo eléctrica supera las fuerzas de cohesion de la solución de polímero inicia un viaje desde la punta del capilar hasta el plato colector; en su viaje, el chorro de solución polimérica es alargado debido a las interacciones electrostáticas entre las carga cercanas a segmentos del mismo chorro, mientras tanto, el disolvente se evapora, finalmente, las fibras se solidifican a su llegada al plato colector [25].. 17.

(18) 1.2.2Parámetro del material a considerar en el proceso de electrohilado. En el proceso de electrohiladura intervienen una serie de variables, las cuales deben ser en primera instancia estudiadas con detalle y seguidamente determinadas y optimizadas para cada polímero. El primer grupo de variables está relacionado directamente con la química precursor de las nanofibras. Al hacer referencia a la química de los polímeros. Es condición indispensable conseguir disolver el polímero, para obtener nanofibras de este mismo. El proceso de disolución del polímero lleva asociado el estudio de la temperatura de disolución, la adición de cargas, la presión de vapor del disolvente, la concentración del polímero, la viscosidad, la tensión superficial, la constante dieléctrica y conductividades resultantes, centrándose especialmente en la viscosidad, la tensión, y la conductividad eléctrica. [26,27]. Peso Molecular y Viscosidad de la disolución. El peso molecular de los polímeros está en función de la longitud de la cadena polimérica, ya que es la suma de los pesos moleculares de los monómeros que lo conforman, y afecta directamene a la viscosidad de la disolución resultante. Generalmente al tratarse de un mismo polímero, cuanto más alto sea el peso molecular del polímero, mayor será la viscosidad de la disolución. Otra manera de aumentar la viscosidad de la disolución es aumentar la concentración del polímero [28]. Viscosidades altas en la disolución, suponen una mayor interacción entre las moléculas del polímero y las del disolvente, por lo que las moléculas del disolvente se distribuyen enmarañadamente junto con las del polímero. Sin embargo cuando la viscosidad es baja, las moléculas del disolvente tienden a congregarse bajo la acción de la tensión superficial. La viscosidad dela disolución es necesaria para que tenga lugar el proceso de electrohilado. Cuando las viscosidades son bajas, se encontrarán agregados en forma de anillo a lo largo de toda la nanofibra. No obstante, cabe remarcar que una viscosidad demasiado alta puede llegar a imposibilitar el proceso de electrohiladura.. 18.

(19) Tensión Superficial Cuando una gota cae en el aire generalmente adopta una forma esférica, las propiedades superficiales del líquido que provocan este fenómeno es lo que se conoce como tensión superficial de un líquido. Se debe a que las fuerzas que afectan a cada molécula son diferentes en el interior del líquido y en la superficie. Mientras que en el seno de un líquido cada moléculas está sometida fuerzas de atracción que en promedio se anulan, en la superficie hay una fuerza neta hacia el interior del líquido [29] La tensión superficial tiene como principal efecto la tendencia del líquido a disminuir en lo posible su superficie para un volumen dado, de aquí que un líquido en ausencia de gravedad adopte la forma esférica, que es la que tiene menor relación área/volumen. Energéticamente, las moléculas situadas en la superficie tienen una mayor energía promedio que las situadas en el interior, por lo tanto la tendencia del sistema será a disminuir la energía total, y ello se logra disminuyendo el número de moléculas situadas en la superficie, a ahí la reducción de área hasta el mínimo posible. En el proceso de electrohilado, las cargas de la solución del polímero deben ser lo suficientemente altas como para vencer la tensión superficial de la misma. Cuando la disolución se carga eléctricamente y es acelerada hacia la placa colectora, la fibra debe fluir de forma continua, sin embargo la tensión superficial de la disolución puede ser responsable de desintegrarla en pequeñas gotas, provocando el fenómeno de electrosprayado en vez de la electrohiladura, también puede ser responsable de la formación de defectos en forma de anillos en las nanofibras obtenidas. Conductividad La electrohiladura está muy relacionada con la repulsión entre cargas que se crea en la superficie de la disolucion. A mayor conductividad de la disolución del polímero, mayor facilidad tendrá para cargarse y formar finas fibras de polímero [30]. Además la adición de sales y polielectrolitos facilitaran paralelamente el estirado de la nanofibra durante su formación [31].. 19.

(20) Otro de los factores que se ven favorecidos directamente en el proceso de electrohiladura, como consecuencia de un aumento de la conductividad de la disolucion, es que el voltaje crítico, para que tenga lugar la formación de nanofibras, se ve reducido notablemente. No obstante, también es necesario señalar que, el aumento de la conductividad en la disolución mediante la adicion de iones, puede ser la causa de un aumento de la viscosidad a niveles no deseados. Presión de Vapor La presión de vapor o presión de saturación es aquella, para una temperatura dada, en la que la fase líquida y la fase vapor se encuentran en equilibrio dinámico [29]. Este parámetro es el responsable de que el disolvente que forma parte de la disolución precursora, se evapore rápidamente si bien, dejando el tiempo necesario para dar lugar a la formación de los filamentos de polímero. 1.2.2.Parámetro de control del proceso de electrohilado Intensidad del voltaje aplicado. La aplicación de alto voltaje a la disolución es indispensable para superar la tensión superficial de la misma, dotarla de carga y establecer un campo eléctrico entre los dos electrodos. La intensidad de voltaje a aplicar es específica en cada caso, existe una intensidad óptima que produce las nanofibras con las dimensiones y morfología buscadas [32]. Cuanto más alta la intensidad del voltaje, menor es el diámetro de las fibras obtenidas, no obstante cabe resaltar que un exceso de intensidad en el voltaje aplicado, también es la causa de formación de chispas eléctricas, que van a provocar la aparición de macroagregado de polímero en la placa colectora, dando lugar a la aparición de importantes defectos y la pérdida de todas las propiedades técnicas en la zona de recubrimiento formado. Otra de las propiedades que se ve modificada en función de la intensidad del voltaje aplicado es la cristalinidad de la nanofibra polimérica obtenida, el campo electrostático 20.

(21) provoca ordenación de las moléculas del polímero durante el proceso de electrohilado, induciendo un mayor grado de cristalinidad, sin embargo, el aplicar una intensidad de voltaje demasiado alta puede llegar a provocar el efecto contrario. El aumento de la intensidad del voltaje acelera el proceso de formación de las nanofibras, por lo que al depositarse en forma de velo sobre la superficie de la placa colectora, deben tener el tiempo necesario para que se alineen ellas mismas [27]. Velocidad de alimentación de la disolución. La cantidad de disolución disponible para el proceso de electrohilado por unidad de tiempo es lo que conocemos como velocidad de alimentación. Para un voltaje determinado, existe una velocidad de alimentación óptima si se quiere garantizar la estabilidad del cono de Taylor. Cuando la velocidad de alimentación crece, hay un aumento evidente de la cantidad de disolución, que se traduce en un aumento del diámetro de fibras y de la formación de gotas. Si la velocidad es alta, el chorro encontrará muchos problemas para evaporarse. Por lo tanto, el disolvente que acarrea cada fibra, no tiene tiempo de evaporarse y se deposita sobre el colectro de forma amalgamada y fusionada. Las velocidades de alimentación bajas son más deseables porque proporcionan más tiempo para que se evaporen los disolventes [33]. Distancia ente electrodos. La separación entre electrodos debe ser lo suficientemente corta como para generar corriente entre ambos y permitir que las fibras se depositen en la placa colectora, pero al mismo tiempo deben estar lo suficientemente separados, para permitir la evaporación del disolvente y la formación de fibras con una longitud que se considere aceptable. Cuando la distancia entre electrodos es demasiado corta, el exceso de disolvente no evaporado es la causa de un velo con una estructura amalgamada, en el que las fibras se fusionan unas entre otras [34]. Condiciones Ambientales. 21.

(22) Cualquier interacción entre el ambiente y la disolución del polímero o entre el ambiente y el campo electrostático, puede ser causa de un cambio en la morfología de los filamentos poliméricos. Agentes externos por los que se puede ver alterado el proceso de electrohiladura.  Polvo. Es indispensable que el proceso de electrohilado tenga lugar en un ambiente libre de polvo.  Temperatura. La temperatura afecta la viscosidad de la disolución y a la proporción del disolvente evaporado, por lo que un aumento de la temperatura permitirá acelerar el proceso de producción de fibras. Las imperfecciones morfológicas durante la formación de las fibras pueden mejorarse con un incremento de la temperatura de la disolución precursora [35].  Humedad. En el caso de trabajar con disoluciones en base acuosa, es recomendable mantener un grado de humedad constante para favorecer la formación de fibras. La humedad relativa no debe ser nunca inferior al 30%, ni superior al 50%. Sin embargo cuando se trabaja con disolventes volátiles la presencia de humedad en el interior de la cámara de electrohilado no resulta ventajosa, hasta el punto de que en algunos casos, es necesario incorporar en el interior de la cámara una corriente de aire seco para disminuir dicha humedad [36].. 1.3 Tipos de nanofibras. Nanofibras sin aditivos. La introducción de pequeñas modificaciones en las diferentes variables que entran en juego en el proceso de electrohilado, son las responsables de obtener importantes variaciones en la morfología de las nanofibras, no obstante también se puede tener en cuenta el cambio de otros elementos influyentes dando lugar a nanofibras porosas, nanofibras planas, nanofibras huecas, nanofibras ramificadas y nanofibras helicoidales [37,38,39]. . Nanofibras Porosas. 22.

(23) Los poros en las nanofibras pueden ser el resultado de una humedad relativa en el interior de la cámara demasiado elevada, sin embargo existen otros factores que pueden influir en la formación de poros durante el proceso de electrohilado. Durante la fase de evaporación del disolvente, la disolución es termodinámicamente inestable, hecho que resulta ser ventajoso en la obtención de nanofibras porosas figura2, puesto que se establecen dos fases; una formada por el disolvente mayoritariamente y otra por el polímero. Al evaporarse definitivamente el disolvente da lugar a la matriz, mientras que la fase pobre en polímero, da lugar a los poros.. Figura 2. Imagen Tem de nanofibras porosas Li, L., & Hsieh, Y. L. (2006). [40]. El control de la presión de vapor del disolvente va a permitir la obtención de este tipo de nanofibras de forma regular [40,41]. . Nanofibras planas.. La obtención de este tipo de nanofibras se consigue con disoluciones concentradas de polímero de alto peso molecular, las nanofibras llegan al substrato colector húmedas y al impactar se aplanan. En algunos casos pueden llegar a crearse puentes planos entre las fibras cilíndricas. Figura 3.. 23.

(24) Figura 3. Imagen Esem de nanofibras planas Lyons, J., Li, C., & Ko, F. (2004). [41].. . Nanofibras huecas.. La obtención de fibras huecas mediante el proceso de electrohilado se llevan a cabo mediante el uso de cabezal de electrohiladura coaxial para crear una estructura del tipo core-shell [42]. El componente exterior suele ser el polímero y como componente interior se ha de buscar un compuesto inmiscible con el polímero, normalmente se hace uso de aceites minerales que se eliminan con facilidad [43].. a. b. c. d. 24.

(25) Figura 4. Imagen Sem de nanofibras huecas (a, b) Bazilevsky, A.V et al. (2007) [42], (c,d) Li, D., McCann, J. T., & Xia, Y. (2005). [43]. . Nanofibras ramificadas.. Este tipo de nanofibras se obtienen a partir de la formación de pequeños chorros de disolución que surgen de la superficie de los chorros primarios o iniciales. Este efecto se consigue ejerciendo un control total sobre el balance de fuerzas electrostáticas que entrar en juego en el campo eléctrico generado y de la tensión superficial de la misma disolución del polímero [44].. Figura 5. Imagen Sem de nanofibras ramificadas Choi, S.S., et al. 2004 [44]. . Nanofibras helicoidales. La formación de fibras helicoidales se lleva a cabo partiendo de disoluciones de más de un polímero y además uno de los dos debe ser un polímero conductor; por ejemplo polianilina quiral (PANI). En la formación de los ciclos helicoidales entran en juego dos variables principalmente; la concentración del polímero no conductor, que va ser la responsable del. 25.

(26) diámetro del bucle y las propiedades conductores del otro polímero, deben establecerse un equilibrio entre las fuerzas de repulsión y las fuerzas viscoelásticas de hilado de este mismo polímero [45]. a. b. Figura 6. Imagen Sem de nanofibras helicoidales Weng, S.,et al. (2010) [45]. Nanofibras funcionalizadas con aditivos La técnica de electrohilado permite funcionalizar las nanofibras obtenidas, adicionando previamente la disolución polimérica precursora. Esto es posible si se utilizan una dispersión coloidal en medio similar a la disolución polimérica, que puedan ser fácilmente mezcladas y homogenizadas conjuntamente. Las nanoparticulas pasan a formar parte dela estructura del velo, mejorando las propiedades mecánicas del mismo con el fin de poder ser utilizadas como material de refuerzo en los compostios (nanowiskers de -quinina) [46], en los andamiso de bioingeniería de tejidos (nanoparticulas de montmorillonita) [47] o confiriendo propiedades antimicrobianas (nanoparticulas de plata, plata ionica), absorción térmica (nanoesferes de vidrio huecas)[48]. La adición debe llevarse a cabo con partículas de tamaño nanométrico, que puedan ser arrastradas por la acción del campo eléctrico creado y quedando atrapadas en las nanofibras con una distribución uniforme y perfectamente funcional sobre todo el velo formado [49,50]. 26.

(27) . Nanofibras conductoras. Los velos de nanofibras con propiedades conductoras se pueden obtener por dos caminos; directamente un polímero conductor, como en el caso de la polianilina, el polipirrol o el poliisopreno, cuyas aplicaciones son limitadas debido a su alto costo, o mediante la adición de nanoparticulas conductoras de cobre o de negro de carbón en polímeros más económicos con es el caso del polivinil alcohol [51]. Las nanoparticulas de negro de carbón o de cobre deben ser inferiores al diámetro de las nanofibras, alrededor de los 30nm y la preparación de la disolución con las partículas en dispersión deben hacerse con agua osmotizada a 85°C. La proporción de nanoparticulas del material conductor en la disolución está en función de la aplicación final del velo de las nanofibras, aunque se electrohilan velos de nanofibras con concentraciones del 2% hasta el 10% con respector al peso del alcohol de polivinilo en la disolución [52, 53].. . Nanofibras antimicrobianas. Los velos de nanofibras con propiedades antimicrobianas se pueden obtener mediante la adición a la disolución de diferentes sustancias y elementos, entre los que se destacan las nanopartículas de plata, plata iónica o el quitosano cuaternizado [54-57]. Entre los polímeros utilizados para este tipo de aplicaciones destaca la poliamida por su resistencia que confiere a los velos de nanofibras y por la posibilidad de conseguir nanofibras de diámetros más finos que permiten aumentar el grado de porosidad del velo. El alcohol de polivinilo vuelve a ser un polímero especialmente indicado para adicionarlo con este tipo de elementos, su solubilidad en agua permite obtener mezclas muy homogéneas con las sales de los iones indicados [58].. 27.

(28) 1.7 Aplicaciones de las nanofibras. Es una tecnología que se encuentra en pleno desarrollo experimental. La figura 2.4.1 muestra los porcentajes dedicados en investigación y desarrollo a la obtención de nanofibras mediante la técnica de electrohilado [32].. . Caracterización: Es el porcentaje más alto de dedicación en cuanto a investigación y desarrollo, se centra en la caracterización de las nanofibras el cual corresponde al estudio de las propiedades morfológicas, estructurales, químicas y mecánicas.. . Proceso: Dedicado al desarrollo del equipamiento y proceso, se incluye el modelado y la ingeniería.. . Aplicaciones: Dentro de este porcentaje se incluye la investigación y desarrollo para los campos:  Ingeniería mediambiental y biontecnología. (filtración, materiales barrera, materiales antimicrobiano) [59,60].  Bioingeniería, medicina, ingeniería de regeneración de tejidos celulares o andamios, vendas, apósitos etc [61].  Defensa y seguridad [62,63].  Compositos, formando parte de material de refuerzo [64-66].. 2.4.1 Filtración Este tipo de estructuras creadas a partir de fibras de diámetros nanométricos, permiten el paso de compuestos moleculares como el oxígeno o el vapor de agua, al tiempo que impiden el paso de microorganismos, por ello tiene un importante potencial como medios. 28.

(29) filtrantes y/o materiales barrer, en los que se refiere a aplicaciones destinadas al cuidado de la salud, ejercito e incluso en la industria automotriz [67,68].. En la industria farmacéutica la calidad, pureza y seguridad en el proceso de elaboración de los medicamento es la garantía de su eficacia y lo mismo ocurre con los campos y salas quirúrgicas en las que los medios filtrantes utilizados aseguran la purificación del aires con la ausencias de partículas sólidas; microorganismos, polvo, polen y partículas en estado líquido; humos, humedad, disolventes y productos químicos evaporados [69]. Las principales ventajas del uso de nanofibras como medios filtrantes se resumen en dos; alta eficiencia de filtración con una baja resistencia de paso al aire y la posibilidad de retener microgotas de líquido [70,71].. 1.4.2 Salud y medicina. Dos de cada tres aplicaciones relacionadas con las nanofibras, obtenidas a partir del proceso de electrohilado, se desarrollan en el campo de la salud y medicina. Las nanofibras presentan un importante potencial como sistemas de liberación de medicamentos de forma gradual. La disolución del polímero se funcionaliza adecuadamente con el medicamento que pasará a formar parte del velo de la nanofibra, utilizado posteriormente como parche cutáneo, vendas funcionalizadas o mediante un encapsulado farmacéutico, que se distribuirá a partir del sistema digestivo del paciente. La distribución del medicamento en el cuerpo humano va a depender tanto de la biodegradabilidad del polímero como del tamaño de las nanofibras, de forma que, la distribución es tanto más rápida cuanto más pequeño y más biodegradable es el soporte que incluye el principio activo [72-74]. Siguiendo el mismo principio, pueden desarrollarse soluciones en el ámbito dela cosmética y la salud, utilizando activos aromaterápicos y dermoestéticos [75].. 29.

(30) 1.4.3 Bioingeniería de tejidos. De nuevo la especificidad de estas estructuras va a condicionar las aplicaciones en la ingeniería tisular, ya que son estructuras similares a las estructuras de los tejidos vivos, incluyendo los tejidos del cuerpo humano, por ello se proponen aplicaciones del tipo: apósitos para regeneración de úlceras, reconstrucción de tejidos y de huesos mediante el uso de andamios [76,77]. Los andamios en bioingeniería se utilizan para reparar los tejidos dañados, y se definen como la construcción provisional que soporta la secuencia constructiva de un armado complejo, dando estabilidad al proceso de armado definitivo. Utilizando las nanofibras como andamios, las células sembradas se adhieren y crecen entre las nanofibras inmersas en el medio nutriente, posteriormente, los andamios con las células, son implantados en los tejidos dañados. Siguiendo esta teoría y como consecuencia de la estructura que caracteriza a las nanofibras, es posible desarrollar andamios para todo tipo de tejidos humanos, entre los que destacan: tejidos para reparar vasos sanguíneos, cartílagos, huesos, nervios y piel [78]. En el desarrollo de andamios celulares, los intersticios que forman parte de los velos de las nanofibras, deben tener el tamaño adecuado para permitir que las células sembradas quepan y colonicen el tejido homogéneamente siguiendo los caminos marcados por las nanofibras, tanto superficialmente como tridimensionalmente.. 1.4.4 Energía y electrónica. Entre las distintas opciones de generación de energías limpias, cabe hacer una especial mención a las baterías poliméricas, conformadas por polímeros conductores utilizados como gel en disoluciones electrolíticas. Las nanofibras obtenidas por el proceso de electrohilado vuelven a ser una opción interesante para sustituir este tipo de materiales poliméricos. Debido a su estructura porosa y de gran superficie por la que se caracterizan, actúan como materiales conductores y resistencia interfacial, aportando estabilidad electroquímica al sistema [62,79]. 30.

(31) En el campo de la electrónica se están introduciendo las nanofibras como materiales para desarrollar todos tipos de sensores, sensores de gas, químicos, ópticos y biosensores. De nuevo la alta relación superficie/volumen que presentan los velos de nanofibras, vuelve a ser la variable que los hace atractivos para este tipo de aplicaciones. En alguno caso se está reemplazando el material convencional que actúa de interfase por velos y/o membranas de nanofibras [37]. En este mismo campo se está estudiando la posibilidad de desarrollar células fotovoltaicas para la captación de la energía solar, a partir de velos de nanofibras funcionalizados mediante compuestos inorgánicos como dióxido de titanio [80,81]. 1.7Polivinil Alcohol (PVA) Estructura y obtención del PVA Alcohol de polivinilo (PVA) es un polímero sintético lineal producido a través de la hidrólisis parcial o total de acetato de polivinilo para eliminar el grupo acetato figura 7. La cantidad de hidroxilación determina las características físicas y químicas, así como las propiedades mecánicas del polímero [82].. OH |. -[CH-CH2-]n Figura 7. Estructura Quimica del Polivinyl Alcohol. Esta ruta química da como resultado un producto altamente soluble en agua, pero resistente a la mayoría de los disolventes orgánicos. Cuanto mayor sea el grado de hidroxilación y de polimerización, menor es la solubilidad en agua y más difícil de cristalizar [83].. 31.

(32) Debido a su solubilidad en agua, PVA necesita ser reticulado para para formar hidrogeles [84]. Los hidrogeles son redes poliméricas tridimensionales capaces de absorber grandes cantidades de líquidos, sin disolverse en ellos y con el tiempo liberarlos [85,86]. Esta característica junto con su biocompatibilidad con los tejidos humanos, permeabilidad y bajo coeficiente de fricción [87], los han hecho aptos para ser usados en aplicaciones médicas [88]. Estas redes tridimensionales están compuestas de una fase sólida, fluido intersticial y especies iónicas como se aprecia en la figura 3; se les ha considerado materiales biointeligentes ya que responden variando su volumen, a estímulos del medio ambiente, tales como: cambios de pH, temperatura, concentración de especies, biomoléculas (glucosa y proteínas) [89], radiaciones y campo eléctrico [90].. Características Generales del PVA. Las propiedades del PVA se encuentran fuertemente influenciadas por el método de síntesis empleado. El grado de polimerización, las condiciones de hidrólisis y la etapa de secado afectan las propiedades finales del producto [91]. Las propiedades físicas y químicas del PVA dependen en primer lugar del peso molecular (figura 8) y en segundo lugar del contenido de grupos acetil o grado de hidrólisis (figura 9). La solubilidad del PVA va a estar en función del peso molecular y del grado de polimerización, de forma que cuanto mayor es el peso molecular, más insoluble en agua es el polímero. El polímero totalmente hidrolizado es insoluble en agua a temperatura ambiente, sin embargo se solubiliza perfectamente por encima de los 85°C [92]. La presencia de grupos hidroxil aumentan las interacciones por puente de hidrógeno, tanto intramolecular como intermolecularmente, disminuyendo la solubilidad en agua, mientras que la presencia residual de grupos acetil disminuye el número de interacciones por puente de hidrógeno, permitiendo la solubilidad en agua del polímero a temperaturas más bajas.. 32.

(33) Figura 8 Influencia del peso molecular en las propiedades del PVA.. 33.

(34) Figura 9. Influencia del peso molecular en las propiedades del PVA. Otras propiedades físicas que lo hacen interesante, es que el PVA es parcialmente cristalino, mientras que la mayoría de los compuestos de polivino como el poliestireno o el acetato de polivinilo son amorfos. El PVA también se caracteriza por su buena resistencia química a compuestos del tipo hidrocarburo, hidrocarburos halogenados, ésteres de ácidos carboxílicos, grasas y aceites vegetales o animales. La resistencia a disolventes orgánicos aumenta con el grado de hidrolisis [92]. El PVA además es una excelente barrera al oxígeno gaseoso en bajas condiciones humedad, disminuyendo esta propiedad con el aumento de humedad relativa. El punto de fusión del PVA estará en función de todas las propiedades descritas anteriormente, dependerá tanto del grado de polimerización como el peso molecular y en mayor medida dependerá de la distribución de zonas amorfas y cristalinas, ya que el tamaño de los cristales determina directamente el punto de fusión de dicho polímero. De acuerdo a la bibliografía consultada aparece un amplio rango de puntos de fusión documentados; desde 220°C hasta 267°C. Cuando el alcohol de polivinilo se calienta gradualmente sin disolverse durante un largo periodo, se produce su descomposición gaseosa alrededor de los 110°C, dependiendo de la intensidad y la duración del proceso de calentamiento[93]. Finalmente cabe señalar la bidegradabilidad del PVA, ya que es uno de los pocos polímeros sintéticos realmente degradables, obteniéndose como productos de degradación de agua y dióxdo de carbono[94]. Al menos 55 especies o variedades de microorganismos muestran procesos de degradación de este polímero en diferentes entornos como son los fangos activados, digestores anaeróbios, sistemas sépticos, compostaje, sistemas acuáticos y lagunaje. El tiempo de degradación del PVA por la acción de los microorganismos vuelve a depender de sus propiedades físicas y de lo adaptado que estén dichos microorganismos para degradar este tipo de polímeros. El PVA es rápidamente biodegradable mediante el proceso de fangos activados, si la biomasa está acostumbrada a la aportación regular de este polímero[95]. 34.

(35) 2.6 Proceso de electrohilado de PVA en disolución acuosa.. La obtención de velos de nanofibras es relativamente sencilla si se compara con otros tipos de polímeros debido a su solubilidad en agua. Esto permite trabajar en condiciones atmosféricas, evitando el sistema de acondicionamiento y extracción de la cámara de electrohilado, siempre y cuando se trabaje con humedades relativas entre 20% y 50% [96,50]. Tal como se ha detallado a nivel general en el apartado 2.2.2 las variables que intervienen directamente en el proceso de electrohilado incluyen: la conductividad de la disolución, la presión de vapor del disolvente, el peso molecular del polímero el cual se determinará junto con la concentración del mismo, la viscosidad de la disolución y la tensión superficial. En cuanto a las variables del proceso en sí, destacan la distancia entre los electrodos, la intensidad del voltaje aplicado y las condiciones ambientales de temperatura y humedad principalmente.  Peso molecular y viscosidad de la disolución: el peso molecular de los polímeros en disolución será responsable de las propiedades reológicas de las nanofibras, y lo que es más importante aún, será el que determine el resto de las propiedades del proceso, por ejemplo a mayor peso molecular mayor será la intensidad de voltaje a aplicar. Se han conseguido electrohilar nanofibras de PVA de un amplio rango de pesos moleculares [97].  Tensión Superficial: las cargas de la solución del polímero deber los suficientemente altas como para vencer la tensión superficial de la misma. La tensión superficial no se ve afectada por la adicion de cargas en forma de electrolitos [98].  Conductividad: el proceso de electrohilado está íntimamente relacionado con la repulsión de cargas que se crea en la superficie de la disolución. A mayor conductividad de diolución del polímero, mayor facilidad tendrá para cargarse y formar finas fibras de polímero. En el caso del PVA, el pH de la disolución afecta. 35.

(36) notablemente las propiedades del velo obtenido, obteniéndose mejores resultados en cuanto a uniformidad y tamaño de las nanofibras si se trabaja a pH extremos (2-12 pH) [31].  Intensidad del voltaje aplicado: la intensidad del voltaje aplicado depende como se ha detallado en las propiedades de la disolución, empezando por el peso molecular del polímero, su concentración, tensión superficial y viscosidad. También depende de la distancia entre los electrodos. Cuanto mayor es el voltaje, menor es el diámetro de las nanofibras y mayor cristalinidad del polímero a una vez electrohilado en forma de velo de nanofibras [99].  Distancia entre electrodos: la distancia es una de las variables del proceso a determinar exactamente, ya que de ella no sólo dependen las propiedades finales del velo, sino que pueden llegar a formarse o no las nanofibras si la distancia entre electrodos no está optimizada. Para que se evapore el agua que forma parte del filamento de PVA electrohilado, es necesario una distancia mínima a partir de la cual, si se va incrementando, se obtendrán nanofibras de diámetros más finos, hasta alcanzar la distancia en la que se rompe el campo eléctrico entre los dos electrodos y los filamentos dejan de fluir [30].  Velocidades de proceso: entre las que se incluyen la velocidad de paso del substracto colector y la velocidad de alimentación de la disolución o flujo. Estas dos variables van a interferir principalmente en el gramaje del recubrimiento y espesor del mismo. A medida que aumenta la velocidad de paso del substrato colector, disminuye el espesor del velo de nanofibras. Por el contrario, cuanto mayor es la velocidad de alimentación del polímero, mayor número de nanofibras están formándose para unas condiciones dadas de proceso, obteniéndose velos de mayor espesor y gramaje.  Condiciones ambientales: humedad y temperatura. La humead tiene una enorme influencia en el proceso de electrohilado ya que determina la proporción de evaporación del disolvente de la disoluición polimérica. En el caso del electrohilado de PVA, aunque se puede trabajar en cierto rango de humedades (HR%: 30-50%), la concentración de humedad en el interior de la cámara deber ser controlada y estabilizada de forma constante, con el fin de conseguir un entramado de fibras 36.

(37) óptimo y homogéneo. El exceso de humedad en la cámara o saturación hará que las nanofibras que se forman no lleguen secas al substrato colector y al entrar en contacto con el enmarañado de nanofibras depositadas previamente, provocarán su disolución, generando un velo de nanofibras de mala calidad [100]. En cuanto a la temperatura, provoca dos efectos en la cámara de electrohilado, afectando la viscosidad de la disolución y a la proporción de evaporación. Cuanto mayor es la temperatura se obtienen nanofibras de menor diámetro, sin embargo, un exceso de temperatura provoca una evaporación demasiado rápida, colapsando el proceso e impidiendo que las nanofibras alcancen substrato colector. [35,101]. 2.7 Substratos del Colector. El substrato colector debe mantener el campo eléctrico formado entre dos electrodos, y en última instancia entre la disolución cargada y el propio substrato. Al encontrarse en contacto con el electrodo superior, debe facilitar la transmisión de cargas y evitar rotura del campo eléctrico. Como las fibras electrohiladas se encuentran cargadas y se colocan sobre el colector, se acumulan cargas sobre la malla de fibras, lo que puede llegar a tener una gran influencia sobre el proceso de electrohilado, especialmente cuando se producen muchas fibras. El campo eléctrico resultante eléctrico resultante provoca el movimiento de las cargas hacia los puntos en equilibrio, donde la suma de las fuerzas de las repulsiones que se generan es igual a cero. Las cargas del interior del substrato se moverán hacia la superficie de manera que el campo en cualquier punto del interior del substrato sea igual a cero. Las carga de la superficie se orientan según el campo eléctrico, perpendicularmente a la superficie, como el substrato no tiene una superficie lisa y perfecta, se acumulan alrededor de los bordes o protuberancias de la superficie. Estas irregularidades del campo eléctrico sobre la superficie pueden provocar agujeros en el velo de nanofibras depositado, por tanto, es necesario que el substrato presente cierta. 37.

(38) regularidad superficial, y que tenga capacidad de facilitar el movimiento de. cargas.. Cuando se trabaja con PVA se necesitan conductividades superficiales del orden de los 108 Ohm.. 38.

(39) 2.8 Métodos de Obtención de Hidroxiapatita. Durante la última década, se han desarrollado diferentes métodos para preparar nanopartículas HAp. M. Sadat-Shojai et al [106] en 2013 ha clasificaron los métodos de preparación en cinco grupos. . Método vía Seca.. . Métodos vía Húmeda.. . Procesos de Alta Temperatura.. . Métodos de Síntesis basados en Fuentes Biogénicas.. . Procedimientos de Combinación. Método vía Seca.. El método por vía seca no utiliza solventes. Según la bibliografía, las características de un polvo sinterizado por este método no requieren condiciones controladas de proceso. Haciéndolas adecuadas para la producción en masa de polvos. Las técnicas para obtener HAp por vía seca más utilizadas son: síntesis en estado sólido y proceso de mecano química. Síntesis en estado sólido Una reacción en estado sólido, es un procedimiento que puede ser empleado para la producción de polvos en masa [107-110]. Los precursores primero se muelen y luego se calcinan a una temperatura muy alta [107]. La figura 10 muestra que los precursores pueden ser productos químicos que contienen calcio y fosforo o simplemente una sal de CaP. La. alta temperatura de calcinación conduce a la formación de una estructura. cristalina. Una de las desventajas, es que un polvo sinterizado por una reacción de estado sólido a menudo exhibe una heterogeneidad en su composición de fase, debido a los pequeños coeficientes de difusión de iones dentro de su fase sólida [108,109].. 39.

(40) Figura 10. Método de obtención HAp estado sólido Mecano química. El proceso de mecanoquímica, a veces conocida como mecánica aleación, es un método simple para la fabricación en seco de diversos materiales avanzados, tales como aleaciones nanocristalina y cerámicas [111,112]. Contrario con el método de estado sólido donde las partículas de HAp heterogenias se producen por lo general de forma irregular, en cambio un polvo sinterizado utilizando una ruta mecanoquímica generalmente posee una estructura bien definida. Esto debido a la perturbación ocasionada en las superficies de las especies químicas, así como un estudio previo del efecto termodinámico y cinética de la reacción entre los sólidos [113-117]. El proceso mecanoquimica tiene las ventajas de simplicidad y reproducibilidad de síntesis figura 11. Los materiales se muelen en un molino planetario mientras que la relación molar entre los reactivos se mantiene estequimetricamente [118,119]. Las principales variables de procesamiento incluyen: el tipo de reactivos, la clase de medio de molienda, el tipo y diámetro de las bolas de molienda, tipo de atmosfera, duración de las etapas de molienda, intervalo de pausas, así como la proporción de polvo, masa de bola y la velocidad rotacional figura 12.. 40.

(41) Figura 11 Sintesis de HAp por mecoquimica [114]. Figura 12 Esquema de la Molienda de Alta Energia.. Método vía Húmeda Convencionalmente se han aplicado los métodos húmedos para la preparación de partículas HAp a escalas nanométricas con una morfología normal. Las ventajas del método por via húmeda es su capacidad para controlar la morfología, el tamaño promedio de polvo siendo una de las técnicas más prometedoras para la fabricación de nanohidroxiapatia. 41.

(42) Precipitación Quimica Convencional. Entre los diversos métodos de procesamiento húmedo la precipitación química convencional es la ruta química más sencilla para la síntesis de HAp nanometrica. La precipitación química se basa en el hecho de que, a temperatura ambiente y pH 4.2, HAp es menos soluble y por lo general la fase de CaP es más estable en una solución acuosa. La reacción de precipitación es llevada a cabo a valores de pH superiores a 4.2 y temperaturas cercanas al punto de ebullición del agua. Para producir nanopartículas de HAp, la precipitación química se puede lograr usando varios reactivos con contenido de calcio y fosfato, por ejemplo, hidróxido de calcio o nitrato de calcio como fuente de Ca2+ y ácido ortofosfórico o hidrógeno-fosfato de diamonio como fuente de PO43-. Un procedimiento típico implica la adición gota a gota de un reactivo a otro bajo agitación continua y suave, mientras que la relación molar de los de los elementos (Ca/P) se mantiene estequiometricamente de acuerdo con su relación en HAp. Como último paso, la suspensión resultante se lava inmediatamente, se filtra, es secada y triturada en polvo. Figura 13. Para obtener cristales de HAp, con alta pureza de fase, la reacción de precipitación se lleva a cabo normalmente a valores de pH y temperarua. Cada vez que el valor de pH debe ser rebajado (por ejemplo, para lograr una morfología especifica), la temperatura debe elevarse y viceversa. Esto conduce a una dramática disminución en la generación de impurezas de fase (por ejemplo dicálcico anhidro (DCPA) y fosfato octacálcico (OCP) lo que resulta en HAp como una fase dominante. Además de otros parámetros, la velocidad de mezcla de los reactivos, la temperatura de calcinación, el método de secado, el sistema disolvente y la concentración de los reactivos han sido reportadas como elementos que afectas las características del polvo final. Por ejemplo, la velocidad de mezcla determina la velocidad de la reacción y por lo tanto la estructura quimica del polvo. Por lo general, una titulación lenta se recomienda para mejorar la homogeneidad química y la estequiometria del producto final. Por otra parta, la. 42.

(43) velocidad de adición está fuertemente relacionada con el pH obtenido al final de la síntesis y para la estabilidad de la suspensión.. Figura 13.Obtencion de Hidroxipatita método de precipitación convencional. El método de secado, determina tanto la morfología como la dispersabilidad del producto final. El tamaño de las partículas secadas en condiciones atmosféricas, es ligeramente más pequeño que el producto del secado por congelación. Además, las partículas secadas en condiciones de vacío son casi esféricas, con algunas barras, y su dispersabilidad es más pobre. La mejor metodología de secado, constituye la liofilización, dado que genera estructuras ultrafinas con la mejor dispersabilidad. Método Hidrotermico. El proceso hidrotérmico, como uno de los métodos más comunes para la preparación de HAp, se identifica generalmente por la reacción en una solución acuosa a temperatura y presión elevadas. También, puede considerarse como una precipitación química en la que se lleva a cabo en la etapa de envejecimiento a una temperatura alta en el interior de la autoclave. Se ha demostrado que las nanoparticulas de HAp obtenidas a partir de las condiciones hidrotermales, son altamente cristalinas y estequiometricas. Por otra parte la pureza de la fase y la relación Ca/P en HAp aumentan significativamente con el incremento de la temperatura. También es posible, sintetizar ―nanobastones‖ de HAp, de alta critalinidad, en condiciones neutras, seguido por un tratamiento hidrotérmico a 200°C durante 60 horas. En este caso, las nanoparticulas muestran estabilidad y alta dipersion, lo que indica su elevada carga de superficie y baja tendencia a la aglomeración. 43.

(44) La formación de cristales en forma de varilla a través de la cristalización hidrotérmica, comprende dos etapas principales: el paso de nucleación, en el que una reacción iónica forma pequeños núcleo cristalino en un medio sobresaturado y el paso hidrotérmico, en el que los núcleos consolidan su crecimiento hasta adquirir la forma de varilla. Figura 14. Figura 14. Obtención de Hidroxipatitia método Hidrotérmico Por otra parte, se ha demostrado que la temperatura y el pH son factores más importantes que afectan a las características estructurales y morfológicas de las nanopaticulas de HAp. el aspecto fibroso de las nanoparticulas disminuye, de modo abrupto, con el aumento del pH. La Figura 15, muestra el efecto delas condiciones hidrotermales sobre la mofología de la HAp.. 44.

(45) Figura 15.Efecto de las condiciones hidrotermales sobre la morfología de HAp De acuerdo con la figura, un alto valor de pH genera un crecimiento isotrópico anisotrópico débil, es decir, los cristales pueden crecer para formar nanoparticulas esféricas o en la mayoría de nanobastones varillas muy cortas. Sin embargo, con una disminución en el valor de pH de la suspensión se produce un crecimiento anisotrópico, es decir, critalitos crecerán en nanobastones unidimensionales o nanoplacas bidimensionales. Además, las formas más complicadas, incluyendo la estructura tridimensional plumosa, microcubos tridimensionales y microfibras tridimensionales, solo se obtienen si el valos de pH disminuye a 4.0.. Procesos Alta Temperatura. Estos métodos se caracterizan por grabar o quemar a los precursores, dadas las elevadas temperaturas. Sus procesos son Combustión y Pirolisis. Combustión Es un proceso convencional para preparar diversas cerámicas de óxido y es considerado un método prometedor para la preparación de nanocristales de CaP. La base de la técnica de combustión, proviene de los conceptos termoquímicos utilizados en los campos de los propulsores y los explosivos. La característica clave de la síntesis de HAp por combustión, es su capacidad para producir rápidamente polvos de alta pureza en una sola operación. Por otra parte, el método hace uso de materiales de bajo costo, la preparación es relativamente simple y proporciona gran homogeneidad química del polvo sinterizado. Como se ilustra en la figura 16, la solución en combustión para el procesamiento de HAp implica una reacción redox exotérmica autosostenida y rápida entre los agentes oxidantes (nitrato de calcio y ácido nítrico) y un combustible orgánico adecuado (por ejemplo, glicina, urea, sacarosa, ácido cítrico o ácido succínico), en una fase acuosa. Para esto, las soluciones acuosas madre de Ca(NO3)2 y (NH4)2HPO4 se mezclan, seguido por la adición del HNO3 concentrado para disolver el precipitado blanco resultante; una mezcla de dos o más combustibles se incorporan posteriormente en la solución resultante. 45.

(46) La reacción puede ser iniciada por el calentamiento de la mezcla en un horno a una temperatura bastante baja (por ejemplo 300°C); este es seguido por un aumento repentino de la temperatura, como resultado de la combustión, a un valor máximo. El paso final, es le enfriamiento rápido de la mezcla para inducir la nucleación máxima y para prevenir cualquier crecimiento de las partículas mayor al deseado. La exotermicidad de la reacción de combustión suministra el calor necesario para mantener la temperatura del sistema, y una vez iniciada, no se necesita calentamiento externo. El producto resultante es, generalmente, un aglomerado blando de partículas muy finas. Los parámetros de procesamiento, incluyendo la relación de combustible/oxidante, la temperatura inicial del horno, la naturaleza del combustible y la cantidad del precursor inicial, afectan la temperatura máxima de reacción y en consecuencia las características del polvo final.. Figura 16. Obtención de Hidroxiapatita por el método de Combustión. Pirolisis El método de pirolisis, conocido también como ―spray pirolisis‖, implica la pulverización de las soluciones precursoras en una llama o en una zona caliente de un horno eléctrico utilizando un generador de ultrasonidos. Esto es seguido por una reacción de los vapores y gases generados a altas temperaturas para producir un polvo final, formando aglomerados. [ref]. El manejar altas temperaturas permite la evaporación completa del precursor, además de la nucleación y crecimiento de las nanoparticulas en la fase gas.. 46.

(47) La figura 17 muestra la ilustración esquemática del equipo. De acuerdo a la figura, el tamaño de las partículas depende fuertemente del tamaño de las gotas generadas durante el proceso.. Figura 17. Método de Pirolisis para la obtención de Hidroxiapatita Como desventaja, el proceso de pirolisis, se forman agregaciones secundarias, lo que resulta una disminución del área superficial específica.. 47.

(48) Métodos de Síntesis basados en Fuentes Biogénicas. Las partículas de HAp, generadas, pacial o totalmente, a partir de fuentes biogénicas, es un propósito dela comunidad científica dada su similitud con la apatita humana. La figura 18 revela cinco grupos diferentes de fuentes naturales, incluyendo la extracción de minerales de los residuos biológicos, síntesis a partir de cascaras de huevo, síntesis a partir del exoesqueleto de organismos marinos, con la ayuda de síntesis de biomoléculas naturales y la síntesis usando las biomembranas. Figura 18. Método de obtención de síntesis basadas en fuentes biogenicas.. 48.

(49) 2.9 Materia Prima: Hueso de Puerco El tejido óseo está compuesto de diferente estructuras como: el hueso compacto o cortical, que está ubicado en la parte externa, es duro, denso y su grosor depende de la exigencia mecánica; otro es el hueso esponjoso o trabecular, que generalmente se ubica en la parte interna de los huesos y se caracteriza por ser liviano y por tener una forma de enrejado trabecular, con espacios óseos en los cuales se aloja la medula ósea. Las diferencias entre ambos tipos de hueso no sólo son estructurales, sino son funcionales. El hueso cortical tiene una mayor función mecánica de soporte y de protección, mientras el hueso trabecular tiene una mayor función metabólica, manteniendo la homeostasis iónica de los fluidos corporales [123] Tanto el hueso cortical como trabecular están compuestos por 60% en peso de mineral inorgánico, 30% en peso de material orgánico y 10% en peso de agua. La fase inorgánica consiste en nanocristales (2-3 nm de espesor por 25-50 nm de largo o ancho) de fosfatos de calcio, principalmente Hidroxiapatita [124,125] Ver figura 19.. 49.