centro de investigación en - Repositorio CIQA

CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN QUÍMICA APLICADA

“Nuevos Materiales Híbridos Basados en Poliésteres Biodegradables y Nanopartículas de ZnO: Propiedades

Antibacterianas y Protección UV”

Presenta

Jesús Heriberto Rodríguez Tobías

Asesores:

Dra. Graciela Morales Dr. Daniel Grande

Saltillo, Coahuila Diciembre de 2015

Agradecimientos

Este trabajo de tesis no hubiera llegado a su exitosa culminación sin la participación de importantes personas que me apoyaron en distintos ámbitos, a las cuales quisiera agradecer.

Primeramente a mi familia por apoyarme durante los años que estuve en CIQA, mi madre Francisca y mi padre Jesús, asimismo a mis hermanos Gerardo, Vanesa y Cecilia. A los integrantes que se fueron sumando: mis cuñados (Cecilia y José) y mis sobrinos (Gerardo, María José, Damián, Uriel y Gael).

Asimismo quisiera agradecer a mis asesores, a la Dra. Graciela Morales y al Dr. Daniel Grande por depositar su confianza en mí, compartir su experiencia y conocimiento, por alentarme a divulgar mi trabajo, también por el tiempo invertido en revisar cada documento, por sus sugerencias y ánimos, por formarme como investigador. Sobre todo quisiera agradecer la libertad que me brindaron para, en ocasiones, llevar por otro rumbo el trabajo.

Agradezco al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACyT) por otorgarme la beca de doctorado. Igualmente quisiera brindar mi gratitud al Ministerio de Asuntos Exteriores, al Ministerio de la Educación Nacional de la Enseñanza Superior y de la Investigación de Francia y de nueva cuenta al CONACyT por financiar mis estancias en el Instituto de Química y Materiales de París (ICMPE), esto a través del Programa de Cooperación de Posgrados.

Gracias a los doctores Carlos Ávila, Mario Gutiérrez y Ricardo Acosta por dedicar tiempo a la revisión de cada una de las etapas de este extenso trabajo. También a los doctores Selene Sepúlveda y Ricardo Vera por aceptar ser sinodales externos y dedicarse de lleno a la revisión de la tesis en tan corto tiempo. Gracias por compartir conmigo su experiencia y conocimiento en el campo de los polímeros.

También es importante mencionar a los investigadores que colaboraron fuertemente en distintas áreas y que gracias a su participación surgieron importantes resultados que fueron publicados o están en proceso de publicación. A las doctoras Amelia Olivas (CNyN- UNAM), Estelle Renard (ICMPE), Valérie Langlois (ICMPE), igualmente a los doctores Antonio Ledezma (CIQA), Jorge Romero (CIQA) y Rubén Saldívar (CIQA-PEMEX). Mis más sinceros agradecimientos para el Departamento de Posgrado, dirigido por el Dr. Luis Alfonso García y M.C. Gladys De Los Santos, por todo su apoyo a lo largo de mi trabajo de tesis y las facilidades otorgadas para la respectiva difusión en congresos.

Por otro lado, toda mi gratitud para Carmen Natividad Alvarado, David Domínguez (CNyN-UNAM), Dinorah Rodríguez (CIQA-PEMEX), Enrique Díaz Barriga, Jesús Cepeda, Myriam Lozano, Jesús Quiróz, Séna Hamadi (ICMPE), Marie-France Trichet (ICMPE), Pablo Acuña, Judith Cabello, Hortensia Maldonado, Jorge Félix Espinoza, Guadalupe Téllez y Guadalupe Méndez por el apoyo en la caracterización y/o evaluación de los materiales obtenidos en este trabajo.

Me gustaría externar mi cariño y gratitud a mis amigos del posgrado que me acompañaron en muchos momentos tan divertidos y me hicieron la estancia mucho muy amena: Daniela, Roberto, Hugo, Claude, Marco, Flora, Carlos y Adriana. Asimismo agradezco a mis amigos del grupo de investigación que encabeza la Dra. Morales: Heberto, Karla, Nayely, Lalo Cartagena, Javier Moreno, Javier Enríquez, Pablo Acuña, Lalo Valdez y Luis Guillermo.

Muchas gracias por su ayuda en el laboratorio y por sus consejos técnicos y personales, sobre todo por las pláticas a la hora del café. También agradezco a las personas que me recibieron en el ICMPE y que me ayudaron en distintos aspectos: Carine, Tina, Wendy, Mouna, Sonia, Ines, Romain, Seydina, M. Larchet y M. Dammak. Asimismo a mis compañeros de la casa en Thiais: Sylvain, Marc, Milo y Syriel.

Finalmente, mi más sincero agradecimiento a mis amigos de tantos años, a aquellos que aún trabajan en el Museo del Desierto y a quienes ahí conocí, son demasiados (afortunadamente) como para nombrarlos, todos son parte importante de mi vida. Quisiera agradecer también a Adrián Guzmán, quien ha compartido muchos años de amistad

conmigo y quien me ha llevado a conocer maravillosos lugares de nuestro país. A Osvaldo Telles por estar conmigo y con mi familia, apoyándonos, sobre todo en los momentos difíciles por los que atravesamos.

Resumen

La fabricación de nano- o microfibras poliméricas mediante técnicas basadas en fuerzas electrostáticas ha repuntado a nivel global en los últimos quince años, debido principalmente a la obtención de materiales idóneos para la ingeniería de tejidos. Es por ello que este trabajo de tesis se ha enfocado en desarrollar nuevos materiales fibrosos basados en poli(D,L-láctido) (PLA) o poli(3-hidroxibutirato) (PHB) y nanopartículas de ZnO, cuya elaboración fue lograda a través de la utilización de la técnica de electrohilado y la combinación del electrohilado y electroespreado.

En principio, se recurrió a la radiación microondas como fuente de calentamiento durante la síntesis de partículas de óxido de zinc (ZnO), donde se analizaron diversos factores tales como solvente, concentración y efecto de las microndas sobre la morfología final de las partículas del óxido metálico estudiado. Las partículas de ZnO con morfología cuasi- esférica y dentro del régimen nanométrico fueron elegidas para ser incorporadas tanto en PLA como en PHB mediante las técnicas de electrohilado y electrohilado/electroespreado.

Adicionalmente, se analizaron los efectos de la incorporación de las nanopartículas en las propiedades físicas de las soluciones precursoras con el afán de establecer una relación con la mofología obtenida. Asimismo, se evaluaron dos de las principales propiedades que imparte el ZnO, es decir, protección contra la radiación ultravioleta y actividad antibacteriana, sin dejar a un lado la estabilidad térmica y desempeño mecánico de los materiales fibrosos obtenidos.

Por otro lado, con el fin de favorecer la dispersión de las nanopartículas de ZnO en las fibras de PLA o PHB, la superficie de éstas fue modificada mediante la polimerización de

D,L-láctido utilizando microondas como fuente de calentamiento. Finalmente, se analizaron las repercusiones de la incorporación de las nanopartículas de ZnO modificadas sobre las propiedades físicas de las soluciones poliméricas precursoras y consecuentemente sobre la morfología final. Asimismo, fueron evaluadas las propiedades mecánicas, térmicas, antibacterianas y de protección UV.

En virtud de que los materiales fibrosos obtenidos exhibieron características morfológicas e inhibieron la proliferación de dos bacterias modelo de interés médico, se pueden vislumbrar como candidatos potenciales para el diseño de dispositivos médicos para la regeneración de tejidos con la ventaja de evitar infecciones debido a la propiedad antibacteriana conferida por las nanopartículas de ZnO.

Contenido

Lista de figuras ... 9

Lista de tablas ... 16

Introducción general ... 17

Capítulo 1. Síntesis de óxido de zinc con morfología controlada ... 19

1.1. Introducción ... 19

1.2. Estrategias para la síntesis de distintas estructuras de ZnO ... 19

1.3. Síntesis de ZnO empleando microondas como fuente de calentamiento ... 22

1.3.1. Generalidades del calentamiento por microondas ... 22

1.3.2. Síntesis de estructuras de ZnO asistida por microondas ... 24

1.4. Justificación de la etapa y planteamiento de objetivos particulares ... 29

1.5. Sección experimental ... 30

1.5.1. Materiales y equipo ... 30

1.5.2. Síntesis de nano-ZnO mediante irradiación con microondas ... 30

1.6. Resultados y discusión ... 32

1.6.1. Efecto del solvente sobre la morfología del ZnO ... 32

1.6.2. Efecto de las microondas sobre la morfología del ZnO ... 35

1.6.3. Efecto de la concentración de los precursores sobre la morfología del ZnO . 36 1.7. Conclusiones parciales ... 38

Capítulo 2. Modificación superficial de nanopartículas de ZnO mediante polimerización de D,L-láctido asistida por microondas ... 39

2.1. Introducción ... 39

2.2. Modificación superficial de óxidos metálicos con órgano-silanos ... 40

2.3. Modificación superficial de óxidos metálicos con ácidos carboxílicos ... 43

2.4. Modificación superficial de óxidos metálicos con ácidos fosfónicos ... 44

2.5. Modificación superficial de óxidos metálicos con polímeros ... 46

2.5.1. Estrategia “grafting onto” ... 47

2.5.2. Estrategia “grafting from” ... 49

2.6. Justificación de la etapa y planteamiento de objetivos particulares ... 60

2.7. Sección experimental ... 62

2.7.1. Materiales y equipo ... 62

2.7.1. Metodología para la polimerización de D,L-láctido en presencia de ZnO ... 64

2.8. Resultados y discusión. ... 65

2.8.1. Influencia del tamaño de particula sobre la polimerización del D,L-láctido ... 65

2.8.2. Influencia de la concentración de nanopartículas de ZnO sobre la polimerización del D,L-láctido ... 67

2.8.3. Análisis superficial de las nanopartículas de ZnO ... 69

2.8.4. Modificación superficial de nanopartículas de ZnO asistida por microondas en un equipo multimodal ... 70

2.8.5. Mecanismo de reacción para la formación del híbrido ZnO-graft-poli(D,L- láctido) ... 77

2.9. Conclusiones parciales ... 81

Capítulo 3. Incorporación de nanoparticulas de ZnO en PLA y PHB mediante electrohilado y electrohilado/electroespreado ... 82

3.1. Introducción ... 82

3.2. Generalidades sobre el proceso de electrohilado y electroespreado ... 83

3.2.1. Propiedades de la solución polimérica que afectan la morfología de materiales obtenidos por electrohilado ... 83

3.2.2. Parámetros relacionados con el equipo de electrohilado que afectan la morfología de los materiales obtenidos ... 86

3.2.3. Diseño de fibras poliméricas compuestas y sus aplicaciones en ingeniería de tejidos ... 88

3.3. Justificación de la etapa y planteamiento de objetivos particulares ... 98

3.4. Sección experimental ... 100

3.4.1. Materiales y equipo ... 100

3.4.2. Elaboración de materiales fibrosos basados en poliésteres biodegradables ... 101

3.4.3. Determinación de las propiedades mecánicas, térmicas, antibacteriales y proceso de foto-degradación de las fibras obtenidas ... 102

3.5. Resultados y Discusión ... 104

3.5.1. Materiales fibrosos basados en PLA y nanopartículas de ZnO obtenidos mediante electrohilado ... 104

3.5.1.1. Propiedades físicas de las soluciones precursoras... 104

3.5.1.2. Morfología de las fibras compuestas basadas en PLA y nanopartículas de ZnO elaboradas mediante electrohilado ... 106 3.5.1.3. Propiedades térmicas de las fibras de PLA y PLA/ZnO derivadas del proceso de electrohilado ... 109 3.5.1.4. Propiedades mecánicas de las fibras de PLA y PLA/ZnO derivadas del proceso de electrohilado ... 113 3.5.1.5. Actividad antibacteriana de las fibras de PLA y PLA/ZnO derivadas del proceso de electrohilado ... 115 3.5.1.6. Foto-degradación de las fibras de PLA y PLA/ZnO derivadas del proceso de electrohilado ... 117 3.5.2. Materiales fibrosos elaborados mediante electrohilado de PLA y electroespreado de nanopartículas de ZnO ... 119 3.5.2.1. Morfología de las fibras compuestas PLA/ZnO derivados del proceso combinado electrohilado/electroespreado ... 119 3.5.2.2. Propiedades térmicas de las fibras de PLA/ZnO elaboradas mediante la combinación de electrohilado/electroespreado ... 123 3.5.2.3. Propiedades mecánicas de las fibras compuestas de PLA/ZnO obtenidas mediante la combinación de electrohilado/electroespreado ... 126 3.5.2.4. Actividad antibacteriana de las fibras derivadas del proceso de electrohilado del PLA combinado con electroespreado de nano-ZnO ... 127 3.5.2.5. Foto-degradación de las fibras derivadas del proceso de electrohilado del PLA combinado con electroespreado de nano-ZnO ... 128 3.5.3. Materiales fibrosos basados en PHB y nano-ZnO elaborados mediante electrohilado. ... 129 3.5.3.1. Propiedades físicas de las soluciones precursoras de PHB conteniendo nanopartículas de ZnO ... 129 3.5.3.2. Morfología de las fibras compuestas de PHB/nanopartículas de ZnO obtenidas mediante electrohilado ... 131 3.5.3.3. Propiedades térmicas de los materiales fibrosos de PHB y PHB/ZnO elaborados mediante electrohilado ... 134 3.5.3.4. Propiedades mecánicas de las fibras compuestas de PHB/ZnO obtenidas mediante electrohilado ... 137 3.5.3.5. Propiedades antibacterianas de las fibras de PHB y PHB/ZnO fabricadas mediante electrohilado ... 139

3.5.3.6. Foto-degradación de las fibras de PHB y PHB/ZnO obtenidas por electrohilado

... 140

3.5.4. Materiales fibrosos diseñados mediante electrohilado de PHB y electroespreado de nanopartículas de ZnO ... 142

3.5.4.1. Estudio morfológico de las fibras de PHB y PHB/ZnO obtenidas mediante electrohilado/electroespreado ... 142

3.5.4.2. Propiedades térmicas de las fibras de PHB y PHB/ZnO elaboradas mediante la combinación de electrohilado/electroespreado ... 145

3.5.4.3. Propiedades mecánicas de las fibras de PHB y PHB/ZnO obtenidas mediante la combinación de electrohilado/electroespreado ... 147

3.5.4.4. Actividad antibacteriana de las fibras derivadas del proceso de electrohilado del PHB combinado con electroespreado de nano-ZnO ... 148

3.5.4.5. Foto-degradación de las fibras derivadas del proceso de electrohilado del PHB combinado con electroespreado de nano-ZnO ... 149

3.6. Conclusiones parciales ... 151

Capítulo 4. Electrohilado para el diseño de fibras de PLA o PHB conteniendo nanopartículas de ZnO-graft-PLA ... 152

4.1. Introducción ... 152

4.2. Investigación relacionada con el diseño de fibras de biopoliésteres y nanopartículas modificadas vía polimerización “grafting onto” ... 152

4.3. Justificación de esta etapa y planteamiento de objetivos particulares ... 154

4.4. Sección experimental ... 155

4.5. Resultados y Discusión ... 156

4.5.1. Materiales fibrosos basados en PLA y nanopartículas de ZnO-graft-PLA ... 156

4.5.1.1. Propiedades físicas de las soluciones precursoras de PLA ... 156

4.5.1.2. Morfología de las fibras basadas en PLA y ZnO-graft-PLA ... 157

4.5.1.3. Propiedades térmicas de las fibras de PLA y PLA/ZnO-graft-PLA derivadas del proceso de electrohilado ... 160

4.5.1.4. Propiedades mecánicas de las fibras de PLA y PLA/ZnO-graft-PLA derivadas del proceso de electrohilado ... 163

4.5.1.5. Actividad antibacteriana de las fibras de PLA y PLA/ZnO derivadas del proceso de electrohilado ... 164

4.5.1.6. Foto-degradación de las fibras de PLA y PLA/ZnO derivadas del proceso de electrohilado ... 165

4.5.2. Materiales fibrosos basados en PHB y nanopartículas de ZnO-graft-PLA

elaborados mediante electrohilado. ... 166

4.5.2.1. Propiedades físicas de las soluciones precursoras de PHB conteniendo nanopartículas de ZnO-graft-PLA ... 166

4.5.2.2. Morfología de las fibras compuestas de PHB con nanopartículas de ZnO-graft- PLA embebidas ... 168

4.5.2.3. Propiedades térmicas de los materiales fibrosos de PHB y PHB/ZnO elaborados mediante electrohilado ... 170

4.5.2.4. Propiedades mecánicas de las fibras compuestas de PHB/ZnO–graft-PLA obtenidas mediante electrohilado ... 173

4.5.2.5. Propiedades antibacterianas de las fibras de PHB y PHB/ZnO-graft-PLA fabricadas mediante electrohilado ... 174

4.5.2.6. Foto-degradación de las fibras de PHB y PHB/ZnO-graft-PLA obtenidas por electrohilado ... 175

4.6. Conclusiones parciales ... 177

Conclusiones generales y perspectivas de trabajo futuro ... 179

Referencias ... 181

Lista de figuras

Figura 1. Morfologías obtenidas mediante la síntesis hidrotérmica de ZnO empleando microondas como fuente de calentamiento, luego de 20 min de irradiación, concentración de Zn(NO3)2 = 1.6 mol·L^-1, concentración de NaOH = 3.2 mol·L^-1 y diferentes temperaturas (a) 140, (b) 180, (c) 220, (d) 100°C y (e) sin control de la temperatura, únicamente manteniendo la presión a 3 MPa. ... 25 Figura 2. Micrografías SEM de las nanoestructuras de ZnO sintetizadas a diferentes potencias: (a) 150, (b) 450, (c) 700 y (d) 1000W. Fuente: Ref. ³⁶... 28 Figura 3. Patrones de difracción de rayos X correspondientes al sólido obtenido de las reacciones conducidas en medio (a) acuoso y (b) metanólico. ... 33 Figura 4. Micrografías SEM (a, b) y TEM (c, d) del ZnO obtenido en medio (a, c) metanólico o (b, d) acuoso, y (e) distribución de diámetros de partícula del ZnO obtenido en metanol. ... 34 Figura 5. Micrografías SEM del ZnO sintetizado en medio (a) metanólico y (b) acuoso, cuya reacción fue llevada a cabo mediante calentamiento convencional. ... 36 Figura 6. (a) Micrografía SEM y (b) patrón de difracción de las partículas de ZnO obtenidas a partir de soluciones metanólicas de Zn(CH₃COO)₂ 0.64 M y KOH 1.28 M. ... 37 Figura 7. Mecanismo de reacción mediante el cual los organosilanos se unen a la superficie de óxidos metálicos ... 41 Figura 8. Imágenes TEM de Fe₃O₄ con recubrimiento derivado de (a) APTES, (b) MTMS, (c) OTES y (d) TEOS. ... 42 Figura 9. Unión entre una molécula de ácido carboxílico y la superficie de los óxidos metálicos, donde las esferas oscuras representan al metal y las blancas al oxígeno. ... 44 Figura 10. Distintas configuraciones moleculares que pueden adoptar los ácidos fosfónicos para unirse a los óxidos metálicos. ... 45 Figura 11. Imagen TEM de las nanopartículas de sílica modificadas con una capa de magnetita y PEG (izquierda), y fotografía del comportamiento de estas nanopartículas en solución acuosa (pH = 3) frente a un magneto. ... 48 Figura 12. Esquema de la modificación superficial de maghemita con copolímeros dibloque con extremo fosfónico y modificación simultánea con aminas y acrilatos. ... 48

Figura 13. Esquema de la modificación superficial de nanopartículas mediante la estrategia

“grafting onto” (cuadro superior) y “grafting from” (cuadro inferior). ... 50 Figura 14. Imagen TEM de (a) nano-Fe3O4 puras, (b) acercamiento a un extremo de éstas, (c) nano-Fe3O4 modificadas con APTES y tiocarbamato, y (d) nano-Fe3O4 modificadas con poli[(2-aminoetil)-metacrilato] y tiocarbamato. ... 51 Figura 15. Esquema para la preparación de PPEGMA-graft-ZnO ... 52 Figura 16. Esquema de la modificación superficial de nanopartículas de sílica mediante polimerización RAFT y química click (izquierda) y una micrografía TEM de las nanopartículas modificadas (derecha). ... 54 Figura 17. Imágenes de las nanopartículas de sílica modificadas con poliestireno, la reacción de polimerización se condujo hasta distintas conversiones: (a) 5.7, (b) 9.7, (c) 30, (d) 47.3 y (e) 58.8%. ... 55 Figura 18. Mecanismo de inserción-coordinación para la polimerización del láctido catalizada por el octoato de estaño y compuestos portadores de grupos hidroxilo. ... 58 Figura 19. Imágenes obtenidas mediante AFM de películas de silicón puras y modificadas con silanos (HEAPS y PEGS) y PLLA. ... 59 Figura 20. Espectro RMN ¹H de la mezcla de reacción del D,L-láctido en presencia de 8.5% en peso de nanopartículas de ZnO luego de irradiación con microndas hasta una temperatura de 130°C por 180 min. ... 66 Figura 21. Conversión del D,L-láctido como función del tiempo de reacción y de la concentración de nanopartículas de ZnO... 68 Figura 22. (a) Mn e (b) índice de polidispersidad del PLA aislado como función del tiempo de reacción y la concentración de nanopartículas de ZnO. ... 68 Figura 23. Espectro FTIR de las nanopartículas de ZnO puras, PLA de referencia y las nanopartículas de ZnO-graft-PLA ... 69 Figura 24. Análisis termogravimétrico de las nanopartículas de ZnO, PLA de referencia y el ZnO-graft-PLA ... 70 Figura 25. Conversión de D,L-láctido como función del tiempo de reacción y del equipo de microondas empleado ... 72 Figura 26. FTIR de la mezcla de reacción D,L-láctido/8.5% en peso de nano-ZnO luego de ser secada mediante (a) equipo liofilizador y (b) mediante línea de vacío (mezcla de

reacción + tolueno anhidro y congelada con nitrógeno líquido). Adicionalmente, se muestra el espectro FTIR (c) del lactato de zinc sintetizado... 73 Figura 27. (a) Valores de Mn e (b) índices de polidispersidad como función del tiempo de reacción y equipo de microondas utilizado. ... 73 Figura 28. Espectros XPS de (a,c) oxígeno y (b,d) carbono de las nanopartículas de ZnO (a,b) injertadas con PLA y (c,d) puras. ... 75 Figura 29. Imágenes TEM de (a) las nanopartículas de ZnO puras e (b,c) injertadas con PLA. Los insertos a las imágenes FFT obtenidas de las zonas dentro de los recuadros negros. ... 76 Figura 30. TGA de las nanopartículas de ZnO puras, nanopartículas modificadas y PLA de referencia ... 77 Figura 31. Propuesta de la serie de reacciones que conducen a la formación de poli(D,L- láctido) libre y ZnO-graft- poli(D,L-láctido). ... 79 Figura 32. FTIR de (a) nanopartículas de ZnO puras y (b) aisladas luego de ser sometidas a calentamiento con microondas mono-modal en presencia de PLA (8.5% en peso de nano- ZnO) en tolueno a 130°C durante 180 min. ... 80 Figura 33. Histograma del número de publicaciones por año relacionadas con el uso de electrohilado y electroespreado para la fabricación de materiales poliméricos fibrosos (Fuente: Web of Knowledge^TM, usando las palabras clave: electrospinning electrospraying polymer y seleccionando solo los artículos, patentes, memorias de congresos). ... 82 Figura 34. Imágenes SEM de fibras de PLGA derivadas de soluciones al (a) 2, (b) 3, (c) 4, (d) 5 y (e) 8% en peso, disueltas en cloroformo y N,N-dimetilformamida (80:20) (barra de escala = 10 ȝm) ... 84 Figura 35. (a) Número de enmarañamientos (ne) calculados como función de la concentración de poliestireno (PS) y (b) poli(L-láctido) (PLA), donde el área gris indica la zona de transición gota-fibra polimérica, mientras que las líneas rectas son los valores de ne

calculados para los mencionados polímeros con diferente masa molar. ... 85 Figura 36. Imágenes TEM de nanofibras de PVP preparadas a partir de soluciones en (a) etanol, (b) diclorometano y (c) DMF... 86 Figura 37. Imágenes SEM de fibras de poli(alcohol vinílico) obtenidas a distintas distancias colector-aguja (a) 5, (b) 7, (c) 10, (d) 13 y (e) 15 cm. ... 88

Figura 38. Esquema de la combinación de las técnicas de electrohilado (del colector hacia la izquierda) y electroespreado (del colector hacia la derecha). ... 96 Figura 39. Viscosidad como función de la velocidad de corte de la solución al 15% en peso de PLA en TFE conteniendo distintas concentraciones de nanopartículas de ZnO ... 105 Figura 40. Imágenes SEM de las fibras de PLA derivadas de proceso de electrohilado de soluciones en TFE conteniendo (a) 0, (b) 1, (c) 3 y (d) 5% en peso de nanopartículas de ZnO. ... 108 Figura 41. Imágenes TEM de las fibras de PLA derivadas del electrohilado conteniendo (a,b) 3 y (d,e) 5% de nanopartículas de ZnO y los correspondientes espectros EDX (obtenidos de b y e). ... 109 Figura 42. Análisis termogravimétrico de las fibras de PLA obtenidas mediante electrohilado de las correspondientes soluciones en TFE conteniendo diferente concentración de nanopartículas de ZnO... 111 Figura 43. Gráficas de DSC de las fibras de PLA obtenidas mediante electrohilado de una solución conteniendo diferente concentración de nanopartículas de ZnO: (a) primer calentamiento, (b) enfriamiento y (c) segundo calentamiento. ... 113 Figura 44. Gráfica esfuerzo-desplazamiento obtenidas de las pruebas de tensión de las fibras compuestas de PLA y distintos contenidos de nano-ZnO. ... 115 Figura 45. Porcentaje de inhibición del crecimiento de las bacterias E. coli y S. aureus en presencia de los materiales fibrosos conteniendo distintas concentraciones de nanopartículas de ZnO. ... 117 Figura 46. (a) FTIR de los materiales fibrosos basados en PLA y nanopartículas de ZnO expuestos a radiación UV (Ȝ=313 nm, T = 60°C) por 500h. (b) ampliación de la zona entre 1775 y 1875 cm^-1. ... 119 Figura 47. Imágenes SEM de las fibras elaboradas a partir del electrohilado de una solución de PLA combinado con el electroespreado de una dispersión con (a) 0, (b) 1, (c) 3 y (d) 5%

de nano-ZnO ... 121 Figura 48. Imágenes SEM de las fibras de PLA rociadas con (a) 1, (b) 3 y (c) 5% en peso de nanopartículas de ZnO, del lado derecho se muestran los correspondientes mapas elementales de Zn. ... 122

Figura 49. Análisis termogravimétrico de las fibras de PLA obtenidas mediante electrohilado de las correspondientes soluciones en TFE conteniendo diferente concentración de nanopartículas de ZnO... 124 Figura 50. Graficas de DSC de las fibras de PLA obtenidas mediante electrohilado rociadas con diferente concentración de nano-ZnO: (a) primer calentamiento, (b) enfriamiento y (c) segundo calentamiento. ... 125 Figura 51. Gráfica de esfuerzo-desplazamiento de las fibras de PLA rociadas con diferente contenido de nanopartículas de ZnO. ... 127 Figura 52. FTIR de la zona de los (a) grupos hidroxilo, es decir, 3000-3800 cm^-1 y (b) los grupos carbonilo, esto es, 1780-1880 cm^-1. ... 129 Figura 53. Viscosidad como función de la velocidad de corte para las soluciones de PHB al 10% en TFE conteniendo distintas concentraciones de nanopartículas de ZnO ... 130 Figura 54. Conductividad eléctrica del TFE puro y soluciones de PHB al 10% en TFE como función del contenido de nanopartículas de ZnO incorporadas ... 131 Figura 55. Imágenes SEM de las fibras de PHB derivadas de proceso de electrohilado de soluciones en TFE conteniendo (a) 0, (b) 1, (c) 3 y (d) 5% en peso de nanopartículas de ZnO. ... 133 Figura 56. Imágenes TEM de las fibras de PHB derivadas del electrohilado conteniendo (a,b) 3 y (d,e) 5% de nanopartículas de ZnO y los correspondientes espectros EDX (obtenidos de b y e) ... 134 Figura 57. TGA de las fibras de PHB obtenidas de soluciones en TFE conteniendo diferente concentración de nanopartículas de ZnO... 135 Figura 58. Termogramas DSC de las fibras de PHB obtenidas mediante electrohilado de la respectiva solución conteniendo diferentes concentración de nanopartículas de ZnO. (a) primer calentamiento, (b) enfriamiento y (c) segundo calentamiento. ... 137 Figura 59. Diagrama esfuerzo-desplazamiento de los materiales fibrosos basados en PHB conteniendo diferente concentración de nanopartículas de ZnO ... 138 Figura 60. Porcentaje de inhibición de crecimiento de S. aureus y E. coli frente a los materiales fibrosos basados en PHB con distinto contenido de nanopartículas de ZnO .... 140 Figura 61. FTIR de la zona 1680-1820 cm^-1 y 1000-1400 cm^-1 de las fibras electrohiladas de PHB sin envejecer y envejecidas durante 500 h ... 141

Figura 62. Imágenes SEM de las fibras de PHB rociadas con (a) 0, (b) 1, (c) 3 y (d) 5% de nanopartículas de ZnO. Del lado derecho de cada imagen se aprecia la distribución de diámetros de fibra. ... 143 Figura 63. Imágenes SEM con sus correspondientes mapas de Zn de las fibras de PHB rociadas con (a) 1, (b) 3 y (c) 5% de nanopartículas de ZnO. ... 144 Figura 64. TGA de las fibras derivadas del proceso de electrohilado de PHB combinado con electroespreado de nano-ZnO. ... 145 Figura 65. Termogramas DSC de las fibras de PHB rociadas con distintas concentraciones de nanopartículas de ZnO: (a) primer calentamiento, (b) enfriamiento y (c) segundo calentamiento. ... 147 Figura 66. Diagrama esfuerzo-desplazamiento de los materiales fibrosos basados en PHB conteniendo diferente concentración de nanopartículas de ZnO ... 148 Figura 67. Porcentaje de inhibición del crecimiento de E. coli y S. aureus en presencia de los materiales fibrosos basados en PHB y nano-ZnO. ... 149 Figura 68. FTIR de la zona 1680-1820 cm^-1 y 1000-1400 cm^-1 de las fibras electroespreadas de PHB sin envejecer y envejecidas durante 500 h ... 150 Figura 69. Viscosidad como función de la velocidad de corte de la solución al 15% en peso de PLA en TFE conteniendo distintas concentraciones de nanopartículas de ZnO (a) puras y (b) modificadas ... 157 Figura 70. Imágenes SEM de las fibras de PLA derivadas de proceso de electrohilado de soluciones en TFE conteniendo (a) 0, (b) 1, (c) 3 y (d) 5% en masa de nanopartículas de ZnO-graft-PLA. ... 159 Figura 71. Imágenes TEM de las fibras de PLA derivadas del electrohilado conteniendo (a,b) 3 y (d,e) 5% de nanopartículas de ZnO-graft-PLA. ... 160 Figura 72. TGA de las fibras de PLA obtenidas mediante electrohilado conteniendo diferente concentración de (a) ZnO puro y (b) ZnO-graft-PLA ... 161 Figura 73. Gráficas de DSC de las fibras de PLA obtenidas mediante electrohilado de una solución conteniendo diferente concentración de ZnO-graft-PLA: (a) primer calentamiento, (b) enfriamiento y (c) segundo calentamiento. ... 162 Figura 74. Gráfica esfuerzo-desplazamiento obtenidas de las pruebas de tensión de las fibras compuestas de PLA y distintos contenidos de ZnO-graft-PLA. ... 164

Figura 75. Porcentaje de inhibición del crecimiento de las bacterias E. coli y S. aureus en presencia de los materiales fibrosos basados en PLA conteniendo distintas concentraciones de ZnO-graft-PLA ... 165 Figura 76. FTIR (zonas de interés) de los materiales fibrosos basados en PLA y ZnO-graft- PLA expuestos a radiación UV (Ȝ=313 nm, T = 60°C) por 500h. ... 166 Figura 77. Viscosidad como función de la velocidad de corte para las soluciones de PHB al 10% en TFE conteniendo distintas concentraciones de nanopartículas de (a) ZnO puro o (b) ZnO-graft-PLA. ... 167 Figura 78. Imágenes SEM de las fibras de PHB con (a) 0, (b) 1, (c) 3 y (d) 5% de ZnO- graft-PLA. Del lado derecho de cada imagen se aprecia la distribución de diámetros de fibra. ... 169 Figura 79. Imágenes TEM de las fibras de PHB derivadas del electrohilado conteniendo (a,b) 3 y (d,e) 5% de ZnO-graft-PLA ... 170 Figura 80. TGA de las fibras de PHB y PHB/ZnO-graft-PLA obtenidas mediante electrohilado ... 171 Figura 81. Graficas de DSC de las fibras de PHB obtenidas mediante electrohilado de una solución conteniendo diferente concentración de ZnO-graft-PLA: (a) primer calentamiento, (b) enfriamiento y (c) segundo calentamiento. ... 173 Figura 82. Gráficas esfuerzo-desplazamiento de las fibras de PHB conteniendo diferentes concentraciones de ZnO-graft-PLA. ... 174 Figura 83.Inhibición del crecimiento de E. coli y S. aureus frente a los materiales fibrosos basados en PHB y ZnO-graft-PLA ... 175 Figura 84. Zonas del espectro FTIR correspondientes al intervalo donde se manifiestan las vibraciones del enlace C=O (imagen izquierda) y C-O-C (imagen derecha) del PHB ... 176

Lista de tablas

Tabla 1. Temperaturas de degradación y contenido residual de las fibras de PLA/ZnO, cuyos valores fueron obtenidos de los correspondientes TGA. ... 111 Tabla 2.Temperaturas de degradación y contenido residual de las fibras de PLA/ZnO, cuyos valores fueron obtenidos de los correspondientes TGA. ... 124 Tabla 3. Porcentaje de inhibición del crecimiento de las bacterias E. coli y S. aureus frente a fibras de PLA conteniendo nanopartículas de ZnO. ... 128 Tabla 4. Temperaturas de degradación y contenido residual de las fibras de PHB/ZnO, cuyos valores fueron obtenidos de los TGA. ... 135 Tabla 5. Temperaturas de degradación y contenido residual de las fibras de PLA/ZnO, cuyos valores fueron obtenidos de los correspondientes TGA. ... 146 Tabla 6. Conductividad eléctrica de las solución de PHB conteniendo distintas

concentraciones de ZnO puro y ZnO-graft-PLA. ... 157 Tabla 7. Temperaturas de degradación y contenido residual de las fibras de PLA/ZnO- graft-PLA, cuyos valores fueron obtenidos de los TGA. ... 161 Tabla 8. Conductividad eléctrica de las soluciones de PHB en presencia de diferente

contenido de ZnO puro y ZnO-graft-PLA ... 167

Introducción general

Las aplicaciones de los materiales poliméricos han encontrado áreas de oportunidad en un sin número de mercados y ciencias, desde la industria del empaque hasta la medicina. El grupo de polímeros denominados biodegradables ha ganado poco a poco más terreno frente a los polímeros sintéticos más comercializados a nivel mundial, debido a que ofrecen ventajas tales como la reducción de la contaminación, ya que una vez que son desechados, son degradados y sus sub-productos son reincorporados al suelo mediante ciclos geoquímicos. Por otro lado, la medicina ha sabido explotar aún más a los polímeros biodegradables, ya que han sido utilizados para la producción de diversos dispositivos como implantes, parches, apósitos, etc. que luego de cierto tiempo pueden ser reabsorbidos por el cuerpo.^1-3

Desde hace varias décadas, la ingeniería de tejidos es una de las áreas de la medicina que ha sido un nicho importante para el desarrollo y aplicación de diversos polímeros biodegradables, también es precisamente esta área la que ha permitido la explotación de una técnica de elaboración de fibras llamada electrohilado que si bien se conoce desde comienzos del siglo pasado, hace apenas unos 15 o 20 años ha emergido como una de las técnicas más fructíferas en temas relacionados con materiales poliméricos y su aplicación en la ingeniería de tejidos. La relevancia que ha cobrado el electrohilado es debida a que mediante éste se pueden obtener materiales fibrosos que imitan la matriz extracelular, la cual está constituida por una red nanométrica de proteínas y glicosaminoglicanos, que actúa como soporte para la adhesión y subsecuente proliferación de células formadoras de tejidos.

La morfología de los dispositivos médicos obtenidos mediante el electrohilado conlleva un serio problema, ésta puede promover la adhesión y proliferación de diversos tipos de microorganismos patógenos que conducen a serias infecciones, las cuales deben ser combatidas a través de la administración de medicamentos. Una de las opciones más viables es la incorporación de compuestos orgánicos y/o inorgánicos que prevengan la adhesión y proliferación de microorganismos.

En este contexto, este trabajo de tesis doctoral aborda la síntesis, modificación superficial e incorporación de nanopartículas de óxido de zinc (ZnO) en matrices poliméricas biodegradables mediante dos técnicas basadas en fuerzas electrostáticas: electrohilado y electroespreado, para así desarrollar nuevos materiales poliméricos fibrosos con propiedades antibacterianas.

Es importante mencionar que este documento de tesis ha sido redactado de tal manera que surgieron cuatro capítulos basados en las etapas del proyecto de investigación, a su vez cada capítulo se secciona en una parte introductoria, antecedentes, desarrollo experimental, discusión de los resultados y conclusiones parciales. A pesar de la manera no convencional de redacción se tomaron las consideraciones necesarias para encadenar y hacer un análisis global de las diferentes etapas de la investigación.

El primer capítulo trata la obtención de estructuras de ZnO empleando una ruta de síntesis en solución, cuyo calentamiento fue asistido por microondas, ya que dicha radiación ha demostrado ser una fuente energética eficaz para la obtención de altos rendimiento de reacción en tiempos relativamente cortos. El segundo capítulo aborda la modificación superficial de las nanopartículas de ZnO con cadenas de poli(D,L-láctido) mediante polimerización in situ asistida por microondas. El tercer capítulo describe la utilización de las técnicas de electrohilado y electroespreado para el diseño de materiales fibrosos basados en poli(D,L-láctido) o poli(3-hidroxibutirato) y nanopartículas de ZnO, asimismo se muestra un amplio estudio morfológico y de propiedades importantes de este tipo de materiales. El cuarto capítulo comprende la incorporación de partículas de ZnO modificadas superficialmente con PLA en los biopoliésteres mencionados a través de las técnicas basadas en fuerzas electrostáticas igualmente comentadas. Finalmente, se presentan las conclusiones generales del trabajo de investigación así como propuestas de trabajo futuro.

Capítulo 1. Síntesis de óxido de zinc con morfología controlada

1.1. Introducción

En la actualidad, la posibilidad de producir estructuras de ZnO con morfologías y tamaños muy variados ha atraído la atención tanto de la comunidad científica como la industria, puesto que mediante el control del tamaño y forma se pueden variar las propiedades del ZnO.^4-6 En este capítulo se abordará, primeramente, los antecedentes relacionados con las diferentes estrategias para síntesis de ZnO, donde se enfatizará la obtención mediante calentamiento con microondas así como las repercusiones sobre la morfología y propiedades, fundamentalmente de protección UV y antimicrobianas. Posteriormente, se presentará los resultados y discusión de la primera etapa de este proyecto de tesis, es decir;

la síntesis de estructuras de ZnO empleando microondas como fuente de calentamiento.

1.2. Estrategias para la síntesis de distintas estructuras de ZnO

Distintas rutas físicas y químicas son utilizadas como estrategias para la obtención de estructuras de ZnO con morfología y tamaño variado. Las rutas físicas tales como evaporación del correspondiente metal, molienda mecánica, electro-depósito tienen la ventaja de obtener micro- y nanoestructuras de ZnO con una alta pureza, no obstante, el difícil control de la distribución de tamaños de partícula aunado a lo costoso de los equipos, hacen a estas estrategias un tanto inviables.^{5, 7} Tomando en consideración las desventajas de las mencionadas estrategias, en los párrafos siguientes se ahondará en las rutas químicas.

Las rutas químicas están basadas en la química coloidal en solución, cuya principal ventaja es el control eficiente de la morfología, tamaño y distribución de tamaños de partícula de ZnO, además, son relativamente económicas y las condiciones de reacción generalmente son moderadas. Las principales rutas químicas en solución son el método sol-gel, la síntesis solvotérmica, microemulsión y precipitación, el proceso de obtención del ZnO es básicamente el mismo para todas las rutas mencionadas y consiste en la reacción de una solución precursora de iones Zn²⁺ y una solución precursora de oxígeno, típicamente se

utiliza una base. El mecanismo mediante el cual se forman las estructuras de ZnO consiste en la disociación del precursor de Zn²⁺ los cuales reaccionan con los grupos hidroxilo de la base formando un intermediario tetra-coordinado (ܼ݊ሺܱܪሻ_ସ^ଶି), fungiendo como núcleo, cuyo crecimiento ocurre por deshidratación de los grupos OH terminales a través de la reacción con iones OH^- en la solución aportados por la base. El crecimiento continúa por la captación de más iones Zn²⁺, y el ciclo deshidratación-captura de Zn²⁺ se repite constantemente, la serie de reacciones para la formación de ZnO se desglosan en las Ecuaciones 1-3. Es importante mencionar que al igual que para otras síntesis de óxidos metálicos, el crecimiento de las partículas depende fuertemente de la difusión de los iones.⁸

Ecuación 1. Hidrólisis ܼ݊ܺ_ଶ൅ ʹܻܱܪ ՜ ܼ݊ሺܱܪሻ_ଶ൅ ʹܻܺ

Ecuación 2. Intermediario tetra-coordinado ܼ݊ሺܱܪሻ_ଶ൅ ʹܻܱܪ ՜ ܼ݊ሺܱܪሻ_ସ^ଶି൅ ʹܻ^ା Ecuación 3. Formación de ZnO ܼ݊ሺܱܪሻ_ସ^ଶି՞ ܼܱ݊ ൅ ܪ_ଶܱ ൅ ʹܱܪ^ି

El proceso sol-gel se basa en la producción de un sol, es decir, una dispersión de partículas coloidales en un líquido, dichas partículas se forman a partir de la polimerización por condensación de los intermediarios ܼ݊ሺܱܪሻ_ସ^ଶି dirigiendo a la formación de enlaces O-Zn- O. Si las reacciones de condensación continúan se forma un gel, es decir, una red sólida dentro de un líquido. La evaporación del solvente lleva a la generación de un xerogel de ZnO el cual pude ser tratado térmicamente (generalmente a temperaturas superiores a 200°C) para la obtención de las partículas de ZnO. Entre las principales desventajas de esta metodología de síntesis se encuentran los tiempos para la preparación de cada uno de los precursores (sol, gel) y la necesidad de tratamientos térmicos a altas temperaturas.

Típicamente, el método de sol-gel es utilizado en conjunto con las técnicas conocidas como dip coating y spin coating con el objetivo de elaborar películas de ZnO sobre distintos sustratos, los cuales son proclives para ser utilizados como celdas solares o sensores de gases.^9-11

En lo referente a la producción de ZnO mediante la síntesis solvotérmica, básicamente consiste en la misma metodología que la síntesis vía sol-gel, solo que se suprime el tratamiento térmico. La síntesis se lleva a cabo en una autoclave cuyo reactor es de Teflon,

en el cual la mezcla de reacción es calentada por encima del punto de ebullición del solvente empleado, lo que promueve una velocidad de reacción mayor y la formación in situ del ZnO. Cuando la reacción se lleva a cabo en agua, la síntesis comúnmente es conocida como hidrotérmica, mientras que si se utiliza cualquier otro solvente, se conoce como solvotérmica. Entre las ventajas de esta ruta en solución se encuentran la alta pureza del ZnO obtenido, control de la morfología mediante la variación de las condiciones de reacción y alta cristalinidad, mientras que algunas de las principales desventajas es que se requiere de un equipo relativamente costoso y que los tiempos de reacción son extensos (hasta días).^12-15

Referente a la síntesis de ZnO por emulsión, el principio es la formación de gotas que contienen los precursores de Zn²⁺ y O^2-, las cuales están dispersas en un líquido. Dichas emulsiones pueden ser gotas acuosas en líquidos apolares (mejor conocidas como agua/aceite) o viceversa. Con el objetivo de estabilizar la emulsión, generalmente se adicionan surfactantes, los cuales encarecen esta ruta de síntesis. Finalmente, la reacción se lleva a cabo a altas temperaturas. Posteriormente, el precipitado obtenido es aislado mediante la evaporación de las fases líquidas, y el precipitado es sometido a tratamientos térmicos. Una de las principales características de esta ruta es que el control del tamaño de las estructuras de ZnO es relativamente simple, y se logra mediante el ajuste del tamaño de las gotas de la emulsión, a su vez controlada por relaciones de fases, surfactante, etc.^16-18

Finalmente, en la síntesis de ZnO mediante precipitación, los complejos tetra-coordinados son aislados y transformados a ZnO mediante un proceso de secado dentro de un intervalo de temperaturas bastante amplio (60°C hasta 700°C). Entre las ventajas de esta ruta de síntesis se encuentra que, a diferencia del proceso sol-gel, el complejo de zinc es aislado y secado evitando así el paso para formar el gel. Otra ventaja es que para llevar a cabo este tipo de síntesis no se requiere equipo especializado de laboratorio, dichas características colocan a esta estrategia de síntesis como una de las más empleadas, ya que además ha mostrado un excelente control sobre la morfología final de las partículas de ZnO.^19-22

1.3. Síntesis de ZnO empleando microondas como fuente de calentamiento

La mayoría de las rutas de síntesis de ZnO en solución requieren tiempos de reacción largos, los cuales pueden oscilar de entre algunas horas hasta días. Dicho problema ha sido resuelto mediante la adaptación de dichas rutas a metodologías asistidas por microondas, adicionalmente, esta fuente de calentamiento ha demostrado incrementar el rendimiento de la reacción. Incluso algunos autores han sugerido que las interacciones entre la radiación microondas y las especies precursoras del ZnO inducen morfologías específicas. A continuación se describirán algunos trabajos relevantes relacionados con la síntesis asistida por microondas del óxido metálico bajo estudio, no sin antes revisar algunos conceptos básicos del calentamiento mediante microondas.

1.3.1. Generalidades del calentamiento por microondas

Las microondas son una forma de radiación electromagnética que se encuentras en la frecuencia más baja del espectro electromagnético (300-300,000 MHz). La energía generada por el campo eléctrico en este intervalo de frecuencia promueve únicamente la rotación de las moléculas sin afectar su estructura. El calentamiento mediante microondas es más efectivo dado que éstas se acoplan directamente con las moléculas que están presentes en la mezcla de reacción, siendo dicho calentamiento independiente de la conductividad térmica del material del contenedor. Dicho acoplamiento conduce a un

“súper calentamiento” localizado, que a la vez es logrado por dos mecanismos: la rotación dipolar y la conducción iónica.^23-28

El primero se trata de una interacción en la cual las moléculas polares tratan de alinearse con el campo eléctrico de las microondas, dicho movimiento rotacional de las moléculas resulta en una transferencia de energía. El segundo mecanismo de calentamiento es básicamente lo mismo, solo que el acoplamiento se da entre el campo eléctrico y los iones o especies iónicas que puedan estar presentes en la mezcla de reacción, lo cual causa la colisión de dichas especies con las moléculas vecinas, generando calor. Este último

mecanismo de calentamiento tiene un efecto más marcado en la capacidad de generación de energía calorífica.^23-28

De lo mencionado anteriormente, se puede inferir que las propiedades dieléctricas de las moléculas juegan un papel de suma importancia para determinar su capacidad de generar calor. Dos parámetros dieléctricos son importantes; uno de ellos es la constante dieléctrica (ߝԢ) que describe la habilidad de una molécula para ser polarizada por el campo eléctrico y la pérdida dieléctrica (ߝԢԢ) que indica la eficiencia con la cual la radiación electromagnética es convertida en calor. La relación de ambos parámetros se conoce como tangente de pérdida dieléctrica (ݐܽ݊ߜ) y provee una medida de la habilidad que tiene un material para convertir la energía electromagnética en calor a una frecuencia y temperatura dada. De acuerdo con el valor de ݐܽ݊ߜ que posea una molécula, éstas pueden ser clasificadas como absorbentes débiles (ݐܽ݊ߜ < 0.1), medios (ݐܽ݊ߜ = 0.1௅0.5) y fuertes (ݐܽ݊ߜ > 0.1). Es importante hacer mención que los valores de ݐܽ݊ߜ son dependientes tanto de la temperatura como de la frecuencia de la radiación.^23-28

En cuanto a la aceleración de la velocidad de reacción (K) a través de la radiación microondas, si se considera la ecuación de Arrhenius (ܭ ൌ ܣ݁^{ିாೌΤோ்}), K depende fundamentalmente de dos factores, las frecuencia de colisiones entre las moléculas que tienen la geometría correcta para que la reacción ocurra (factor pre-exponencial, ܣ) y la fracción de esas moléculas que tienen la energía mínima requerida para superar la barrera de la energía de activación (݁^{ିாೌΤோ்}). Se ha establecido que durante la irradiación con microondas dos efectos pueden contribuir al incremento de la velocidad de reacción: i) el efecto térmico, el cual afecta el parámetro de la temperatura en la ecuación de Arrhenius y ii) el efecto específico (también conocido como “no térmico”) el cual afecta el factor pre- exponencial. Físicamente, esto indica que las microondas provocan un movimiento mucho más rápido de las moléculas debido al súper-calentamiento, y adicionalmente, las microondas pueden provocar cierta orientación/geometría molecular promoviendo así un incremento en el factor pre-exponencial. El efecto “no térmico” ha sido un tema controversial desde los inicios de la síntesis asistida por microondas, y en la actualidad se continúa investigando acerca de él.^23-26

1.3.2. Síntesis de estructuras de ZnO asistida por microondas

Diversos grupos de investigación han publicado sobre la síntesis de ZnO empleando microondas como fuente de calentamiento, la mayoría de los reportes recurre a la síntesis en solución, debido a las ventajas que ésta posee y que ya fueron descritas. En este sentido, el portal ISI Web of Knowledge registra que la primera publicación relacionada a la síntesis de ZnO mediante calentamiento con microondas doméstico pertenece a Varma et al.²⁹ En ella describen el uso de nitratos de zinc, praseodimio, cobalto, cromo y potasio como precursores (96.7, 2, 0.5, 0.5 y 0.3 %mol, respectivamente) de partículas de ZnO. Dichas partículas exhibieron dimensiones de entre 6 a 8 ȝm, y presentaron características eléctricas aptas para su uso como varistores. Los autores se limitaron a analizar el efecto del tratamiento térmico sobre la densidad de los materiales obtenidos así como de la caracterización eléctrica.

Desde hace poco menos de una década, los científicos se han centrado en el control de la estructura de las partículas de ZnO derivadas de síntesis asistidas por microondas, esforzándose por obtener tamaños menores a los 100 nm. Entre las distintas publicaciones destaca la perteneciente a Huang et al.³⁰, quienes obtuvieron una variedad de estructuras de ZnO llevando a cabo su síntesis en un microondas multimodal, cuyas imágenes SEM se muestran en la Figura 1. Los autores indican que la formación de las diferentes morfologías se debe a que las microondas aceleran la hidrólisis de los precursores (Zn(NO3)2 y NaOH en solución acuosa) dirigiendo a la formación de pequeños núcleos los cuales se van adhiriendo preferencialmente para dar origen a las distintas estructuras. Adicionalmente, los autores reportaron que la irradiación microondas es necesaria para la obtención de las estructuras puesto que sin ella no se desarrolla la misma morfología. Es importante mencionar que las reacciones se llevaron a cabo a distintas temperaturas (desde 100 hasta 220°C) sin embargo, los autores no toman en cuenta esto como posible explicación y proposición del mecanismo de crecimiento de las estructuras de ZnO. En cuanto al efecto de la morfología sobre las propiedades ópticas de ZnO, éste puede despreciarse, puesto que las estructuras presentaron valores de absorbancia similares, entre 1.3 a 1.6, y una energía de banda gap entre 3.25 y 3.27 eV.

Figura 1. Morfologías obtenidas mediante la síntesis hidrotérmica de ZnO empleando microondas como fuente de calentamiento, luego de 20 min de irradiación, concentración de Zn(NO3)2 = 1.6 mol·L^-1, concentración de NaOH = 3.2 mol·L^-1 y diferentes temperaturas (a) 140, (b) 180, (c) 220, (d) 100°C y (e) sin control de la temperatura, únicamente manteniendo la presión a 3 MPa.

Por su parte, Kajbafvala et al.^31-34 han realizado diversos estudios relacionados con la síntesis de ZnO con distintas morfologías, sintetizando desde partículas esféricas hasta tipo flor. En su caso no ha comparado las síntesis asistidas por microondas con aquellas obtenidas mediante calentamiento convencional, sino que se han enfocado en la obtención de ZnO en tiempos de reacción relativamente cortos (90-160 s). Asimismo, los autores han evaluado el efecto de compuestos que actúen como surfactantes y se adhieran de manera preferencial a ciertos planos del ZnO controlando así el crecimiento y morfología de las partículas resultantes. Adicionalmente han llevado a cabo un análisis del desempeño de distintas morfologías de ZnO como foto-degradante de pigmentos, resultando que las partículas con estructuras complejas (tipo flor) con dimensiones superiores a los 700-900 nm tienen una capacidad de degradación menor que partículas esféricas de 250-400 nm, lo cual adjudicaron a la diferencia en área superficial proclive a reaccionar con el pigmento para su degradación.

Un estudio bastante interesante y exhaustivo es el reportado por Bilecka et al.³⁵ ya que sintetizaron nanopartículas esféricas del orden de 15 a 25 nm partiendo únicamente de acetato de zinc disuelto en alcohol bencílico, los cuales fueron calentados en un microondas mono-modal. Determinaron que el mecanismo para la formación de las nanopartículas está basado en reacciones de esterificación del alcohol y el grupo acetato unido al zinc. De igual manera analizaron el efecto de la temperatura de reacción sobre la conversión del acetato de zinc concluyendo que un incremento en la temperatura promueve una mayor disolución del acetato de zinc y su respectiva transformación a ZnO y que la constante de esterificación incrementa proporcionalmente con la temperatura. Por otro lado, también establecieron que el diámetro de las partículas de ZnO se incrementa conforme aumenta la temperatura de reacción, lo cual consideraron que era un indicio de que el crecimiento de las partículas está gobernado por la difusión de las especies formadas durante la reacción. De manera interesante, compararon la reacción llevada a cabo en microondas, con aquella calentada mediante baño de aceite (ambas a 120°C), y determinaron que las microondas incrementan la constante de esterificación hasta en un orden de magnitud, y dado que se producen más especies precursoras de ZnO, el crecimiento de las partículas se da mucho más temprano cuando se utilizan microondas como fuente de calentamiento.

En publicaciones recientes, Al-Gaashani et al.^{36, 37} han sugerido que la potencia de las microondas influencia directamente la morfología final del ZnO derivado de soluciones acuosas de ZnCl2 y NaOH, ya que dichas soluciones al ser irradiadas con una potencia de 150 W exhibieron una morfología cuasi-esférica, mientras que el incremento de la potencia hasta 450 dirigió a la formación de un mezcla de cuasi-esferas/agujas/placas, y finalmente a potencias de 700 y 1000 W, predominantemente se encontraron morfologías de tipo hojas (ver Figura 2). Los autores argumentaron que el campo electromagnético induce la orientación de los núcleos de ZnO y también incrementan la temperatura, que a su vez causa la disminución de la viscosidad de la solución promoviendo así una alta aglomeración de los núcleos y la consecuente formación de estructuras de tipo hoja. Es importante mencionar que los autores no reportan el comportamiento de la temperatura durante la reacción, y las inferencias están basadas únicamente en que la temperatura máxima alcanzada puede ser la temperatura de ebullición del agua. Adicionalmente, estos

mismos autores han reportado que la morfología tiene un fuerte efecto en las propiedades ópticas, específicamente en la capacidad de absorción UV.

En 2013, Barreto et al.³⁸ publicaron un amplio estudio de distintos parámetros (precursores, temperatura, tiempo de irradiación, potencia y aditivos) que pueden afectar la morfología del ZnO. Los autores demostraron que todos los parámetros evaluados tienen una cierta influencia sobre la morfología obtenida. En el caso de los precursores (sal de zinc y base), el efecto se debe a la distinta capacidad de adhesión que tienen los iones a los núcleos de ZnO. Por otro lado, un incremento en la temperatura, tiempo de irradiación y potencia inducen el incremento dimensional de las estructuras de ZnO, corroborando así lo propuesto por otros autores. Todas las morfologías desarrolladas en la síntesis estuvieron muy por encima del régimen nanométrico exceptuando aquellas obtenidas de mezclas de reacción conteniendo bis(2-etilhexil)sulfosuccinato de sodio, el cual limitó el crecimiento del ZnO durante la reacción.

La mayoría de las publicaciones relacionadas con la síntesis de ZnO asistida por microondas han reportado el uso de soluciones acuosas. Recientemente, Khoza et al.³⁹ demostraron que el uso de etanol favorece morfologías de ZnO de menores dimensiones comparadas con las obtenidas en acetona o agua, lo cual atribuyeron a la diferencia de polaridades. De igual manera Ambrozic et al.⁴⁰ evidenciaron que el uso de butanol como solvente y fuente de oxígeno propicia la formación de partículas cuasi-esféricas con dimensiones que oscilaron entre 10 hasta 60 nm, y que su morfología es dependiente de la concentración del precursor de zinc, obteniendo estructuras más grandes a concentraciones mayores.

Figura 2. Micrografías SEM de las nanoestructuras de ZnO sintetizadas a diferentes potencias: (a) 150, (b) 450, (c) 700 y (d) 1000W. Fuente: Ref. ³⁶

1.4. Justificación de la etapa y planteamiento de objetivos particulares

Si bien existe una variedad relativamente amplia de rutas para sintetizar distintas estructuras de ZnO, la síntesis en solución ha mostrado ser una de las más efectivas en cuanto al control de la morfología, escalamiento y economía. No obstante, una de las principales desventajas es que los tiempos de reacción son relativamente largos (desde un par de horas hasta días), lo que podría ser remediado con el uso de la radiación microondas, adicionalmente esta radiación provoca un calentamiento más homogéneo lo cual podría ayudar al control de la morfología. Dicho lo anterior, los objetivos de la presente etapa son:

x Encontrar las condiciones de reacción óptimas para llevar a cabo la síntesis asistida por microondas de estructuras de ZnO con dimensiones nanométricas.

x Llevar a cabo una comparación entre la síntesis de ZnO mediante calentamiento convencional y usando microondas

1.5. Sección experimental

1.5.1. Materiales y equipo

Para la síntesis de las nanopartículas de ZnO se empleó acetato de zinc (ZnAcO2) e hidróxido de potasio (KOH) (ambos marca Aldrich). Como solventes se utilizaron agua desionizada y metanol (MeOH) (purificado mediante destilación fraccionada sobre CaO).

La síntesis se llevó a cabo en un equipo de microondas multimodal marca CEM modelo MARS 6 provisto con detectores de temperatura basados en fibra óptica e infrarrojo, cuyo reactor está fabricado de PTFE y posee una capacidad de 100 mL. Adicionalmente, se contó con un reactor para síntesis hidrotérmica fabricado por ManLab S.A. de C.V. cuyo reactor está fabricado también de PTFE con una capacidad de 120 mL, el cual se introduce a un dispositivo de calentamiento basado en resistencias y éste está provisto de dos detectores de temperatura (termopares) uno situado en la parte baja del reactor y otro en la parte donde se localizan las resistencias. Para llevar a cabo la caracterización morfológica de las nanopartículas se empleó un microscopio electrónico de barrido-transmisión (STEM) marca JEOL modelo JSM7401F que cuenta con un dispositivo para la medición de la energía dispersiva de rayos X (EDX). Asimismo, se empleó un microscopio electrónico de transmisión (TEM) marca FEI modelo Titan 80-300.

1.5.2. Síntesis de nano-ZnO mediante irradiación con microondas

En el reactor PTFE diseñado para el equipo de microondas, se colocaron 18 mL de ZnAcO2

(0.32 mol·L^-1). Posteriormente, bajo agitación vigorosa se agregaron gota a gota 54 mL de KOH (0.64 mol·L^-1). Luego, el reactor conteniendo la mezcla de reacción se colocó en el equipo de microondas y se irradió por 20 min a 80°C empleando un programa controlado por temperatura, es decir, el equipo irradia con la máxima potencia hasta alcanzar la temperatura programada para finalmente irradiar a baja potencia para mantener la temperatura preestablecida. Enseguida, el precipitado obtenido se sometió a tres ciclos de centrifugación-lavado primero con agua, seguido de lavados con metanol para finalmente secarlo en estufa a 70°C hasta peso constante. El sólido obtenido se caracterizó mediante

difracción de rayos X (DRX) y se obtuvieron imágenes mediante microscopía electrónica tanto mediante barrido (SEM) como por transmisión (TEM). Con la ayuda de las micrografías obtenidas mediante TEM, se determinó el diámetro promedio (ܦഥ_௣) empleando el programa ImageJ y tomando en cuenta de 100-150 partículas.

1.6. Resultados y discusión

En estudios previos llevados a cabo por Barreto et al.⁴¹ evidenciaron que cuando la síntesis de ZnO asistida por microondas se lleva a cabo en medio acuoso se obtiene una gran variedad de morfologías, predominantemente estructuras hexagonales, cuyos tamaños distan del régimen nanométrico. Sin embargo, en la literatura se reporta que la utilización de alcoholes como solvente favorece la formación de partículas nanométricas, lo cual ha sido corroborado por nuestro grupo de investigación al usar metanol y llevar a cabo la reacción mediante calentamiento convencional. Se lograron formar cuasi-esferas con un diámetro menor a 20 nm⁴²; sin embargo, el tiempo de reacción es relativamente largo oscilando entre los 180 y 240 min.

Tomando en cuenta lo anterior, se decidió hacer una combinación de las condiciones de reacción, esto es, se empleó metanol como solvente y la reacción se llevó a cabo en microondas bajo las condiciones descritas por Barreto et al. A continuación se presentarán los resultados de dicho experimento y serán comparados con la reacción en medio acuoso.

1.6.1. Efecto del solvente sobre la morfología del ZnO

En la Figura 3 se muestran los patrones de difracción obtenidos de los sólidos producidos de la reacción entre una solución de Zn(CH3COO)2 (0.32 M) y una solución de KOH (0.64 M), tanto en medio acuoso como metanólico. Se puede observar que independientemente del solvente empleado, ambos productos presentan los picos de difracción característicos del ZnO, cuyos valores en 2T son de 31.7, 34.4, 36.2, 47.5, 56.6, 62.8 y 67.9, y no se observan picos adicionales, lo cual indica una alta pureza del ZnO obtenido, cuyo rendimiento alcanzó un 83±3% al usar agua como solvente mientras que en medio metanólico fue ligeramente más alto ca. 93±3%. De manera similar, la relación de intensidades de los picos de difracción es prácticamente igual, lo cual indica que las orientaciones de los cristalitos son las mismas. Una característica que llama la atención es que el patrón de XRD del producto obtenido en medio metanólico posee picos más anchos, lo cual es indicio de que la estructura de ZnO obtenida podría encontrarse en el régimen

nanométrico. Para corroborar dicha aseveración, en la Figura 4 se muestran las imágenes SEM y TEM de las partículas de ZnO obtenidas en medio acuso o medio metanólico.

Claramente pudo observarse que las partículas derivadas de la reacción en agua desarrollaron placas altamente aglomeradas, formando así una morfología tipo flor. En cuanto a las dimensiones de estas partículas, exhibieron un espesor de entre 15 y 30 nm, mientras que los valores de longitud variaron de manera significativa, y en general superaban los 100 nm. En lo que respecta a las partículas obtenidas de precursores disueltos en metanol, las imágenes adquiridas mediante TEM y SEM muestran partículas cuasi- esféricas, cuyo diámetro promedio (ܦഥ_௣) fue de 12 nm, con una distribución de diámetro ligeramente amplia que abarcó desde los 6 hasta los 20 nm.

Figura 3. Patrones de difracción de rayos X correspondientes al sólido obtenido de las reacciones conducidas en medio (a) acuoso y (b) metanólico.

Figura 4. Micrografías SEM (a, b) y TEM (c, d) del ZnO obtenido en medio (a, c) metanólico o (b, d) acuoso, y (e) distribución de diámetros de partícula del ZnO obtenido en metanol.

Con base en los resultados micrográficos presentados, se puede inferir que el solvente utilizado para la síntesis de ZnO asistida por microondas juega un papel muy importante en la definición de la morfología. Diversos autores12, 39, 43-45

han argumentado que la diferencia de solubilidad de los precursores de iones Zn²⁺ provoca las variaciones en la morfología del

ZnO. El acetato de zinc es menos soluble en alcoholes que en agua, lo cual provoca que la difusión de los iones Zn²⁺ en solventes como el metanol sea un tanto limitada, y a su vez esto provoca que se formen núcleos (complejos ܼ݊ሺܱܪሻ_ସ^ଶି) de dimensiones menores a aquellos generados en medio acuoso, donde la difusión de iones se favorece por la alta solubilidad de los precursores. La dificultad para obtener estructuras de ZnO dentro del régimen nanométrico en solución acuosa ha sido observada también por Barreto et al.³⁸

1.6.2. Efecto de las microondas sobre la morfología del ZnO

En 2011, Al-Gaashani³⁶ sugirió que el campo eléctrico de las microondas dirige a una agregación selectiva de los núcleos precursores de ZnO afectando así la morfología obtenida. Con el objetivo de determinar la existencia de algún efecto de las microondas sobre la morfología del ZnO sintetizado en distintos solventes, la síntesis fue reproducida bajo las mismas condiciones de reacción en un reactor de PTFE y este fue montado en el sistema de calentamiento descrito en la sección experimental.

En la Figura 5 se pueden observar que en el caso de las partículas sintetizadas en metanol, independientemente del método de calentamiento, la morfología cuasi-esférica se mantiene dentro de las mismas dimensiones (ca. 12-15 nm). Por otro lado, las partículas sintetizadas en agua, si bien la morfología tipo plaquetas se mantiene, el grado de aglomeración es mucho mayor, aunque eso puede atribuirse a la manipulación de la muestra durante la trituración antes de ser montada en el porta-muestras del SEM. En cuanto al rendimiento de la reacción llevada a cabo en metanol y agua, se alcanzaron valores de 92±3% y 87±5%, respectivamente, los cuales son muy similares a aquellos logrados usando microondas como fuente de calentamiento. Así queda demostrado que si bien no hay efecto de las microondas sobre la morfología final, el calentamiento mediante microondas reduce el tiempo de trabajo ya que la estabilización de la temperatura de reacción en el equipo de calentamiento convencional se logró luego de 90 min, además hubo variaciones en la temperatura de hasta ±4°C, mientras que el calentamiento por microondas lleva unos cuantos minutos y el control de la temperatura es más preciso.

Figura 5. Micrografías SEM del ZnO sintetizado en medio (a) metanólico y (b) acuoso, cuya reacción fue llevada a cabo mediante calentamiento convencional.

1.6.3. Efecto de la concentración de los precursores sobre la morfología del ZnO

Para la continuación del trabajo de investigación es necesaria la síntesis de una cantidad considerable de nanopartículas de ZnO, lo cual puede lograrse mediante el incremento en la concentración de la solución de la base y la sal de zinc. Sin embargo, dicho incremento de la concentración podría conducir a un incremento del tamaño de partícula, incluso a un cambio drástico en la morfología.^{40, 46} En este sentido, se llevó a cabo la síntesis de ZnO empleando metanol como solvente, dado que en este solvente y a bajas concentraciones de los precursores, se originaron partículas cuasi-esféricas con dimensiones óptimas para su posterior incorporación en las matrices poliméricas biodegradables objeto de estudio de este trabajo de tesis. En la Figura 6a se muestra la imagen SEM del sólido obtenido de la reacción entre las soluciones de Zn(CH3COO)2 (0.64 M) y KOH (1.28 M), es evidente que la morfología no se vio afectada por duplicar la concentración de la soluciones precursoras, aunque el rendimiento de la reacción disminuyó ligeramente hasta un 86±5%. Es importante mencionar que a esta concentración se dificultó la disolución del Zn(CH3COO)2

y se tuvo que calentar ligeramente, por lo que el ligero descenso en el rendimiento podría ser explicado en términos de homogeneidad de la solución precursora de iones Zn²⁺. A pesar de esto, el ZnO obtenido mostró una alta pureza, lo cual puede inferirse del patrón de difracción mostrado en la Figura 6b.

Figura 6. (a) Micrografía SEM y (b) patrón de difracción de las partículas de ZnO obtenidas a partir de soluciones metanólicas de Zn(CH3COO)2 0.64 M y KOH 1.28 M.