MX2009014118A - Metodo de produccion de membranas porosas de quitosano y las membranas porosas de quitosano. - Google Patents

Abstract

La presente invención es un proceso para la síntesis de membranas porosas de quitosano mediante un proceso que no requiere el método de secado en vacío que se utiliza normalmente. El proceso consiste en hacer reaccionar NaHCO3 con el acido orgánico presente en la solución de quitosano, por ejemplo acido acético. Dicha reacción genera CO2, el cual crea burbujas en la mezcla y las cuales quedan atrapadas por la alta viscosidad de la misma. Posteriormente se introduce a un horno para secar y atrapar las burbujas, de manera que se formen una serie de porosidades en la muestra. La muestra ya seca se sumerge en agua caliente para hacerla insoluble en agua la membrana y para eliminar restos de NaHCO3 y acetato de sodio formado en la reacción. Después se lava con agua destilada fría.

Description

METODO DE PRODUCCION DE MEMBRANAS POROSAS DE QUITOSANO Y LAS MEMBRANAS POROSAS DE QUITOSANO DESCRIPCIÓN OBJETO DE LA INVENCIÓN El objeto de la presente invención se refiere a membranas porosas de quitosano y el método de producción de las mismas.

ANTECEDENTES La quitina es uno de los polisacáridos más abundantes en la naturaleza, particularmente abundante en los esqueletos de los insectos y crustáceos, paredes celulares de hongos y moluscos. De este material se obtiene el quitosano, como resultado de un proceso de desacetilización. El quitosano fue por primera vez reportado en 1859, cuando Rouger calentó quitina en una solución de NaOH, lo que resulto en una desacetilización de la molécula. Sin embargo la investigación aplicada de este polisacárido no ocurrió hasta después de un siglo, cuando en 1934 surgieron dos patentes; una para producir quitosano a partir de la quitina y otra para producir películas y fibras de quitosano.

La importancia de desarrollar nuevas aplicaciones de quitosano radica en que este polisacárido es el segundo más abundante en la naturaleza después de la celulosa. Por otra parte posee propiedades importantes por ejemplo: biodegradable, biocompatible, no toxico, antimicrobiano, antiinflamatorio, hemostático, estimulador de macrófagos; la mayoría de estas, de interés para varios sectores industriales, por lo que se han convertido en un material importante en el campo médico, farmacéutico, alimentos, y de tratamiento de aguas.

Las aplicaciones del quitosano han crecido en los últimos años lo que ha permitido desarrollar diferentes presentaciones del material: películas, membranas, esponjas, fibras e hidrogeles. Siendo las membranas y esponjas las que poseen mayor importancia en el sector médico. Las membranas se caracterizan por ser películas uniformes de material con un nivel bajo de poros y las esponjas se caracterizan por ser materiales con grandes números de porosidades (espacios vacíos) y con alta capacidad de absorción de líquidos. Esta patente se enfoca al desarrollo de membranas porosas y esponjas de quitosano para aplicaciones de diversos sectores.

En el estado del arte se tiene que para la producción de esponjas de quitosano se han utilizado diversas variaciones de la técnica de congelamiento y liofilización, que consiste en congelar la solución de quitosano para formar una estructura tridimensional y después por secado por vacio y bajas temperaturas el solvente pasa directamente del estado sólido al gaseoso sin que se destruya la estructura formada por la quitina. En solicitud de patente No. US 20080064998 Al se prepara una solución de quitosano y se congela para formar una estructura tridimensional, en donde el agua es removida por el proceso de freeze-drying para formar una esponja de quitosano, donde después se comprime con presión y calor para reducir el espesor e incrementar la densidad.

En la solicitud de patente US 20080128932A1 preparan una solución de quitosano y acido acético y la someten a vacio para eliminar burbujas, se congela con velocidades de enfriamiento conocidas y después se somete a un secado al vacio con bajas temperaturas y posterior etapa de acondicionamiento. En la patente US6693180B2 se describe un método similar solo que combinan quitina y quitosano y sintetizan la esponja por el método de freeze-drying.

En general se encontró que la mayoría de las esponjas de quitosano son desarrolladas por el método de freeze-drying y las variaciones de formulaciones radican en la adición de componentes como alginato, gelatina, celulosa.

El método de freeze-drying requiere equipos para congelar la muestra y hacer el secado al vacio a bajas temperaturas. Lo cuales no en todos los laboratorios se encuentran disponibles. El método que se propone no implica un secado al vacio ni un congelamiento de muestras, por lo que puede realizarse en la mayoría de los laboratorios con equipos básicos. Además de que se reduce el tiempo para la síntesis de las esponjas. i En el articulo de Wilhelms et al. se analizan diversas técnicas para la síntesis de membranas macroporosas y microporosas. Las membranas macroporosas se obtienen de agregar partículas de silica (6% p/v) con un diámetro de 40-63 µ?? a una solución de quitosano (3 % p/v) y acido acético (1% p/v). Después membrana se seca en una estufa a 60 °C durante 12 horas. La membrana seca se sumerge en una solución de hidróxido de sodio (8 wt % ) por 2 horas a 60°C para neutralizar y eliminar las partículas de silica. Finalmente se neutraliza con agua hasta un pH = 7.

Las membranas microporosas se obtienen de mezclar polietilenglicol (PEG) (6 % p y una solución de acido acético y quitosano. Después la mezcla se coloca en un horno a 60 °C por 12 horas. La membrana seca se sumerge en una solución 0.5 % en peso de NaOH por 24 horas para disolver el PEG y formar los microporos. Finalmente se neutraliza con agua hasta un pH = 7.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS Figura 1. Vista lateral de reacción formada con solución 2% (p/v) de quitosano, 1 % acido acético y 2.5% Bicarbonato de Sodio.

Figura 2. Vista frontal de reacción formada con solución 2% (p/v) de quitosano, 1 % acido acético y 2.5% Bicarbonato de Sodio.

Figura 3. Membrana porosa formada después de proceso de secado con 2.5 % de NaHC03 Figura 4. Membrana porosa formada después de proceso de secado con 12.5 % de NaHC03 DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN La presente invención propone un método de producción de membranas porosas de quitosano y dichas membranas porosas de quitosano.

El método consiste en producir membranas porosas por medio de una reacción entre un acido orgánico débil y bicarbonato de sodio (NaHC03). Por ejemplo para una solución de acido acético la reacción que se produce es: NaHC03 + CH3COOH? CH3COONa + H20 + C02 (gas) En donde el bicarbonato de sodio reacciona con el acido acético produciendo acetato de sodio, agua y dióxido de carbono. La liberación de C02 en la solución produce burbujas las cuales debido a la alta viscosidad de la solución quedan atrapadas, formando una especie de esponja. étodo de producción de las membranas consiste en las siguientes etapas: a) Solubilizar quitosano (1-10 % p/v) preferentemente en un acido orgánico débil; que opcionalmente es uno de entre los siguientes: ácido acético, ácido láctico, ácido málico, ácido cítrico, con una concentración de 1-5 % v/v; la solución acida de quitosano obtenida tiene una concentración con quitosano en el rango de 1- 10% peso/volumen, de tal forma que haya una acetilación de quitosano. b) Formar poros, en la solución acida de quitosano, esto se realiza liberando dióxido de carbono (C02) de la solución ácida de quitosano, obtenida en a), agregando preferentemente NaHC03, en un rango de 1 - 30 % p/p); cabe señalar que, cuando se agrega NaHC03 en una concentración menor del 5 %, se produce una . membrana porosa y delgada, cuando se agrega más del 5% se empieza a producir un material en forma de esponja, es decir con mayores tamaños de poros. c) Vertir en moldes la solución ácida de quitosano liberando C02 obtenida en b); d) Evaporar el agua y acido orgánico débil, a una temperatura de 50 - 80 °C, preferentemente en una estufa; durante 4- 8 horas o hasta sequedad de la membrana. La temperatura de secado influye en la porosidad, porque una temperatura alta no le permite a las burbujas formadas, romperse en la muestra debido a que se solidifican rápidamente, de tal forma que al evaporar el agua y ácido orgánico débil a una mayor temperatura se obtienen una membrana con mayor porosidad, e) Recuperar la membrana obtenida en d), f) Neutralizar la membrana recuperada en e), esto se lleva a cabo introduciendo la muestra en agua caliente (temperatura mayor de 60°C, en un rango entre 50 - 90 °C) hasta lograr neutralizar la muestra; es importante realizar esta etapa porque el pH de la membrana es fuertemente alcalino, y al estar en contacto con la piel, puede producir quemaduras; g) Recuperar la membrana de f), h) Envasar la membrana de g), para su comercialización.

La membrana porosa que se obtiene con el método propuesto presenta las siguientes características: • Insolubilidad en agua caliente, • Solubilidad en agua fría, • Absorción de agua, • Actividad antimicrobiana.

• Alta Porosidad, • Además de conservar las características del quitosano: como actividad antimicrobiana, no toxica, biocompatible, hemostática, porque no se altera la molécula original de este polisacárido.

Los ejemplos que a continuación se dan son en escala de laboratorio pero, guardando las proporciones, pueden hacerse a nivel industrial.

EJEMPLO 1. Solubilizar quitosano Acorde a esta invención se puede utilizar quitosano de cualquier peso molecular y con un grado de deacetilización mayor a 70%. Un menor grado de deacetilización implica tener partes no disueltas en la solución.

La cantidad de quitosano se encuentra entre 1 -10% p/v, siendo 2 % p/v un valor preferente. El quitosano se disuelve en una solución 2% v/v de acido acético.

EJEMPLO 2.- Liberar dióxido de carbono de la solución ácida de quitosano A la solución ácida de quitosano del ejemplo 1 , se le agrega 5% de bicarbonato de sodio y se mezcla hasta formar una espuma uniforme. Se coloca en una caja petri o molde para posteriormente introducirlo en la estufa a 60 °C durante 5 horas. Una mayor temperatura, reduce el tiempo de secado.

EJEMPLO 3.- Neutralizado la membrana de quitosano Una vez seca la membrana de quitosano, se despega del molde o caja petri y se sumerge en un recipiente de agua caliente con una temperatura superior a los 50 °C hasta que el pH de la muestra sea neutro, que puede ser en un tiempo aproximado de 4 horas.

EJEMPLO 4.- Efecto de la concentración de NaHC03 en la membrana de quitosano La concentración de NaHC03 en la membrana de quitosano tiene efecto en la porosidad de la membrana.

Para medir la porosidad de la membrana de quitosano, se utilizo el procedimiento reportado en el articulo de Gue et al. Primero se preparo una membrana densa de quitosano y su densidad (pi), fue determinada a través de la medición del volumen y el peso. De la misma manera la densidad de la membrana de quitosano porosa (p2) fue obtenida. La porosidad de la muestra fue estimada con la siguiente fórmula: donde Vp y Vt se refieren al volumen de poro y volumen total de la muestra respectivamente. [Gue] Se preparo una membrana de quitosano sin NaHC03 con las siguientes características: Vt=base x largo x espesor = 4 cm x 4 cm x 0.161 cm = 2.574 cm2 Wl= 0.3210 gr masa 0.3210 gr pl = = 0.1247 volumen 2.574cm2 cm2 Se prepararon muestras con diversas concentraciones de Bicarbonato de Sodio y se obtuvo los resultados mostrados en la tabla 1. g Tabla 1. Porosidad de la membrana de quitosano con diferente concentración de Carbonato de sodio.

EJEMPLO 5.- Capacidad de Absorción de agua Para medir la cantidad de agua que absorbe la membrana de quitosano obtenida con el método propuesto, se realizo una prueba en donde se registro el peso inicial (Pi) de una membrana de quitosano con volumen conocido y seca. Después se sumergió la muestra en agua destilada o solución buffer de fosfato pH 7 a temperatura ambiente. Transcurrido un tiempo establecido se removió con un papel filtro el exceso de agua de la membrana y se registró el peso (Pt) a tiempo determinado (t). Donde la fórmula para expresar el porcentaje de absorción de agua es: Pt - Pi % de absorción:— -— Tabla 2. Absorción de agua de la membrana de quitosano con diferente concentración de Carbonato de sodio % NaHC03 Espesor [cm] % absorción de Agua 2.4 0.0495 5 % 7.8 0.7658 9.95 % 12.3 0.9589 14.7 %

Claims (1)

REIVINDICACIONES Habiendo descrito suficiente mi invención, considero como una novedad y por lo tanto reclamo como de mi exclusiva propiedad, lo contenido en las siguientes cláusulas:

1. Un método de producción de membranas porosas de quitosano, caracterizado porque consiste de las siguientes etapas: a) Solubilizar quitosano en un acido orgánico débil; en una concentración en el rango de 1-10 % p/v; b) Formar poros, en la solución acida de quitosano, esto se realiza liberando dióxido de carbono (C02) de la solución ácida de quitosano, obtenida en a), agregando preferentemente NaHC03, en un rango de 1 - 30 % p/p); cabe señalar que, cuando se agrega NaHC03 en una concentración menor del 5 %, se produce una membrana porosa y delgada, cuando se agrega más del 5% se empieza a producir un material en forma de esponja, es decir con mayores tamaños de poros. c) Vertir en moldes la solución ácida de quitosano liberando C02 obtenida en b); d) Evaporar el agua y acido orgánico débil, a una temperatura de 50 - 80 °C, preferentemente en una estufa; durante 4- 8 horas o hasta sequedad de la membrana, la temperatura de secado influye en la porosidad, porque una temperatura alta no le permite a las burbujas formadas, romperse en la muestra debido a que se solidifican rápidamente, de tal forma que al evaporar el agua y ácido orgánico débil a una mayor temperatura se obtiene una membrana con mayor porosidad, e) Recuperar la membrana obtenida en d); f) Neutralizar la membrana recuperada en e), esto se lleva a cabo introduciendo la muestra en agua caliente (temperatura mayor de 60°C, en un rango entre 50 - 90 °C) hasta lograr neutralizar la muestra; es importante realizar esta etapa porque el pH de la membrana es fuertemente alcalino, y al estar en contacto con la piel, puede producir quemaduras; g) Recuperar la membrana de f), h) Envasar la membrana de g), para su comercialización. El método de producción de membranas porosas de quitosano, de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque en la etapa a) de solubilizar quitosano, el acido orgánico débil es uno de entre los siguientes: ácido acético, ácido láctico, ácido málico, ácido cítrico. El método de producción de membranas porosas de quitosano, de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque en la etapa a) de solubilizar quitosano, el acido orgánico débil esta diluido en agua en un rango del 1 a 5 % v/v. Una membranas porosas obtenida de quitosano caracterizadas porque están obtenidas por el método reclamado de conformidad con las reivindicaciones 1 -3 y que exhibe las siguientes características: a) insolubles e agua caliente, b) solubles en agua fría, c) actividad antimicrobiana, d) absorción de agua, e) alta porosidad.