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Ciencia de los
                               Materiales
Nanotecnología, Polímeros y Biomateriales
  Nuestros Antecedentes y Perspectivas


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        Grupo de Investigación Ciencia de
                 los Materiales

                Betty Lucy López

              Instituto de Química

                     UdeA

                 Junio 4 de 2009
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   Infraestructura

Sede de Investigación Universitaria (SIU)
         Laboratorio 310 Torre 1

   Análisis Termogravimétrico (TGA)
   Calorimetría Diferencial de Barrido (DSC)

   Análisis Dinámico Mecánico (DMA)
   Espectroscopia Infrarroja (FTIR)
   Porosimetria y Area Superficial (ASAP)
   Cromatografo Líquido de Alta Eficiencia
   (HPLC)
   Medidor Cinéticas de Hinchamiento
   Espectrofotómetro UV-vis
   Empacador de Columnas
   Tamaño por Dispersión de Luz DLS
   Medidor de potencial Zeta
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      Nuestro Aporte


Obtención y caracterización de nuevos materiales y mejoramiento de las
propiedades de los materiales existentes a nivel comercial para diferentes
aplicaciones.



    Nuestros Objetivos

Contribuir al desarrollo socioeconómico con la obtención de nuevos materiales
para aplicación industrial y en el campo de la salud.

Procurar por una mejora en el medio ambiente mediante procesos tales como
la producción de biomateriales, reciclaje y la reutilización de desechos
poliméricos, agroindustriales y orgánicos.
Adsorción y purificación de desechos contaminantes y tóxicos.
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                                             Materiales

Nuestra Investigación
              Nanomateriales Porosos y No porosos



     Síntesis de polímeros biodegradables y biocompatibles



     Síntesis, caracterización y reforzamiento de polímeros


Materiales para catálisis y procesos de separación y purificación


        Nanotecnología en Liberación de Medicamentos
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Nanomateriales Porosos y No Porosos
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                                                                 Materiales
                                     Sector Ambiental
                         Membranas porosas
                         Sensores
                         Materiales Amigables con el Ambiente
                         Combates de plagas

     Sector Industrial                                                           Sector Salud
Recubrimientos                                                          Liberación de Medicamentos
Refuerzos Mecánicos                                                     Microchips para análisis
Dispositivos ópticos y                                                  genéticos
magnéticos                                                              Tejidos Artificiales

                                     Otras aplicaciones
                         Materiales ultra resistentes y ultralivianos
                         Electrónicos
                         Alta eficiencia de la luz solar
                         Almacenamiento de energía
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                                    Materiales
Síntesis y caracterización de nanotubos de carbón,
             nanosilicatos y nanosílicas
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                                       Materiales

Soportes síliceos para la inmovilización de enzimas




SOPORTE               LACTASA        BIOCATALIZADOR HIBRIDO

          Sííica
                                     Tipo         Porcentaje de
                                                    Actividad
           Sííica +
           lactasa
                                 Lactasa Libre        100 %
                                   Lactasa          40-60 %
                                 Inmovilizada
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                                                   Materiales
                                        Sílica o
Látex híbridos                         polímero
                                                                                     Polímero




    Película polimérica
         con sílica

                                                   • Resistencia térmica
                              Recubrimientos       • Mejores propiedades mecánicas
                                                   • Resistencia al rayado




 Partículas termosensibles   Partículas estimulo   • Hidrogeles sensibles a temperatura

         core-shell               respuesta        • Hidrogeles sensibles a pH




                                Liberación         • Vectorización
                                Controlada         • Control de estructura química
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     Síntesis de Polímeros
Biodegradables y Biocompatibles
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                                                 Materiales



Uno de los mayores retos en investigación es el desarrollo de materiales más
             económicos y amigables con el medio ambiente.




  Obtención y caracterización de diferentes polímeros biodegradables a
  partir de fuentes renovables y/o desechos para diferentes aplicaciones .
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                                                     Materiales
Preparación de hidrogeles como soportes para cultivo de células

      Preparación de membranas de quitosan proveniente de conchas de
                                camarón
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                                                                    Materiales
Preparación de hidrogeles como soportes para cultivo de células


                       N-Isopropil acrilamida




                                                           Deswelling: 2.5% Crosslinking Agent


                                                     1.0


                                    Swelling Ratio
                                                     0.8                        LCST= 26.3ºC




                                                     0.6




                                                     0.4
                                                            20        24        28        32
                                                                     Temperature (ºC)
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                                       Materiales

Obtención de biopolímeros termofijos de interés industrial
             a partir de fuentes renovables
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                                        Materiales


Síntesis y caracterización del polímero biodegradable PLA
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                    Materiales




 Síntesis, Caracterización y
Reforzamiento de Polímeros
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                                                  Materiales



La generación de nuevos polímeros con mejores propiedades mecánicas,
térmicas, tribológicas y químicas implica esfuerzos en investigación tanto
aplicada como básica.

En la preparación de resinas poliméricas para uso en recubrimientos se
requiere disminuir el uso de solventes orgánicos con este objetivo se
preparan resinas híbridas orgánico-inorgánico y resinas con alto contenido
de sòlidos.
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Síntesis y caracterización de materiales poliméricos híbridos.
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Síntesis de resinas alquídicas altamente ramificadas
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Reforzamiento de fibras textiles y elastómeros
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                                   Materiales
Preparación de membranas poliméricas para su uso en
                celdas combustibles
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Materiales para Catálisis y Procesos
   de Separación y Purificación
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El uso de materiales sólidos como catalizadores heterogéneos y fases
estacionarias cromatográficas es un tema de interés mundial debido a los
impactos técnicos, económicos y ambientales que esto generaría si se
pueden producir a gran escala.
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                                                        Materiales

                Catalizadores heterogéneos (ácidos o básicos)


     Glicerol                              Diglicerol                           Agua
           OH                             OH            OH
                                                                                    O
                                     HO        O             OH                 H       H
HO              OH                                                 +




                                                                                        OH
                                                                       +
                                                                           HO                OH
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Preparación de columnas para cromatografía líquida de alta
 eficiencia (HPLC) (fase normal, fase reversa y fase quiral).
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                     Materiales




Nanotecnología en Liberación de
       Medicamentos
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                                                    Materiales



 Numerosas drogas exhiben baja solubilidad o son tóxicas o son destruidas
                            en el cuerpo.




Vectorización se denomina a la liberación de la droga en el punto de interés
específico para lograr un máximo efecto. Lo anterior exige que las
nanopartículas se funcionalicen con grupos adecuados para que reconozcan
las células afectadas.
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                                             Materiales

         Ventajas de la Liberación Controlada


    Reducción de la dosis y la frecuencia de dosificación.

 Se reduce los efectos colaterales que el exceso de AA puede provocar.


Se disminuye la degradación que sufre el AA dentro del cuerpo dado que
      las nanopartículas protegen la droga encapsulada de estas
                   interferencias gastrointestinales.
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                                                 Materiales
                          Las Nano Partículas



Deben ser generalmente materiales biodegradables y/o biocompatibles.



Capacidad de almacenamiento del medicamento.


Estabilidad del medicamento y la nanopartícula
durante su trasporte.

Se direccione a las células, tejidos o órgano
específico
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                                                     Materiales

                  Clases de Nano Partículas

Nanopartículas sólidas (nanoesferas) biodegradables son
obtenidas por polimerización en emulsión con la droga
encapsulada en el interior o anclado químicamente a la
superficie.

Nanocápsulas (NC), estas son partículas tipo “core-shell”,
en las cuales el cascarón esta hecho de polímero y el
centro es de naturaleza oleosa en la cual se encuentra el
AA solubilizado
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                                                      Materiales
               Ensamble de Nanopartículas de PLA
                   Sobre Substratos Planos
Preparar sistemas planos biodegradables a partir de
nanoparticulas de PLA con nanoparticulas de oro                 Degradación enzimática
como cascaron para monitoreo optico de cambios                          Assembly: (PEI/PAA)2(PLA-PEI / PAA) 8

ambientales                                                     0.6

                                                                                                         t: 0
                                                                0.5                     Au
                                                                                      550 nm
                                                                                                         t: 20 h
                                                                0.4

                                                                                                         t: 136 h




                                                       quot;Abs.quot;
                                                                0.3


                                                                0.2


                                                                0.1


                                                                 0
                                                                  300   400       500      600          700         800
                                      2µm                                       quot;Wavelength /nm.quot;



                      AFM de la capa ultima             α- Chymotrypsin 1.0 mg/mL,
                      del ensamble antes de             NaCl 0.1M, Na2HPO4 0.01M
                      la reducción del oro              and pH 7.0 at 36 oC
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                                                          Materiales
              Ensamble de Nanopartículas de PLA
                  Sobre Substratos Esféricos

Preparar esferas huecas biodegradables a partir de
nanopartículas de PLA recubiertas con nanopartículas de
oro como sensor de degradación, las cuales pueden ser
usadas para encapsular células y monitorear su ambiente




                                    PLA
               SiO2
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Ciencias de los materiales

  • 1. Ciencia de los Materiales Nanotecnología, Polímeros y Biomateriales Nuestros Antecedentes y Perspectivas Reconozcamonos Grupo de Investigación Ciencia de los Materiales Betty Lucy López Instituto de Química UdeA Junio 4 de 2009
  • 2. Ciencia de los Materiales Nuestro Principal Recurso Profesores
  • 3. Ciencia de los Materiales Nuestro Principal Recurso Estudiantes de Posgrado
  • 4. Ciencia de los Materiales Nuestro Principal Recurso Estudiantes de Pregrado
  • 5. Ciencia de los Materiales Infraestructura Sede de Investigación Universitaria (SIU) Laboratorio 310 Torre 1 Análisis Termogravimétrico (TGA) Calorimetría Diferencial de Barrido (DSC) Análisis Dinámico Mecánico (DMA) Espectroscopia Infrarroja (FTIR) Porosimetria y Area Superficial (ASAP) Cromatografo Líquido de Alta Eficiencia (HPLC) Medidor Cinéticas de Hinchamiento Espectrofotómetro UV-vis Empacador de Columnas Tamaño por Dispersión de Luz DLS Medidor de potencial Zeta
  • 6. Ciencia de los Materiales Nuestro Aporte Obtención y caracterización de nuevos materiales y mejoramiento de las propiedades de los materiales existentes a nivel comercial para diferentes aplicaciones. Nuestros Objetivos Contribuir al desarrollo socioeconómico con la obtención de nuevos materiales para aplicación industrial y en el campo de la salud. Procurar por una mejora en el medio ambiente mediante procesos tales como la producción de biomateriales, reciclaje y la reutilización de desechos poliméricos, agroindustriales y orgánicos. Adsorción y purificación de desechos contaminantes y tóxicos.
  • 7. Ciencia de los Materiales Nuestra Investigación Nanomateriales Porosos y No porosos Síntesis de polímeros biodegradables y biocompatibles Síntesis, caracterización y reforzamiento de polímeros Materiales para catálisis y procesos de separación y purificación Nanotecnología en Liberación de Medicamentos
  • 8. Ciencia de los Materiales Nanomateriales Porosos y No Porosos
  • 9. Ciencia de los Materiales Sector Ambiental Membranas porosas Sensores Materiales Amigables con el Ambiente Combates de plagas Sector Industrial Sector Salud Recubrimientos Liberación de Medicamentos Refuerzos Mecánicos Microchips para análisis Dispositivos ópticos y genéticos magnéticos Tejidos Artificiales Otras aplicaciones Materiales ultra resistentes y ultralivianos Electrónicos Alta eficiencia de la luz solar Almacenamiento de energía
  • 10. Ciencia de los Materiales Síntesis y caracterización de nanotubos de carbón, nanosilicatos y nanosílicas
  • 11. Ciencia de los Materiales Soportes síliceos para la inmovilización de enzimas SOPORTE LACTASA BIOCATALIZADOR HIBRIDO Sííica Tipo Porcentaje de Actividad Sííica + lactasa Lactasa Libre 100 % Lactasa 40-60 % Inmovilizada
  • 12. Ciencia de los Materiales Sílica o Látex híbridos polímero Polímero Película polimérica con sílica • Resistencia térmica Recubrimientos • Mejores propiedades mecánicas • Resistencia al rayado Partículas termosensibles Partículas estimulo • Hidrogeles sensibles a temperatura core-shell respuesta • Hidrogeles sensibles a pH Liberación • Vectorización Controlada • Control de estructura química
  • 13. Ciencia de los Materiales Síntesis de Polímeros Biodegradables y Biocompatibles
  • 14. Ciencia de los Materiales Uno de los mayores retos en investigación es el desarrollo de materiales más económicos y amigables con el medio ambiente. Obtención y caracterización de diferentes polímeros biodegradables a partir de fuentes renovables y/o desechos para diferentes aplicaciones .
  • 15. Ciencia de los Materiales Preparación de hidrogeles como soportes para cultivo de células Preparación de membranas de quitosan proveniente de conchas de camarón
  • 16. Ciencia de los Materiales Preparación de hidrogeles como soportes para cultivo de células N-Isopropil acrilamida Deswelling: 2.5% Crosslinking Agent 1.0 Swelling Ratio 0.8 LCST= 26.3ºC 0.6 0.4 20 24 28 32 Temperature (ºC)
  • 17. Ciencia de los Materiales Obtención de biopolímeros termofijos de interés industrial a partir de fuentes renovables
  • 18. Ciencia de los Materiales Síntesis y caracterización del polímero biodegradable PLA
  • 19. Ciencia de los Materiales Síntesis, Caracterización y Reforzamiento de Polímeros
  • 20. Ciencia de los Materiales La generación de nuevos polímeros con mejores propiedades mecánicas, térmicas, tribológicas y químicas implica esfuerzos en investigación tanto aplicada como básica. En la preparación de resinas poliméricas para uso en recubrimientos se requiere disminuir el uso de solventes orgánicos con este objetivo se preparan resinas híbridas orgánico-inorgánico y resinas con alto contenido de sòlidos.
  • 21. Ciencia de los Materiales Síntesis y caracterización de materiales poliméricos híbridos.
  • 22. Ciencia de los Materiales Síntesis de resinas alquídicas altamente ramificadas
  • 23. Ciencia de los Materiales Reforzamiento de fibras textiles y elastómeros
  • 24. Ciencia de los Materiales Preparación de membranas poliméricas para su uso en celdas combustibles
  • 25. Ciencia de los Materiales Materiales para Catálisis y Procesos de Separación y Purificación
  • 26. Ciencia de los Materiales El uso de materiales sólidos como catalizadores heterogéneos y fases estacionarias cromatográficas es un tema de interés mundial debido a los impactos técnicos, económicos y ambientales que esto generaría si se pueden producir a gran escala.
  • 27. Ciencia de los Materiales Catalizadores heterogéneos (ácidos o básicos) Glicerol Diglicerol Agua OH OH OH O HO O OH H H HO OH + OH + HO OH
  • 28. Ciencia de los Materiales Preparación de columnas para cromatografía líquida de alta eficiencia (HPLC) (fase normal, fase reversa y fase quiral).
  • 29. Ciencia de los Materiales Nanotecnología en Liberación de Medicamentos
  • 30. Ciencia de los Materiales Numerosas drogas exhiben baja solubilidad o son tóxicas o son destruidas en el cuerpo. Vectorización se denomina a la liberación de la droga en el punto de interés específico para lograr un máximo efecto. Lo anterior exige que las nanopartículas se funcionalicen con grupos adecuados para que reconozcan las células afectadas.
  • 31. Ciencia de los Materiales Ventajas de la Liberación Controlada Reducción de la dosis y la frecuencia de dosificación. Se reduce los efectos colaterales que el exceso de AA puede provocar. Se disminuye la degradación que sufre el AA dentro del cuerpo dado que las nanopartículas protegen la droga encapsulada de estas interferencias gastrointestinales.
  • 32. Ciencia de los Materiales Las Nano Partículas Deben ser generalmente materiales biodegradables y/o biocompatibles. Capacidad de almacenamiento del medicamento. Estabilidad del medicamento y la nanopartícula durante su trasporte. Se direccione a las células, tejidos o órgano específico
  • 33. Ciencia de los Materiales Clases de Nano Partículas Nanopartículas sólidas (nanoesferas) biodegradables son obtenidas por polimerización en emulsión con la droga encapsulada en el interior o anclado químicamente a la superficie. Nanocápsulas (NC), estas son partículas tipo “core-shell”, en las cuales el cascarón esta hecho de polímero y el centro es de naturaleza oleosa en la cual se encuentra el AA solubilizado
  • 34. Ciencia de los Materiales Ensamble de Nanopartículas de PLA Sobre Substratos Planos Preparar sistemas planos biodegradables a partir de nanoparticulas de PLA con nanoparticulas de oro Degradación enzimática como cascaron para monitoreo optico de cambios Assembly: (PEI/PAA)2(PLA-PEI / PAA) 8 ambientales 0.6 t: 0 0.5 Au 550 nm t: 20 h 0.4 t: 136 h quot;Abs.quot; 0.3 0.2 0.1 0 300 400 500 600 700 800 2µm quot;Wavelength /nm.quot; AFM de la capa ultima α- Chymotrypsin 1.0 mg/mL, del ensamble antes de NaCl 0.1M, Na2HPO4 0.01M la reducción del oro and pH 7.0 at 36 oC
  • 35. Ciencia de los Materiales Ensamble de Nanopartículas de PLA Sobre Substratos Esféricos Preparar esferas huecas biodegradables a partir de nanopartículas de PLA recubiertas con nanopartículas de oro como sensor de degradación, las cuales pueden ser usadas para encapsular células y monitorear su ambiente PLA SiO2
  • 36. Ciencia de los Materiales Gracias Preguntas