Este documento describe los diferentes tipos de biopolímeros, incluyendo polímeros naturales como la celulosa y polímeros sintéticos, y cómo se utilizan en dispositivos biomédicos. Explica que los biopolímeros son moléculas de cadenas largas compuestas de unidades repetitivas pequeñas, y que un bioingeniero debe seleccionar el biomaterial con las propiedades adecuadas para cada aplicación. También describe los métodos de síntesis de polímeros, incluyendo polimerización por adición, polimeriz

1. Biopolímeros
Asignatura: Biomateriales
Instructor: Ernesto Beltrán Partida
Curso: 2012-1

2. – Diferentes tipos de polímeros son utilizados ampliamente en dispositivos
biomédicos, lo que incluye ortopedia, dental, tejidos blandos, e implantes
cardiovasculares.
– Los polímeros se pueden derivar tanto de fuentes naturales, o de procesos
orgánicos sintéticos.
– Son relevantes una amplia variedad de polímeros naturales incluyendo los
materiales de plantas, como es la celulosa, alginato de sodio, y el caucho natural,
materiales animales como son tejido basado en válvulas cardiacas y suturas,
colágeno, glicosaminoglucanos (GAGs) y ácido hialuronico, y otros materiales
como el ácido desoxirribonucleico (DNA).
– Tanto los polímeros naturales como sintéticos son moléculas de cadenas largas
que consisten de un numero grande de pequeñas unidades repetitivas.
– El propósito de un Bioingeniero es seleccionar el biomaterial con las propiedades
que ajusten de mejor manera con la aplicación en particular requerida.

3. – Peso Molecular
– Un polímero es usualmente producido con la distribución de pesos moleculares.
– Para comparar los pesos moleculares de dos diferentes lotes de polímeros, es útil
definir el peso molecular promedio.
Mn : es el primer momento de la distribución del peso molecular
y es un promedio sobre el numero de moléculas.
Mw: es el segundo momento de la distribución del peso
molecular y es un promedio del peso de cada cadena del
polímero.
Ni : es el numero de moles de la especie i
Mi : es el peso molecular de la especie i
– La proporción entre Mw y Mn es conocido como el índice de polidispersidad (PI) y
es utilizado como una medida de la amplitud del peso molecular.
Fig. 1.Distribución típica del peso molecular de
un polímero.

4. – Los polímero lineales usados para aplicaciones biomédicas generalmente tienen
un Mn en el rango de 25,000 a 100,000 y un Mw de 50,000 a 300,000 y en el caso
excepcional, como el PE usado en las uniones de rodilla, Mw puede variar hasta en
un millón.
– Pesos moleculares altos o bajos, pueden ser necesarios dependiendo de la
habilidad de las cadenas del polímero para cristalizar o exhibir interacciones
secundarias como puentes de hidrogeno.
Tabla 1 Propiedades Mecánicas de los polímeros biomédicos.

5. – Síntesis
– Los métodos para la preparación de polímeros sintéticos caen en dos categorías:
polimerización por adición (reacción en cadena) y polimerización por
condensación (crecimiento por pasos).
Fig. 2. (A) Polimerización de metil metacrilato (polimerización por adición). (B) Síntesis de poli(etilen
teraftalato) (polimerización por condensación).

6. – Los iniciadores pueden ser radicales libres, cationes, aniones o catalizadores
esteroespecíficos.
– Las cadenas crecen rápidamente durante el paso de propagación hasta que la
reacción es terminada con otro radical libre, la molécula de un solvente, otra
molécula de polímero, un iniciador, o se adiciona un agente que transfiere
cadenas.
– La polimerización por condensación es completamente análoga para las
reacciones de condensación de moléculas de bajo peso molecular.
– Nylon y PET son polímeros de condensación típicos y son utilizados como fibras
para biomateriales.
– La reacción continua hasta que uno de los reactante se finaliza.
– El método de polimerización seleccionado afecta fuertemente al polímero
obtenido.

7. – Los polímeros producidos por polimerización por adición pueden ser
homopolímeros, o copolímeros.
– Dependiendo de las condiciones de la reacción y de la reactividad de cada tipo de
monómero, los copolímero pueden ser aleatorios, alternantes, graft y copolímeros
en bloques.
Fig. 3. Posibles estructuras para las cadenas de los polímeros.

8. Fig. 4. Homopolímeros utilizados como
biomateriales

9. – Las propiedades de la condensación de un copolímero depende de tres factores:
– La química de las unidades del monómero.
– El peso molecular de los productos del polímero.
– La distribución del peso molecular del copolímero.
– El uso de monómeros bifuncionales da lugar a polímeros lineales, mientras que
monómeros multifuncionales pueden ser utilizados para formar redes
entrecruzadas covalentemente.
Fig. 5. Copolímeros utilizados en
medicina y sus monómeros base.

10. – El entrecruzamiento de polímeros por adición o condensación es posible.
– Por ejemplo; la mayor parte de las moléculas en el caucho natural pueden ser
entrecruzadas para tener redes blandas con 1-3% de sulfuros o para tener un
caucho duro con 40-50% de sulfuro.
Fig. 5. Enlaces de Hidrogeno en moléculas de nilon-6,6 en una celda unitaria con forma σ. (De L.
Manderlkern, An introduction to Macromolecules, Springer-Verlag.) (B) agregación ionica dando lugar a
entrecruzamientos fisicos en copolímeros.

11. – Tacticidad.
– Los polímeros de largas cadenas, son capaces de sufrir diferentes conformaciones
atreves de la rotación del balance de enlaces.
Fig. 7. Posible productos en la polimerización del
1,3-Butadieno.
– Tacticidad, se refiere al arreglo de los
sustituyentes que se encuentran en una
cadena polimérica extendida.
– Los polímero atácticos usualmente no
cristalizan. Los isotácticos y sindiotácticos son
Fig. 6. Esteroisómeros esquemáticos de polímeros que cristalizan si las condiciones
polipropileno. (De F. Rodriguez, Principles son favorables.
of Polymer Systems. 1982).

12. – Determinación de la Estructura.
– La espectroscopia de IR seguido es utilizada para caracterizar la estructura de los
polímeros.
– El espectro de IR es obtenido, haciendo pasar una radiación IR atreves de la
muestra de interés y observando la longitud de onda de los picos de absorción.
Fig. 8. Espectro de infrarrojo del poli(oxido de tetrametileno)/tolueno poliuretano basado en
diisocianato

13. – La resonancia magnética nuclear (NMR), en la que las energías de spin magnéticos
de núcleo de spin ½ o mayores son probados, y se utilizan para analizar
composición química.
Fig. 9. Espectro de NMR de 13C y asignación de poliuretano [diisocianato de difenilmetano (MDI,
segmento duro), oxido de politetrametileno (segmento ligero PTMO), butanodiol (BD, cadena
extendida)].