CENTRO DE INVESTIGACION EN QUIMICA APLICADA

T E S I S

Preparación y caracterización de nanofibras antimicrobianas compuestas de copolímeros

asociativos-nanopartículas de plata y PVA, por el proceso de electrohilado

Presentada por:

I.Q Carlos José Espinoza González

Para obtener el grado de:

Maestro en Tecnología de Polímeros

Saltillo, Coah., México Noviembre 2008

"La ciencia consiste en sustituir el saber que parecía seguro por una teoría, o sea, por algo problemático."

Francois Marie Arouet Voltaire (1694-1778). Escritor y filósofo francés

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Dedicatoria Dedico primordialmente este trabajo a Dios, por ser el que me dio vida, salud y sabiduría para poder culminar mis estudios de posgrado. A la virgen santísima, por ser quien intercedió ante su hijo y me llevó siempre entre sus brazos. A mis padres, por ser quienes me inculcaron valores morales y cristianos a lo largo de mi vida, los cuales hoy dieron sus primeros frutos. Gracias por su amor y apoyo, los cuales no me hicieron sentir muy lejos de casa. A mi esposa Ana Zavala de Espinoza (mi conejita), por brindarme su apoyo moral e incondicional durante todo este tiempo. A ella dedico especialmente este éxito alcanzado, como un primer logro juntos.

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Agradecimientos A mi tutor el Dr. Ramiro Guerrero-Santos, por haber depositado su confianza y apoyo para la realización de este trabajo, desde mis inicios en el CIQA. Al proyecto No. 46033Y del CONACYT, como soporte económico para la ejecución de este proyecto de investigación, el cual fue liderado por el Dr. Ramiro Guerrero-Santos. Al Dr. Jorge Romero-García y el M.C. Iván Moreno, por el aporte de sus conocimientos en el área de electrohilado. A mi co-asesor el Dr. Antonio Ledezma-Pérez, por sus consejos y conocimientos compartidos en el área de microbiología. A todos mis amigos de laboratorio, que me brindaron su sincera amistad y apoyo en las actividades del laboratorio. No puedo dejar de mencionar a mis maestros de posgrado del CIQA, quienes me alumbraron el camino de la perseverancia y la disciplina para formarme como profesional. A todos ellos debo parte de este logro.

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Resumen En este trabajo, se efectuó un estudio que nos permite determinar el posible mecanismo de síntesis de nanopartículas de plata en medio micelar acuoso, utilizando el monómero con carácter reductor N,N-Dihexilacrilamida (DiHexAM). Aprovechando la propiedad fotoreductora y/o químico-reductora de este monómero; producto de una modificación electrónica en su estructura alcanzada tras un proceso de envejecimiento. Nanopartículas con morfología de platos, cuasiesféricas y decahedrales en el orden nanométrico, fueron obtenidas en función de la longitud de onda de irradiación. Por otro lado, el descubrimiento de la novedosa propiedad reductora y estabilizadora del copolímero asociativo poli(acrilamida-co-N,N-dihexilacrilamida) (poli(AM-co-DiHexAM)) en la síntesis de nanopartículas de plata, dio paso a la preparación de un nanocompuesto con propiedades antimicrobianas. Esto se puede explicar porque el par de electrones sin aparear de las amidas tercearias del copolímero asociativo, podrían actuar como electro-donadores en el proceso de síntesis. Las excelentes propiedades estabilizadoras del copolímero con las nanopartículas de plata, las cuales le confirieron un carácter indisoluble, fueron aprovechadas para la preparación de nanofibras antimicrobianas por el proceso de electrohilado. Estudios por Espectroscopía de fotoelectrón de rayos-X (XPS), demostraron una fuerte interacción por coordinación de las nanopartículas de plata con el nitrógeno del grupo amida, así como una adsorción de los segmentos hidrófobos alifáticos del copolímero asociativo, muy superior a las interacciones con el grupo carbonilo reportadas en la literatura. Por otra parte, la modificación reológica de una solución de PVA con el nanocompuesto poli(AM-co-DiHexAM)/Ag, dio paso a la preparación de nanofibras bicomponentes con una morfología de listón, entrecruzadas con Genipin como un novedoso agente natural de entrecruzamiento. Lo anterior, fue desarrollado llevando a cabo un estudio sistemático y estadístico de la influencia de los parámetros de la solución y las condiciones de proceso, en la morfología de las nanofibras, en la que las

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nanopartículas de plata se encontraron muy bien dispersas a lo largo de las nanofibras, aumentándose de esta manera el área de exposición de las nanopartículas de plata, en relación a las reportadas en el arte previo. El novedoso proceso de preparación del nanocompuesto antimicrobiano, se muestra como una alternativa a la necesidad de desarrollar nuevos materiales poliméricos con propiedades antimicrobianas, en la que las nanopartículas de plata se encuentren indisolublemente asociadas a la matriz polimérica. La preparación de nanofibras con este tipo de nanocompuestos, podrían ser utilizados en aplicaciones biomédicas, tales como vendajes para heridas y filtros de agua y aire.

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Contenido

Resumen iii

Capitulo 1. INTRODUCCION 1. INTRODUCCION 1 Referencias 3 Capitulo 2. ANTECEDENTES 2.1 NANOMATERIALES 4 2.1.1 Introducción 4 2.1.2 Nanopartículas metálicas (Aspectos generales) 5 2.1.2.1 Definición 5 2.1.2.2 Organización estructural 6 2.1.2.3 Clasificación de técnicas de síntesis de nanopartículas 6 2.1.2.4 Mecanismo de nucleación de nanopartículas 10 2.1.3 Nanopartículas de plata 11 2.1.3.1 Introducción 11 2.1.3.2 Propiedades ópticas 12 2.1.3.3 Métodos de síntesis 14 2.1.3.4 Propiedades antimicrobianas 17 2.1.3.5 Toxicidad

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2.2 NANOCOMPUESTOS POLIMERICOS 21 2.2.1 Definición 21 2.2.2 Métodos de síntesis 21

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2.2.2.1 Métodos físicos 22 2.2.2.2 Métodos químicos 22 2.2.2.3 Métodos físico-químicos 24 2.2.3 Principios sobre la estabilización de nanopartículas por polímeros 24 2.2.4 Nanocompuestos conteniendo AgNps 26 2.2.4.1 Introducción 26 2.2.4.2 Métodos de síntesis

27

2.3 POLIMEROS ASOCIATIVOS 30 2.3.1 Introducción 30 2.3.2 Clasificación 31 2.3.2.1 Clasificación según su estructura 32 2.3.2.2 Clasificación según la naturaleza del esqueleto hidrosoluble 32 2.3.2.3 Propiedades reológicas

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2.4 NANOFIBRAS Y ELECTROHILADO 40 2.4.1 Introducción 40 2.4.2 Proceso de electrohilado 43 2.4.2.1 Parámetros de la solución del polímero 45 2.4.2.2 Condiciones de procesamiento 48 2.4.2.3 Creación de nanofibras con diferente morfología 50

2.4.2.4 Investigación sobre la influencia de los parámetros de la solución y de procesamiento en la morfología de nanofibras a través de estudios sistemáticos 53

2.4.3 Nanofibras de polímeros hidrosolubles 55 2.4.4 Electrohilado coaxial 57 Bibliografía 60 Referencias 61 Capitulo 3. ENFOQUE DE LA TESIS 3.1 JUSTIFICACION 683.2 HIPOTESIS 703.3 OBJETIVO GENERAL 70 3.3.1 Objetivos específicos 70 Referencias 72 Capitulo 4. PARTE EXPERIMENTAL 4.1 SINTESIS DE NANOPARTICULAS DE PLATA EN MEDIO MICELAR 73

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4.1.1 Síntesis del monómero-reductor hidrófobo DiHexAM 73 4.1.2 Síntesis de nanopartículas de plata e influencia de la luz ultravioleta 74 4.1.2.1 Caracterización de las soluciones obtenidas conteniendo AgNps

75

4.2 SINTESIS DE NANOPARTICULAS DE PLATA UTILIZANDO EL COPOLIMERO POLI(AM-co-DiHexAM) COMO AGENTE REDUCTOR Y ESTABILIZADOR 76 4.2.1 Síntesis del copolímero poli(AM-co-DiHexAM) por polimerización micelar 76 4.2.2 Síntesis del nanocompuesto poli(AM-co-DiHexAM)/Ag 78 4.2.2.1 Caracterización 78

4.2.2.2 Determinación de la actividad antimicrobiana

78

4.3 PREPARACIÓN DE NANOFIBRAS POR EL PROCESO DE ELECTROHILADO COAXIAL UTILIZANDO EL NANOCOMPUESTO CPA2-F/Ag® y PVA. 81 4.3.1 Reología de soluciones del nanocompuesto CPA-F/Ag® 82

4.3.2 Investigación de los efectos de las condiciones de proceso en la morfología de nanofibras, utilizando un diseño factorial fraccionado 834.3.3 Determinación del diagrama de operaciones Voltaje vs Flujo de alimentación 894.3.4 Determinación del diagrama de operaciones Voltaje vs Flujo de alimentación para el electrohilado coaxial.

89

4.4 PREPARACIÓN DE NANOFIBRAS POR EL PROCESO DE ELECTROHILADO, UTILIZANDO UNA SOLUCIÓN BICOMPONENTE DE CPA1.5-F/Ag®3070 y PVA 91 4.4.1 Preparación de la solución bicomponente 91 4.4.2 Preparación de nanofibras 92 4.4.3 Entrecruzante de las nanofibras 92

4.4.4 Determinación de la actividad antimicrobiana y antifúngica de las nanofibras bicomponentes utilizando el método por contacto 95

Bibliografía 98Referencias 99 Capítulo 5. RESULTADOS Y DISCUSION 5.1 SINTESIS DE NANOPARTICULAS DE PLATA EN MEDIO MICELAR 101 5.1.1 Influencia de la longitud de onda de irradiación 101 5.1.2 Mecanismo de síntesis en medio micelar 104 5.1.2.1 Formación del precursor metálico dodecilsulfato de sodio (AgDS) 104 5.1.2.2 Mecanismo de síntesis

105

viii

5.2 SINTESIS DE NANOPARTICULAS DE PLATA UTILIZANDO EL COPOLIMERO CPA-F COMO AGENTE REDUCTOR Y ESTABILIZADOR 111 5.2.1 Obtención y caracterización del nanocompuesto CPA-F/Ag® 111 5.2.2 Mecanismo de síntesis 113

5.2.3 Determinación de la Concentración Mínima Inhibitoria y Concentración Mínima Bactericida

118

5.3 NANOFIBRAS OBTENIDAS POR EL PROCESO DE ELECTROHILADO COAXIAL, UTILIZANDO EL NANOCOMPUESTO CPA-F/Ag® Y PVA 121 5.3.1 Reología de soluciones del nanocompuesto CPA-F/Ag® 121

5.3.2 Investigación de los efectos de las condiciones de proceso en la morfología de nanofibras, utilizando un diseño factorial fraccionado 129

5.3.2.1 PVA 129 5.3.2.2 CPA1.5-F/Ag®3070 136 5.3.3 Diagrama de operaciones Voltaje vs Flujo de alimentación 144

5.3.4 Diagrama conjunto de operaciones Voltaje vs Flujo de alimentación para el electrohilado coaxial

147

5.4 NANOFIBRAS OBTENIDAS POR EL PROCESO DE ELECTROHILADO, UTILIZANDO UNA SOLUCION BICOMPONENTE DE CPA1.5-F/Ag®3070 Y PVA 154 5.4.1 Reología de la solución bicomponente 154

5.4.2 Investigación de los efectos de las condiciones de proceso en la morfología de las nanofibras, utilizando un diseño factorial fraccionado 157

5.4.2.1 Caracterización 162 5.4.3 Entrecruzamiento de nanofibras bicomponentes 168 5.4.3.1 DAS 168 5.4.3.2 Genipin 170 5.4.4 Actividad antimicrobiana y antifúngica de las nanofibras bicomponetes 173Referencias 175 Capítulo 6. CONCLUSIONES 6.1 CONCLUSIONES 179

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Índice de Figuras y Tablas

Figura Figura 2.1 Proceso de Condensación en Gas Inerte (IGC) desarrollado por el instituto de

materiales de Fraunhofer en Alemania. 8Figura 2.2 Procesos envueltos en la síntesis de nanopartículas metálicas en solución

micelar. 10Figura 2.3 Las principales etapas de la transformación de átomos metálicos en metales a

granel. 11Figura 2.4 Publicaciones y patentes relacionadas con la síntesis, caracterización y

aplicaciones de las AgNps. 12Figura 2.5 Esquema de la interacción de una radiación electromagnética con una

nanopartícula esférica, donde un efecto dipolo es inducido. 13Figura 2.6 Simulación del espectro de absorción de AgNps esféricas para diferentes valores

de diámetro de partículas. 13Figura 2.7 Correlación entre la longitud de onda y tamano de partícula para diferentes

morfologías. 14Figura 2.8 Nanopartículas de plata obtenidas por IGC. 15Figura 2.9 Morfología de las AgNps obtenidas por el método de poliol. 15Figura 2.10 Efecto de la variación de parámetros de procesos en el tamaño de las

nanopartículas para un sistema de micela invertida. 16Figura 2.11 Célula del hongo Verticillium conteniendo AgNps estabilizadas en su pared

celular. 16Figura 2.12 Imagen TEM de las morfologías de las AgNps que presentan actividad

antimicrobiana. 17Figura 2.13 Imagen TEM de la bacteria P. aeruginosa tratada con AgNps. 18Figura 2.14 Publicaciones y patentes relacionadas con el uso de AgNps en el área médica. 19Figura 2.15 Coloración desarrollada por la exposición prolongada a iones de plata vía

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cutánea, conocida como argiria o argiriosis. 19Figura 2.16 Publicaciones relacionadas con el estudio de la toxicidad de las AgNps. 20Figura 2.17 Posiciones de la adsorción del polímero en la superficie de las nanopartículas. 25Figura 2.18 Adsorción de polímero del tipo collar. 25Figura 2.19 Publicaciones y patentes relacionadas con la síntesis y preparación de AgNcps. 27Figura 2.20 Nanopartículas de plata envueltas en una matriz de poli(N-isopropilacrilamida). 29Figura 2.21 AgNps producidas por irradiación γ. 29Figura 2.22 Tipos de interacciones en los polímeros asociativos. 31Figura 2.23 Publicaciones y patentes relacionadas con la síntesis y aplicaciones de los

polímeros modificados hidrófobicamente. 31Figura 2.24 Clasificación de polímeros asociativos según su estructura. 32Figura 2.25 Representación esquemática del proceso de polimerización micelar. 33Figura 2.26 Variación de la longitud de la cadena hidrófoba, por la variación en el NH. 35Figura 2.27 Publicaciones y patentes relacionadas con la síntesis y aplicaciones de las

poliacrilamidas modificadas hidrofóbicamente. 35Figura 2.28 Diagrama esquemático de los regímenes de concentración de las poliacrilamidas

modificadas y no modificadas. 36Figura 2.29 Viscosidad como función de la concentración de surfactante para diferentes

contenidos de monómero hidrófobo. 39Figura 2.30 Representación esquemática de las interacciones copolímero-surfactante en

función de la concentración de surfactante. 39Figura 2.31 Relación entre el diámetro de la fibra y el área superficial. 40Figura 2.32 Publicaciones y patentes relacionadas con la preparación y estudio de nanofibras

de materiales poliméricos y nanocompuestos por el método de electrohilado. 42Figura 2.33 Aplicaciones potenciales de nanofibras fabricadas por electrohilado. 43Figura 2.34 Ultra-web™ polyamine synthetic surface fabricadas por Corning Incorporated,

Corning, New York. 43Figura 2.35 Esquema del proceso de electrohilado. 44Figura 2.36 Morfología de las fibras con gotas en función de la viscosidad, para el PEO. 46Figura 2.37 Regimenes para varias morfologías observadas en el PVA. 46Figura 2.38 Correlación de la morfología de las nanofibras con los regímenes de

concentración para una solución de PEO-agua. 47Figura 2.39 Efecto de la velocidad de alimentación en la morfología de las nanofibras de

policaprolactona. 49Figura 2.40 Nanofibras de Nylon 6,6. 49Figura 2.41 Nanofibras porosas de poli(ácido-L-láctico) (PLLA) a partir de una solución de

PLLA en diclorometano. 51Figura 2.42 Nanofibras de PVA con morfología de listón. 51Figura 2.43 Mecanismo de formación de nanofibras con morfología de listón. 52Figura 2.44 Nanofibras ramificadas de poli(2-hidroxietil metacrilato) (HEMA). 52

xi

Figura 2.45 Publicaciones relacionadas con el estudio sistemático del proceso de electrohilado utilizando diversos sistemas poliméricos. 53

Figura 2.46 Diagramas de operación para el PEO-agua. 54Figura 2.47 Nanofibras de PVP/PEO entrecruzadas con sal de disodio 4,4’-diazidobeceno

2,2’ ácido disulfónico (DAS). 55Figura 2.48 Publicaciones y patentes relacionadas con la utilización de polímeros

hidrosolubles en el proceso de electrohilado. 56Figura 2.49 Imagen TEM de nanofibras de polímeros hidrosolubles conteniendo AgNps. 57Figura 2.50 Sistema utilizado para el proceso de electrohilado coaxial. 58Figura 2.51 Evolución de la geometría del cono de Taylor en función de la velocidad de

alimentación para el sistema PVP-aceite. 58Figura 3.1 Nanopartículas de plata contenidas en el interior de una nanofibra de PLLA. 69Figura 4.1 Espectro de 1H NMR del monómero DiHexAM. 74Figura 4.2 Sistema de reacción utilizado para la síntesis de nanopartículas de plata bajo

una longitud de onda de luz ultravioleta. 75Figura 4.3 Sistema de reacción utilizado para la síntesis del copolímero PAM-co-

DiHexAM. 76Figura 4.4 Espectro de 1H NMR del copolímero CPA-F. 77Figura 4.5 Preparación de diluciones del agente antimicrobiano. 80Figura 4.6 Metodología utilizada para encontrar las condiciones óptimas para la obtención

de nanofibras con morfología núcleo-coraza por el proceso de electrohilado coaxial. 82

Figura 4.7 Arreglo ortogonal del tipo L9(34). 85Figura 4.8 Procedimiento para la obtención del De% para cada variable. 87Figura 4.9 Esquema utilizado para el proceso de electrohilado coaxial. 90Figura 4.10 Geometrías de agujas evaluadas en el proceso de electohilado coaxial. 91Figura 4.11 Sal disodio 4,4’ diazidobenceno-2,2’ ácido disulfónico. 93Figura 4.12 Estructura del Genipin. 93Figura 4.13 Recuento bacteriano de las muestras evaluadas. 96Figura 5.1 Influencia de la longitud de onda de la irradiación sobre la morfología de las

AgNps.

102Figura 5.2 Mecanismo de formación de AgNps con morfología de nanoplatos. 103Figura 5.3 Molécula de dodecil sulfato de plata (AgDS) 104Figura 5.4 Cinética de la formación de AgNps seguida por UV-vis, utilizando el precursor

metálico AgDS y el monómero-reductor DiHexAM en solución de etanol. 105Figura 5.5 Espectro de absorción UV-vis de las AgNps sintetizadas utilizando una solución

fresca de monómero DiHexAM a diferentes tiempos de reacción. 106Figura 5.6 Imagen TEM y distribución de tamano de AgNps utilizando una solución fresca

del monómero DiHexAM. 107

xii

Figura 5.7 Imagen TEM de AgNps obtenidas mediante una solución envejecida del monómero DiHexAM. 108

Figura 5.8 Mecanismo propuesto para la síntesis de AgNps en medio micelar acuoso, utilizando el monómero-fotoreductor DiHexAM. 110

Figura 5.9 Espectro de absorción UV-vis de la solución del nanocompuesto CPA2-F/Ag® obtenida por proceso térmico. 112

Figura 5.10 AgNps obtenidas mediante el tratamiento térmico del AgNO3, en presencia del copolímero CPA-F. 112

Figura 5.11 Espectro de absorción UV-vis de las AgNps obtenidas en presencia del homopolímero PAM mediante calentamiento a 121 °C. 114

Figura 5.12 Mecanismo propuesto para la síntesis de AgNps utilizando el copolímero CPA-F como agente reductor-estabilizador. 116

Figura 5.13 Espectro de absorción UV-vis de las AgNps obtenidas utilizando la poliacrilamida como agente fotoreductor. 117

Figura 5.14 Concentración Mínima Inhibitoria (CMI) del nanocompuesto CPA2-F/Ag® contra Escherichia coli ATCC-25922. 118

Figura 5.15 Concentración Mínima Inhibitoria (CMI) de las muestras de control evaluadas con la bacteria Escherichia coli ATCC-25922 y Staphylococcus aureus ATCC-29213. 119

Figura 5.16 Comparación de la dispersión de las AgNps en matrices poliméricas. 120Figura 5.17 Regímenes de concentración de distintas soluciones poliméricas evaluadas en

este trabajo. 121Figura 5.18 Comportamiento viscoelástico de copolímeros asociativos de poli(AM-co-

DiHexAM) en función del peso molecular y del NH. 123Figura 5.19 Esquema representativo que muestra el ciclo del fenómeno de inestabilidad del

chorro, presentado para la solución de nanocompuesto CPA2-F/Ag® durante el proceso de electrohilado. 124

Figura 5.20 Imagen SEM de nanofibras del nanocompuesto CPA-F/Ag® obtenidas con una mezcla DMF:H2O. 127

Figura 5.21 Regímenes de concentración del nanocompuesto CPA-F/Ag® con una relación DMF:H2O de 30:70. 128

Figura 5.22 Esquema representativo de la capa de difusión a nivel de interfase entre el PVA y el nanocompuesto CPA-F/Ag®. 129

Figura 5.23 Variación de la morfología de las nanofibras de PVA en función de las condiciones de proceso evaluadas en la Tabla 5.2. 131

Figura 5.24 Mapa de las zonas de bajo, medio y alto %De en las nanofibras de PVA, en función de las condiciones de operación de voltaje y flujo de alimentación a diferentes distancias, aplicando la Ecuación 5.1. 134

Figura 5.25 Mapa de las zonas de bajo, medio y alto %De en las nanofibras de PVA, en función del voltaje y flujo de alimentación para una distancia de 16 cm. 135

xiii

Figura 5.26 Nanofibras de PVA preparadas a 0.45 mL/h, 15 kV y 16 cm. 136Figura 5.27 Variación de la morfología de las nanofibras del nanocompuesto CPA-F/Ag® en

función de los tres parámetros evaluados utilizando la matriz ortogonal L9(33). 137Figura 5.28 Nanofibras del nanocompuesto CPA-F/Ag® preparadas a 0.7 mL/h, 20 kV y 20

cm. 138Figura 5.29 Imagen TEM de las nanofibras del nanocompuesto CPA-F/Ag®. 139Figura 5.30 Imagen topográfica de AFM de una nanofibra del nanocompuesto CPA-F/Ag® 140Figura 5.31 Espectros de XPS para el copolímero CPA-F y del nanocompuesto CPA-F/Ag®. 142Figura 5.32 Espectro XPS para Ag 3d5/2 y Ag 3d3/2 de las nanofibras del nanocompuesto

CPA-F/Ag®. 144Figura 5.33 Diagrama de operaciones voltaje vs flujo de alimentación para el PVA a una

distancia de 20 cm. 146Figura 5.34 Diagrama de operaciones voltaje vs flujo de alimentación para el

nanocompuesto CPA1.5-F/Ag®3070 a una distancia de 20 cm. 146Figura 5.35 Diagrama de operaciones conjunto voltaje vs flujo de alimentación, mostrando

las regiones de operación óptimas de ambos componentes.

147Figura 5.36 Mapa de operaciones para el proceso de electrohilado coaxial en función de los

flujos de alimentación de ambos componentes a un voltaje de 18 kV, utilizando la geometría GE-E. 148

Figura 5.37 Diagrama de operaciones conjunto (voltaje vs flujo de alimentación) mostrando las nuevas regiones de operación para ambas componentes. 149

Figura 5.38 Mapa de operaciones para el proceso de electrohilado coaxial en función de los flujos de alimentación de ambos componentes a un voltaje de 16.5 kV para las diferentes geometrías evaluadas. 150

Figura 5.39 Imagen SEM de la morfología de las nanofibras obtenidas por electrohilado coaxial, utilizando la geometría GE-E para diferentes velocidades de flujo CPA1.5-F/Ag®3070-PVA8. 152

Figura 5.40 Imagen SEM de la morfología de las nanofibras obtenidas por electrohilado coaxial, con flujos de 0.5 mL/h y 0.1 mL/h para el PVA8 y el nanocompuesto CPA1.5-F/Ag®3070 respectivamente, utilizando la geometría GE-E. 153

Figura 5.41 Imagen SEM de la morfología de las nanofibras obtenidas a partir de la solución bicomponente CPA1.5-F/Ag®3070//PVA8 utilizando una proporción 56:44. 155

Figura 5.42 Termograma de DSC de películas preparadas a partir de la solución bicomponente y sus componentes por separado. 156

Figura 5.43 Regímenes de concentración de la solución bicomponente de CPA1.5-F/Ag®3070 y PVA8. 157

Figura 5.44 Variación de la morfología de las nanofibras de la solución bicomponente CPA1.5-F/Ag®3070//PVA8 3/40:60 en función de los tres parámetros evaluados utilizando la matriz ortogonal L9(33). 159

Figura 5.45 Mapa de las zonas de bajo, medio y alto %De en las nanofibras obtenidas a

xiv

partir de la solución bicomponente CPA1.5-F/Ag®3070//PVA8 3/40:60, en función de las condiciones de operación de voltaje y flujo de alimentación para una distancia de 10 cm. 162

Figura 5.46 Nanofibras bicomponentes preparadas a 0.6 mL/h, 20 kV y 20 cm. 163Figura 5.47 Imagen topográfica de una nanofibra bicomponente CPA-F/Ag®//PVA. 163Figura 5.48 Imagen TEM de una nanofibra bicomponente CPA-F/Ag®//PVA. 164Figura 5.49 Espectros XPS para nanofibras de PVA y nanofibras bicomponentes. 166Figura 5.50 Imagen SEM de nanofibras bicomponentes entrecruzadas con diferentes

concentraciones de DAS, después de 8 horas de irradiación UV. 169

Figura 5.51 Imagen SEM de nanofibras bicomponentes entrecruzadas con el 3% de DAS, después de 48 horas de exposición en agua fría. 169

Figura 5.52 Reacciones secundarias del DAS. 170Figura 5.53 Comparación de los espectros de IR entre las nanofibras bicomponentes sin

entrecruzar y las entrecruzadas con Genipin a 60 °C. 171Figura 5.54 Imagen SEM de nanofibras bicomponentes entrecruzadas utilizando el método

de doble entrecruzamiento Genipin-metnol. 172Figura 5.55 Imagen SEM de nanofibras bicomponentes entrecruzantes utilizando el método

de doble entrecruzamiento Genipin-metanol, después de 48 horas de exposición en agua fría. 172

Tabla Tabla 2.1 Ejemplo de nanomateriales. 4Tabla 2.2 Tamaño de partícula y la fracción de átomos localizada en su superficie. 6Tabla 2.3 Comparación de los métodos de procesamiento para la obtención de nanofibras. 41Tabla 2.4 Ventajas y desventajas de los métodos de procesamiento de nanofibras. 41Tabla 2.5 Efecto de las variables y condiciones de procesamiento en la morfología de las

nanofibras. 50Tabla 4.1 Esquema general de la matriz ortogonal L9(33) aplicada en este trabajo. 85Tabla 4.2 Tabla general para el cálculo de R y S. 87Tabla 5.1 Condiciones de operación utilizadas en la experimentación previa del

nanocompuesto CPA2-F/Ag® en el proceso de electrohilado.

123Tabla 5.2 Resultados experimentales como producto del desarrollo de la matriz ortogonal

L9(33) utilizada para la investigación de las condiciones de proceso del PVA. 130Tabla 5.3 Valores de R y S obtenidos de los resultados experimentales de la aplicación de

la matriz L9(33). 131Tabla 5.4 Evaluación de la Ecuación 5.1 mediante el cálculo de %De teóricos y

xv

experimentales bajo diversas condiciones de proceso. 132Tabla 5.5 Matriz ortogonal L9(33) utilizadas para la investigación de las condiciones de

proceso de la solución del nanocompuesto CPA1.5-F/Ag®3070. 136Tabla 5.6 Valores de las energías de enlace del copolímero CPA-F y del nanocompuesto

CPA-F/Ag®. 140Tabla 5.7 Resultados experimentales como producto del desarrollo de la matriz ortogonal

L9(33) utilizada para la investigación de las condiciones de proceso de la solución bicomponente CPA1.5-F/Ag®3070//PVA8 3/40:60 158

Tabla 5.8 Valores de R y S obtenidos basados en los resultados experimentales de la aplicación de la matriz L9(33) para la solución bicomponente CPA1.5-F/Ag®3070//PVA8 3/40:60. 159

Tabla 5.9 Evaluación de la Ecuación 5.2 mediante el cálculo de %De teóricos y experimentales bajo diversas condiciones de operación. 160

Tabla 5.10 Valores de las energías de enlace de las nanofibras de PVA y bicomponentes CPA-F/Ag®//PVA. 165

Tabla 5.11 Eficiencia antibacteriana de las nanofibras bicomponentes contra la bacteria Escherichia coli y Staphylococcus aureus. 173

Introducción

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Introducción

1.1- INTRODUCCION La nanotecnología ha englobado diferentes campos de la ciencia y la tecnología que estudian y/o manipulan de manera controlada sustancias, materiales y dispositivos a escala nanométrica (1 nm = 10-9 m). Lográndose desarrollar nuevos materiales con mejoradas propiedades ópticas, electrónicas, conductoras, médicas y biológicas [1]. En particular, la incorporación de nanopartículas metálicas en matrices poliméricas, es un campo de particular interés para la ingeniería de materiales, dadas sus aplicaciones en recubrimientos, materiales superdonductores, cosméticos, sistemas de purificación de aguas, textiles, sensores, músculos artificiales, entre otros [2]. En especial, las nanopartículas de plata (AgNps) han mostrado un fuerte efecto biocida [3, 4], por lo que se han utilizado como agente activo antimicrobiano en la formulación de muchos sistemas poliméricos [5]. Dentro de estos, los polímeros solubles en agua han sido los más utilizados principalmente en la elaboración de vendajes para heridas e hidrogeles antimicrobianas [6-9]. Los vendajes para heridas y quemaduras, constituidas de nanofibras poliméricas, presentan una gran área superficial que las hace ideales para lograr una eficiente acción antimicrobiana en comparación con los hidrogeles, al promover una mayor interacción nanopartícula de plata-microorganismo. Sin embargo, muchos de estos productos presentan elevados niveles de toxicidad, debido a que se ha encontrado niveles altos de AgNps en la sangre y síntomas relacionados con la argiriosis (coloración gris en la piel), como consecuencia de la liberación de estas nanopartículas y su posterior absorción en la piel [10].

Introducción

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En un trabajo previo efectuado [11], se encontró que las AgNps, presentaban una fuerte interacción con las poliacrilamidas asociativas, ya que lograban permanecer en la matriz polimérica a pesar de los sucesivos ciclos de precipitación y disolución del nanocompuesto obtenido (poliacrilamida asociativa-AgNps), debido a una estabilización de carácter indisoluble. Lo anterior, dió lugar a la utilización de este tipo de nanocompuestos en la preparación de nanofibras antimicrobianas mediante el proceso de electrohilado, al igual que un posterior estudio sobre la naturaleza de la interacción entre las AgNps y la matriz del copolímero asociativo. En la primera etapa de esta investigación, se estudia el posible mecanismo de síntesis de las AgNps, utilizando las propiedades reductoras del monómero hidrófobo N,N-dihexilacrilamida (DiHexAM) en solución acuosa micelar, así como una evaluación de la capacidad reductora-estabilizadora de AgNps del copolímero asociativo poli(acrilamida-co-N,N-dihexilacrilamida) (poli(AM-co-DiHexAM). Un posterior estudio sobre la determinación de las condiciones óptimas de operación, para la obtención de nanofibras libres de defectos mediante el proceso de electrohilado coaxial, fue desarrollado utilizando un modelo estadístico ortogonal. Esto, llevó a la posterior obtención de nanofibras bicomponentes de poli(AM-co-DiHexAM)-AgNps y poli(vinil alcohol) (PVA). Adicionalmente, estudios sobre la interacción específica entre las AgNps y la matriz polimérica envolvente, fueron llevados a cabo utilizando técnicas especiales como la Espectroscopía de Fotoelectrón de Rayos-X (XPS). Por último, la actividad antimicrobiana de las nanofibras obtenidas, fueron probadas contra modelos de bacterias Gram-positiva, Gram-negativas y un tipo común de hongo, aplicando métodos estandarizados de evaluación. En consecuencia, el problema subyacente de la presente investigación, fue proveer nanofibras de polímeros hidrosolubles con propiedades antimicrobianas, conteniendo AgNps indisolublemente asociadas a la matriz polimérica, presentándose así como una novedosa alternativa de solución a las necesidades descritas en el arte previo.

Introducción

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REFERENCIAS 1. Gogotsi, Y., Nanomaterials Handbook, ed. T.F. group. 2006. 2. A.D. Pomogailo, V.N.K., Metallopolymer nanocomposites. 2005: Materials science;

Springer. 3. Jose Ruben Morones, J.L.E., Alejandra Camacho, Katherine Holt, Juan B. Kouri,

Jose Tapia Ramírez, Miguel Jose Yacaman., The bacterial effect of silver nanoparticles. Nanotechnology, 2005. 16: p. 2346-2353.

4. Jose Luis Elechiguerra, J.L.B., Jose R. Morones, Alejandra Camacho-Bragado, Xiaoxia Gao, Humberto H. Lara, Miguel Jose Yacaman., Interaction of silver nanoparticles with HIV-I. Journal of Nanobiotechnology, 2005. 3(6): p. 1-10.

5. Chen, X.S., HJ, Nanosilver: A nanoproduct in medical application. Toxicology letters, 2007. 76(1): p. 1-12.

6. Wen-Fu Lee, Y.-C.H., Swelling and antibacterial properties for the superabsorbent hydrogels containing silver nanoparticles. Journal of Applied Polymer Science, 2007. 106: p. 1992-1999.

7. T. Andrew Canada, R.L.S., Raymond C. Sturm, Kenneth M. Wiencek., Method for producing a silver-containing wound care device. 2005: United States Patent.

8. Hong, K.H., Preparation and properties of electrospun poly(vinyl alcohol)/silver fiber web as wound dressings. Polymer Engineering and Science, 2007: p. 43-49.

9. Wen-Ji, H.K.L., Eun Hwan Jeong, Won Ho Park, Ji Ho Youk., Preparation of polymer nanofibers containing silver nanoparticles by using poly(N-vinylpyrrolidone). Macromolecular Rapid Communications., 2005. 26: p. 1903-1907.

10. Trop Marija, N.M., Rodl Siegfried, Hellbom Bengt, Kroell Wolfgang, Goessler Walter, Silver-Coated Dressing Acticoat Caused Raised Liver Enzymes and Argyria-like Symptoms in Burn Patient. Journal of Trauma-Injury Infection & Critical Care, 2006. 60(3): p. 648-652.

11. Carlos Espinoza, R.G., Síntesis y caracterización de nanocompositos en base de nanopartículas de plata y copolímeros asociativos. Aplicación como agente antibacteriano., in Departamento de Ingeniería Química. 2006, Universidad Nacional de Ingeniería: Managua, Nicaragua.

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2.1- NANOMATERIALES 2.1.1- Introducción La nanotecnología es un área de la ciencia dedicada al estudio de materiales de dimensiones nanométricas. De tales dimensiones se derivan ciertas propiedades diferentes o inexistentes de dichos materiales en su forma a granel. La Tabla 2.1 presenta una lista con las denominaciones y ejemplos de nanomateriales con sus dimensiones típicas. Tabla 2.1. Ejemplos de nanomateriales.

Denominación Tamaño (aprox.) Materiales Nanocristales y aglomerados (quantum dots) Diám. 1-10 nm

Metales, semiconductores, materiales magnéticos.

Otras nanopartículas Diám. 1-100 nm Óxidos cerámicos Nanoalambres Diám. 1-100 nm Metales, semiconductores, óxidos. Nanotubos Diám. 1-100 nm Carbón Sólidos nanoporosos Diám. Poro 0.5-10 nm Zeolitas, fosfatos Arreglos bidimensionales (de nanopartículas) 2 nm – 2 μm

Metales, semiconductores, materiales magnéticos

Superficies y películas delgadas Espesor 1-1 μm Una variedad de materiales

Estructuras tridimensionales Ciertos nm en las tres dimensiones.

Metales, semiconductores, materiales magnéticos.

Fuente: [1] El control de la forma y tamaño de estas estructuras y por ende de sus propiedades, ha dado origen al desarrollo de la nanotecnología, lo cual se refleja en la creación de materiales con propiedades sinergísticas. De hecho, la disponibilidad de nuevas estrategias para la obtención de nanomateriales, así como de herramientas para su

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caracterización y manipulación, han dado lugar a un crecimiento explosivo de esta área [1]. Por ejemplo, se han descubierto varios métodos de síntesis de nanopartículas y nanoalambres de una gran variedad de materiales inorgánicos, al igual que se han preparado nanocristales de metales y semiconductores con un ordenamiento perfecto, así como polímeros nanoestructurados con una alta resistencia a condiciones extremas de temperatura, fricción, impacto, etc. Además, por su tamaño, las nanoestructuras desarrolladas son ideales para trabajos de simulación y modelado, lo cual ha permitido una aceleración suplementaria en su desarrollo. En el futuro inmediato, los objetivos de la ciencia y tecnología de nanomateriales son: (i) el completo dominio de la síntesis de nanoestructuras aisladas con propiedades deseadas, (ii) explorar y establecer conceptos y sistemas arquitectónicos en nanomateriales, (iii) generar nueva clase de materiales con alto desempeño, (iv) conectar la nanociencia a la electrónica molecular y biología, y (v) mejorar las herramientas de caracterización conocidas o desarrollar otras con mejor capacidad para la investigación profunda de las nanoestructuras. 2.1.2- Nanopartículas metálicas (Aspectos generales) 2.1.2.1- Definición En principio, las nanopartículas metálicas son partículas ultrafinas cuyo diámetro cae en la escala nanométrica. En el sentido más estricto, son referidas a partículas más pequeñas que 10-20 nm. Aunque, en la literatura, cualquier partícula cuyo diámetro se encuentra en el intervalo de 1 nm a 1 μm es llamada nanopartícula. En este contexto, es importante aclarar que las partículas a las que nos referimos en este trabajo son partículas cuyo tamaño es menor a 20 nm. 2.1.2.2- Organización estructural El número de átomos que constituye una nanopartícula depende del tamaño de las moléculas o átomos que la constituyen. Por ejemplo, se estima que una nanopartícula con un diámetro de 2 nm esta compuesta de 1000 átomos. En la Tabla 2.2 se muestra la relación entre el tamaño de las nanopartículas y la fracción del número de átomos localizados en su superficie, asumiendo una distancia atómica de 0.2 nm. Por ejemplo, la fracción de átomos en la superficie de una nanopartícula de 2 nm es 0.48, y esta disminuye a 6 x 10-5 para una partícula de 200 nm. La fracción de átomos o moléculas localizadas en la superficie juegan un rol importante, ya que son más activas que aquellas que se encuentran en el interior.

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Tabla 2.2. Tamaño de partícula y la fracción de átomos localizada en su superficie. Número de

átomos en el interior

Número de átomos en la

superficie

Número de átomos totales

Fracción en número del total de átomos en

la superficie

Ejemplo de tamaño de partículas

2 8 8 1 3 26 27 0.970 4 56 64 0.875 5 98 125 0.785 10 488 1,000 0.488 2 nm

100 58,800 1 x 106 0.059 20 nm (Sílica coloidal)

1,000 6 x 106 1 x 109 6 x 10-3 200 nm (Dióxido de titanio)

10,000 6 x 108 1 x 1012 6 x 10-4 2 μm (Carbonato de calcio)

100,000 6 x 1010 1 x 1015 6 x 10-5 20 μm (Polvo de té verde)

Fuente: [2] 2.1.2.3- Clasificación de técnicas de síntesis de nanopartículas Las técnicas de síntesis de nanopartículas se clasifican en las tres grandes categorías siguientes:

a. Procesos en estado sólido. b. Procesos en fase vapor. c. Proceso en solución.

Existen otros procesos que combinan aspectos de estas técnicas, sin embargo los procesos en estado sólido son los más ampliamente utilizados en la industria para la producción de nanopartículas, debido principalmente a los bajos costos de producción. a.- Proceso en estado sólido La síntesis en estado sólido consiste de una etapa de tratamiento térmico, para obtener una estructura cristalina deseada en el material, seguido por un proceso de molienda. Con este proceso, es difícil obtener nanopartículas de un diámetro promedio por debajo de 100 nm. A juzgar por el número de las publicaciones, la comunidad científica no ha mostrado mucho entusiasmo en mejorar los procesos mecánicos para la síntesis de nanopartículas, debido a las impurezas inherentes al producto, la carencia

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en el control de la distribución de tamaño de partícula y la inhabilidad para poder obtener nanopartículas con morfología y tamaño deseado. b.- Proceso en fase vapor Por otro lado, el proceso en fase vapor, se refiere a la formación de nanopartículas, mediante la condensación de los átomos y moléculas en la fase vapor. Dentro de este proceso existen tres variantes:

• Condensación en gas inerte (IGC). • Síntesis por plasma térmico. • Síntesis basadas en flama.

De estos procesos, la técnica de condensación en gas inerte ha sido una de las más utilizadas para la síntesis de nanopartículas metálicas, principalmente de Al, Co, Cr, Cu, Fe, Ga, Mg, Ni, Au y Ag. Algunas de estas, con un tamaño menor o igual a 10 nm, son formadas cuando átomos metálicos en fase vapor colisionan con otros átomos de su misma especie, condensándose al colisionar con átomos de gas inerte. En la Figura 2.1 se muestra un esquema general del proceso de IGC. El sistema consta de un elemento de calentamiento de Tungsteno el cual evapora el material produciéndose vapores metálicos, los cuales son arrastrados por una corriente de gas inerte (Previamente comprimido y enfriado con nitrógeno líquido), la cual condensa los vapores metálicos en nanopartículas y las deposita sobre las paredes exteriores de un filtro. Los aglomerados de partículas son desprendidos del filtro por pulsaciones a presión con gas inerte, para luego ser recolectadas en una tolva ubicada en la parte inferior de la cámara.

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Figura 2.1. Proceso de Condensación en Gas Inerte (IGC) desarrollado por el Instituto de Materiales de Fraunhofer en Alemania. Fuente: [3]. En general, la síntesis por condensación en gas inerte es una técnica cara debido a los altos costos de energía para la evaporación de elementos y compuestos metálicos.

c.- Procesos en solución. Este método se distingue por la habilidad para formar nanopartículas encapsuladas y/o estabilizadas con moléculas orgánicas, las cuales mejoran su estabilidad en un medio acuoso y permiten controlar su forma y tamaño. Dentro de los métodos en solución pueden encontrarse principalmente las siguientes técnicas:

• Síntesis por Sol-gel. • Síntesis por el método de precipitación. • Síntesis por poliol. • Síntesis en solución micelar. • Síntesis en micela inversa o microemulsión. • Síntesis usando sistemas biológicos.

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Dentro de estos, el método de poliol es una de las rutas más empleadas y estudiadas para la síntesis de nanopartículas metálicas debido a su simplicidad y versatilidad. Los metales típicamente empleados son: Ag, Au, Cu, Co, Ir, Ni, Pd, Pt, Ru, CoNi y FeNi. En esta técnica, una sal metálica es disuelta en etilenglicol, en la presencia de poli(vinilpirrolidona) (PVP) que actúa como agente protector para impedir la formación de aglomerados de partículas. La popularidad de esta técnica radica en la capacidad que posee el etilenglicol para disolver sales iónicas y polímeros como el PVP. Por otra parte, el poder reductor del etilenglicol puede alcanzar niveles óptimos a temperaturas altas (p. eb.; 196 °C). El proceso de síntesis inicia con la descomposición térmica del etilenglicol en etanal, a una temperatura entre los 140-160 °C, obteniéndose como subproducto agua. Al adicionar la sal metálica, los iones metálicos son reducidos por el etanal en átomos metálicos, en el que la formación sucesiva de estos, genera la nucleación y crecimiento de nanopartículas. Un esquema general de la reacción se muestra a continuación:

El PVP juega un papel importante en la producción de nanopartículas, ya que actúa como agente estabilizante de la partícula, debido a que los átomos de oxígeno y nitrógeno del PVP, pueden promover la adsorción de estas cadenas poliméricas en la superficie de las nanopartículas, evitando así su aglomeración. Por otra parte, las soluciones micelares, compuestas de micelas de surfactante en fase acuosa, han sido utilizadas por años para preparar dispersiones estables de nanopartículas metálicas. Estas soluciones micelares son generalmente caracterizadas por su baja viscosidad, la cual permite una fácil homogenización del sistema y una rápida difusión de las especies involucradas en las reacciones de reducción. Para la síntesis, ciertas sales metálicas son solubilizadas en la solución micelar mediante una vigorosa agitación. En seguida, los iones metálicos (M+) son reducidos por un agente químico reductor, comúnmente borohidruro de sodio (NaBH4), obteniéndose nanopartículas metálicas (M), tales como Au, Ag, Pd, Cu y Au/Pd estabilizadas en micelas de surfactante (Figura 2.2).

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Figura 2.2. Procesos envueltos en la síntesis de nanopartículas metálicas en solución micelar. Fuente: [4]. 2.1.2.4- Mecanismo de nucleación de nanopartículas La formación de nanopartículas procede en etapas entre las cuales se encuentran la nucleación, el crecimiento del núcleo y la formación de una nueva fase. En presencia de especies reductoras, la nucleación (etapa de la formación de partículas activas M1 a partir de una especie iónica M), el crecimiento de una partícula con una nueva fase y la generación de productos (P, P*), pueden ser tratados desde el punto de vista de una cinética como un proceso de cadena: La nucleación se representa como:

j1

k

M M M0

+→ (Monomolecular) *

1j P M M M +≡+ (Bimolecular)

Y la extensión de cadena (cluster desarrollado):

1j

k

j M M Mj

+→+ (1 < j < ∞ ) Reacciones inversas, es decir la disociación de clusters, pueden ocurrir simultáneamente a la nucleación y crecimiento de cadenas:

nn-j

k

j M M M-j

+→ (n ≥ 1)

La interacción entre cadenas (incluyendo la coagulación):

n+→+ j

k

nj M M Mnj,

(j,n > 1)

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Y el cese al crecimiento de cadenas como resultado de la interacción del cluster en crecimiento y una molécula estabilizadora (o matriz S*).

∗→+ ∗jS

k

j M S Ms

En la Figura 2.3 se ilustran las principales etapas de la transformación de átomos individuales o especies activas en metales monolíticos (a granel), pasando por clusters y nanopartículas, siendo estas últimas, las etapas más importantes del proceso.

Figura 2.3. Las principales etapas de la transformación de átomos metálicos en metales a granel. Fuente: [5]. 2.1.3- Nanopartículas de plata (AgNps) 2.1.3.1- Introducción Entre las nanopartículas metálicas, las AgNps han recibido una considerable atención, debido principalmente a la fuerte propiedad antimicrobiana contra un amplio grupo de microorganismos ofensivos a la salud humana [6-8]. Esta última propiedad ha sido la base en el desarrollo de nuevas formulaciones en dispositivos antimicrobianos y antivirales.

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Figura 2.4. Publicaciones y patentes relacionadas con la síntesis, caracterización y aplicaciones de las AgNps. Fuente: [9]. En la Figura 2.4 se muestra el número de patentes y publicaciones relacionadas con la síntesis, caracterización y aplicaciones de las AgNps en diversas áreas de la ciencia (catálisis, medicina, nanosensores, conductores eléctricos, etc). El incremento exponencial en el número de reportes, deja en claro el interés que existe en la comunidad científica por investigar y desarrollar nuevos materiales orientados a diversas áreas de aplicación, aprovechando las propiedades que poseen dichas nanopartículas. 2.1.3.2- Propiedades ópticas Las propiedades ópticas de las nanopartículas metálicas, son generadas por la serie de oscilaciones producidas por la excitación de electrones en la superficie de las partículas, resultado de la interacción con la radiación electromagnética. Estas propiedades son principalmente observadas en Au, Ag y Cu, por la presencia de electrones conductores libres. El campo eléctrico producido por la radiación, induce la formación de un dipolo en la nanopartícula, en la que una fuerza restauradora intenta compensar este efecto, y como resultado se obtiene una única y característica resonancia a una longitud de onda determinada (Figura 2.5) [10].

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Figura 2.5. Esquema de la interacción de una radiación electromagnética con una nanopartícula esférica, donde un efecto dipolo es inducido. Fuente: [10]. La longitud de onda de absorción de las AgNps, depende de factores como el tamaño de partícula, morfología, la naturaleza del medio que la rodea, así como la distancia promedio entre AgNps vecinas, entre los más importantes [11-15]. La técnica de mayor utilización para la caracterización y estudio de AgNps, ha sido el empleo del espectrofotómetro de absorción de luz ultravioleta y visible (UV-vis), apoyado por el uso del Microscopio Electrónico de Transmisión (TEM). En particular, las propiedades ópticas de las AgNps, pueden ser predichas por la teoría de Mie [16] y las aportaciones realizadas por Mock y col. [13]. Según la teoría de Mie, en el espectro de absorción UV-vis de las AgNps, se aumenta la intensidad del pico de absorción al incrementar el tamaño de las nanopartículas, acompañado de un decrecimiento en el ancho de banda. Es decir, el espectro de absorción de las AgNps muy pequeñas, es menos intenso y con un amplio ancho de banda). En la Figura 2.6 se muestra una simulación del espectro de absorción para varios tamaños de nanopartículas esféricas. Figura 2.6. Simulación del espectro de absorción de AgNps esféricas para diferentes valores de diámetro de partículas. Fuente: [17].

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Mock y col., recopilaron el espectro de absorción UV-vis de AgNps con diversas morfologías y correlacionaron su tamaño y forma con las longitudes de onda de absorción, apoyados en análisis por Microscopía Electrónica de Transmisión (TEM). En la Figura 2.7 se muestra la gráfica de correlación entre la longitud de onda, y el tamaño de partícula para diferentes morfologías, en la que se aprecia un desplazamiento hacia longitudes de onda mayores a medida que las AgNps se hacen más asimétricas y de mayor tamaño. Por ejemplo, AgNps con morfología triangular, experimentan un pico de absorción Uv-vis entre 550-700 nm.

Figura 2.7. Correlación entre longitud de onda y tamaño de partícula para diferentes morfologías. Fuente: [13]. 2.1.3.3- Métodos de síntesis Debido a sus propiedades y al potencial uso en diversas áreas de aplicación, la plata es uno de los metales más estudiados en la química coloidal. El tamaño de partícula, distribución de tamaño, morfología y estabilidad, conforman las variables que definen su aplicación en diversas áreas y de ahí el creciente interés por la comunidad científica en desarrollar métodos de síntesis que permitan manipular estas variables. De las técnicas de síntesis de nanopartículas expuestas en la Sección 2.1.2.3, el método por IGC, la síntesis por poliol y microemulsión, son los más estudiados para la síntesis de AgNps. De estos, el método por IGC es el método de mayor utilización en la

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industria para la síntesis de AgNps. En la Figura 2.8 se muestra una imagen TEM de las AgNps obtenidas por este método.

Figura 2.8. Nanopartículas de plata obtenidas por IGC. Fuente: [8]. Como se mencionó en la sección anterior, una de las desventajas de los métodos de síntesis en fase vapor es la falta de control en la morfología de las Nps. Los métodos desarrollados en solución proporcionan esa facilidad para controlar tanto la distribución de tamaño como la morfología de las nanopartículas, con la desventaja de que no se obtienen AgNps en gran escala; de ahí que el método de síntesis por poliol [18-20] haya sido una de las técnicas mas estudiadas para hasta ahora. Mediante el control de parámetros como la relación molar nitrato de plata-agente reductor (etilenglicol), agente estabilizante (PVP), temperatura y tiempo de reacción, se ha logrado obtener diferentes morfologías de tales nanopartículas [20] (Figura 2.9). Figura 2.9. Morfologías de las AgNps obtenidas por el método de poliol. a) Nanocubo. b) Nanoplato triangular. c,d) Cubo truncado. e) Icosahedro. f) Decahedro. g) Nanoalambre. Fuente: [18, 20]. Por otro lado, el método por micela invertida ha sido utilizado para sintetizar AgNps con una distribución de tamaño estrecha y con tamaño de partícula hasta de 1 nm. Lo anterior, mediante el control de parámetros como el tamaño de la micela, la relación molar sal de plata – agente reductor, y la velocidad de intercambio intermicelar (la cual

a) b) c) d) e) f) g)

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se logra variando la fase orgánica acuosa) [17, 21-23]. En la Figura 2.10 se muestra algunas de las AgNps obtenidas por este método de síntesis, mediante la variación de algunos de los parámetros antes mencionados. Figura 2.10 Efecto de la variación de parámetros de proceso en el tamaño de las nanopartículas para un sistema de micela invertida. (a) variación en el contenido de agua (tamaño de la micela). (b) variación de la velocidad de intercambio intermicelar, mediante la variación del medio orgánico. Fuente: [22] [17]. Recientemente, el uso de sistemas biológicos en la síntesis de AgNps, entre otras, ha sido foco de muchas investigaciones. Microorganismos como la bacteria Bacillus licheniformis [24] y los hongos Fusarium semitectum [25] yVerticillium [26], han sido utilizados para la síntesis de AgNps (Figura 2.14) con tamaño menores a los 20 nm.

Figura 2.11. Célula del hongo Verticillium conteniendo AgNps estabilizadas en su pared celular. Fuente: [26].

a) b)

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Aunque no es un método ampliamente utilizado, la biosíntesis de nanopartículas metálicas esta abriéndose campo dentro de la nanotecnología moderna como el empleo de “química verde” en la síntesis de AgNps. 2.1.3.4- Propiedades antimicrobianas Estudios recientes, han demostrado que el efecto bactericida de las AgNps, esta íntimamente relacionado con su morfología y distribución de tamaño [27-30]. Morones y col. [27], realizaron un estudio de la interacción de las AgNps con la bacteria Escherichia coli, en la que observaron mediante TEM, que de una población de nanopartículas con un intervalo de tamaño entre 1-40 nm, sólo las nanopartículas con un diámetro entre 1-10 nm interaccionaban con la bacteria. Los mismos resultados fueron observados en otro estudio realizado con el virus VIH-1 [28] . Sobre estos resultados, Morones y col. concluyeron estadísticamente que el 98% de las AgNps tenían una morfología icosahedral (cuasiesférica), decahedral y octahedral. Por otro lado, Sukdeb Pal y col. [29] demostraron que las AgNps con una morfología tipo triangular truncada, poseen mas efecto biocida que las nanopartículas cuasiesféricas (Figura 2.12). Sin embargo, la acción biocida de las AgNps triangulares truncadas en función de su tamaño, no ha sido ampliamente estudiada hasta el momento. Figura 2.12. Imagen TEM de las morfologías de las AgNps que presentan actividad antimicrobiana. (a) decahedral (b) isocahedral. (c) octahedral. Fuente: [27] (d) nanoplato truncado. Fuente: [29].

(a) (b)

(c) (d)

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El mecanismo por el cual las AgNps, atacan a los microorganismos bacterianos, no esta totalmente claro, se sabe que la membrana de la bacteria posee sitios activos proteínicos conteniendo sulfuro y fósforo [31], lo que podrían ser sitios de adhesión preferencial de las AgNps. Sondi y col. [32] sugieren que en el caso de Escherichia coli tratado con AgNps, los cambios creados en estos sitios activos, afectan el transporte de fluidos a través de la membrana incrementando así su permeabilidad y produciéndose entonces el colapso de la membrana; lo cual fue confirmado por Chun-Nam y col. [33] utilizando esta misma bacteria. Dichos autores agregan que las AgNps posiblemente tiendan a reaccionar con otro tipo de proteínas con grupos sulfuro y fósforo, tales como el ADN, lo que generaría imperfecciones en procesos respiratorios y de división celular, provocando la muerte de la célula. En la Figura 2.13 se muestra una imagen TEM de la bacteria Pseudonoma aeruginosa, una vez que fue tratada con AgNps, en la que se observa como las nanopartículas cubren y destruyen la membrana de la bacteria. Figura 2.13. Imagen TEM de la bacteria P. aeruginosa tratada con AgNps. (a) células sin AgNps. (b) células tratadas con AgNps. Fuente: [27]. En los últimos años, un gran número de publicaciones y patentes en el área de la medicina, son referidas al uso de AgNps como un efectivo agente antimicrobiano. En la Figura 2.14 se muestra un incremento exponencial en el número de trabajos en esta área, desarrollados desde inicios de 1990 hasta nuestros días. Se espera que en los próximos años, las investigaciones en esta área se extiendan al estudio sobre los mecanismos de inhibición sobre bacterias, virus y hongos, dado que se conoce muy poco sobre estos, en especial para hongos [34].

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Figura 2.14. Publicaciones y patentes relacionadas con el uso de AgNps en el área médica. Fuente: [9]. 2.1.3.5- Toxicidad [35] En 1884 el obstreta alemán Crede introdujo una solución ocular, conteniendo 1% de nitrato de plata para la prevención de la conjuntivitis, siendo este el primer uso médico de la plata documentado científicamente. Sin embargo, la pigmentación irreversible de la piel y los ojos (conocida como argiria o argiriosis) (Figura 2.15), provocada por la exposición prolongada a la plata iónica en conjunto con los avances en el desarrollo de nuevos antibióticos, provocaron la caída del uso de plata iónica como agente anti-infeccioso. Figura 2.15. Coloración desarrollada por la exposición prolongada a iones de plata vía cutánea e ingestión, conocida como argiria o argiriosis. Fuente: [36]. En nuestros días, las AgNps están emergiendo como uno de los productos de más rápido crecimiento en la industria de la nanotecnología, acorde a las investigaciones de mercado [37]. En el área médica, existen productos tales como vendajes para heridas,

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instrumentos quirúrgicos y prótesis de huesos cubiertos o embebidos con AgNps. En productos de uso cotidiano, pueden encontrarse soluciones en spray, detergentes, pinturas y purificantes de agua. Las AgNps también son incorporadas a textiles para la manufactura de ropa y prendas íntimas. Por otro lado ciertas marcas de lavadoras automáticas poseen ya un sistema de lavado y desinfección usando AgNps [38]. Entre tanto desarrollo tecnológico, existe un pequeño grupo de investigadores médicos, que en vista de la utilización de estos productos y su amplia disponibilidad al público, se hacen un cuestionamiento: ¿Cual es la toxicidad de las nanopartículas de plata en las células humanas? Los datos sobre la toxicidad de las AgNps con las células del cuerpo humano son muy escasos. En la Figura 2.16 se muestra el número de publicaciones por año que se han efectuado sobre el tema desde el año 2000 hasta mediados del año 2008. Es posible apreciar como a partir del 2005 existe un marcado incremento en el estudio de la toxicidad de las AgNps, coincidiendo con el incremento en el número de publicaciones y patentes relacionadas con el uso de estas nanopartículas como agente antimicrobiano presentado anteriormente (Figura 2.14). Se debe considerar el hecho de que la plata, un miembro de la familia de los metales de transición, tiene un estado de oxidación que lo hace muy útil como un catalizador. Estudios recientes demostraron que una gran variedad de Nps metálicas al estar expuestas a los tejidos epiteliales, provocaban en ellas daños a nivel celular, lo cual esta asociado con su actividad catalítica [39].

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Figura 2.16. Publicaciones relacionadas con el estudio de la toxicidad de las AgNps. Fuente: [9].

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En un estudio in vivo, se realizó una distribución sistémica a nivel pulmonar de AgNps ultrafinas (14.6 ± 1.0 nm), mostrando un contenido de nanopartículas en el torrente sanguíneo y otros órganos como el corazón, hígado, riñón y cerebro. Estos resultados proveen evidencia de la capacidad para la penetración y circulación en el torrente sanguíneo de nanopartículas inhaladas del ambiente [40]. El empleo de AgNps en textiles se ha incrementado en los últimos años, debido a que su íntimo contacto con la piel humana, lo convierte como producto ideal para el tratamiento de infecciones cutáneas y quemaduras. Sin embargo, diversos estudios demuestran que sí existe una penetración de partículas finas sobre los tejidos de la piel. Un reporte clínico efectuado a un paciente con un 30% de quemaduras, se le fue aplicado un vendaje para heridas “wound dressing Acticoat (Smith & Nephew, Inc.)”, el cual presentó un elevado nivel del contenido de AgNps en la sangre y síntomas relacionados con la argiriosis debido al continuo uso de este vendaje [41]. Por lo que la liberación de nanopartículas desde una fibra textil debería ser investigada ya que muchos de estos productos son utilizados para el tratamiento de infecciones cutáneas y quemaduras. Sin embargo, la toxicidad de las AgNps para las células humanas, sigue siendo aún un tópico por investigar y aclarar, a pesar de que estudios relacionados de la toxicidad de productos comerciales como: Acticoat, Aquacel-Ag, Aquacel, Algisite M, Avance, Comfeel Plus transparent, Contreet-H, Hydrasorb y SeaSorb con las células queratinocitos, demuestran una inhibición en el crecimiento y afecciones en la morfología de estas células [42]. 2.2- NANOCOMPUESTOS POLIMERICOS 2.2.1- Definición Los nanocompuestos poliméricos (Ncps) se definen como materiales conformados por una matriz polimérica dentro de la cual, nanopartículas o clusters de tamaño y forma definida, se encuentran homogéneamente dispersos. 2.2.2- Métodos de síntesis La manufactura de los Ncps, pueden subdividirse en tres grandes grupos:

• Métodos químicos. • Métodos físicos. • Métodos físico-químicos.

Antecedentes

22

2.2.2.1- Métodos físicos. Los Ncps preparados por este método, pueden ser elaborados en seco ó en húmedo. En este último, por lo menos uno de los componentes es usado en forma de una solución ó una dispersión en un solvente y durante por lo menos una etapa del proceso. Dentro de las técnicas utilizadas por este método se encuentra:

a. Dispersión mecano-química de precursores metálicos unidos a polímeros. b. Microencapsulación de nanopartículas en polímeros. c. Deposición física de nanopartículas metálicas en polímeros.

Existe un cierto interés por el uso de estos procesos, debido a los requerimientos ecológicos en las que se procura evitar las etapas en fase líquida, las cuales emplean solventes tóxicos. 2.2.2.2- Métodos químicos Los métodos químicos son los más utilizados para la preparación de Ncps. Este método se caracteriza por dar lugar a nanopartículas con una estrecha distribución de tamaño. Son relativamente simples y existe una estabilización inherente. Los métodos son basados en varios procesos de reducción química e involucra polímeros y copolímeros. Un esquema general de la síntesis de Ncps sintetizados por la immobilización química en polímeros es mostrado a continuación: Dentro de estas múltiples vías para la preparación de Ncps, sobresalen dos tipos de procesos:

Iones metálicos

Nanopartículas

Monómeros

Polímeros reactivos y oligómeros

Nanopartículas estabilizadas por polímeros in situ

Nanopartículas immobilizadas en

polímeros

Polímeros con grupos funcionales

Nanopartículas estabilizadas en

polímeros

Superficie de polímeros modificadas por nanopartículas

b

a

Antecedentes

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a. Reducción de complejos metálicos unidos a polímeros. b. Formación de nanopartículas en mezclas monómero-polímero.

Estos, son los más utilizados para una amplia variedad de metales (Au, Ag, Cu, Cr, Ni, Co, Pt, Pd, Ru, Fe, entre otros). En las secciones siguientes se da una breve explicación sobre estas rutas de preparación. a.- Reducción de complejos metálicos unidos a polímeros Los métodos de reducción son los procedimientos más importantes para la obtención de Ncps. En esta sección se revisan las variantes mas utilizadas. a.1- Polímeros reductores y estabilizadores En este proceso, iones metálicos o sales precursoras de nanopartículas metálicas se adicionan a una solución de un polímero que actúa como agente reductor y estabilizador de las nanopartículas. Ejemplos de este tipo de polímeros son: Polióxido de etileno (PEO), polietilenimina (PEI), poli(N-vinil pirrolidona) (PVP), poliácido acrílico (PAA), poliácido acrílico modificado hidrofóbicamente (HMPAA), poliestireno copolímero con anhídrido maleico (PS-co-MA) [43]. En estos sistemas, la formación de nanopartículas, se ve afectada por la naturaleza del polímero (grupos funcionales), el peso molecular, y en el caso de copolímeros, su composición y distribución de monómeros (alternante, al azar) o por el tipo de copolímero (en bloques o injertado).

a.2- Reducción en una solución polimérica En este método, los iones metálicos son adicionados a una solución de un polímero con propiedades estabilizadoras de nanopartículas metálicas. Dichos iones son posteriormente reducidos a su forma metálica mediante la adición de un agente químico reductor. Las nanopartículas formadas son así estabilizadas en la matriz del polímero. La cinética de la reducción de los iones metálicos en la matriz polimérica esta condicionada por muchos factores, entre ellos; la velocidad de difusión de los iones metálicos y del agente reductor en el polímero, la velocidad del proceso de reducción por sí mismo y la velocidad de cristalización de las partículas metálicas. Ejemplo de este sistema, esta la formación de AgNps utilizando etilenglicol como agente reductor en una matriz de poliacrilamida como agente estabilizador [44].

Antecedentes

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b.- Formación de nanopartículas en mezclas monómero-polímero En este método, el monómero, sales precursoras de las nanopartículas así como un iniciador son adicionados por separado a un sistema de polimerización, para luego someterse a un calentamiento y lograr así que los iones metálicos sean reducidos por los radicales producidos durante la polimerización. Las nanopartículas que se van formando in situ son estabilizadas por las cadenas de polímero. Nanopartículas de Rh, Pd, Pt, Ag y Au han logrado ser estabilizadas en una matriz de polimetilmetacrilato (PMMA) durante la etapa de polimerización [45]. 2.2.2.3- Métodos físico-químicos a.- Radiólisis en soluciones poliméricas La radiación química (radiación γ, exposición a un flujo de electrones, etc.) y la fotoreducción son métodos muy utilizados para la generación de nanopartículas con una estrecha distribución de tamaño. La reducción por radiación-química se basa en la generación de reductores fuertes en el sistema de reacción, incluyendo electrones, átomos de hidrógeno, radicales orgánicos e inorgánicos, iniciando inmediatamente la polimerización de cualquier monómero presente. Uno de los metales mas estudiados para la preparación de Ncps por este método, ha sido la plata, el cual es abordado en la Sección 2.2.4.2 de este capítulo. Otros metales como Pt y Pd han sido también sintetizados por este método [46]. 2.2.3- Principios sobre la estabilización de nanopartículas por polímeros. El poder estabilizador de un polímero, radica en la adsorción macromolecular en la superficie de las nanopartículas. Este efecto esta correlacionado con una serie de parámetros cinéticos en la interfase polímero-nanopartícula como la movilidad de los segmentos de cadena. Los polímeros protectores pueden interactuar con las nanopartículas de dos maneras: la primera supone que las macromoléculas se posicionan en la superficie de la partícula a través de la adsorción física inducida por las fuerzas de Van der Waals, interacciones bipolares y puentes de hidrógeno. La segunda se basa en la absorción química de macromoléculas en la superficie de las nanopartículas, la cual tiene como condición crítica que el polímero contenga grupos atractivos que puedan interactuar con los átomos de la superficie del metal. Durante la absorción química de las cadenas

Antecedentes

25

poliméricas, se pueden formar enlaces covalentes, iónicos o de coordinación con los átomos de la superficie del metal. La adsorción es un proceso lento que puede dividirse en dos etapas: La difusión de las macromoléculas y la adsorción de estas en la superficie de las nanopartículas, la cual es determinada por el tiempo en alcanzar un estado de equilibrio del polímero en la capa adsorbida, el que a su vez es dependiente de la concentración de la fase dispersa, masa molecular del polímero y viscosidad del medio. La adsorción de polímero en la superficie de las nanopartículas puede llevarse a cabo por diversas posiciones de adsorción: Horizontal, vertical y del tipo encorvado (Figura 2.17). Figura 2.17. Posiciones de adsorción de polímeros en la superficie de las Nps. a) horizontal. b) vertical. c) encorvado. Fuente: [5]. Para entender la naturaleza de la interacción entre las cadenas de polímero y las nanopartículas dispersas, es importante conocer la relación de los centros de adsorción en el polímero y tales nanopartículas. Una misma cadena polimérica puede unir a otras partículas, formando así una estructura del tipo collar como el que se muestra en la Figura 2.18. Cuando existen más nanopartículas dispersas en relación al polímero, estas utilizan los centros de adsorción que están unidos a otras nanopartículas, originando un proceso de aglomeración que afecta la distribución de estas en el sistema.

Figura 2.18 Adsorción de polímero del tipo collar. Fuente: [5].

a) b) c)

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2.2.4- Nanocompuestos conteniendo AgNps 2.2.4.1- Introducción. Como fue mencionado anteriormente, el control del tamaño y la morfología de las AgNps, ha sido un tema de interés debido a que un control fino de estas variables, que define las propiedades finales de tales nanocompuestos. El uso de polímeros hidrosolubles en la síntesis de AgNps permite tener un excelente control en la morfología, tamaño y estabilidad de las nanopartículas, lo que ha llevado a desarrollar AgNcps con propiedades antimicrobianas [47-50]. Desde el año 2000, existe un notable incremento en el número de patentes y publicaciones en las que se han desarrollado nanocompuestos polméricos conteniendo AgNps (AgNcs). En la Figura 2.19 se muestra un histograma que refleja este comportamiento. Sin embargo, se pude observar que en estos últimos años, la producción de AgNcs ha descendido un poco, lo cual podría estar relacionado con los siguientes factores:

• Las investigaciones sobre las propiedades tanto catalíticas como biomédicas de las AgNps, han demostrado que estas dependen principalmente de su tamaño y morfología. Lograr un buen control de estas variables ha resultado ser un enorme reto.

• Resultados sobre los efectos tóxicos en el organismo por el uso de AgNps, han

demostrado que muchos de los productos comerciales han provocado afecciones y daños morfológicos en las células humanas, principalmente de la piel. La liberación de AgNps por estos nanocompuestos, es la razón por la cual tales nanopartículas se difunden en el cuerpo [42]. Por lo tanto, los métodos de incorporación y la estabilidad de las AgNps en la matriz polimérica están siendo reevaluados.

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Figura 2.19. Publicaciones y patentes relacionadas con la síntesis y preparación de AgNcps. Fuente: [9]. Dentro de los AgNcps que se han desarrollado hasta la fecha, el 40% de las matrices poliméricas utilizadas para la síntesis han sido polímeros hidrosolubles, mientras que el 60% corresponden a polímeros solubles en solventes orgánicos. Cabe resaltar que unicamente tres tipos de polímeros hidrosolubles conforman el 40%: PVP (52%), PVA (31%) y PAM (17%); mientras que los polímeros solubles en solventes orgánicos esta distribuido entre 21 tipos de polímeros, entre los que se encuentran: El poliuretano (PU), el poliestireno (PS), el polimetilmetacrilato (PMMA), entre otros. 2.2.4.2- Métodos de síntesis Como se mencionó en la sección anterior y respondiendo a los objetivos de este trabajo de investigación, se exponen los métodos mas utilizados para la preparación de AgNcPs utilizando matrices poliméricas hidrosolubles: De los métodos de síntesis descritos en la Sección 2.2.2, el método por reducción y radiólisis en una solución polimérica han sido los métodos mas utilizados para la preparación de estos nanocompuestos.

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a.- Reducción en una solución polimérica El método por reducción en una solución polimérica, es el método más utilizado para la síntesis de AgNcps. Algunos ejemplos son:

• Khanna y col. [51] sintetizaron AgNcps con un diámetro promedio de hasta 10 nm, en la presencia de PVP, utilizando como agentes químicos reductores hidrazina y formaldehído sulfoxilato de sodio.

• Esumi y col. [52] utilizaron copolímeros de alcohol vinílico-N-vinil pirrolidona y agentes químicos reductores como hidrazina, ácido ascórbico, hidrógeno y ribosa, para obtener AgNps con un menor tamaño de partícula (2 nm).

• Copolímeros hiper-ramificados de poli(amino-amidas) fueron utilizados también por Sun y col. [53] como matriz estabilizadora para la síntesis de AgNps utilizando NaBH4 como agente químico reductor. El diámetro promedio de tales Nps estuvo comprendido entre 8-10 nm.

Por otro lado, los polímeros de acrilamida han sido ampliamente utilizados como eficientes agentes estabilizadores en la síntesis de AgNcps:

• Mukherjee y col. [54] sintetizaron AgNcps utilizando poliacrilamida de alto peso molecular (5,000,000 g/mol) y ácido fórmico como agente químico reductor a partir de un complejo amoniacal de plata (Ag[NH3]2

+), obteniendo AgNps con un diámetro promedio de 9 nm.

• Xiong y col. [44] utilizó etilenglicol como agente reductor del nitrato de plata en la presencia de poliacrilamida, obteniendo AgNps con morfología de nanoplatos.

• Más recientemente, Morones y col. reportaron la síntesis de AgNps utilizando poli(N-isopropilacrilamida) como agente estabilizador y NaBH4 como agente reductor, obteniendo AgNps con estrecha distribución de tamaño y una alta estabilidad en la matriz polimérica, debido a las fuertes interacciones con dicha matriz (Figura 2.20) [55].

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Figura 2.20. Nanopartículas de plata envueltas en una matriz de poli(N-isopropilacrilamida). Fuente: [55]. b.- Radiólisis en solución polimérica Uno de los polímeros hidrosolubles mas utilizados para la síntesis de AgNcps por esta vía, ha sido la poliacrilamida. Los mecanismos de reducción por irradiación γ [56, 57] y microondas [58] han sido los mecanismos de reducción más utilizados. En la Figura 2.21 se presenta una imagen TEM de las AgNps embebidas en una matriz de poliacrilamida producidas por irradiación γ. Figura 2.21. AgNps producidas por irradiación γ. (a) Imagen TEM de AgNps en una matriz de poliacrilamida. (b) Histograma del tamaño de nanopartículas de plata. Fuente: [56].

a) b)

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La reducción por irradiación de iones Ag+, provocado por los “electrones hidratados” producidos durante la irradiación γ, puede escribirse en términos de ecuación como sigue:

)( Ag Ag

)Re( Ag e Ag0

0_eq

Agregaciónn

ducción

n→

→++

Este método esta basado en la formación simultanea de AgNps y la polimerización de Monómeros, encabezando una homogénea distribución de las AgNps en la matriz de poliacrilamida. 2.3- POLIMEROS ASOCIATIVOS 2.3.1- Introducción Los polímeros asociativos son conocidos por modificar las propiedades reológicas de soluciones acuosas; son frecuentemente referidos como espesantes asociativos. Debido a sus marcadas propiedades reológicas, estos polímeros se han utilizado en muchas aplicaciones industriales tales como estabilizadores, floculantes y absorbentes en la recuperación terciaria del petróleo, formulaciones de pinturas, cosméticos, alimentos, papel, controladores en liberación de fármacos y agentes biomédicos [59]. Este tipo de polímeros esta compuesto por una parte hidrófila o polar y una parte hidrófoba. En una solución acuosa (o con otros solventes polares), los grupos hidrófilos están en un buen disolvente, mientras que los grupos hidrófobos están en un disolvente pobre, por lo que estos tienden a agregarse. Fenomenológicamente, la hidrofobicidad puede describirse como una tendencia de los grupos hidrófobos de un polímero a reducir tanto como sea posible su superficie de contacto con un disolvente polar. Es decir, los grupos hidrófobos tratan de permanecer juntos con la finalidad de ocultarse del disolvente polar. De esta manera, en solución acuosa, los grupos hidrófobos se agregan para minimizar su exposición al agua, formando asociaciones intramoleculares (entre grupos hidrófobos de la misma cadena) o intermoleculares (entre grupos hidrófobos de diferentes cadenas) resultando en la creación de microdominios hidrófobos (Figura 2.22) [60].

Antecedentes

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Figura 2.22. Tipos de interacciones en los polímeros asociativos [61]. En los últimos 10 años, este tipo de polímeros ha sido tema de investigaciones relacionados con nuevos procesos de síntesis, estudio de sus propiedades reológicas y aplicaciones en la industria de cosméticos (Figura 2.23). A pesar de algunos esfuerzos desarrollados en el área sobre la modificación y creación de nuevos métodos de obtención [59, 62], este crecimiento ha sido relativamente lento, debido posiblemente a las desventajas que aún presentan para ser utilizados a escala industrial [59].

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Figura 2.23. Publicaciones y patentes relacionadas con la síntesis y aplicaciones de los polímeros modificados hidrofóbicamente. Fuente: [9]. 2.3.2- Clasificación Los polímeros asociativos pueden ser clasificados de acuerdo a:

• La estructura, es decir, dependiendo de la localización de los grupos hidrófobos.

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• La naturaleza química del esqueleto hidrosoluble.

2.3.2.1- Clasificación según su estructura. Existen tres familias de polímeros asociativos:

o Los polímeros asociativos telequélicos, en los cuales las modificaciones hidrófobas son localizadas únicamente en los extremos de la cadena principal (Figura 2.24a) [63].

o Los polímeros asociativos multiuniones, en los cuales las modificaciones hidrófobas están distribuidas aleatoriamente a lo largo de la cadena principal (Figura 2.24b) [60, 61].

o Los polímeros asociativos combinados, el cual combina los dos tipos de polímeros antes descritos, es decir tiene los grupos hidrófobos tanto en el interior y como en los extremos de la cadena hidrosoluble (Figura 2.24c) [64].

Figura 2.24. Clasificación de polímeros asociativos según su estructura. a) Telequélico. b) Multiuniones. c) Combinado. Fuente: [65]. 2.3.2.2- Clasificación según la naturaleza del esqueleto hidrosoluble. Según los grupos funcionales presentes en el esqueleto hidrosoluble, existen los siguientes grupos [66]:

a. HASE (Emulsión de soluciones alcalinas hidrófobas). b. HEUR (Etilenoxido uretanos hidrofóbicamente modificados). c. Derivados de celulosa. d. Derivados de acrilamida.

Dentro de este grupo, se destacan las poliacrilamidas modificadas hidrofóbicamente (HMPAM), como derivados de acrilamida. Estos polímeros son una clase importante de los polímeros asociativos, debido a sus múltiples propiedades reológicas [60, 67, 68].

a)

b)

c)

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La mayoría de las aplicaciones de los polímeros asociativos, están relacionadas con su uso como espesantes y controladores de la reología de una variedad de sistemas incluyendo pinturas y otros sistemas acuosos. Estos polímeros poseen además propiedades absortivas sobre minerales e interacciones complejas y estables con coloides, electrolitos y proteínas [59, 69], además de poseer propiedades floculantes, por lo que son utilizados en el tratamiento de aguas residuales [59]. Estos polímeros son obtenidos por copolimerización radicálica de la acrilamida con un monómero hidrófobo. En este proceso, inicialmente propuesto por Evani [70] y Turner y col. [71], los dos monómeros son solubilizados en dos microfases distintas: El monómero hidrófilo es solubilizado en el agua, mientras que la presencia de tensoactivo en una concentración superior a su concentración micelar crítica (CMC), permite solubilizar el monómero hidrófobo en el medio de reacción (Figura 2.25).

Figura 2.25. Representación esquemática del proceso de polimerización micelar. (O) Monómero hidrófilo. (●) Monómero hidrófobo. (O—) Surfactante. (*) Iniciador. Fuente: [68]. El mecanismo de polimerización micelar más probable es el siguiente [65]: En el caso de un iniciador hidrosoluble, los radicales primarios son generados en la fase acuosa y comienzan la polimerización de la acrilamida; durante la polimerización, los oligoradicales (cadenas monoméricas radicálicas pequeñas) van a encontrar las micelas que contienen el monómero hidrófobo, donde esto se hace posible debido a la alta concentración de acrilamida alrededor de la micela. Debido a la alta concentración de monómero hidrófobo en la micela, ocurre la adición sucesiva de los monómeros hidrófobos y la formación de una secuencia hidrófoba. El extremo activo del macroradical, enseguida abandona la micela y regresa a la fase acuosa para continuar la polimerización de las moléculas de la acrilamida. Los encuentros de dicho radical con

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34

otras micelas se repiten y al final se forma un polímero con pequeñas secuencias (bloques) de monómero hidrófobo. Es posible modificar la longitud y el número de bloques hidrófobos en el copolímero, mediante la variación en el número de moléculas de monómero hidrófobo contenido en cada micela (NH), lo cual se obtiene variando la concentración [monómero hidrófobo] / [micela]. Conociendo la CMC del tensoactivo utilizado y el número de agregación (número de moléculas de surfactante que forman una micela) (Nag), podemos calcular NH a partir de la Ecuación 2.1 [60]:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

×=

SDSSDS

agDHAMH CMCC

NCN 1.2.Ec

Donde: CDHAM = Concentración de monómero hidrófobo. CSDS = Concentración de dodecil sulfato de sodio (SDS). Para el SDS [72]:

• El número de agregación de las micelas Nag a 50 ºC = 60 • La concentración micelar crítica CMCSDS a 50 ºC = 0.0092 M.

De la ecuación anterior, se tiene que si hay menos micelas, aumenta el número de monómeros hidrófobos por micela y habrá una tendencia a formar secuencias hidrófobas más largas; inversamente, si hay más tensoactivo y por lo tanto más micelas, disminuye el número de monómero hidrófobo por micela y se formarán secuencias mas cortas (Figura 2.26). Se ha observado además, que copolímeros del mismo peso molecular y de la misma composición tienen propiedades asociativas y por lo tanto un poder espesante completamente diferente solamente con modificar las condiciones de su síntesis [61].

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Figura 2.26. Variación de la longitud de la cadena hidrófoba, por la variación en el NH. Fuente: [65]. El número de publicaciones y patentes relacionadas con la síntesis y aplicaciones de las HMPAM a lo largo de los últimos 10 años, han sido discretas (Figura 2.27), en parte por las dificultades técnicas relacionadas con la síntesis de estos polímeros, de igual manera que para los demás tipos de polímeros asociativos, lo cual hasta el momento no permite extrapolarlos a escala industrial.

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Figura 2.27. Publicaciones y patentes relacionadas con la síntesis y aplicaciones de los poliacrilamidas modificadas hidrofóbicamente. Fuente: [9]. Muy recientemente, las HMPAM han sido utilizadas como base en la composición de productos cosméticos y de uso cuidado personal tales como lociones para después de afeitarse, protectores solares, cremas para el cuerpo y manos, jabón líquido, jabón de baño, lociones para el lavado de cabello, entre otros, en combinación con ingredientes

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activos como desinfectantes, humectantes, antioxidantes y filtros solares [73]. Las HMPAM realzan propiedades como cremosidad y humectación dependiendo de las unidades hidrófobas incorporadas al polímero, lo cual ha despertado su interés por el uso en cosméticos y productos de cuidado personal. Un problema general en la síntesis de los polímeros asociativos, es la de obtener y mantener interacciones hidrófobas suficientemente importantes para conseguir un buen poder espesante, al tiempo que se mantiene la solubilidad del polímero en el agua. Ha sido demostrado en el arte previo, que el uso de unidades hidrófobas que portan una sola cadena alquílica corta en los copolímeros, no presentan carácter asociativo, aún con concentraciones en monómero hidrófobo de 3% molar y de longitudes del bloque hidrófobo relativamente elevadas (NH >7); inversamente, con cadenas alquílicas relativamente largas (C12), las poliacrilamidas modificadas se vuelven insolubles en el agua, incluso con un pequeño número de unidades hidrófobas (NH =1). E. Volpert y col. [61] demostraron que el monómero hidrófobo DiHexAM, gracias a su doble cadena alquílica de seis átomos de carbono, es uno de los monómeros hidrófobos mejor adaptado para obtener copolímeros combinando asociatividad y solubilidad. 2.3.2.3- Propiedades reológicas de las HMPAM. a.- Influencia de la concentración de polímero El carácter espesante de las HMPAM depende de manera importante de la concentración del polímero en el medio. Las interacciones intramoleculares (interacciones hidrófobas en la misma cadena) e intermoleculares (interacciones hidrófobas con diferentes cadenas) son la base del comportamiento reológico de un polímero modificado y la principal diferencia con respecto a la poliacrilamida no modificada. En una poliacrilamida no modificada, se distinguen tres regímenes de concentración: El régimen diluido correspondiente a C < C* (donde C es la concentración del polímero), es el régimen donde las esferas macromoleculares son aisladas las unas de las otras. Luego, un punto de inflexión denominado como C = C* es el punto en que las cadenas entran en contacto las unas con las otras. El régimen semidiluido no entrelazado correspondiente a C > C*, es el régimen donde las macromoléculas se interpenetran. De igual manera, un segundo punto de inflexión denominado como C = Ce es el punto en el que inicia el entrelazamiento de las cadenas. Entre C* y Ce la viscosidad aumenta moderadamente, y los entrelazamientos no son muy eficaces. El régimen semidiluido entrelazado correspondiente a C > Ce, es el régimen donde los entrelazamientos son

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más numerosos y eficaces para provocar un aumento rápido de la viscosidad en función de la concentración (Figura 2.28). Del mismo modo, en las HMPAM se distinguen estos mismos regímenes de concentración, sin embargo el comportamiento de la viscosidad en función de la concentración depende de las modificaciones hidrófobas del polímero. En el régimen diluido (C < Cη≈C*

(PAM)), la viscosidad del polímero modificado hidrófobamente es generalmente inferior al de su homólogo no modificado. Este comportamiento se explica debido a que en solución muy diluida, las macromoléculas están aisladas unas de las otras, y las interacciones hidrófobas son esencialmente intramoleculares, que dan una conformación mas compacta como de “pelota” macromolecular. Figura 2.28. Diagrama esquemático de los regímenes de concentración de las poliacrilamidas modificadas y no modificadas. Fuente: [60]. Cuando la concentración del polímero aumenta, existe un punto primer punto de inflexión donde la viscosidad del polímero modificado se vuelve superior a la del polímero no modificado (Cη), entrando así al segundo régimen semidiluido no entrelazado (C > Cη). En este régimen las interacciones intermoleculares se vuelven preponderantes con respecto a las interacciones intramoleculares, de ahí el efecto espesante observado. El aumento de la viscosidad a partir de Cη es más notoria cuando

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tanto la concentración del polímero y el valor del NH aumenta, produciéndose así un segundo punto de inflexión CT ≈ Ce(PAM), originando el régimen semidiluido entrelazado (C > CT), donde la viscosidad se incrementa por varios ordenes de magnitud entre el polímero asociativo y su homólogo sin modificar, producto de los entrelazamientos de cadenas y el aumento de las interacciones hidrófobas intermoleculares. b.- Efecto de aditivos en las propiedades reológicas

a.1- Efecto de la adición de sales Este efecto no ha sido ampliamente estudiado, sin embargo, existen estudios en los cuales reportan que cuando las HMPAM se encuentran bajo la presencia de sales, las propiedades asociativas de estos polímeros aumentan; este fenómeno fue explicado en términos del efecto “salting out” o disminución de la solubilidad de las unidades hidrófobas, es decir existe una promoción de asociaciones hidrófobas [74].

b.1- Efecto del surfactante Cuando se estudia la reología de sistemas compuestos por HMPAM y moléculas de surfactante, se obtiene usualmente una curva en forma de campana como una función de la concentración de surfactante, donde la adición de surfactante refuerza la red transitoria entre cadenas, resultando en un pronunciado aumento de viscosidad (Figura 2.29), esto puede atribuirse a la formación de mezclas de micelas conteniendo moléculas de surfactante y grupos hidrófobos. La mezcla de micelas formadas, involucra moléculas de surfactante y grupos hidrófobos perteneciendo a dos o más cadenas poliméricas. Tal mezcla de micelas actúa como efectivo “entrecruzante”; por lo que esta red dinámica polimérica es responsable del dramático aumento en la viscosidad de la solución. Como la concentración de surfactante incrementa arriba de la CMC, cada cadena alquílica (grupo hidrófobo) es solubilizada individualmente en el abundante número de micelas de surfactante, es decir las asociaciones hidrófobas se desintegran y como consecuencia, la viscosidad de la solución disminuye (Figura 2.30).

Antecedentes

39

Figura 2.29. Viscosidad como función de la concentración de surfactante para diferentes contenidos de monómero hidrófobo. El efecto es más marcado para polímeros con un mayor contenido de secciones hidrófobas. Fuente: [65].

Figura 2.30. Representación esquemática de las interacciones copolímero-surfactante en función de la concentración de surfactante. (a) No surfactante. (b) [surfactante] < CMC. (c) [surfactante] > CMC. Fuente: [65].

Antecedentes

40

2.4- NANOFIBRAS Y ELECTROHILADO 2.4.1- Introducción La tecnología de las nanofibras es una rama de la nanotecnología en la que su principal objetivo es la preparación de nanoestructuras en forma de fibras. La combinación única de una gran área superficial y flexibilidad que proporcionan las fibras, las hacen preferidas para aplicaciones donde se desea un alto nivel de porosidad. Dichas aplicaciones van desde su utilización en la industria textil (medios de filtración, vendajes para heridas, etc) hasta el reforzamiento de estructuras aeroespaciales. Una de las características más significativas de las nanofibras, es la enorme disponibilidad de área superficial por unidad másica. Por ejemplo, para las nanofibras que poseen un diámetro entre 5 - 500 nm, les corresponde un área superficial entre 10,000 a 1,000,000 m2/kg. (Figura 2.31).

Figura 2.31. Relación entre el diámetro de la fibra y el área superficial. Fuente: [75].

Las nanofibras poliméricas pueden ser obtenidas empleando las siguientes técnicas:

• Dibujado • Síntesis en plantillas • Separación de fases • Auto-Ensamblado

Antecedentes

41

• Electrohilado Una comparación sobre ciertos aspectos relacionados con la factibilidad del proceso, así como las ventajas y desventajas de estas para la preparación de nanofibras, son mostradas en la Tabla 2.3 y Tabla 2.4 respectivamente. Tabla 2.3. Comparación de los métodos de procesamiento para la obtención de nanofibras.

Método Ventajas tecnológicas

Escalamiento del método

Repetibilidad Control en las dimensiones de

las fibras Dibujo Laboratorio No Sí No

Síntesis en plantillas Laboratorio No Sí Sí

Separación de fases Laboratorio No Sí No

Auto-ensamblado Laboratorio No Sí No

Electrohilado

Laboratorio (con potencial para el procesamiento

industrial

Sí Sí Sí

Fuente: [76]. Tabla 2.4. Ventajas y desventajas de los métodos de procesamiento de nanofibras.

Método Ventajas Desventajas Dibujo Equipamiento mínimo requerido. Proceso no contínuo

Síntesis en plantillas Fibras de diferentes diámetros pueden ser

preparadas por el uso de diferentes plantillas.

Separación de fases Mínimo equipamiento requerido. Se

puede fabricar directamente una matriz nanofibrosa.

Limitado a ciertos polímeros

Auto-ensamblado Bueno para la obtención de nanofibras muy pequeñas. Proceso complejo

Electrohilado Bajo costo, Proceso contínuo. Inestabilidad del chorro

Fuente: [76].

Antecedentes

42

De los métodos antes mencionados para la preparación de las nanofibras, el proceso por electrohilado es el más popular y ampliamente utilizado debido a su simplicidad y a la amplia variedad de polímeros que pueden ser utilizados; lo cual se refleja en un aumento exponencial en el número de publicaciones y patentes relacionadas con la preparación de nanofibras de diversos materiales poliméricos, Ncps, así como estudios relacionados con el efecto en la variación de las condiciones de proceso y modelado utilizando este método (Figura 2.32).

1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 20080

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Figura 2.32. Publicaciones y patentes relacionadas con la preparación y estudio de nanofibras de materiales poliméricos y nanocompuestos por el método de electrohilado. Fuente: [9]. Las nanofibras producidas por electrohilado, están siendo introducidas en diversas áreas de aplicación tales como en el área médica, defensa, ingeniería ambiental, biotecnología y energía (Figura 2.33) [77]. Por citar un ejemplo: Corning Incorporated, Corning New York fabrica cajas petri Ultra-webTM polyamine synthetic surface, las cuales son utilizadas para el cultivo de células humanas; estas cajas de poliestireno poseen en su fondo una capa de nanofibras de poliaminas (Figura 2.34), las cuales son cargadas positivamente para lograr un anclaje celular o uniones de enlaces covalentes con biomoléculas [78].

Antecedentes

43

Figura 2.33. Aplicaciones potenciales de nanofibras fabricadas por electrohilado. Fuente: [77]. Figura 2.34. Ultra-webTM polyamine synthetic surface fabricadas por Corning, Incorparated, Corning, New York. a) caja petri conteniendo en su fondo nanofibras de poliamina. b) Imagen SEM de la sección transversal de la capa de nanofibras. c) Imagen SEM de la superficie de la capa de nanofibras. Fuente: [78]. 2.4.2- Proceso de electrohilado El proceso de electrohilado fue primeramente patentado por James Morton en los Estados Unidos en 1902 [79]; sin embargo, el proceso fue por mucho tiempo ignorado, hasta los años 90s, donde el interés en el área de la nanociencia y nanotecnología, llevó a muchos investigadores al uso del electrohilado para la producción de nanofibras [80]. El proceso de electrohilado consiste en establecer una diferencia de potencial electrostática para inducir la formación de fibras con diámetros en la escala de micras a nanómetros. El sistema esta compuesto de los siguientes componentes (Figura 2.35):

a) b) c)

Antecedentes

44

• Una jeringa equipada con una aguja, la cual contiene una solución polimérica. • Una bomba de inyección, la cual permite tener un flujo constante de solución

hacia la punta de la aguja. • Un colector metálico, en el cual se depositan las nanofibras. • Una fuente de voltaje, la cual provee un flujo constante de corriente positiva

hacia la solución polimérica, por medio de un electrodo que sale de la fuente y termina en una conexión en la punta de la aguja. Al mismo tiempo, un electrodo de polo negativo que sale de la fuente, se conecta al colector.

Durante el proceso, una gota de la solución polimérica es suspendida en la punta de la aguja debido a la tensión superficial de la solución polimérica. Un incremento en el voltaje aplicado causa una acumulación de la carga en la superficie de la gota, provocando una deformación en la gota en forma cónica, la cual es referida como cono de Taylor (Figura 2.35) [81]. Dicha acumulación de carga alcanza un valor crítico suficiente para sobrepasar la tensión superficial, produciéndose así un chorro de solución polimérica que viaja hasta el colector. Durante la trayectoria caótica que recorre el chorro de solución, se produce la evaporación del solvente formándose así nanofibras de polímero seco las cuales son depositadas en el colector. Para soluciones poco viscosas, el chorro se rompe en pequeñas gotas, produciéndose un “electroatomizado”, mientras que para soluciones de alta viscosidad este viaja hasta el colector.

Figura 2.35. Esquema del proceso de electrohilado. Fuente: [76]

Cono de Taylor

Antecedentes

45

2.4.2.1- Parámetros de la solución del polímero Existen variables asociadas con la solución, los cuales tienen una significativa influencia en la morfología de las nanofibras, estos parámetros son:

• Peso molecular y viscosidad de la solución. • Tensión superficial. • Conductividad de la solución.

De estos parámetros, el peso molecular y viscosidad de la solución son los más importantes. Generalmente, en solución, un polímero de alto peso molecular produce una viscosidad más alta que la del mismo polímero de más bajo peso molecular. Ahora, una de las condiciones necesarias para que el electrohilado pueda llevarse a cabo exitosamente, es que la solución posea una viscosidad tal que permita que durante el estiramiento de la solución, los entrelazamientos de las cadenas eviten una ruptura del chorro de solución, manteniendo así un flujo continuo hacia el colector. A viscosidades bajas, es común encontrar una morfología de gotas o “bolas” a lo largo de las fibras depositadas en el colector [82]. Cuando la viscosidad se incrementa, existe un cambio gradual en la morfología de las gotas, pasando de esféricas a elípticas hasta obtener una fibra cilíndrica y lisa. Por otro lado, un incremento en la viscosidad, provoca un aumento en el diámetro de la nanofibra, probablemente debido a la resistencia de la solución a ser estirada completamente. En la Figura 2.36 se muestra la evolución en la morfología de las nanofibras de PEO, en función de la viscosidad de la solución para un determinado peso molecular. Recientemente se han publicado una serie de trabajos en los que se ha determinado la viscosidad mínima requerida de una solución polimérica, para la producción de nanofibras sin morfología de gotas [83]. En la Figura 2.37 se muestra un diagrama en el que se trazan cuatro regiones correspondientes a las diferentes morfologías obtenidas para el PVA, en función del peso molecular y la concentración de polímero.

Antecedentes

46

Figura 2.36. Morfología de las fibras con gotas en función de la viscosidad, para el PEO. a) 13 cp. b) 160 cp. c) 527 cp. d) 1835 cp. Fuente: [82].

Figura 2.37. Regímenes para varias morfologías observadas en el PVA. I) Gotas. II) Fibras con gotas. III) Fibras. IV) Listones. Fuente: [83].

a) b

c) d

Antecedentes

47

Sin embargo, estudios recientes han establecido la relación directa entre el comportamiento reológico del polímero en función de su concentración y la morfología de las nanofibras. Esto mediante la determinación de los regímenes de concentración de un polímero (régimen diluido, semidiluido no entrelazado y semidiluido entrelazado) por medio de la construcción de una curva de viscosidades a esfuerzos de corte cero en función de la concentración [83-87]; en la que se ha encontrado que en el régimen diluido se obtiene una morfología de gotas, es decir ocurre el proceso de electroatomizado; en el régimen semidiluido no entrelazado, se obtienen nanofibras con gotas, mientras que en el régimen entrelazado se obtienen nanofibras sin gotas. La construcción de esta gráfica representa un punto crucial para iniciarse en el proceso de electrohilado y así llegar a obtener nanofibras sin gotas o defectos. En la Figura 2.38 se muestra un ejemplo para el caso del polióxido de etileno (PEO). Figura 2.38. Correlación de la morfología de las nanofibras con los regímenes de concentración para una solución de PEO-Agua. a) Gotas. b) Fibras con gotas. c) Fibras. Fuente: [87].

a)

b)

c)

Antecedentes

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2.4.2.2- Condiciones de procesamiento a.- Voltaje Un elemento crucial en el proceso de electrohilado, es la aplicación de alto voltaje a la solución, el cual inducirá las cargas necesarias en esta para sobrepasar su tensión superficial y así iniciar el proceso de electrohilado. Por lo general, un voltaje aplicado de 6Kv es suficiente para provocar una distorsión en la gota de solución y así se forme el cono de Taylor [81]. Dependiendo de la velocidad de alimentación de la solución, se requiere un cierto valor de voltaje para mantener un cono de Taylor estable; si el voltaje es muy grande, la gran cantidad de carga en la solución, provocará una mayor aceleración del chorro de solución y por consecuencia una mayor demanda de solución desde la punta de la aguja, resultando fibras muy finas pero con un cono de Taylor muy inestable [88]. El efecto del alto voltaje no solamente tiene que ver con la apariencia de la nanofibra, sino también con la cristalinidad del las fibras del polímero, pues el campo eléctrico y el estiramiento de la solución, causa un ordenamiento de las cadenas del polímero induciéndolas a formar cristales [89]. Por otro lado, si se aplica un bajo voltaje, existe una menor aceleración del chorro de solución y por lo tanto un mayor tiempo de vuelo, el cual permitirá un mayor estiramiento del chorro y una completa evaporación del solvente. b.- Velocidad de alimentación La velocidad de alimentación, determinará la cantidad de solución disponible para el proceso de electrohilado. Para un voltaje dado, hay una velocidad de alimentación adecuada para mantener un cono de Taylor estable. Cuando se trabaja con una alta velocidad de alimentación, hay una gran cantidad de solución que sale de la punta de la aguja, lo cual ocasiona un incremento en el diámetro y en el tamaño de las gotas en la nanofibra (Figura 2.39), además de una incompleta evaporación del solvente, causando que las nanofibras se unan y formen membranas o películas. Por lo que una baja velocidad de alimentación es más deseable para que el solvente tenga más tiempo para evaporarse.

Antecedentes

49

Figura 2.39. Efecto de la velocidad de alimentación en la morfología de las nanofibras de policaprolactona. a) 0.5 ml/h. b) 2 ml/h. Fuente: [76]. c.- Distancia entre el colector y la aguja La variación en la distancia entre el colector y la aguja tiene una directa influencia sobre el tiempo de vuelo así como la fuerza del campo eléctrico, los cuales a su vez tienen una influencia directa en la morfología de las nanofibras obtenidas. Cuando la distancia entre el colector y la aguja se reduce, el chorro de solución tiene una más corta distancia para viajar antes de que este alcance el colector, además de que la fuerza del campo eléctrico incrementa la aceleración del chorro hacia el colector. Como resultado de esto, no hay suficiente tiempo para la evaporación del solvente, lo cual causa que las fibras se unan y formen membranas (Figura 2.40).

Figura 2.40. Nanofibras de Nylon 6,6 a a) 2 cm de distancia. b) 0.5 cm de distancia. Fuente: [76].

a) b)

a) b

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50

Dependiendo de las propiedades de la solución, el efecto de la variación de la distancia puede o no tener un efecto significativo en la morfología de la nanofibra. Sin embargo, las gotas pueden producirse cuando la distancia es muy corta. Así pues, vemos como la reducción en la distancia entre el colector y la aguja, tiene el mismo efecto en la morfología de la nanofibra que si se aumentara el voltaje y la velocidad de alimentación. Retomando lo expuesto anteriormente, la Tabla 2.5 muestra un resumen sobre el efecto de los parámetros de la solución y las condiciones de procesamiento en la morfología de las nanofibras. Tabla 2.5. Efecto de las variables y condiciones de procesamiento en la morfología de las nanofibras.

Efecto

Variable

Fibras finas

Completa evaporación Del solvente

Inestabilidad de la fibra

Vencimiento de la tensión Superficial

Baja tensión

superficial

Gotas en la fibra

A Si No Si Si Si Voltaje D Si A No No Si Velocidad de

alimentación D Si Si No A No Si No Viscosidad D Si No Si A No No Si Si Distancia entre

colector y aguja D Si Si No No A: Aumento. D: Disminución. 2.4.2.3- Creación de nanofibras con diferentes morfologías Como fue expuesto con anterioridad, solo con la variación de los parámetros de la solución es posible obtener una variedad de morfología en las nanofibras. A parte de las nanofibras con gotas y sin gotas, utilizando el proceso de electrohilado es posible obtener otro tipo de fibras con morfologías interesantes. a.- Nanofibras porosas Uno de los factores más influyentes en la preparación de este tipo de nanofibras, suele ser la humedad del ambiente en el que se efectúa el proceso de electrohilado, sin embargo existen otros factores que pueden contribuir a la preparación de este tipo de morfologías, tales como el tipo de polímero, el solvente utilizado y las condiciones de proceso de electrohilado (Figura 2.41). La formación de los poros en la superficie del

Antecedentes

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polímero, se debe principalmente a que durante la evaporación del solvente, la solución se vuelve termodinámicamente inestable, lo cual provoca la separación de la solución en dos fases: Una fase rica en polímero y la otra fase deficiente en polímero, donde esta última es la responsable de la formación de los poros.

Figura 2.41. Nanofibras porosas de poli(ácido L-láctico) (PLLA) a partir de una solución de PLLA en diclorometano. Fuente: [76]. b.- Nanofibras con morfología de listón El mecanismo por el cual las nanofibras con morfología de listón son formadas, esta relacionado con la evaporación del solvente durante el proceso de electrohilado. Por ejemplo, nanofibras con morfología de listón fueron obtenidas utilizando PVA de alto peso molecular y una alta concentración del polímero (Figura 2.42).

Figura 2.42. Nanofibras de PVA con morfología de listón. Fuente: [76].

El mecanismo de formación de este tipo de morfología, se debe a la formación de una pequeña capa externa de polímero durante el trayecto del chorro de solución hacia el colector, en la que se forma una especie de tubo conteniendo solvente en su interior;

Antecedentes

52

Como un resultado de la presión atmosférica, el tubo colapsa al tiempo que ocurre la evaporación del solvente. La sección transversal inicialmente circular adquiere una forma elíptica hasta obtener una fibra aplanada o de listón. En algunos casos, pequeños tubos son formados en las orillas del listón con una película delgada que une a ambos tubos (Figura 2.43).

Figura 2.43. Mecanismo de formación de nanofibras con morfología de listón. Fuente: [90]. c.- Nanofibras ramificadas Las nanofibras ramificadas son formadas cuando durante el trayecto del chorro de solución hacia el colector, se producen chorros secundarios más pequeños. Esto se produce cuando se altera la carga por unidad de área llevada por el chorro durante la elongación de este y la evaporación del solvente, lo que causa inestabilidad en el chorro. Dicha inestabilidad decrece al proyectarse un chorro más pequeño que sale de la superficie del chorro primario [90] (Figura 2.44).

Figura 2.44. Nanofibras ramificadas de poli(2-hidroxietil metacrilato) HEMA. A) Chorro secundario durante el trayecto del chorro hacia el colector. B) 16% de HEMA en etanol. Fuente: [90].

a) b)

Antecedentes

53

2.4.2.4- Investigación sobre la influencia de los parámetros de la solución y de procesamiento en la morfología de nanofibras a través de estudios sistemáticos Como lo hemos venido describiendo desde la Sección 2.4.1, debido a las propiedades únicas que poseen las nanofibras, estas están siendo utilizadas en diversas áreas de aplicación, en las que su orientación depende significativamente de la morfología de las nanofibras obtenidas. Por lo que existe un gran interés en el desarrollo de estudios sistemáticos sobre el efecto que tienen los parámetros de la solución y las condiciones de procesamiento sobre la morfología de las nanofibras (Figura 2.45).

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Figura 2.45. Publicaciones relacionadas con el estudio sistemático del proceso de electrohilado utilizando diversos sistemas poliméricos. Fuente: [9]. Los estudios sobre la caracterización experimental del proceso de electrohilado, relacionados con las inestabilidades del chorro de solución electrificado y su efecto en la morfología de las nanofibras, iniciaron con Hohman y Rutledge [88], quienes desarrollaron un diagrama de operación, basados en modelos teóricos generales y de experimentación, en los que describen las condiciones experimentales a las que se inicia el proceso de electrohilado así como las regiones de estabilidad e inestabilidad del cono de Taylor para el polioxietileno (PEO). En la Figura 2.46 se muestra el diagrama de operación campo eléctrico (E) (Kv/cm) contra flujo de alimentación para el PEO-agua, en el que se muestra una región de goteo (no se produce el electrohilado), una región de estabilidad, donde se produce un chorro estable de solución saliendo de la punta de la aguja y por último una zona de inestabilidad en el cono de Taylor, donde dicha inestabilidad puede ser traducida como la presencia de un movimiento irregular

Antecedentes

54

en el cono o un chorro de solución interrumpido a causa del voltaje o flujo de alimentación. Figura 2.46. Diagrama de operación para el PEO-agua. A) Goteo. B) Proceso de elctrohilado con cono de Taylor estable. C) Inestabilidades en el cono de Taylor. Fuente: [88, 89]. Mas tarde, aparecieron una serie de publicaciones en las que se estudió el efecto del voltaje, solvente, flujo de alimentación, viscosidad y la distancia entre el colector y la aguja sobre la morfología de las nanofibras [83-87, 91-95]. Lo más destacado de este grupo de estudios, es la correlación entre el comportamiento reológico del polímero y la morfología de las nanofibras [83-87, 93]. De lo anterior, se estableció que para cualquier tipo de polímero, en el régimen diluido no se producen fibras; en el régimen semidiluido no entrelazado se producen fibras con gotas, mientras que en el régimen semidiluido entrelazado se producen fibras sin gotas. (Figura 2.38). Sin embargo, a pesar de las muchas investigaciones efectuadas sobre los efectos tanto de los parámetros de la solución como de las condiciones de procesamiento en la morfología de las nanofibras, estos no han sido lo suficientemente sistemáticos y describen el proceso de electrohilado solo cualitativamente. Recientemente, Weng y col. [96], llevaron a cabo una investigación de los parámetros de la solución y las condiciones de procesamiento a través de un diseño experimental ortogonal y un análisis estadístico para el PLLA, en el que obtuvieron una ecuación que permite predecir el diámetro y el porcentaje de gotas en la fibra, lo cual permite optimizar los parámetros y condiciones de proceso para la obtención de nanofibras de a acuerdo a las necesidades de la aplicación. Por lo que este tipo de estudios, da paso a que pueda ser aplicado a otros sistemas poliméricos en conjunto con los avances descritos anteriormente.

A

B

C

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55

2.4.3- Nanofibras de polímeros hidrosolubles Los polímeros solubles en agua, tales como PEO, PVA, poliácido acrílico (PAA), PAM, polielectrolitos, PVP e hidroxipropilcelulosa (HPC) ofrecen una amplia variedad de ventajas para ser utilizados en el proceso de elctrohilado debido a que su solubilidad en agua puede ser ajustada a una determinada temperatura, pH ó mediante la adición de surfactantes u otros solventes (por ejemplo alcoholes). Las fibras obtenidas de polímeros solubles en agua se deshacen rápidamente cuando están en contacto con el agua. Por lo tanto, en aplicaciones biomédicas se debe controlar dicha deformación mediante entrecruzamiento. De manera similar ocurre para otras aplicaciones técnicas (por ejemplo filtros y textiles) (Figura 2.47) [89, 97]. Figura 2.47. Nanofibras de PVP/PEO entrecruzadas con sal de disodio 4,4’ diazidobenceno-2,2’ acido disulfónico (DAS) mediante irradiación UV. a) Nanofibra entrecruzada bajo tratamiento UV por 10 horas. b) Nanofibra entrecruzada después de ser expuesta al agua por 10 horas. Fuente: [97]. Solamente un número reducido de polímeros solubles en agua, han sido sometidos al proceso de electrohilado. En la Figura 2.48 se muestra el número de publicaciones y patentes relacionadas con la obtención de nanofibras de polímeros hidrosolubles usando el proceso de electrohilado, en el que puede notarse un ligero crecimiento exponencial. Muchas de estas investigaciones han sido llevadas a cabo utilizando el PEO y PVA, ya que estos polímeros están ampliamente disponibles en diferentes pesos moleculares, además de ser versátiles para su utilización en el proceso de electrohilado, debido a que son biocompatibles y solubles en una amplia variedad de solventes diferentes del agua [92]. Las características antes mencionadas, hacen que estos polímeros sean de gran interés en aplicaciones para vendaje de heridas con propiedades antimicrobianas [97, 98].

a) b)

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Figura 2.48. Publicaciones y patentes relacionadas con la utilización de polímeros hidrosolubles en el proceso de electrohilado. Fuente: [9]. En la preparación de vendaje para heridas, filtros y membranas con propiedades antimicrobianas a partir polímeros hidrosolubles, se han reportado dos métodos de preparación: i) la incorporación de fármacos y nanopartículas en la solución del polímero a electrohilar [97-103] y ii) el electrohilado de polímeros con propiedades antimicrobianas intrínsecas tales como el quitosano cuaternizado [104, 105]. Donde el primer método descrito, es el más ampliamente utilizado para la preparación de este tipo de materiales. Como fue descrito en la Sección 2.1.3.4, las AgNps están siendo ampliamente utilizadas como efectivo agente antimicrobiano en diversos sistemas poliméricos, donde la incorporación de estas nanopartículas en las nanofibras de polímeros hidrosolubles no ha sido la excepción. Dentro de estos polímeros, el PVA y el PVP han sido los más utilizados (Figura 2.49) [98, 103], demostrando poseer propiedades antimicrobianas contra bacterias Gram-negativas y Gram-positivas. Al igual que otras nanofibras de polímeros hidrófobos conteniendo AgNps [106, 107]. El mecanismo de actividad antimicrobiana de estas nanofibras consiste en la liberación de iones y/ó AgNps, lo cual podría restringir un poco su utilización, dado los efectos tóxicos que pueden provocar en las células humanas (ver Sección 2.1.3.5). Hasta esta fecha y hasta donde hemos buscado, no existen reportes sobre la utilización de nanofibras de polímeros hidrosolubles con capacidad de retener las AgNps en la matriz polimérica.

Antecedentes

57

Figura 2.49. Imagen TEM de nanofibras de polímeros hidrosolubles conteniendo AgNps. a) PVP. b) PVA. Fuente: [98, 103]. 2.4.4- Electrohilado coaxial En muchos casos, la funcionalización de nanofibras a través de la incorporación de moléculas funcionales u objetos (biosensores, regeneración celular, liberación de drogas y nanoelectrónica), tiene ciertos obstáculos para poder ser procesados por electrohilado convencional. Uno de estos incovenientes, suele ser mantener a estos agentes activos (biomoléculas como enzimas, proteínas, drogas, virus y bacterias) en un ambiente fluido para mantener su funcionalidad; para estos casos especiales suele entonces utilizarse la técnica de electrohilado coaxial [108-111]. En este método, dos agujas concéntricas son utilizadas para el electrohilado (Figura 2.50a), donde un mismo voltaje es aplicado a ambas agujas, el cual origina un chorro de solución, en el que en un caso ideal una nanofibra tipo núcleo-coraza es generada (Figura 2.50b).

a) b)

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Figura 2.50. Sistema utilizado para el proceso de electrohilado coaxial a). Morfología tipo núcleo-coraza b). Fuente: [111, 112]. Existen muy pocos trabajos relacionados con el proceso de electrohilado coaxial, y se conoce muy poco sobre la influencia de muchos otros parámetros, tanto de la solución como de las condiciones de procesamiento, en la morfología de las nanofibras. Sin embargo, se ha encontrado que uno de los parámetros claves a controlar durante el proceso de electrohilado coaxial, es evitar que ambos fluidos puedan mezclarse totalmente antes de que se produzca el chorro de solución. Diaz y col. [110] reportan que cuando los flujos tanto de la aguja externa como interna tienden a ser iguales, aumenta la probabilidad que de ambos fluidos se mezclen y que el chorro de solución sea entonces nada más que una mezcla de ambos fluidos. En la Figura 2.51 se muestra una imagen de un video de alta resolución en la que se observa como ambos fluidos se mezclan en la punta de la aguja, cuando ambos poseen la misma velocidad de alimentación. Este viene a ser uno de los parámetros más importantes a controlar durante el proceso, ya que si estos fluidos se mezclan, no se podrá obtener la morfolgía núcleo-coraza necesaria para muchas aplicaciones.

Figura 2.51. Evolución de la geometría del cono de Taylor en función de la velocidad de alimentación para el sistema PVP-aceite. Las velocidades de flujo exterior e interior corresponde a: a) 0.4-0.04 mLh-1 ; b) 0.4-0.2 mLh-1 ; c) 0.4-0.5 mLh-1. Fuente: [110].

a)

b)

a) b c)

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Otros de los parámetros que podrían afectar la morfología de las nanofibras, corresponde al tipo de geometría de la aguja, donde se ha encontrado que para algunos sistemas, el proceso de electrohilado coaxial se facilita cuando la aguja interior se encuentra ligeramente salida con respecto a la aguja exterior [110].

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Enfoque de la Tesis

68

Enfoque de la Tesis 3.1- JUSTIFICACIÓN De la lectura del capítulo 2 queda claro que existe un gran interés en el desarrollo de materiales poliméricos que pudieran tener propiedades antimicrobianas (utilizando como agente activo nanopartículas de plata). Aún más, la utilización de nanofibras de AgNcps se hace una idea muy atractiva debido a su gran área superficial, lo que se traduce en una mayor interacción nanopartícula-microorganimo. Aunque, existe ya en el mercado un número considerable de productos antimicrobianos a base de nanofibras de polímeros hidrosolubles conteniendo AgNps, se ha demostrado que éstos presentan un alto nivel de toxicidad, debido a que su mecanismo de actividad esta basado en la liberación de dichas nanopartículas. Un ejemplo de ésto es el vendaje para heridas “wound dressing Acticoat (Smith & Nephew, Inc.)” (ver Sección 2.1.3.5). Así, se vuelve transcendental desarrollar productos antimicrobianos en el que las AgNps, se encuentren asociadas indisolublemente en una matriz polimérica. Los polímeros hidrosolubles han demostrado ser buenos estabilizadores de las AgNps durante la síntesis. Sin embargo, las nanofibras de muchos de estos polímeros ( por ejemplo PVA [1] y PVP [2]), tienen un efecto biocida debido a que liberan tanto de iones como AgNps, ya que las fuerzas de interacción entre el polímero y dichas nanopartículas, no son lo suficientemente fuerte como para mantenerlas indisolublemente asociadas a la matriz polimérica por largos periodos de tiempo. Un hecho sorprendente encontrado en un trabajo previo [3], fue que el copolímero poli(AM-co-DiHexAM), poseen excelentes propiedades adsortivas sobre las AgNps, ya que lograban permanecer en la matriz polimérica a pesar de los ciclos sucesivos de precipitación y disolución, lográndose así una estabilización de carácter indisoluble.

Enfoque de la Tesis

69

Esto hace interesante, la preparación y la ejecución de un estudio completo sobre el nanocompuesto constituido por el copolímero poli(AM-co-DiHexAM) y AgNps (poli(AM-co-DiHexAM)/Ag). En particular, porque podría utilizarse para preparar nanofibras antimicrobianas mediante el proceso de electrohilado. En este contexto, en nuestro trabajo consideramos que el electrohilado coaxial, podría ser empleado para ubicar a las AgNps unicamente sobre la superficie de las nanofibras. Esto permitiría aumentar la eficiencia de las nanofibras y se distinguirían de las nanofibras antibacterianas reportadas hasta la fecha [4-6], las cuales contienen AgNps distribuidas tanto sobre la superficie como en el interior de la nanofibra (Figura 3.1). Esto, hace inefectivas dichas nanofibras debido a la limitada interacción de los microorganismos con las nanopartículas situadas en el interior. Figura 3.1. Nanopartículas de plata contenidas en el interior de una nanofibra de poli(L-lactida) (PLLA). Fuente: [4] La utilización del proceso de electrohilado coaxial, es así un área de oportunidad ya que podría optimizar al máximo la utilización de las AgNps en la inhibición del crecimiento de microorganismos ofensivos a la salud humana. Se podrían desarrollar nanofibras núcleo-coraza en la que el polímero de soporte (biodegradable, hidrófobo o hidrosoluble), podría utilizarse como núcleo, mientras que el polímero conteniendo AgNps podría utilizarse como coraza. Por otra parte, la obtención de nanofibras con morfología de listón podría provocar un efecto similar al planteado anteriormente, debido a la morfología planar de éstas; sin embargo, la obtención de este tipo de morfología depende mucho del tipo de polímero y el solvente a utilizar, por lo que se hace muy difícil de obtener. Lo expuesto anteriormente, justifica la utilización y el estudio de las poliacrilamidas asociativas como estabilizadoras indisolubles de las AgNps, dando pie a la obtención de nanofibras núcleo-coraza (como morfología alternativa) con propiedades antimicrobianas mediante el proceso de electrohilado coaxial; siguiendo

Enfoque de la Tesis

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además un estudio sistemático y estadístico para la obtención de nanofibras preferentemente libres de defectos (gotas). 3.2- HIPOTESIS La preparación de nanofibras tipo núcleo coraza del nanocompuesto poli(AM-co-DiHexAM)/Ag como coraza y el PVA como núcleo, preparadas por electrohilado coaxial, presentarán actividad antimicrobiana y antifúngica. 3.3- OBJETIVO GENERAL Obtener nanofibras bicomponentes núcleo-coraza con propiedades antimicrobianas, mediante la técnica de electrohilado, utilizando el nanocompuesto poli(AM-co-DiHexAM)/Ag y PVA. 3.3.1- Objetivos específicos.

• Estudiar el efecto de la luz ultravioleta en la síntesis de AgNps en medio micelar acuoso, asistida por el monómero-reductor hidrófobo N,N-dihexilacrilamida.

• Estudiar el mecanismo de formación de las AgNps en medio micelar acuoso, asistida por el monómero-reductor hidrófobo DiHexAM.

• Evaluar y comparar la capacidad reductora y estabilizadora del copolímero asociativo poli(AM-co-DiHexAM) con respecto a su homopolímero poliacrilamida (PAM) en la síntesis de AgNps.

• Estudiar la morfología y estabilidad de las AgNps en la matriz del copolímero asociativo, mediante estudios por UV-vis y TEM.

• Evaluar las propiedades antimicrobianas del nanocompuesto poli(AM-co-DiHexAM)/Ag obtenido, utilizando el método de dilución en caldo para la determinación de la Concentración Mínima Inhibitoria (MIC) y la Concentración Mínima Bactericida (MBC).

• Desarrollar un estudio sistemático y estadístico para la determinación de las condiciones y parámetros óptimos de operación en el proceso de electrohilado, para la obtención de nanofibras con morfología núcleo-coraza utilizando el nanocompuesto poli(AM-co-DiHexAM)/Ag y PVA.

• Caracterizar las nanofibras obtenidas mediante Microscopía Electrónica de Barrido (SEM), Microscopía de Fuerza Atómica (AFM), y TEM.

• Estudiar las interacciones específicas de las AgNps con la matriz polimérica en las nanofibras obtenidas, mediante un análisis por Espectroscopía fotoelectrónica de Rayos-X (XPS).

• Evaluar la capacidad de entrecruzamiento de las nanofibras de poliacrilamidas asociativas, utilizando agentes entrecruzantes de origen sintético y natural.

Enfoque de la Tesis

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• Evaluar las propiedades antimicrobianas y antifúngicas de las nanofibras obtenidas, mediante el método de evaluación por contacto.

Enfoque de la Tesis

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REFERENCIAS 1. Hong, K.H., Preparation and properties of electrospun poly(vinyl

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Parte Experimental

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Parte Experimental 4.1- SINTESIS DE NANOPARTICULAS DE PLATA EN MEDIO MICELAR 4.1.1- Síntesis del monómero-reductor hidrófobo N,N-dihexilacrilamida. El monómero hidrófobo DiHexAM, fue preparado y purificado de acuerdo a la técnica descrita por Valint y col. [1]. En un matraz de 1000 ml equipado con agitación magnética, se adicionaron 29.63 g. (0.16 moles) de dihexilamina, 18.2 g (0.18 moles) de trietilamina y 400 ml de éter etílico. En un embudo de adición se colocó una solución de 16.3 g (0.18 moles) de cloruro de acriloilo en 100 mL de éter seco, la cual se agregó al matraz gota a gota a una temperatura aproximada de 0 ºC por un periodo de 2 horas. Una vez que la solución fue adicionada, se permitió que el medio de reacción alcanzara la temperatura ambiente (25 °C), y se dejó reaccionar por 18 horas. La solución obtenida fue filtrada, obteniéndose una solución de éter conteniendo el monómero hidrófobo, la cual fue lavada tres veces en un embudo de separación de 1000 ml con una solución de HCl al 10% en peso (250 ml aprox. por lavado), para neutralizar la trietilamina residual. La fase del éter, fue lavada nuevamente con una solución de bicarbonato de sodio (NaHCO3) al 10% en peso hasta un pH neutro, seguido de una solución acuosa saturada de cloruro de sodio. El éter fue evaporado totalmente y posteriormente, el monómero hidrófobo fue obtenido por destilación a alto vacío ~ 10-2 mmHg (temperatura de ebullición de 105-108 °C). La pureza del monómero fue verificada por espectroscopía de Resonancia Magnética Nuclear de Protón (H+ NMR). El espectro de 1H NMR del monómero obtenido se muestra en la Figura 4.1.

Parte Experimental

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Figura 4.1. Espectro de 1H NMR del monómero DiHexAM. Las asignaciones fueron basadas en reportes previos [2] . 4.1.2- Síntesis de nanopartículas de plata e influencia de la luz ultravioleta. Para la síntesis de las AgNps, se siguió el procedimiento desarrollado en un trabajo previo para la síntesis de nanocompuestos de copolímeros asociativos-AgNps usando polimerización micelar [3]. En dicho procedimiento, se disolvieron 0.1010 g. de monómero hidrófobo DiHexAM y 2.6350 g. del surfactante dodecil sulfato de sodio (SDS) en 84 ml de agua desionizada. Una vez que los sólidos fueron disueltos totalmente, se adicionaron 3 ml de una solución de nitrato de plata (AgNO3) 0.045M a un flujo de 2000 µl/min mediante una bomba inyectora. La síntesis de las AgNps, se llevó a cabo en el interior de una cámara de luz ultravioleta a una longitud de onda de 265nm y 365nm durante 15 minutos a temperatura ambiente. La solución de AgNps obtenidas, para cada una de las longitudes de onda, fueron almacenadas en frascos de vidrio y al abrigo de la luz. Un esquema del sistema utilizado para este experimento, se muestra en la Figura 4.2.

g

e

f d a c b

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Figura 4.2. Sistema de reacción utilizado para la síntesis de nanopartículas de plata bajo una longitud de onda de luz ultravioleta. 4.1.2.1- Caracterización de las soluciones obtenidas conteniendo AgNps.

a) Espectroscopía de absorción ultravioleta (UV-vis)

El espectro de absorción ultravioleta de las soluciones conteniendo AgNps, obtenidas en la Sección 4.1.2, fue obtenido con 2.5 ml de estas soluciones en celdas de cuarzo y medidas en un espectrofotómetro de UV-vis Shimadzu MultiSpec-1501 en el intervalo de 200nm a 800nm.

b) Microscopía Electrónica de Transmisión (TEM) Así mismo, una gota de la solución conteniendo AgNps, fue depositada sobre una rejilla de cobre de 200 mesh, cubierta de una capa de Formvar. La rejilla fue posteriormente secada a temperatura ambiente durante 12 horas, y lavada con agua desionizada durante un tiempo de 6 horas para remover las moléculas de surfactante. La muestra fue secada nuevamente a temperatura ambiente durante otras 12 horas (un método muy similar es descrito por Mafuné y col. [4]) y observada en un microscopio electrónico de transmisión JEOL JEM-1200EX II a 70 kV. La imagen obtenida fue analizada por medio del software Image-Pro Plus v.5 en ambiente Windows, donde se determinó la distribución de tamaño de las AgNps de más de 200 partículas. Los datos obtenidos fueron procesados utilizando el software Origin v7.0 en ambiente Windows.

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4.2- SINTESIS DE NANOPARTICULAS DE PLATA UTILIZANDO EL COPOLIMERO poli(AM-co-DiHexAM) COMO AGENTE REDUCTOR Y ESTABILIZADOR 4.2.1- Síntesis del copolímero poli(AM-co-DiHexAM) por polimerización micelar. Para la síntesis del copolímero poli(AM-co-DiHexAM), denotado de ahora en adelante como CPA-F†, se empleó el método de polimerización micelar descrito por Françoise Candau [5-7]. En un procedimiento típico se disolvieron 0.1010 g. de monómero hidrófobo DiHexAM, 2.6350 g. del surfactante SDS y 2.9015 g. del monómero hidrófilo acrilamida (AM) en 84 ml de agua desionizada. A continuación la solución fue desgasificada durante un tiempo de 30 minutos, mediante un burbujeo con argón. De la misma manera, un solución preparada en un matraz bola de 25 mL conteniendo 0.03 g. del iniciador ácido 4,4’ azobis-(4-cianopentanóico) (ACVA) en 10 ml de agua, fue desgasificado de la misma manera. Para dar inicio al proceso de polimerización micelar, el iniciador fue transferido por medio de una cánula al reactor provisto de agitación mecánica de 120 r.p.m y bajo un flujo de argón constante. El reactor se mantuvo a una temperatura de 50 °C, deteniendo la reacción a las 7 horas. Bajo estas condiciones se obtuvo un copolímero de un peso molecular Mw de 600,000 g/mol. Un esquema del sistema utilizado en el proceso de polimerización micelar, se muestra en la Figura 4.3.

Figura 4.3. Sistema de reacción utilizado para la síntesis del copolímero PAM-co-DiHexAM.

† La denotación CPA-F está referida a la síntesis del copolímero poli(AM-co-DiHexAM) utilizando una solución de monómero fresco DiHexAM (menos de 1 mes de envejecimiento a -4°C).

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Para la eliminación de monómero residual y moléculas de surfactante, la solución del copolímero obtenido al 3%, fue precipitado mediante su adición gota a gota en un recipiente conteniendo metanol, y provisto de una agitación magnética vigorosa, utilizando una relación volumétrica entre la solución de polímero y el metanol de 1:4. Este procedimiento fue repetido tres veces, reemplazando la solución remanente por una cantidad similar volumétrica de solvente puro. Luego de este ciclo, el polímero obtenido fue secado en una estufa de vacío a 40 ºC por un tiempo de 12 horas. El polímero seco obtenido, fue utilizado para preparar una solución al 2% en peso (CPA2-F)†. Para la confirmación de la total eliminación de las moléculas de surfactante, el polímero seco fue sometido a un microanálisis elemental para la detección de sodio, donde la ausencia de este elemento, confirmó la total eliminación de moléculas de SDS. La pureza del polímero fue verificada por 1H NMR. Un típico espectro de 1H NMR del polímero obtenido es mostrado en la Figura 4.4. Figura 4.4. Espectro de H+ NMR del copolímero CPA-F. Las asignaciones fueron basadas en previos reportes [8].

† El término “2” incluido dentro de la nomenclatura original del copolímero (CPA-F), se utilizará para referirnos a una solución del copolímero CPA-F al 2% en peso.

DMSO

a b

n + c m

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4.2.2- Síntesis del nanocompuesto poli(AM-co-DiHexAM)/Ag. A 100 ml de la solución acuosa del copolímero CPA2-F, fueron adicionados suavemente 3 ml de AgNO3 con una concentración de 0.045M bajo agitación magnética. La mezcla resultante fue colocada en una autoclave a 121 °C por 15 minutos. De esta manera, se obtuvo una solución al 2% en peso del nanocompuesto poli(AM-co-DiHexAM)/Ag (CPA2-F/Ag®) con una concentración de 145 mg/L de AgNps. Dicha solución se dejó enfriar a temperatura ambiente y se resguardó de la luz. 4.2.2.1- Caracterización del nanocompuesto CPA2-F/Ag®. El nanocompuesto obtenido, fue caracterizado por UV-vis y TEM, utilizando un procedimiento similar al descrito en la Sección 4.1.2.1. 4.2.2.2- Determinación de la actividad antimicrobiana por el método de dilución en caldo. Los métodos de prueba de susceptibilidad por dilución se utilizan para determinar la concentración minima del agente antimicrobiano capaz de inhibir parcial ó totalmente el desarrollo de microorganismos. Esto se logra mediante métodos de dilución tanto en agar como en caldo [9]. En este trabajo se utilizó el método de dilución en caldo, ya que es un procedimiento simple, además de que a partir de éste se puede determinar tanto la Concentración Mínima Inhibitoria (MIC) como la Concentración Mínima Bactericida (MBC).

a) Microorganismos utilizados Para la evaluación de la actividad antimicrobiana del nanocompuesto, se utilizaron las cepas de Escherichia coli ATCC-25922 y Staphylococcus aureus ATCC-29213.

b) Determinación de la Concentración Mínima Inhibitoria (MIC) La Concentración Minima Inhibitoria se expresa como la más baja dilución a la cual el crecimiento del microorganismo es inhibido por el agente antimicrobiano. Esto se juzga por la ausencia de turbidez debido a una inhibición al desarrollo microbiano en el tubo de dilución desarrollado.

b.1) Preparación del inóculo de Escherichia coli y Staphylococcus aureus Para la ejecución de la prueba, se partió del desarrollo y propagación de las cepas de Escherichia coli y Staphylococcus aureus mediante cultivo líquido en caldo de soya

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tripticasa, durante 18 horas a 37 °C utilizando un agitador/incubador New Brunswick Scientific a una velocidad de agitación de 250 rpm. Una vez desarrollado el cultivo, se ajustó a una densidad óptica de 0.13 y 0.18 (3 x 105 a 5 x 105 UFC/mL) para Staphylococcus aureus y Escherichia coli, respectivamente.

b.2) Procedimiento de dilución en caldo para la evaluación del nanocompuesto CPA2-F/Ag® Este procedimiento se desarrolló bajo condiciones estériles y utilizando una campana de flujo laminar. A partir de la solución del nanocompuesto obtenida, se prepararon diluciones en un intervalo de concentraciones de 100 mg/L a 0.195 mg/L de AgNps. Esto basado en reportes previos sobre la evaluación antimicrobiana de AgNps [10]. Para ello, se pesó la cantidad exacta del nanocompuesto al 2% en peso, conteniendo la cantidad necesaria de AgNps para preparar una solución stock de 20ml a una concentración de 100 mg/L de AgNps, complementada con caldo nutritivo para bacterias. Por ejemplo, de la solución del nanocompuesto CPA2-F/Ag®, se tomaron 13.8 gramos y se adicionaron 6.2 mL de caldo nutritivo para bacterias, obteniéndose así una solución stock de 100 mg/L de AgNps. De esta solución stock, se prepararon 2 viales con 8 ml de dicha solución, considerando que la prueba se desarrolló por duplicado para cada concentración. Siguiendo con el procedimiento, para la evaluación de cada muestra se distribuyeron 2 filas de 10 viales estériles de 6 mL cada fila. A partir del vial que contiene 8 ml de la suspensión bactericida se adicionaron 2 mL de esta suspensión a cada vial en el primer par de viales de cada fila (1ra concentración de 100 mg/L). Posteriormente se adicionaron 4 mL de caldo estéril a los 4 mL restantes de la suspensión stock de la muestra bactericida. De esta muestra se transfieron 2 mL a los viales número 2 de cada fila (2da concentración de 50 mg/L). Este procedimiento de preparación de diluciones se continuó de la forma antes descrita para obtener las restantes diluciones a evaluar de 25, 12.5, 6.25, 3.12, 1.56, 0.78, 0.39 y 0.195 mg/L, respectivamente. Las diluciones fueron por duplicado y se prepararon para cada muestra y cada microorganismo a evaluar. Este procedimiento es descrito en la Figura 4.5.

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Figura 4.5. Preparación de diluciones del agente antimicrobiano. Fuente: [9]. Una vez obtenidas las diluciones para cada muestra, se procedió a inocular cada vial con 100 μL de la suspensión celular de Escherichia coli y Staphylococcus aureus preparada con anterioridad. Los viales inoculados fueron introducidos en la incubadora durante 48 horas a 37 °C. Una vez que transcurrió el periodo de incubación, se determinó mediante inspección visual la Concentración Mínima Inhibitoria. De manera adicional, se efectuó el mismo procedimiento, partiendo de igual manera de una solución de CPA2-F sin AgNps, y de una solución de CPA2-F conteniendo AgNps sintetizadas por Nanotechnologies Inc (denotado como CPA2-F/AgInc), con tamaño de partícula promedio de 10nm y una distribución de tamaño de entre 2nm y 40nm.

c) Determinación de la Concentración Mínima Bactericida (MBC) La Concentración Mínima Bactericida (MBC) se expresa como la más baja dilución a la cual se presenta una total inhibición del crecimiento del microorganismo o que muestre al menos un 99% de inhibición.

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c.1) Procedimiento de subcultivo en placa para determinar la MBC. El subcultivo en placa se desarrolló bajo condiciones estériles en una campana de flujo laminar. Para ello se tomó 1 mL del vial de la dilución y se depositó en una caja petri estéril. Esto se realizó para cada dilución seleccionada que no mostró crecimiento visible. En seguida se procedió a agregar a la caja petri 25 a 30 mL de agar de soya tripticasa estéril. Luego, las cajas se introdujeron en una incubadora a 37 °C por 24 horas, para luego efectuar una inspección visual de cada placa transcurrido el tiempo de incubación. 4.3- PREPARACION DE NANOFIBRAS POR EL PROCESO DE ELECTROHILADO COAXIAL UTILIZANDO EL NANOCOMPUESTO CPA2-F/Ag® Y PVA. El nanocompuesto CPA2-F/Ag® fue utilizado para la preparación de nanofibras con morfología tipo núcleo-coraza. Dicho nanocompuesto fue utilizado como coraza, mientras que el PVA fue utilizado como núcleo. Para obtener una nanofibra con morfología tipo núcleo-coraza utilizando el proceso de electrohilado coaxial, existen ciertos parámetros de la solución y condiciones óptimas de procesamiento que tienen que ser alcanzados (Sección 2.4.4). En un esfuerzo por encontrar las condiciones óptimas de operación, retomamos parte de los últimos avances efectuados en el área de electrohilado de nanofibras, aplicados al proceso de electrohilado coaxial, en el que de manera adicional, hemos efectuado por primera vez un estudio sobre la influencia de la geometría de la punta de la aguja, en la estabilidad del cono de Taylor, parámetro fundamental para la obtención de este tipo de morfologías en las nanofibras [11], lo cual no ha sido reportado hasta la fecha. En la Figura 4.6 se muestra un diagrama de flujo sobre la metodología empleada para obtener nanofibras con morfología núcleo-coraza con el menor número de defectos posibles. Una amplia explicación sobre esta metodología, se da en las siguientes secciones:

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Figura 4.6. Metodología utilizada para encontrar las condiciones óptimas de proceso para la obtención de nanofibras con morfología núcleo-coraza por el proceso de electrohilado coaxial. 4.3.1- Reología de soluciones del nanocompuesto CPA-F/Ag®. La determinación de los regímenes de concentración de las distintas soluciones poliméricas utilizadas en el proceso de electrohilado coaxial, nos ayuda a definir el intervalo de concentración en el que cada una de las soluciones utilizadas, forman nanofibras libres de gotas. Soluciones del homopolímero poliacrilamida (PAM), del copolímero CPA-F y del nanocompuesto CPA-F/Ag®, en el intervalo de concentraciones de 0.1 < C < 2 expresadas como porcentaje en peso (%p), fueron preparadas mediante diluciones en agua desionizada partiendo de una solución con una concentración inicial de 2% en peso. Soluciones del nanocompuesto CPA-F/Ag® con una relación N,N-dimetilformamida:Agua (DMF:H2O) de 30:70 en el intervalo de concentraciones de 0.1 < C < 1.5, fueron preparadas por diluciones en agua desionizada y DMF a partir de la solución del nanocompuesto CPA2-F/Ag®. Por ejemplo, para preparar una solución del nanocompuesto CPA-F/Ag® con una relación DMF:H2O de 30:70 al 1.5 % ,denotado como CPA1.5-F/Ag®3070, se tomaron 1.51 g de solución del

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nanocompuesto CPA2-F/Ag® y se le adicionaron 0.67 g de DMF y 0.06 g de agua desionizada. La determinación de la viscosidad a bajas concentraciones (C ≤ 0.9) fueron efectuados utilizando una geometría double gap de tubos concéntricos; mientras que para altas concentraciones fue utilizada una geometría de cono y plato a 25 °C en un reómetro Physica UDS 200 de esfuerzo controlado. Se utilizó una velocidad de corte en el intervalo de 0.1 a 1000 s-1. Todas las mediciones de la viscosidad a esfuerzo de corte cero, fueron efectuadas en la región de viscoelasticidad lineal, las cuales fueron utilizadas para la construcción de una gráfica de regímenes de concentración. Por otro lado, el régimen de concentración del PVA en el cual se producen nanofibras libres de gotas, esta en función del peso molecular (ver Figura 2.37 de la Sección 2.4.2.1). Dadas las características de la morfología de la nanofibra que se desea obtener por medio del electrohilado coaxial (fibra cilíndrica del tipo núcleo-coraza), se requiere que la morfología de las nanofibras de PVA adopten una forma cilíndrica, por lo que en este trabajo se utilizó PVA con un peso molecular de entre 85,000-124,000 g/mol, utilizando una concentración del 8% (PVA8) (región III del diagrama de la Figura 2.37). 4.3.2- Investigación de los efectos de las condiciones de proceso en la morfología de nanofibras, utilizando un diseño factorial fraccionado. Habiendo determinado el régimen de concentración, en el cual se producen nanofibras con el menor número de defectos para el nanocompuesto CPA1.5-F/Ag®3070, se tomó entonces la concentración más alta de dicho régimen de concentración, para garantizar la obtención de dicha morfología. Siguiendo la metodología mostrada en la Figura 4.6, se construyó un diagrama de operaciones similar a la Figura 2.46. Para ello, primeramente se tuvo que determinar la distancia óptima a la cual no se producen fibras con aspecto de membranas, para evitar que durante el proceso de entrecruzamiento de la nanofibra, se pierda su morfología (Figura 2.47b), Si se parte inicialmente de una nanofibra con aspecto de membrana, después del entrecruzamiento se obtendría una película. Es decir, se perdería área superficial, que es esencial para orientar su aplicación como nanofibras con acción antimicrobiana. A través del análisis de los datos experimentales se obtuvieron los valores óptimos de variables de control para la obtención del producto deseado. Muchos modelos de diseños de experimentos tales como diseños factoriales completos y una variedad de diseños factoriales fraccionados han sido descritos en la literatura [12, 13]. En un

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diseño factorial completo, el número de corridas experimentales es igual al número de valores elevado al número de factores a evaluar. Por ejemplo, un diseño factorial de 8 variables con 2 valores por cada variable requiere 28 = 256 corridas experimentales, lo que representa un gran número de experimentos. En estas situaciones se emplea un diseño factorial fraccionado. Un diseño factorial fraccionado usado comúnmente corresponden a 2k-p y 3k-p donde 2 y 3 corresponden al número de valores, k al número de variables y (-p) a la fracción del número de valores. Por ejemplo, un diseño factorial fraccional medio de 2 valores con 8 variables necesita solamente 28-1 = 128 corridas experimentales. Sin embargo, un diseño factorial fraccionado más flexible, robusto y ampliamente utilizado corresponde al arreglo ortogonal, el cual es una matriz factorial fraccionada, en la cual cada fila representa los valores de las variables para cada corrida, y cada columna representa los valores de una variable en particular. En una matriz balanceada:

• Todas las combinaciones posibles de dos columnas cualesquiera de la matriz ocurren en igual número de veces dentro de las dos columnas.

• Cada valor de una variable en particular tiene el mismo número de ocurrencias dentro de la misma columna.

Este arreglo puede representarse como LN(IP), donde N es el número de corridas experimentales, I el numero de valores de cada variables y P el número de variables. Este arreglo de matrices, depende del número de variables que se requieran probar, así como el número de valores para cada variable [14]. Un diseño similar fue efectuado por Wenguo y col. para estudiar el efecto de los parámetros de la solución y las condiciones de proceso en la morfología de nanofibras de PDLLA [15]. En la Sección 2.4.2.2 abordamos las tres variables más influyentes en la morfología de las nanofibras, como son el voltaje aplicado, la velocidad de alimentación y la distancia entre el colector y la aguja. Por lo que en este trabajo se investigó la influencia de estas tres variables, cada una con tres valores, para obtener un arreglo ortogonal del tipo L9(33). En la Figura 4.7 se muestra un arreglo ortogonal para L9(34) utilizando 4 variables, por lo que para poder adaptarse al arreglo deseado en este trabajo (L9(33)), únicamente se descartó la combinación efectuada en la columna cuatro.

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Columna Número de corrida 1 2 3 4

1 0 0 0 02 0 1 1 1 3 0 2 2 24 1 0 1 25 1 1 2 06 1 2 0 1 7 2 0 2 1 8 2 1 0 29 2 2 1 0

Figura 4.7. Arreglo ortogonal del tipo L9(34). Fuente: [14].

Los valores para cada una de las variables estudiadas, dependieron de un breve estudio preliminar efectuado tanto para el nanocompuesto CPA1.5-F/Ag®3070 y PVA8. El cual es detallado en la sección de Resultados y Discusión así como la matriz ortogonal resultante. La Tabla 4.1 muestra el esquema general de la matriz ortogonal aplicada en este trabajo.

Tabla 4.1. Esquema general de la matriz ortogonal L9(33) aplicada en este trabajo. # de Experimentos Voltaje Flujo de alimentación Distancia colector-aguja

1 V1 F1 D1

2 V1 F2 D2

3 V1 F3 D3

4 V2 F1 D2

5 V2 F2 D3

6 V2 F3 D1

7 V3 F1 D3

8 V3 F2 D1

9 V3 F3 D2

Fuente: Basado en la Figura 4.7. Con esta matriz, se procedió a efectuar el proceso de electrohilado, utilizando el sistema mostrado en la Figura 2.35. El parámetro medido en cada corrida experimental, fue el número de defectos encontrados en las nanofibras resultantes (gotas, membranas, uniformidad en el diámetro de la fibra), los cuales fueron representados como porcentaje de defectos (%De). Este valor fue determinado de la siguiente manera:

1. Se midió el diámetro de las nanofibras resultantes para cada corrida, a partir de tres imágenes SEM con una magnificación de 10,000x por corrida,

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utilizando el software Imagej 1.37c. Estó se logró mediante la medición del diámetro de 5 secciones diferentes para una nanofibra, para un total de 50 nanofibras por imagen.

2. Los datos obtenidos de cada corrida fueron analizados en Origin 6.0 para determinar el diámetro promedio ( D ), así como la desviación estándar (sd).

3. el Porcentaje de defectos (%De) fue obtenido utilizando la formula:

%De 100 =×Dsd

Donde un %De bajo fue indicativo de la uniformidad de la nanofibra, así como la ausencia de los defectos antes mencionados. Este parámetro medido (%De) se utilizó para determinar cual de las tres variables estudiadas tuvo una influencia significativa en la aparición de defectos en la nanofibra. Para esto se efectuó un análisis estadístico el cual se constituyó de los siguientes pasos [15]:

1. El promedio del %De ( De% ) obtenido para cada valor de cada variable fueron colocados en tres grupos (K1, K2 y K3), por ejemplo: Para la variable Voltaje aplicado, se estudiaron tres valores diferentes (V1, V2 y V3), por lo que se agruparon los resultados del %De de las diferentes corridas experimentales donde cada valor fue estudiado y se obtuvo un De% , el cual se colocó en el grupo K1, ejecutándose de igual manera para los demás valores (Figura 4.8). Este mismo procedimiento fue aplicado para las demás variables.

2. Posteriormente, teniendo organizados los tres grupos para las tres variables estudiadas, se calculó una amplitud R de medición mediante la resta del mayor valor obtenido menos el menor valor obtenido para cada variable ( )MenorMayor DeDe % - % (Tabla 4.2).

3. En seguida, para cada variable fue calculado una desviación estándar (S) de los De% obtenidos para cada variable (Tabla 4.2).

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Figura 4.8. Procedimiento para la obtención del De% para cada variable. Tabla 4.2. Tabla general para el cálculo de R y S. Voltaje Flujo de alimentación Distancia colector-aguja

K1 1% VDe 1% FDe 1% DDe K2 2% VDe 2% FDe 2% DDe K3 3% VDe 3% FDe 3% DDe R ( )VMenorVMayor DeDe % - % ( )FMenorFMayor DeDe % - % ( )DMenorDMayor DeDe % - % S SV SF SD

El valor más alto de S de las tres variables estudiadas, indicó que dicha variable ejerce el efecto más significativo en la morfología de la nanofibra. Esto nos ayudó entonces a desarrollar una ecuación de regresión no lineal que predijera el %De en las nanofibras tanto del nanocompuesto CPA-F/Ag® como del PVA para cualquier condición de proceso. Este procedimiento fue efectuado con la ayuda del módulo de análisis de datos y estadística XLSTAT de Microsoft Excel, donde fue seleccionado el mejor modelo que reprodujera los resultados obtenidos con una buena distribución de residuales. Con este estudio, se determinaron las condiciones óptimas de operación para ambos polímeros, para obtener nanofibras con el menor número de defectos posibles.

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a) Caracterización de las nanofibras obtenidas a condiciones óptimas de operación.

a.1) Microscopia Electrónica de Barrido (SEM)

Se efectuó el proceso de electrohilado a condiciones óptimas de operación tanto para el nanocompuesto CPA1.5-F/Ag®3070 como para el PVA8. Las nanofibras depositadas sobre un colector de aluminio, fueron analizadas en un microscopio electrónico de barrido SM-510 a magnificaciones de 5,000x y 10,000x con un voltaje de 15 kV.

a.2) TEM De igual manera, se efectuó el proceso de electrohilado a condiciones óptimas de operación para ambas soluciones, donde en este caso las nanofibras fueron depositadas sobre una rejilla de cobre 400 mesh recubierta de una capa de Formvar, la cual fue superpuesta sobre el colector de aluminio. El tiempo de deposición de las nanofibras fue de 1 minuto. Las nanofibras depositadas fueron analizadas en un microscopio electrónico de transmisión JEOL JEM-1200EX II a un voltaje de operación de 70Kv.

a.3) Espectroscopía de Fotoelectrón de Rayos-X (XPS) Con el objetivo de determinar las interacciones entre las AgNps y la matriz de copolímero asociativo; parte de las nanofibras obtenidas para análisis de SEM, fueron analizadas en un espectroscopio de fotoelectrón de rayos-X RIBER LDM-32 en un sistema modificado por desintegración por láser; donde se identificaron los elementos C, N, O, Ag y la posible presencia de S. Una deconvolución de Lorentzian + Gauss fue utilizada para el ajuste de los picos de los diferentes enlaces correspondientes a la estructura del copolímero (C-C, C-N y C=O), así como las posibles interacciones Ag-copolímero, utilizando el programa PeakFitTM v.4 en ambiente Windows. Todos los picos fueron referenciados a la línea del C1s a 285.0 eV [16] y ajustados hasta obtener una distribución de residuos al azar.

a.4) Microscopía de Fuerza Atómica (AFM) Un estudio topográfico de las nanofibras del nanocompuesto CPA-F/Ag® fue llevado a cabo en un microscopio de fuerza atómica Digital Instrument Dimension 3100 en modo tapping a 0.5Hz. Para esto, se hizo pasar una superficie conductora recubierta con ito sobre el jet de nanofibras mientras el proceso de electrospinning era llevado a cabo.

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4.3.3- Determinación del diagrama de operaciones Voltaje vs Flujo de alimentación. Una vez habiendo determinado la distancia óptima de operación tanto para el nanocompuesto CPA1.5-F/Ag®3070 como para el PVA8, se construyó un diagrama de operaciones Voltaje vs Flujo (ver Figura 2.46), el cual nos ayudó a determinar las regiones donde se produce goteo, cono de Taylor estable o inestabilidad en la forma de dicho cono. La determinación de estas regiones nos sirvió para delimitar posteriormente las condiciones de operación para el electrohilado coaxial, ya que las zonas donde se produce un cono de Taylor estable, son deseables para la obtención de una morfología núcleo-coraza (Sección 2.4.4). El estudio se realizó llevando a cabo el proceso de electrohilado, probando cada flujo de alimentación a diferentes voltajes y marcando entonces con un punto, la región donde se observaban las modificaciones en el cono de Taylor. El reconocimiento de cada una de las regiones durante la experimentación, fue efectuado visualmente, observando fijamente la forma que adquiría el cono de Taylor en la punta de la aguja a una distancia prudente de 60 cms. por un tiempo de 5 minutos durante cada punto de prueba. El intervalo de estudio tanto para el voltaje como para el flujo de alimentación, fue determinado basado en las observaciones efectuadas durante las experimentaciones de la sección anterior, las cuales serán ampliamente abordadas en la sección de Resultados y Discusión. 4.3.4- Determinación del diagrama de operaciones Voltaje vs Flujo de alimentación para el electrohilado coaxial Una vez habiendo obtenido los límites de operación, es decir teniendo establecidos las zonas donde se produce goteo y un cono de Taylor estable para ambos polímeros, se procedió a la construcción de un diagrama conjunto de operaciones Voltaje vs Flujo para el proceso de electrohilado coaxial similar al desarrollado en la sección anterior, con el objetivo de determinar las zonas donde se produce un cono de Taylor estable cuando ambos polímeros son utilizados de modo coaxial, ya que de este depende la obtención de la morfología núcleo-coraza (Sección 2.4.4). Un esquema de dicho proceso utilizado en este trabajo, es mostrado en la Figura 4.9, donde el PVA se utilizó como núcleo de la nanofibra, mientras que el nanocompuesto CPA-F/Ag® se utilizó como coraza de la misma.

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Figura 4.9. Esquema utilizado para el proceso de electrohilado coaxial. Para el caso del electrohilado coaxial, se pueden tener diferentes tipos de geometría de aguja:

1. La aguja interna y externa se encuentran al mismo nivel (GE-N). 2. La aguja interna se encuentra ligeramente expuesta con respecto a la aguja

externa (GE-E). 3. La aguja interna se encuentra ligeramente hacia el interior con respecto a la

aguja externa (GE-I). Como se comentó en la Sección 2.4.4, aún no se tiene estudiado el efecto de la geometría en la morfología de la nanofibra, a pesar de que para algunos sistema se ha reportado que la geometría del tipo GE-E facilita el proceso de electrohilado coaxial [17]. Por lo que entonces, se decidió estudiar el efecto de cada geometría en la formación del cono de Taylor y de esa manera encontrar que tipo de geometría facilita el proceso de electrohilado coaxial para el sistema en estudio. En la Figura 4.10 se muestra un esquema de las geometrías que fueron evaluadas. Donde se puede apreciar que tanto la aguja interior y exterior fueron conectadas por un cable de cobre para poder transferir carga a la solución que va internamente.

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Figura 4.10. Geometrías de agujas evaluadas en el proceso de electrohilado coaxial. a) GE-N. b) GE-E. c) GE-I. De igual manera, el reconocimiento de la región de goteo y la región del cono de Taylor estable fue reconocido, observando fijamente la forma que adquiría el cono de Taylor en la punta de la aguja a una distancia prudente de 60 cms. por un tiempo de 5 minutos en cada punto de prueba. El intervalo de estudio tanto para el voltaje como para el flujo de alimentación, fue determinado mediante las observaciones efectuadas durante las experimentaciones de la sección anterior. Las nanofibras obtenidas fueron analizadas y evaluadas por SEM y TEM de la misma manera en la que fueron analizadas las nanofibras obtenidas en la Sección 4.2.3.2. 4.4- PREPARACION DE NANOFIBRAS POR EL PROCESO DE ELECTROHILADO, UTILIZANDO UNA SOLUCION BICOMPONENTE DE CPA1.5-F/Ag®3070 Y PVA8. La decisión sobre la preparación de nanofibras por el proceso de electrohilado utilizando una solución bicomponente de CPA1.5-F/Ag®3070 y PVA8 al 3% con una relación en peso 40:60, respectivamente (denotada como CPA1.5-F/Ag®3070//PVA8 3/40:60)), dependió de los resultados de la evaluación de las

a) b) c)

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nanofibras obtenidas por electrohilado coaxial, el cual es expuesto ampliamente en la sección de Resultados y Discusión. 4.4.1- Preparación de la solución bicomponente. Para preparar 3 ml de la solución bicomponente al 3% en peso, se mezclaron 2.33 grs. del nanocompuesto CPA1.5-F/Ag®3070 y 0.67 grs. de la solución PVA8. 4.4.2- Preparación de nanofibras. Para la preparación de las nanofibras bicomponentes, se llevó a cabo la misma metodología que se utilizó con las soluciones CPA1.5-F/Ag®3070 y PVA8, para llegar a obtener las condiciones óptimas de operación que nos permitieron obtener nanofibras con el menor número de defectos. Estos pasos van desde la obtención de los regímenes de concentración expuesto en la Sección 4.2.3.1, hasta la obtención del diagrama de operaciones Voltaje vs Flujo en la Sección 4.2.3.3, incluyendo cada uno de los métodos de caracterización. Posteriormente, habiendo obtenido las condiciones óptimas de operación, se prepararon muestras de nanofibras bicomponentes para su posterior caracterización. 4.4.3- Entrecruzamiento de las nanofibras. Para el caso de nanofibras de PVA, una variedad de sustancias tales como glutaraldehído, acetaldehído y formaldehído han sido utilizados para el entrecruzamiento de las nanofibras [18, 19], sin embargo estas sustancias químicas son altamente tóxicas y las nanofibras entrecruzadas con este tipo de sustancias no prometen una biocompatibilidad. Otro método utilizado para el entrecruzamiento, ha sido someter las nanofibras a calentamiento a 155 °C [20] ó sumergirlas en un baño de metanol para provocar puentes de hidrógeno entre las nanofibras debido a la pérdida de humedad. Existen agentes fotoentrecruzantes de polímeros solubles en agua como la sal disodio 4,4’ diazidobenceno-2,2’acido disulfónico (DAS) (Figura 4.11), la cual ha sido utilizada para el entrecruzamiento de nanofibras de PVP, PEO [21] y PVA [22]. Sin embargo, no se conoce mucho sobre la toxicidad del DAS, pero es de notar que el disodio 4,4’-diaminobenceno-2,2’-disulfonado, un compuesto con una estructura similar al DAS, el cual posee muy baja toxicidad [21].

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Figura 4.11. Sal disodio 4,4’ diazidobenceno-2,2’acido disulfónico (DAS). Por otro lado, su utilización para el entrecruzamiento de nanofibras de poliacrilamida no ha sido reportado. Sin embargo, un compuesto de origen natural denominado Genipin (Figura 4.12), extraído del fruto de la Gardenia, ha sido utilizado como entrecruzante natural de hidrogeles de poliacrilamida, quitosan y gelatina en la liberación de fármacos y en cirugías [23, 24], por lo que se presenta como una alternativa para utilizarlo como entrecruzante de las nanofibras conteniendo el AgNcp, ya que su citoxicidad es significativamente menor que la del glutaraldehído [24] y presenta una mayor biocompatibilidad celular [23].

Figura 4.12. Estructura del Genipin. Fuente: [25] Tomando en consideración lo antes expuesto, se decidió evaluar la capacidad de entrecruzamiento, tanto del DAS como del Genipin, para con las nanofibras bicomponentes.

a) Entrecruzamiento de nanofibras bicomponentes utilizando el DAS. Para la preparación de la solución bicomponente conteniendo DAS, se preparó una solución del nanocompuesto CPA1.5-F/Ag®3070 con un contenido de DAS de 1%, 2% y 3% en porcentaje en peso del total del copolímero, las cuales se mezclaron con la solución de PVA8 obteniéndose las soluciones AgNcp-PVA/DAS1, AgNcp-PVA/DAS2 y AgNcp-PVA/DAS3 respectivamente. Una vez habiendo obtenido las condiciones óptimas de operación para la preparación de nanofibras bicomponentes con el menor número de defectos, estas fueron tomadas para la preparación de las nanofibras conteniendo el agente entrecruzante DAS. Habiendo obtenido las nanofibras, estas fueron sometidas a irradiación ultravioleta en una cámara de irradiación ENF-260C equipada con una

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lámpara UV a una longitud de onda de 365 nm y una distancia de 10 cms entre la lámpara y la muestra, por un tiempo de 1, 3, 5 y 8 horas. Las nanofibras obtenidas después del proceso de fotoentrecruzamiento fueron analizadas por SEM. Posteriormente, la resistencia al agua de las nanofibras fotoentrecruzadas, fueron evaluadas al sumergirlas en agua desionizada por 48 horas. Las nanofibras obtenidas después de este proceso, fueron analizadas por SEM.

b) Entrecruzamiento de nanofibras bicomponentes utilizando Genipin. De igual manera que se preparó la solución bicomponente conteniendo DAS, también se preparó una solución bicomponente con un contenido de Genipin de 10mM (AgNcp-PVA/G10) y 50 Mm (AgNcp-PVA/G50) en relación al contenido total de polímero. Del mismo modo, una vez habiendo obtenido las condiciones óptimas de operación para la preparación de nanofibras bicomponentes con el menor número de defectos, estas fueron tomadas para la preparación de las nanofibras conteniendo el agente entrecruzante Genipin. Las nanofibras obtenidas fueron sometidas a calentamiento a 60 °C por 24 horas. Este agente entrecruzante utilizado, promueve solamente un entrecruzamiento entre los grupos aminos (-NH2) del copolímero, por lo que para poder entrecruzar el PVA, fue necesario utilizar un segundo método de entrecruzamiento selectivo, el cual consistió en sumergir las nanofibras entrecruzadas con Genipin en un baño de metanol por 24 horas. La selección de este segundo método de entrecruzamiento complementario, se debió principalmente a que se podría aprovechar como una etapa de lavado, para la eliminación de los subproductos de la reacción de entrecruzamiento y además para estudiar la estabilidad de las AgNps en la matriz polimérica, mediante un análisis de las aguas residuales por Absorción Atómica y Espectroscopía de luz ultravioleta (Uv-vis). La ausencia de plata en las aguas residuales, indicaría entonces que las AgNps se encuentran estables e indisolublemente asociadas en la matriz polimérica. Las nanofibras obtenidas después del proceso de fotoentrecruzamiento fueron analizadas por SEM. Posteriormente, la estabilidad de las nanofibras fotoentrecruzadas, fueron evaluadas al sumergirlas en agua desionizada por 48 horas. Las nanofibras obtenidas después de este proceso, fueron analizadas por SEM.

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4.4.4- Determinación de la actividad antimicrobiana y antifúngica de las nanofibras bicomponentes utilizando el método por contacto.

a) Microorganismos utilizados Para la evaluación de la actividad antimicrobiana bajo la norma Industrial Japonesa Estándar Z2801, se utilizaron las cepas de Escherichia coli ATCC-25922 y Staphylococcus aureus ATCC-29213; mientras que su actividad antifúngica a nivel de esporas, fue probada utilizando la cepa Aspergillus niger ATCC 6275.

b) Evaluación de la actividad antimicrobiana

b.1) Preparación del inóculo de Escherichia coli y Staphylococcus aureus Se partió entonces de un cultivo stock del microorganismo sembrado en tubos inclinados, a los que seguidamente se les adicionó un volumen de 2 mL de caldo nutriente diluido 1/500 estéril. Estos se agitaron suavemente para obtener la suspensión celular, la cual se vertió en 50 mL de caldo nutriente 1/500. A partir de esta suspensión, se procedió a ajustar el inóculo a un valor especificado por la norma (2.5 x 105 a 1 x 106 UFC/mL).

b.2) Inoculación de las muestras y ejecución de la prueba de actividad antimicrobiana. Se prepararon 4 muestras de nanofibras de PVA las cuales fueron entrecruzadas en metanol, además de 2 muestras de nanofibras bicomponentes bajo las condiciones óptimas de operación encontradas, utilizando el agente entrecruzante que mostró una mejor actividad o efecto entrecruzante. Las muestras tenían una dimensión de 3 x 3 cm de acuerdo a las especificaciones de la norma. Cada muestra se depositó en una caja petri estéril, a la que seguidamente se le adicionó en la parte central de la misma, un volumen de inóculo de 100 μL e inmediatamente se cubrió con un cubreobjetos. De las 6 muestras inoculadas, 2 de las muestras de PVA se utilizaron para llevar a cabo el recuento bacteriano a tiempo inicial (T0) mientras que las 2 muestras de nanofibras bicomponentes y las 2 muestras de PVA restantes, se incubaron a una temperatura de 37 °C y 90% de humedad relativa durante 24 horas. Una vez concluido el período de incubación, se procedió a efectuar el recuento bacteriano T1.

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b.3) Recuento bacteriano de las muestras evaluadas. El recuento bacteriano en cada muestra evaluada, se efectuó introduciendo la muestra inoculada (tanto al inicio como después de la incubación) en una bolsa de muestreo estéril y agregándole 10 mL de caldo nutriente diluido 1/500 (Figura 4.13). El contenido de la bolsa se agitó para homogenizar los microorganismos presentes, para luego tomar 1 mL y adicionarlo a 9 mL de buffer de fosfato fisiológico salino (101). De esta dilución se tomó 1 mL y se adicionó a un segundo tubo con buffer para preparar la segunda dilución (102) y de igual manera para una dilución de 103. De cada dilución, se tomó 1 mL y se depositó en una caja petri, se mezcló con 30 mL de agar de soya tripticasa y se incubó a 37 °C por 48 horas. Al terminó del periodo de incubación, se efectuó el recuento de las células viables como UFC presentes en las muestras al inicio y después de la incubación por 24 horas. Figura 4.13. Recuento bacteriano de las muestras evaluadas. a) Toma de la muestra. b) Depositación de la muestra en bolsa estéril.

b.4) Lectura de Resultados.

Para la interpretación de los resultados obtenidos en las evaluaciones efectuadas, se realizó el cálculo del valor de la actividad antimicrobiana (R) y del porcentaje de inhibición (%I) a partir de los recuentos de células viables en las muestras al inicio y al final de la prueba de acuerdo a las siguientes formulas: Actividad Antimicrobiana (R):

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛=

CBLog

ACLog

ABLog R

b) a)

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Donde: R= Valor de la actividad antimicrobiana. A = Promedio del número de células viables de bacteria inmediatamente después de la inoculación en las muestras conteniendo nanopartículas de plata. B = Promedio del número de células viables de bacteria en las muestras de control después de 24 horas de incubación. C = Promedio del número de células viables de bacteria en las piezas tratadas con agente antimicrobiano. El valor de la actividad obtenida a través de este procedimiento de esta norma y que determina la eficacia de productos formulados con agente antimicrobiano, no debe ser menor de 2.0. Porcentaje de Inhibición (%I):

100 x B

A - B % ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=I

Donde: %I = Porcentaje de Inhibición. A = Promedio del número de células viables de bacteria en las muestras conteniendo nanopartículas de plata después de 24 horas de tratamiento. B = Promedio del número de células viables de bacteria en las muestras de control después de 24 horas de tratamiento.

c) Evaluación de la actividad antifúngica Para la preparación del inóculo de Aspergillus niger, se partió entonces de un cultivo stock del microorganismo sembrado en placas, a los que seguidamente se les adicionó un volumen de 20 mL de caldo nutriente diluido 1/500 estéril, seguido de un proceso de raspado para el desprendimiento de micelio y esporas del microorganismo. La suspensión celular obtenida, se vertió en 30 mL de caldo nutriente 1/500, para luego ser filtrada y obtener una suspensión de esporas del microorganismo. A partir de esta suspensión, se procedió a ajustar el inóculo hasta un valor de 2.5 x 105 a 1 x 106 UFC/mL. La inoculación de las muestras y ejecución de la prueba de actividad antifúngica, se efectuó de la misma manera que para la inoculación de bacterias, salvo que las 2 muestras inoculadas para ser evaluadas a T1, fueron incubadas a 25 °C por 24 horas. Para la interpretación de los resultados obtenidos en las evaluaciones efectuadas, se realizó el cálculo del %I.

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Resultados y Discusión

101

Resultados y Discusión

5.1- SINTESIS DE NANOPARTICULAS DE PLATA EN MEDIO MICELAR 5.1.1- Influencia de la longitud de onda de irradiación. Para tener un mejor entendimiento del efecto de la luz en el mecanismo de síntesis de AgNps en medio micelar, observado con anterioridad [1], se decidió hacer un breve estudio preliminar. El cual fue limitado a observar el efecto en el tamaño y la morfología de las AgNps, a dos longitudes de onda de λ=264nm y λ=364nm, siguiendo la metodología descrita en la Sección 4.1.2. La Figura 5.1a-b muestra una imagen por TEM de las AgNps obtenidas utilizando dichas longitudes de onda. En ambas, se observan nanopartículas con morfología triangular comúnmente llamadas “nanoplatos” o “nanodiscos”. Se observa claramente, que en el caso de la radiación de menor energía (365 nm) se obtiene una mejor definición de dicha morfología. De igual manera, la síntesis llevada a cabo bajo irradiación solar† induce la formación de AgNps con morfología de nanoplatos (Figura 5.1d). La morfología de estas últimas, contrastan con aquellas obtenidas con un haz de luz, cuya longitud de onda se encuentra dentro de la región del espectro visible (400-700nm), las cuales poseen una morfología cuasiesférica con un tamaño promedio de 8 nm (Figura 5.1c). De estos resultados, se deduce que la luz ultravioleta tiene una influencia significativa en la formación de AgNps con morfología de nanoplatos, cuando la reacción de reducción es llevada a cabo por el monómero hidrófobo DiHexAM en medio micelar.

† La irradiación solar en verano (tiempo para el cual fueron realizadas estas experimentaciones), posee en promedio un espectro de absorción de luz ultravioleta tipo A de menor energía (315nm-400nm), en menor grado luz ultravioleta tipo B de energía intermedia (280nm-315nm) y de luz visible.

Resultados y Discusión

102

Figura 5.1. Influencia de la longitud de onda de la irradiación, sobre la morfología de las AgNps. a) 264nm. b) 364nm. c) espectro de luz visible (400nm-700nm). d) Irradiación solar (verano) (280nm-700nm). a-b y c-d tomados a x80k y x100k de aumentos respectivamente. Fuente: c-d [1]. De hecho, se sabe que los nanoplatos son una de las morfologías menos comunes [2] y característica de los procesos de síntesis llevados a cabo por fotoreducción ultravioleta [3, 4]. El mecanismo general de formación de AgNps con morfología de nanoplatos, puede ser descrito partiendo del mecanismo general de formación de nanopartículas previamente descrito (Sección 2.1.2.4). Es decir, la reducción de un ión metálico M, origina una partícula activa M1; ésta, al asociarse con un ión metálico M, se produce lo que se conoce como un “cluster” o aglomerado (Mj+1). Este proceso es de carácter reversible y puede llevar a la formación de grandes aglomerados compuestos de uno o más iones metálicos M, absorbidos en la superficie de partículas metálicas M1.

a) b)

c) d)

Resultados y Discusión

103

El detalle del proceso de nucleación y crecimiento para las AgNps, se representa en las siguientes ecuaciones [5]: La nucleación bimolecular es:

++ →+ 20 Ag Ag Ag

Una dimerización reversible de +

2Ag :

+++ ⇔+ 242 Ag 2Ag Ag

De manera general, el proceso puede representarse como:

+

++ ⇔+ x

xx nn Ag Ag Ag De acuerdo al tipo de ambiente en el cual se lleva a cabo la reducción, se pueden producir nanopartículas con propiedades anisotrópicas. Es decir, en la superficie de un aglomerado ocurre una distribución anisotrópica de los iones metálicos absorbidos (xAg+), los cuales al interaccionar con longitudes de onda de luz ultravioleta, entran en un estado de excitación que obliga a que la partícula alcance un estado termodinámicamente estable. Esto se logra a través de la formación de una morfología con planos cristalinos de baja energía {111}, por lo que estas adoptan una morfología triangular, la cual esta constituida principalmente de planos cristalinos {111}† [2]. En la Figura 5.2 se muestra un esquema que describe lo expuesto anteriormente.

Figura 5.2. Mecanismo de formación de AgNps con morfología de nanoplato. Cabe mencionar, que para la formación de nanoplatos equiláteros, se necesita un tiempo de reacción específico para cada longitud de onda en particular [4]. La Figura 5.1a, muestra que los nanoplatos formados a 264nm no alcanzaron su forma equilátera, † Solamente los planos cristalinos con baja energía, pueden adoptar una morfología que les permita exponerse sobre una gran área superficial. La morfología triangular, es la que posee la mayor área superficial de exposición de un plano {111}.

Resultados y Discusión

104

posiblemente a que el tiempo de reacción no fue el suficiente. Por otro lado, los nanoplatos obtenidos a 364nm muestran rasgos de una estructura equilátera, pero estos muestran sectores imperfectos sobre las esquinas (Figura 5.1b). 5.1.2- Mecanismo de síntesis. El descubrimiento de la capacidad reductora del monómero DiHexAM y la identificación de la formación de la sal dodecil sulfato de sodio (AgDS) a partir de su correspondiente sal de sodio (SDS), como primera etapa en la formación de las AgNps [1], nos incitó a estudiar en detalle la interacción de dicho monómero con los iones de plata, con el objetivo de encontrar un posible mecanismo de formación de las AgNps. En la sección siguiente se describe la reacción de reducción de esta sal, así como la formación de las AgNps. 5.1.2.1- Formación del precursor metálico dodecil sulfato de plata (AgDS). Al adicionar una alta concentración de AgNO3 al medio micelar acuoso (SDS + H2O), se obtuvo un precipitado cristalino color blanco. Para determinar la estructura de dicho precipitado, se obtuvo un espectro de absorción UV de la solución sobrenadante, misma que mostró la ausencia de sales de Ag+. Este análisis fue el primer indicio de la formación de la sal AgDS (Figura 5.3).

Figura 5.3. Mólecula de dodecil sulfato de plata (AgDS).

El precipitado cristalino, fue centrifugado y lavado repetidamente con agua desionizada para posteriormente ser disuelto en una solución de etanol a la que seguidamente se le adicionó una pequeña cantidad del monómero DiHexAM envejecido. La solución resultante fue expuesta a la luz visible durante 5 minutos, obteniéndose una solución color café-rojiza intensa. El espectro de absorción UV-vis de la solución resultante, mostró un pico de absorción a 420nm característico de AgNps con morfología cuasiesférica. Una cinética de la formación de AgNps en etanol seguida por absorción UV-vis, se muestra en la Figura 5.4. Estos resultados, confirman que la formación de la sal AgDS es la primera etapa del proceso de síntesis de AgNps en el medio micelar.

Resultados y Discusión

105

300 400 500 600 700 8000.00

0.25

0.50

0.75

1.00

1.25

Abs

orba

ncia

Longitud de onda (nm)

t = 300 s

Figura 5.4. Cinética de la formación de AgNps seguida por UV-vis, utilizando el precursor metálico AgDS y el monómero-reductor DiHexAM, en solución de etanol. 5.1.2.2- Mecanismo de síntesis de AgNps. Al efectuar la síntesis de AgNps bajo longitud de onda del espectro visible utilizando una solución fresca del monómero DiHexAM, se obtuvo un bajo nivel de conversión† a los 30 minutos de reacción. Adicionalmente, se observó que dicha reacción de síntesis no se lleva a efecto en ausencia de luz [1]. Sin embargo, al emplear un tiempo de reacción de 1 a 1.5 horas, ambas soluciones presentaron la misma intensidad en la coloración que la obtenida para 30 minutos. En la Figura 5.5 se muestra el espectro de absorción UV-vis de las soluciones obtenidas. La alta intensidad de densidad óptica de la solución obtenida después de 1.5 horas de reacción, en relación a la obtenida después de 1 hora, es indicativo únicamente de una mayor concentración de nanopartículas con morfología cuasiesférica; como consecuencia de un aumento en su tamaño. Lo anterior fue confirmado por un análisis de las imágenes de TEM (Figura 5.6), de las que se calculó un tamaño promedio de 2 nm y 8 nm para las nanopartículas obtenidas a 1 hora y 1.5 horas de reacción, respectivamente. Resultados similares, en cuanto a la coloración de la solución y la

† Una coloración amarillo pálido, es indicativo de una incompleta reducción de los iones Ag+. Mientras que una coloración café-rojiza intensa, es indica la completa reducción de dichos iones, para los sistemas en los que se utiliza la sal AgNO3 (Nanoletters, 2004. 4(9): p. 1733-1739).

Resultados y Discusión

106

intensidad en la absorción UV, fueron obtenidos cuando la reacción se efectuó bajo un haz de luz a λ = 264nm y λ = 364nm.

300 400 500 600 7000.0

0.2

0.4

0.6Ab

sorb

anci

a

Longitud de onda (nm)

1.5h 1 h 0.5 h

Figura 5.5. Espectro de absorción UV-vis de las AgNps sintetizadas utilizando una solución fresca del monómero DiHexAM a diferentes tiempos de reacción. Por otro lado, cuando la reacción se efectúa utilizando una solución envejecida del monómero DiHexAM, se obtuvo una solución café-rojiza intensa en tan solo 5 minutos de reacción, lo que indicó la completa reducción de los iones Ag+ para la formación de AgNps con morfología cuasiesférica [1]. Estas mismas observaciones y las expuestas en la Sección 5.1.1, fueron muy recientemente reportadas por Xiaoqiang Cui y col. [3] para la síntesis de AgNps mediante fotoreducción (λ=365nm) de Ag+ utilizando un polidisacárido (HA) compuesto de unidades repetitivas de D-ácido glucurónico y N-acetilglucosamina como agente fotoreductor y estabilizador. Una solución fresca de HA dio origen a una solución amarillo tenue conteniendo AgNps con morfología cuasiesférica, mientras que una solución envejecida de HA dio lugar a una solución color violeta, conteniendo AgNps con morfología de nanoplatos. Estos autores explican que durante la fotoreducción utilizando una solución fresca de HA, tiene lugar un proceso de nucleación y crecimiento a partir de las AgNps que se obtienen inicialmente, las cuales actúan como “semillas”, obteniéndose nanopartículas pequeñas con morfología definida. Por otro lado, la obtención de AgNps con morfología de nanoplatos utilizando la solución envejecida de HA, es atribuido a la presencia de radicales libres formados

Resultados y Discusión

107

por el HA, como resultado de la presencia del oxígeno disuelto durante el almacenamiento del mismo. Estos radicales libres podrían acelerar anisotrópicamente el proceso de fotoreducción a partir de las semillas o aglomerados de nanopartículas con propiedades anisotrópicas. Dicho mecanismo de síntesis de AgNps utilizando el agente reductor HA, aún no esta completamente entendido y actualmente esta siendo objeto de investigación. Figura 5.6. Imagen TEM y distribución de tamaño de AgNps utilizando una solución fresca del monómero DiHexAM. a-b) 1 hora de reacción. b) 1 hora y 30 minutos de reacción. La similitud con los resultados obtenidos por Xiaoqiang Cui y col., sugieren que el DiHexAM actúa como fotoreductor en la síntesis de AgNps en medio micelar acuoso, de la misma manera que el polisacárido HA. Sin embargo, los análisis de 1H RMN efectuados al DiHexAM antes y después de su almacenamiento, no permiten apreciar algún tipo de modificación ó desaparición del doble enlace. Lo anterior, a pesar de que existe un cambio de color que pasa del amarillo pálido a un café-rojizo tenue tras el almacenamiento. Lo expuesto anteriormente sugiere que el monómero hidrófobo

2 3 4 50

10

20

30

40

50

Frec

uenc

ia (%

)

Diámetro de partícula (nm)

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 400

10

20

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Frec

uenc

ia (%

)

Diámetro de partícula (nm)

a) b)

c) d)

Resultados y Discusión

108

podría presentar algún tipo de modificación electrónica en su estructura ó generar una pequeña cantidad de especies catalizadoras de la reacción de reducción durante el almacenamiento (ejemplo una oxidación con el oxígeno disuelto). Esto podría provocar una aceleración en el proceso fotoreductor, así como un crecimiento anisotrópico de la partícula cuando es irradiada con luz ultravioleta y dar origen a nanopartículas con morfología de nanoplatos. No siendo así cuando la reacción es asistida por luz visible. En tal caso, las AgNps crecen rápidamente pero de modo isotrópico. Por otro lado, las imperfecciones observadas en los nanoplatos de la Figura 5.1b, al igual que pequeños lotes de nanopartículas observadas en la vecindad de estos, sugieren la presencia de ácido nítrico (HNO3) en el medio de reacción como producto de la unión entre los posibles protones (H+), liberados durante la reacción, y la presencia de iones (NO3)-1. Lo anterior, sugiere que las reacciones de fotoreducción y oxidación de los nanoplatos, ocurren simultáneamente [3]. Desde ya hace más de dos décadas, que este monómero ha sido utilizado en polimerizaciones micelares, pero aún no se tiene referencia sobre algún proceso oxidativo de este. Sin embargo, se conoce que cuando el monómero envejecido es utilizado en polimerización micelar, la viscosidad del copolímero disminuye un poco en comparación con el copolímero obtenido con monómero fresco. También, se sabe que la polimerización de monómeros oxidados, provocan cambios en la viscosidad y propiedades ópticas en el polímero obtenido, debido a efectos relacionados con la regioregularidad y reactividad del monómero [6]. Lo anterior, refuerza la idea sobre la ocurrencia de algún proceso oxidativo del monómero DiHexAM durante su almacenamiento. Por otro lado, Xiaoqiang Cui y col. reportan que la velocidad de la reacción de fotoreducción provocada por el HA se ve favorecida con el aumento del tiempo del envejecimiento del HA, lo cual contrasta fuertemente con el DiHexAM, debido a que este último no presentó mayor actividad reductora bajo ninguna de las condiciones de operación estudiadas en este trabajo, si es envejecido por más de seis meses. En la Figura 5.7 se muestra una imagen TEM de las AgNps obtenidas con DiHexAM envejecido por más de un año, las cuales muestran una morfología decahedral.

Resultados y Discusión

109

Figura 5.7. Imagen TEM de AgNps obtenidas mediante una solución envejecida (por más de 1 año), del monómero DiHexAM. De lo expuesto anteriormente, se sugiere que el DiHexAM adquiere un carácter fotoreductor desde etapas tempranas al posible proceso oxidativo que experimenta. Una posible modificación electrónica en su estructura, podría orientar parcial o totalmente su actividad fotoreductora hacia una actividad químico-reductora. El término parcial, es adjudicado debido a que se han obtenido AgNps con morfología cuasiesférica utilizando una mezcla de agentes químico-reductores y fotoreductores, a pesar de ser asistidas a longitudes de onda de luz ultravioleta para inducir una morfología de nanoplato [2]. En vista de descifrar algún cambio en la estructura del monómero después de la síntesis de las AgNps. Se llevó a cabo una reacción de síntesis de AgNps en un tubo de resonancia, para esto, se preparó una solución 10M de AgNO3 en una mezcla de DMSO y Cloroformo deuterado, a la que después se le agregó una solución del monómero DiHexAM envejecido por mas de un año, hasta una concentración de 5M. Al cabo de 5 minutos, se obtuvo una solución café-rojiza oscura, la cual fue sometida a un 1H RMN. El espectro resultante mostró la desaparición de la señal correspondiente al protón “d” (Figura 4.1), en su lugar fue observada una señal intensa correspondiente al protón de la molécula de agua, atribuido como subproducto de la reacción de reducción efectuada. Lo anterior, sugiere un cambio significativo en la densidad electrónica del enlace -N-CH2- entre el nitrógeno del grupo amida y el primer carbono de la cadena hidrófoba alifática (-C6H13). Este punto, podría actuar como electrodonador de los iones Ag+ y liderar la síntesis de las AgNps por reducción química.

Resultados y Discusión

110

En la Figura 5.8 se muestra un esquema general del mecanismo de síntesis de fotoreducción para la formación de AgNps, propuesto para un medio micelar acuoso, utilizando el monómero-reductor DiHexAM tras seis meses de envejecimiento. Este parte desde la formación del precursor metálico AgDS hasta la formación de nanoestructuras con morfología de nanoplatos y cuasiesféricas. Figura 5.8. Mecanismo propuesto para la síntesis de AgNps en medio micelar acuoso, utilizando el monómero-fotoreductor DiHexAM. (Ag—) AgDS. (○—) SDS. (●) DiHexAM. (▓) Ag0. Conviene aclarar que el mecanismo de síntesis de AgNps aquí propuesto esta basado solo en observaciones cualitativas y, por lo tanto requiere aún de una investigación a profundidad, utilizando técnicas de caracterización que nos permitan determinar las posibles reacciones químicas envueltas en el proceso de síntesis. En resumen, la posible transición del carácter fotoreductor del monómero DiHexAM hacia un estado químico-fotoreductor, así como la falta de una experimentación cuantitativa detallada que nos ayude establecer de manera definitiva la forma en la que

Resultados y Discusión

111

el DiHexAM actúa como reductor en la síntesis de AgNps, hacen muy complicado el desarrollo de una ecuación que describa la reacción de reducción de los iones Ag+ liderada por dicho monómero. Sin embargo, los resultados obtenidos, apuntan a que cambios significativos en la densidad electrónica del monómero DiHexAM durante el proceso de envejecimiento, son los responsables del carácter reductor observado. 5.2- SINTESIS DE NANOPARTICULAS DE PLATA, UTILIZANDO EL COPOLIMERO CPA-F COMO AGENTE REDUCTOR Y ESTABILIZADOR. 5.2.1- Obtención y caracterización del nanocompuesto CPA-F/Ag®. Cuando una solución del nanocompuesto poli(AM-co-DiHexAM)/Ag sintetizada por polimerización micelar, utilizando una solución fresca del monómero DiHexAM, fue sometida a un proceso de esterilización a 121 °C por 15 minutos y 15 psi de presión, ocurrió un cambio radical en la coloración, pasando de una solución color amarillo tenue a una coloración café-rojiza intensa [1]. Este cambio de coloración, se atribuyó a la reducción de los iones Ag+ residual, es decir a la fracción de Ag+ que no se redujo en la etapa de síntesis de las AgNps dentro del proceso de síntesis de tal nanocompuesto. Este hecho, fue sorprendente e inesperado, ya que indicó una reducción del AgNO3 por efecto combinado de la temperatura y del copolímero asociativo poli(AM-co-DiHexAM). Lo anterior nos llevó a efectuar una evaluación de la capacidad reductora del copolímero de acuerdo a lo descrito en la Sección 4.2.2. En la Figura 5.9 se muestra un espectro de absorción UV-vis de la solución café-rojiza intensa obtenida después del proceso térmico, la cual muestra un pico de absorción máximo a 420nm, característico de la presencia de AgNps con morfología cuasiesférica. La amplia banda de absorción mostrada en el espectro UV, esta relacionada con el ambiente químico que rodea a la nanopartícula metálica, el cual es atribuido a la interacción de las AgNps con las cadenas poliméricas [7]. Una imagen TEM de las nanopartículas obtenidas así como su distribución de tamaño, se muestra en la Figura 5.10. En la cual es posible apreciar que las AgNps se encuentran embebidas en la matriz polimérica. Estas, muestran una morfología cuasiesférica con un tamaño promedio de 8 nm y un intervalo de diámetro de partícula entre 2nm – 15nm.

Resultados y Discusión

112

Figura 5.9. Espectro de absorción UV-vis de la solución del nanocompuesto CPA2-F/Ag® obtenida por proceso térmico. Figura 5.10. AgNps obtenidas mediante el tratamiento térmico del AgNO3 en presencia del copolímero CPA-F. a) Imagen TEM de las nanopartículas embebidas en la matriz polimérica. b) Distribución de tamaño.

250 300 350 400 450 500 550 600 650 7000.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5A

bsor

ción

Longitud de onda (nm)

2 4 6 8 10 12 140

2

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10

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Dis

trib

ució

n de

Fre

cuen

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(%)

Diámetro (nm)

a) b)

Resultados y Discusión

113

La ausencia de aglomerados de AgNps en la matriz polimérica así como de precipitado a lo largo de 1 año de almacenamiento, reflejan una capacidad estabilizadora eficiente del copolímero, basada en la adsorción de las cadenas poliméricas sobre la superficie de las AgNps (Sección 2.2.3). La metodología descrita en la Sección 4.2.2, relacionada con la reducción del AgNO3 en presencia del copolímero CPA-F, fue repetida en varias ocasiones utilizando diversos lotes de copolímeros asociativos, obteniéndose en todos los casos la formación de AgNps. Esto confirmó la capacidad reductora-estabilizadora del copolímero así como la reproducibilidad del proceso. Es importante hacer notar que la utilización de poliacrilamidas y en especial los copolímeros asociativos derivados de la acrilamida, no han sido reportados hasta la fecha como agentes reductores-estabilizadores de AgNps. 5.2.2- Mecanismo de síntesis. La identificación de los posibles mecanismos de síntesis de nanopartículas metálicas, utilizando polímeros y copolímeros como agentes reductores-estabilizadores, ha sido de gran interés científico debido a la importancia en el control del tamaño y morfología de las nanopartículas, mediante la variación de parámetros moleculares como la composición y estructura del copolímero [8, 9]. A este respecto, en este trabajo se desarrollaron una serie de experimentos utilizando el homopolímero PAM del mismo peso molecular (Mw = 600,000 /mol) que el copolímero asociativo (ver Sección 4.2). Así, una solución de poliacrilamida al 2% (PAM2) en peso con una concentración de 0.045M de AgNO3, se sometió al proceso de tratamiento térmico a 121°C, 15 minutos y 15 psi de presión, obteniéndose una solución color amarillo tenue. El espectro de absorción UV-vis de la solución resultante, muestra un pico de absorción máximo a 414 nm (Figura 5.11), indicando la presencia de AgNps con morfología cuasiesférica. Un precipitado color café intenso, fue observado tras 3 meses de almacenamiento a luz ambiente, lo cual indica la poca capacidad estabilizadora del homopolímero. Adicionalmente, durante el almacenamiento, la solución adquirió una coloración amarillo-café, además de presentar una capa color oscuro sobre las paredes del frasco, atribuido a la reducción de los iones residuales, como producto de la reacción incompleta llevada a cabo a 121 °C [10].

Resultados y Discusión

114

Figura 5.11. Espectro de absorción UV-vis de las AgNps obtenidas en presencia del hompolímero PAM mediante calentamiento a 121 °C. Inesperadamente, cuando el proceso se llevó a cabo utilizando un lote de copolímero asociativo, sintetizado a partir de una solución envejecida del monómero DiHexAM (denotado como CPA-E), la reacción de síntesis no se llevó a cabo. No se observó cambio en la coloración de la solución ni picos de absorción en la región entre 400 nm–700 nm por espectroscopía ultravioleta-visible. Este hecho no puede ser explicado fácilmente, pues no existen diferencias en cuanto a la estructura entre los copolímeros CPA-F y CPA-E. En tal caso las explicaciones solo pueden ser especulativas. Por ejemplo, se puede anteponer que la reducción de los iones Ag+ podría efectuarse por la producción de radicales libres generados por la degradación térmica del polímero, tal y como sucede para la síntesis de AgNps por el método de polimerización in situ [11-13]. Sin embargo, es bien conocido que las poliacrilamidas modificadas hidrofóbicamente son altamente resistentes a la degradación térmica [14], propiedad que es aprovechada en procesos de extracción del petróleo [15-18] a diferencia de su homopolímero, el cual no resiste altas temperaturas de procesamiento [19].

300 400 500 600 700 8000.0

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0.3

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Abs

orba

ncia

Longitud de onda (nm)

Resultados y Discusión

115

Lo anterior, podría explicar la no formación de AgNps utilizando el copolímero CPA-E. Esto descarta además la posibilidad de que la reducción de los iones Ag+ utilizando el copolímero CPA-F, haya sido efectuada por la presencia de tales radicales libres. En cambio, es posible que la reducción de los iones Ag+ en la matriz del homopolímero, si haya sido efectuada por la presencia de radicales libres generados por la degradación térmica del homopolímero. La diferencia entre el homopolímero y el copolímero asociativo de poliacrilamida, radica en que este último posee amidas terciarias ubicadas en los segmentos hidrófobos de la cadena principal, por lo que la reducción incompleta de los iones de Ag+ observada utilizando el homopolímero PAM, y la completa reducción de los iones de Ag+ obtenida utilizando el copolímero CPA-F, sugiere que el par de electrones sin aparear de las amidas terciarias C-N-(C6H13), juegan un rol significativo en la síntesis de las AgNps, actuando como posibles electro-donadores de modo preferencial que los electrones sin aparear de las amidas primarias (C-NH2). Es bien conocido que algunos polímeros conteniendo grupos de aminas terciarias en su estructura, actúan como agentes reductores-estabilizadores de nanopartículas metálicas [9, 20-23], debido al par de electrones sin aparear que estas poseen. La hipótesis planteada con anterioridad sobre la posible modificación en la densidad electrónica que podría haber sufrido el monómero DiHexAM, tras su proceso de envejecimiento (Sección 5.1.2.2), podría estar relacionada con el par de electrones sin aparear de las amidas terciarias, donde dicha modificación afecta negativamente el rol electro-donador en la síntesis de las AgNps. Esto, en vista de que la reacción de reducción de los iones Ag+ utilizando el copolímero CPA-E no fue efectuada. En la Figura 5.12 se muestra un esquema del posible mecanismo de síntesis de las AgNps, utilizando por primera vez un copolímero asociativo como agente reductor-estabilizador, basado en el mecanismo propuesto para poliamidoaminas [9], donde un electrón es donado por la amida terciaria al ión Ag+ para obtener Ag0.

Resultados y Discusión

116

Figura 5.12. Mecanismo propuesto para la síntesis de AgNps utilizando el copolímero CPA-F como agente reductor-estabilizador. Meng Chen y col. [13] observaron que se obtenían AgNps al exponer a la luz ambiente una solución de poliacrilamida conteniendo iones Ag+, adjudicándole a dicho polímero un rol significativo en las reacciones de fotoreducción. En la literatura, este es el único reporte que menciona someramente la posible capacidad reductora-estabilizadora de la poliacrilamida. En un experimento adicional, se preparó una solución de poliacrilamida (Mw = 600,000 g/mol) al 3% en peso con una concentración de 0.045M de AgNO3, la cual fue expuesta a la luz ambiente por 2 semanas, obteniéndose una solución color café-violeta claro con un precipitado color negro. El espectro UV-vis de la solución resultante

pasivada

Resultados y Discusión

117

confirmó la presencia de AgNps, con una posible morfología de nanoplatos debido al pico de absorción a 500 nm (Figura 5.13), lo cual concuerda con lo mencionado por Meng Chen y col. Sin embargo, no se presentó una eficiente capacidad estabilizadora de las nanopartículas formadas a esa concentración y peso molecular de la poliacrilamida, debido al precipitado color negro observado tan solo a las 2 semanas de exposición a la luz ambiente.

Figura 5.13. Espectro de absorción UV-vis de las AgNps obtenidas utilizando la poliacrilamida como agentes fotoreductor. En cambio, al someter el copolímero CPA-F al mismo proceso “fotoreductor”, no se observó ninguna coloración ni absorción en el espectro UV-vis de la solución durante más de 1 mes de exposición a la luz ambiente. Sin embargo, este único experimento, no descarta la posibilidad de que el copolímero actúe como agente fotoreductor en la síntesis de AgNps al igual que su homopolímero bajo ciertas longitudes de onda. Aunque el estudio del copolímero CPA-F como posible agente fotoreductor no se incluyó dentro de los objetivos de este trabajo, puede ser retomado para futuras investigaciones. En resumen, el mecanismo de síntesis de AgNps utilizando copolímeros asociativos como agentes reductores-estabilizadores, aún no esta completamente entendido. Sin embargo, los resultados obtenidos se perfilan a establecer como responsable de la reacción de síntesis de las AgNps, al par de electrones sin aparear de las amidas

250 300 350 400 450 500 550 600 650 7000.0

0.2

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orci

ón

Longitud de onda (nm)

Resultados y Discusión

118

tercearias del copolímero. En el que el nivel de envejecimiento del monómero DiHexAM, le provee al copolímero las cualidades como agente reductor. Estos resultados podrían servirle a la comunidad científica como base para poder soportar o desarrollar nuevos mecanismo de síntesis de nanopartículas metálicas. 5.2.3- Determinación de la Concentración Mínima Inhibitoria y Concentración Mínima Bactericida del nanocompuesto CPA2-F/Ag®. El cálculo de la Concentración Mínima Inhibitoria (CMI) de la solución CPA2-F/Ag®, fue determinada utilizando el método por dilución en caldo (Sección 4.2.2.2), en la que se obtuvo una CMI y CMB de 12 μg/mL de AgNps tanto para las cepas de Escherichia coli ATCC-25922 como para Staphyloccocus aureus ATCC-29213. En la Figura 5.14 se muestra el conjunto de diluciones obtenidas para Escherichia coli. En la muestra indicada por la flecha (12.5 μg/mL) se nota un notable cambio en la turbidez de la solución, lo que indica la concentración a la cual ocurre la inhibición al crecimiento del microorganismo. Figura 5.14. Concentración Mínima Inhibitoria (CMI) del nanocompuesto CPA2-F/Ag® contra Escherichia coli ATCC-25922. Por otro lado, el copolímero CPA-F mostró un crecimiento de ambos microorganismo en todas las concentraciones evaluadas (Figura 5.15a), demostrando entonces que el copolímero no posee propiedades antimicrobianas. En cambio, el nanocompuesto CPA2-F/AgInc mostró una CMC y CMB de 50 μg/mL para ambos microorganismos (Figura 5.15b).

Resultados y Discusión

119

Figura 5.15. Concentración Mínima Inhibitoria (CMI) de las muestras de control evaluadas con cepas de bacterias. (a) copolímero CPA2-F contra Escherichia coli ATCC-25922. b) nanocompuesto CPA2-F/AgInc contra Staphylococcus aureus ATCC-29213 El nanocompuesto CPA2-F/AgInc, presentó una mayor CMI y CMB que el nanocompuesto CPA2-F/Ag®. Como se abordó ampliamente en la Sección 2.1.3.4, la actividad antimicrobiana de las AgNps depende de factores como la morfología y tamaño, por lo que esta diferencia en las CMI y CMB, radica en que las nanopartículas sintetizadas con el copolímero asociativo, poseen una estrecha distribución de tamaño (2 nm – 15 nm) en comparación con las nanopartículas de Nanotechnologies Inc. (2 nm – 40 nm). Por otro lado, factores como el tipo de cepa del microorganismo y el grado de dispersión de las nanopartículas, también afectan significativamente la inhibición al crecimiento de estos [24]. La CMI obtenida para el nanocompuesto CPA2-F/Ag®, se encuentra dentro del intervalo de CMI’s reportadas para las AgNps [24], siendo esta de 1.69 μg/mL a 13.5 μg/mL, dependiendo de los factores antes mencionados. Shrivastava y col. [25] evaluaron la actividad antimicrobiana de las AgNps con una morfología cuasiesférica, teniendo una distribución de tamaños de 10-15nm, contra la

a)

b)

Resultados y Discusión

120

cepa Escherichia coli ATCC-25922 (la misma utilizada en esta trabajo), de la cual obtuvieron una CMI de 25 μg/mL. Por otro lado, Yongwen Zhang y col. [9] obtuvieron una CMI de 2.7μg/mL para el nanocompuesto poliamidoamina-Ag, utilizando la misma cepa de Escherichia coli, en la que las AgNps presentaron una morfología cuasiesférica con una distribución de tamaño de 7nm – 14nm. Si comparamos nuestros resultados con los dos reportes antes citados, los cuales tienen morfología y distribución de tamaño de nanopartícula muy similares a los obtenidos en este trabajo, vemos que nuestra CMI obtenida para la cepa Escherichia coli ATCC-25922 se encuentra dentro de un valor intermedio. Sin embargo, cabe señalar que las nanopartículas obtenidas por Shrivastava y col. formaron grandes aglomerados de nanopartículas, los cuales reducen la actividad antimicrobiana debido a la reducción en área superficial [24], lo cual explica la alta CMI obtenida. Por otra parte, Yongwen Zhang y col. obtienen nanopartículas muy bien dispersas en el medio, atribuido a la gran capacidad estabilizadora del polímero hiper-ramificado utilizado para su síntesis, obteniendo así una mayor distribución en el espacio de las nanopartículas, lo cual explica la baja CMI obtenida. En la Figura 5.16 se hace una comparación de la distribución de las AgNps en la matriz polimérica obtenidas en este trabajo con las de los autores citados arriba.

Figura 5.16. Comparación de la dispersión de las AgNps en matrices poliméricas entre las AgNps. (a) Yongwen Zhang y col. (b) este trabajo. (c) Shrivastava y col..

a) b)

c)

Resultados y Discusión

121

En la literatura, encontramos diferentes valores de CMI de AgNps dependiendo del tipo de cepa de microorganismo, tipo de modificación superficial que posee la nanopartícula de plata (estabilización con surfactante, polímero absorbido en su superficie, etc), así como la matriz polimérica en la cual se encuentra estabilizada, factores que sin duda afectan significativamente la actividad antimicrobiana. Estudios sobre la relación entre estos factores y el mecanismo de actividad antimicrobiana, están siendo objeto de investigación actualmente [25, 26]. 5.3- NANOFIBRAS OBTENIDAS POR EL PROCESO DE ELECTROHILADO COAXIAL, UTILIZANDO EL NANOCOMPUESTO CPA-F/Ag® Y PVA. 5.3.1- Reología de soluciones del nanocompuesto CPA-F/Ag® Los regímenes de concentración tanto para el nanocompuesto CPA-F/Ag® como para el copolímero CPA-F con y sin tratamiento térmico (121 °C, 15 min. y 15 psi) se muestran en la Figura 5.17. El régimen diluido (1), se encuentra a muy bajas concentraciones de polímero (C < 0.4). Por debajo de ese valor, las soluciones del nanocompuesto CPA-F/Ag® muestran un ligero incremento en la viscosidad sobre las demás soluciones poliméricas. Lo anterior es congruente con el comportamiento viscoso en régimen diluido de soluciones conteniendo suspensiones de esferas [27]. A medida que incrementamos la concentración, se llega a un primer punto de ruptura o cambio de pendiente (Cη), relacionada con el inicio del régimen semidiluido no entrelazado (2), delimitado por los valores 0.4 < C < 0.8. Este régimen esta muy bien definido para los copolímeros asociativos en comparación con el homopolímero (PAM). Un segundo punto de ruptura (CT) es observado cuando C > 0.8, el cual esta muy cercano a la concentración donde las cadenas del homopolímero comienzan a entrelazarse (Ce(PAM)), marcando de esta manera el inicio del régimen semidiluido entrelazado (3). El comportamiento asintótico de este último régimen, es descrito por la línea continua mostrada con una pendiente de 4 en las variaciones log-log de η0 = f(C) para todos los polímeros. En general, el comportamiento presentado por el copolímero con tratamiento térmico CPA-Faut y sin tratamiento (CPA-F), al igual que el nanocompuesto CPA-F/Ag®, presentan el comportamiento viscoelástico típico de las poliacrilamidas modificadas hidrofóbicamente (Figura 2.38).

Resultados y Discusión

122

0.1 1

10-3

10-2

10-1

100

101 CPA-F PAM CPA-Faut

CPA-F/Ag®

CT~ Ce(PAM)

η 0 (P

a.s)

Concentración (%p)

4

4.1

Cη~ C*

(PAM)

1

2

3

Figura 5.17. Regímenes de concentración de distintas soluciones poliméricas evaluadas en este trabajo. Del diagrama anterior, podemos ver como los valores de η0 para los copolímeros asociativos evaluados, caen sobre un mismo punto para los dos últimos regímenes de concentración determinados. En la Sección 5.2.2, se discutía sobre la resistencia a la degradación térmica de los copolímeros asociativos, manifestando la resistencia de estos copolímeros al tratamiento térmico aplicado en este trabajo. En relación a esto, en la Figura 5.18 se muestra el comportamiento viscoelástico de copolímeros asociativos de diferentes pesos moleculares para un mismo valor de NH dentro del régimen semidiluido entrelazado. De esta figura, podemos notar como el cambio de pendiente, que marca el inicio de dicho régimen, es desplazado hacia la derecha a medida que el peso molecular del copolímero decrece, acompañado de una disminución de la pendiente.

Resultados y Discusión

123

Figura 5.18. Comportamiento viscoelástico de copolímeros asociativos de poli(AM-co-DiHexAM) en función del peso molecular y del NH. Fuente: [28]. El comportamiento viscoelástico de las soluciones del copolímero CPA-Faut y del nanocompuesto CPA-F/Ag® en comparación con las del copolímero sin tratamiento térmico (CPA-F), no presentan dichos desplazamientos, lo cual nos confirma que dichos copolímeros sometidos al tratamiento térmico, no presentan degradación térmica alguna (disminución en el peso molecular), lo cual viene a soportar la hipótesis sobre la actividad reductora del copolímero asociativo. A partir del régimen semidiluido entrelazado encontrado para el nanocompuesto CPA-F/Ag®, se tomó la concentración más alta de dicho régimen (siendo esta del 2%), para así lograr obtener nanofibras libres de gotas o defectos, la cual fue sometida a una experimentación previa en el proceso de electrohilado, bajo las condiciones de operación mostradas en la Tabla 5.1. Tabla 5.1. Condiciones de operación utilizadas en la experimentación previa del nanocompuesto CPA2-F/Ag® en el proceso de electrohilado.

Variable Intervalo Flujo de alimentación (mL/h) 0.3 – 3

Voltaje aplicado (kV) 10 – 25 Distancia entre el colector y la aguja (cm) 5 - 20

Resultados y Discusión

124

En estos experimentos, no se observó la formación de un jet estable ni la depositación de nanofibras en el colector, ya que durante el proceso se formaba una gota en la punta de la aguja, la cual después de un cierto tiempo era jalada o atraída hacia el colector. Sin embargo, este chorro no lograba mantenerse estable ni daba lugar a la evaporación del solvente, por lo que se formaba una película de polímero sobre el colector. En la Figura 5.19 se esquematiza el fenómeno observado durante esta experimentación. Figura 5.19. Esquema representativo que muestra el ciclo del fenómeno de inestabilidad del chorro, presentado para la solución de nanocompuesto CPA2-F/Ag® durante el proceso de electrohilado. Este mismo fenómeno, se presentó incluso cuando se aplicaba un alto voltaje a muy cortas distancias (5 cm), el cual fue atribuido inicialmente a las siguientes causas:

1. La concentración de polímero en la solución (2% p/p), fue demasiado baja y como consecuencia de ello la carga aplicada no fue suficiente para romper la tensión superficial del polímero.

2. La conductividad de la solución fue demasiado baja como para conducir y distribuir la carga a lo largo del chorro.

3. La viscosidad del polímero fue demasiado alta como para lograr que las cadenas de polímero, puedan estirarse y conducir la carga uniformemente a lo largo del chorro.

Con respecto a la primera causa, existen reportes sobre la preparación de nanofibras de poliacrilamida con pesos moleculares muy similares al utilizado en este trabajo, en el que se utilizó una concentración de polímero del orden del 1% en peso [29-31]. Por lo tanto, la concentración de 2% en peso de polímero es una concentración suficiente y

Resultados y Discusión

125

no pudo ser la causa de dicho fenómeno. Por otro lado, las condiciones de síntesis utilizadas para la preparación del copolímero asociativo (NH = 3; que corresponde a [DiHexAM] = 1% mol) impide de cierta manera utilizar o manipular concentraciones superiores (C > 3% en peso) debido a la alta viscosidad que se genera. La segunda posible causa, plantea que dicho fenómeno podría ser provocado por la baja conductividad de la solución de nanocompuesto. En un experimento paralelo, se tomó la solución PAM2 y se efectuó el proceso de electrohilado, bajo las mismas condiciones utilizadas por Vetcher y col. [30] para la preparación de nanofibras de poliacrilamidas. De esto, se obtuvieron nanofibras ramificadas muy similares a las obtenidas por dicho autor. Esto sugiere que la modificación en la estructura del homopolímero PAM, al introducirle en la cadena principal tan solo 1% mol de una estructura derivada a la acrilamida, no debería afectar significativamente la conductividad de la solución. Por otro lado, las AgNps presentes en la solución deberían proporcionar un incremento en su conductividad, debido a la carga positiva que estas poseen en su superficie. Para comprobar esto último, se midió la conductividad de las soluciones PAM2 y CPA2-F/Ag®, dando valores de 81 μS/cm-1 y 323 μS/cm-1 respectivamente. Esto comprueba que la baja conductividad en la solución no pudo ser la causa del fenómeno en cuestión. La tercera posible causa planteada, sugiere que debido al alto grado de enmarañamiento de las cadenas poliméricas, no es posible desarrollar un chorro estable de solución hacia el colector. Sin embargo, al probar con concentraciones del orden de 0.8% en peso (semidiluido entrelazado), no hubo cambio en el resultado. Tomando en cuenta las propiedades reológicas de los polímeros asociativos (Sección 2.3.2.3), vemos que a diferencia de su homopolímero, existen fuertes interacciones tanto intramoleculares como intermoleculares entre los segmentos hidrófobos de cadena, lo cual hace que el polímero adopte un alto grado de enmarañamiento y por ende un significativo incremento en la viscosidad. Por ello, se pensó en trabajar en la modulación de las asociaciones hidrófobas. La disgregación de las asociaciones entre los segmentos hidrófobos de cadena, puede ser lograda mediante la adición de moléculas de surfactante, los cuales pueden solubilizar dichos segmentos hidrófobos y así reducir el grado de enmarañamiento (Sección 2.3.2.3). Sin embargo, se requiere una concentración relativamente alta de surfactante para poder lograr dicho propósito. Dado que la propiedad antibacteriana de las nanofibras es de interés en este trabajo, se debe cuidar el efecto del surfactante en tal propiedad. Otra opción fue, la adición de un solvente orgánico tal como la N,N-dimetilformamida (DMF) o el Dimetilsulfoxido (DMSO), que podría ayudar a

Resultados y Discusión

126

disgregar dichas interacciones. Es por esta razón que se utilizó DMF como segundo solvente, por poseer una temperatura de ebullición más baja que el DMSO (°Teb. DMF = 153 °C ; °Teb. DMSO = 189 °C). Así, soluciones del nanocompuesto al 1.5 % con relaciones DMF:H2O de 10:90, 20:80 y 30:70 fueron electrohiladas (CPA1.5-F/Ag®1090; CPA1.5-F/Ag®2080; CPA1.5-F/Ag®3070 respectivamente), observándose para todos los casos la formación de un chorro estable de solución hacia el colector. En la Figura 5.20 se muestra una imagen SEM de estas nanofibras obtenidas, utilizando una distancia de operación de 20 cm, un voltaje aplicado de 20 kV y un flujo de alimentación de 0.8 mL/h. La selección de estas condiciones de operación, fue debido a que a una distancia de 15 cm el solvente no lograba ser evaporado totalmente, además de presentarse un chorro de solución interrumpido para flujos menores a los 0.6 mL/h. De la Figura 5.20, podemos observar que las nanofibras obtenidas con una relación H2O:DMF de 10:90 presentan un alto grado de imperfecciones con alta formación de nudos (señalados con un circulo rojo en cada una de las figuras). Por otro lado, las mismas imperfecciones tipo nudo, son vistas en las nanofibras con una relación 20:80, pero con un menor tamaño. En cambio, las nanofibras obtenidas utilizando una relación 30:70 presentan un menor número de imperfecciones, con una morfología similar a la adquirida por las nanofibras ramificadas de poliacrilamidas (Figura 2.55). La formación de un chorro de solución estable hacia el colector, así como la reducción en el número de imperfecciones de tipo nudo, sugiere entonces que el solvente orgánico disgrega satisfactoriamente las interacciones hidrófobas, logrando así que las cadenas del polímero puedan estirarse y conducir uniformemente la carga a lo largo del chorro de solución. En vista de lo anterior, la solución CPA1.5-F/Ag®3070 fue utilizada para la ejecución de este trabajo.

Resultados y Discusión

127

Figura 5.20. Imagen SEM de nanofibras del nanocompuesto CPA-F/Ag obtenidas con una mezcla DMF:H2O. a) 10:90. b) 20:80. c) 30:70.

En la Figura 5.21 se muestra los diferentes regímenes de concentración encontrados para el nanocompuesto CPA-F/Ag® con una relación de DMF:H2O de 30:70. En la gráfica, se presenta un régimen diluido a muy bajas concentraciones (0.1 < C < 0.7), más amplio que para el nanocompuesto CPA-F/Ag® sin DMF (Figura 5.17), debido al decrecimiento en el número de interacciones hidrófobas [32]. Un segundo régimen correspondiente al semidiluido no entrelazado, es encontrado en el intervalo 0.7% a 1.5%. Es importante recalcar la ausencia del tercer régimen correspondiente al semidiluido entrelazado, debido al decrecimiento en el número de interacciones hidrófobas, como producto de la disgregación de estos.

a) b)

c)

Resultados y Discusión

128

0.1 1

10-3

10-2

10-1

100

101

CPA-F/Ag® CPA-F/Ag®3070 PAM

CT~ Ce(PAM)

η 0 (P

a.s)

C (w%)

4

4.1

3

Cη~ C*

(PAM)

1

2

Figura 5.21. Regímenes de concentración del nanocompuesto CPA-F/Ag® con una relación DMF:H2O de 30:70. Teóricamente, la obtención de nanofibras con una morfología carente de gotas o nudos, es lograda cuando se utiliza una solución con una concentración de polímero dentro del régimen semidiluido entrelazado. Sin embargo, no se conoce en la literatura, que tipo de morfología pueda adoptar una solución en régimen semidiluido no entrelazado, al utilizarla para preparar nanofibras tipo núcleo-coraza mediante el proceso de electrohilado coaxial. Inferimos que al utilizar dos polímeros solubles en agua y someterlos al proceso de electrohilado coaxial, debía existir un cierto grado de difusión o transferencia de masa entre los dos polímeros en la interfase generada durante el chorro de solución. Tal difusión debía ser limitada para permitir que el nanocompuesto adopte la morfología del PVA (núcleo de la nanofibra), quedando así una pequeña capa del nanocompuesto CPA-F/Ag® cubriendo el núcleo de PVA. La adhesividad de las capas debía ser asegurada por la interacción entre los grupos hidrófilos de ambos polímeros en la

Resultados y Discusión

129

interfase. En la Figura 5.22 se muestra un esquema representativo de dicho planteamiento.

Figura 5.22. Esquema representativo de la capa de difusión a nivel de interfase entre el PVA y el nanocompuesto CPA-F/Ag®. 5.3.2- Investigación de los efectos de las condiciones de proceso en la morfología de nanofibras, utilizando un diseño factorial fraccionado. 5.3.2.1- PVA. En la sección 4.3.2 se planteó una metodología para la determinación de las condiciones óptimas de operación, que nos permitiera obtener nanofibras sin aspectos de membranas, mediante la utilización de un diseño factorial fraccionado denominado análisis ortogonal. La Tabla 5.2 muestra la matriz utilizada para dicha experimentación, presentando el diámetro promedio ( D ), desviación estándar (sd) y el porcentaje de defectos (%De) para cada una de las nanofibras obtenidas. Los límites de evaluación para cada variable, fueron determinados basados en las condiciones experimentales utilizadas para la preparación de nanofibras de PVA, reportadas previamente en la literatura para un peso molecular de entre 85,000 g/mol y 124,000 g/mol [33].

Resultados y Discusión

130

Tabla 5.2. Resultados experimentales como producto del desarrollo de la matriz ortogonal L9(33) utilizada para la investigación de las condiciones de proceso del PVA.

Matriz Ortogonal L9 (33) Resultados experimentalesN0 Exp. Flujo (mL/h) Voltaje (kV) Distancia (cm) D (nm) sd (±nm) %De

1 0.7 15 10 -a -a 100 2 0.7 20 15 399.78 152.75 38.213 0.7 25 20 289.07 118.61 41.034 0.5 15 15 261.54 57.53 22 5 0.5 20 20 323.58 110.84 34.256 0.5 25 10 386.10 144.97 37.557 0.3 15 20 557.96 234.72 42.678 0.3 20 10 420.30 152.75 36.349 0.3 25 15 303.24 135.41 44.65

(a) No se logró realizar la medición del diámetro de la nanofibra, dado que la muestra tuvo aspecto de película. Estos resultados, muestran que utilizando flujos de 0.5mL/h a cualquier valor de voltaje (15-25 kV) y distancias mayores a los 10 cm (15-20cm) se logran obtener nanofibras con un menor número de defectos (< 30%). En la Figura 5.23 se muestra una imagen SEM de algunas de las nanofibras obtenidas, en la que se diferencian significativos cambios en la morfología en función de las tres condiciones de proceso evaluadas.

a) b)

Resultados y Discusión

131

Figura 5.23. Variación de la morfología de las nanofibras de PVA en función de las condiciones de proceso evaluadas de la Tabla 5.2. a) 0.7 mL/h, 15 kV, 10 cm. b) 0.5 mL/h, 15 kV, 15 cm. c) 0.5 mL/h, 25 kV, 10 cm. c) 0.3 mL/h, 15 kV, 20 cm. Las variables que más afectan la morfología de las nanofibras de PVA, de acuerdo al porcentaje de defecto promedio (% De ) para los tres valores de los tres diferentes parámetros evaluados, fueron la distancia entre el colector y la aguja y la velocidad de flujo, teniendo estos un factor S de 14.89 y 14.47, respectivamente. Por otro lado, el voltaje aplicado resultó ser el parámetro menos influyente en la variación de la morfología de la nanofibra, con un factor S de 9.55 (Tabla 5.3). Tabla 5.3. Valores de R y S obtenidos de los resultados experimentales de la aplicación de la matriz L9(33). Voltaje Flujo de alimentación Distancia colector-aguja

K1 54.69 59.75 60.73 K2 36.27 31.27 32.18 K3 41.08 41.02 39.12 R 13.61 28.48 28.55 S 9.55 14.47 14.89

Teniendo los parámetros más influyentes en la morfología de las nanofibras de PVA, se desarrolló una ecuación matemática que predijera el %De de las nanofibras en función de estos dos parámetros; sin embargo, las ecuaciones desarrolladas tanto lineales como no lineales no distribuían aleatoriamente los residuales, por lo que se desarrollaron ecuaciones lineales y no lineales en función de los tres parámetros evaluados. Las ecuaciones lineales desarrolladas, mostraron coeficientes de correlación del orden de 0.43, mientras que el desarrollo de una ecuación no lineal mostró un coeficiente de 0.944 (Ecuación 5.1).

c) d)

Resultados y Discusión

132

Ec. 5.1

222 V45.0F95.477D22.1V03.15F14.431D67.3908.313De% −+++−−= Donde: D = Distancia (cm). F = Flujo (mL/h). V = Voltaje (kV). Para comprobar que la ecuación matemática obtenida posee un carácter robusto (acertada predicción de resultados), se llevó a cabo la ejecución de corridas experimentales a diferentes condiciones de las establecidas en la matriz L9(33) (Tabla 5.2). En la Tabla 5.4 se muestra como el %De teórico y experimental obtenido coincide con los resultados experimentales obtenidos, lo cual es indicativo de la robustez de dicha ecuación. Tabla 5.4. Evaluación de la Ecuación 5.1 mediante el cálculo de %De teóricos y experimentales bajo diversas condiciones de proceso.

Condiciones de operación N0 Exp. Flujo (mL/h) Voltaje (kV) Distancia (cm) %DeExperimental %DeTeórico

1 0.7 15 10 100 95.68 2 0.7 20 15 38.21 46.85 3 0.7 25 20 41.03 36.71 4 0.5 15 15 22 21.57 5 0.5 20 20 34.25 33.83 6 0.5 25 10 37.55 38.38 7 0.3 15 20 42.67 46.80 8 0.3 20 10 36.34 28.12 9 0.3 25 15 44.65 48.13

10a 0.2 17 10 70.08 96.73 11a 0.4 20 15 15.13 17.36 12a 0.7 15 20 41.34 64.27

aCondiciones experimentales diferentes a la de la matriz L9(33). Para la determinación de la distancia óptima de operación, se partió de la Ecuación 5.1, de la cual se determinaron valores de %De para diferentes valores de voltaje (10kV – 25 kV) y flujo de alimentación (0.05 mL/h – 0.8 mL/h), manteniendo la distancia como variable fija. En la Figura 5.24a-c se muestra un mapa del valor del %De en función del voltaje y flujo de alimentación aplicado para tres valores de distancia (10

Resultados y Discusión

133

cm, 15 cm y 20 cm). Las zonas coloreadas muestran los diversos intervalos de %De (0-20, 20-40, 40-60, 60-80, 80-100) que pueden obtenerse al manipular dos variables móviles (F y V).

25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 100.8

0.75

0.7

0.65

0.6

0.55

0.5

0.45

0.4

0.35

0.3

0.25

0.2

0.15

0.1

0.05

Volataje (kV)

Flujo (ml/h)80-10060-8040-6020-400-20

25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 100.8

0.75

0.7

0.65

0.6

0.55

0.5

0.45

0.4

0.35

0.3

0.25

0.2

0.15

0.1

0.05

Voltaje (kV)

Flujo (ml/h)80-10060-8040-6020-400-20

a)

b)

Resultados y Discusión

134

Figura 5.24. Mapa de las zonas de bajo, medio y alto %De en las nanofibras de PVA, en función de las condiciones de operación de voltaje y flujo de alimentación a diferentes distancias, aplicando la Ecuación 5.1. (a) 10 cm. (b) 15 cm. (c) 20 cm. En la Figura 5.24a se muestra que las nanofibras obtenidas a una distancia de 10 cm utilizando cualquier valor de voltaje o flujo de alimentación, presentan muy altos porcentajes de defectos, es decir nanofibras con aspecto de membranas (Figura 5.23a) o películas. Por otro lado, utilizando una distancia de 15 cm, se pueden llegar a obtener nanofibras con muy bajos porcentajes de defectos (0%-20%) utilizando un amplio intervalo de voltaje y flujo de alimentación. Por otro lado, si incrementamos la distancia entre el colector y la aguja hasta 20 cm, existe una reducción considerable de los intervalos de operación en los que se pueden obtener bajos %De. El comportamiento hiperbólico mostrado en la Figura 5.24 puede ser interpretado de la siguiente manera: Para la Figura 5.24c, utilizando un flujo de alimentación de 0.3 mL/h y un voltaje de 11 kV se puede llegar a obtener nanofibras con bajos %De, ya que el flujo de alimentación es muy bajo y requiere muy poco voltaje para poder romper la tensión superficial y producirse así el chorro de solución (Ver Sección 2.4.2.2). Mientras que si se incrementa el voltaje hasta 22-23 kV también podrían obtenerse nanofibras de bajo %De, pero estas serian mucho más cortas en longitud que las obtenidas a bajo voltaje, debido a que la carga sobre la gota es muy alta, provocando que el cono de Taylor se forme dentro de la aguja y se produzcan entonces como “disparos” ó segmentos cortos de chorro de solución [34].

25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 100.8

0.75

0.7

0.65

0.6

0.55

0.5

0.45

0.4

0.35

0.3

0.25

0.2

0.15

0.1

0.05

Voltaje (kV)

Flujo (ml/h)80-10060-8040-6020-400-20

c)

Resultados y Discusión

135

Por otra parte, si seguimos el comportamiento hiperbólico del %De para las nanofibras del PVA, vemos que incrementando la distancia de operación hasta 16 cm, se llega a un punto donde la zona de más bajo %De adopta una forma de montura o caballete, logrando con esta distancia el mayor intervalo de operación de voltaje y flujo de alimentación, con los que se puede llegar a obtener nanofibras con muy bajos %De (Figura 5.25). Figura 5.25. Mapa de las zonas de bajo, medio y alto %De en las nanofibras de PVA, en función del voltaje y flujo de alimentación para una distancia de 16 cm. En la Figura 5.26 se muestra una imagen SEM de las nanofibras obtenidas a 0.45 mL/h, 15 kV y 16 cm, de las cuales se obtuvo un %DeExperimental y %DeTeórico del 15% y 18.73% respectivamente.

25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 100.8

0.75

0.7

0.65

0.6

0.55

0.5

0.45

0.4

0.35

0.3

0.25

0.2

0.15

0.1

0.05

Voltaje (kV)

Flujo (ml/h)80-10060-8040-6020-400-20

Resultados y Discusión

136

Figura 5.26. Nanofibras de PVA preparadas a 0.45 mL/h, 15 kV y 16 cm. a) Imagen SEM. B) Distribución de tamaño. 5.3.2.2- CPA1.5-F/Ag®3070. De la misma manera en que se determinó la distancia óptima de operación para el PVA, la Tabla 5.2 muestra la matriz L9(33) con las diferentes condiciones de operación utilizadas para el nanocompuesto, donde los intervalos de operación fueron delimitados basados en una experimentación previa (no mostrada aquí). Tabla 5.5. Matriz ortogonal L9(33) utilizada para la investigación de las condiciones de proceso de la solución del nanocompuesto CPA1.5-F/Ag®3070.

Matriz Ortogonal L9 (33) N0 Exp. Flujo (mL/h) Voltaje (kV) Distancia (cm)

1 1 15 10 2 1 20 15 3 1 25 20 4 0.7 15 15 5 0.7 20 20 6 0.7 25 10 7 0.5 15 20 8 0.5 20 10 9 0.5 25 15

100 150 200 250 300 350 400 4500

10

20

30

40

50

Dis

tribu

ción

de

frecu

enci

a (%

)

Diámetro (nm)

a) b)

Resultados y Discusión

137

Figura 5.27. Variación de la morfología de las nanofibras del nanocompuesto CPA-F/Ag® en función de los tres parámetros evaluados utilizando la matriz ortogonal L9(33). a) 1 mL/h, 15 kV, 10 cm. b) 1 mL/h, 20 kV, 15 cm. c) 0.7 mL/h, 15 kV, 15 cm. d) 0.7 mL/h, 20 kV, 20 cm. e) 0.5 mL/h, 15 kV, 20 cm. f) 0.5 mL/h, 20 kV, 10 cm. A diferencia de las nanofibras obtenidas con el PVA, en las del nanocompuesto CPA-F/Ag® no fue posible realizar una medición de los %De debido al alto grado de

a) b)

c) d)

e) f)

Resultados y Discusión

138

ramificaciones e imperfecciones (gotas o nudos) presentados. Lo anterior, debido en gran parte al régimen semidiluido no entrelazado en la cual se encontraba la solución CPA1.5-F/Ag®3070. Sin embargo, a simple vista es evidente que la distancia de operación juega un rol muy significativo en la morfología de las nanofibras, debido a que operando a distancias menores a los 20 cm, la nanofibras obtenidas adquieren una morfología de película (Figura 5.27a,f) y de membrana (Figura 5.27b,c) debido a la incompleta evaporación del solvente. Nanofibras con el menor número de estos defectos son obtenidas con flujos de 0.7 mL/h y voltajes entre 15 kV y 20 kV para una distancia de operación de 20 cm.

a) Caracterización de las nanofibras Las nanofibras obtenidas con flujos de 0.7 mL/h, un voltaje de 20 Kv y una distancia óptima de 20 cm (Figura 5.27d), fueron utilizadas para visualizar la distribución de las AgNps a lo largo de la nanofibra, así como para estudiar el tipo de interacción con la matriz polimérica (CPA-F). En la Figura 5.28a se muestra una imagen SEM de estas nanofibras con una distribución de diámetro de 25 nm – 170nm (Figura 5.28b). Tales diámetros se obtuvieron debido a la baja concentración de polímero utilizado en la solución y al incremento en la conductividad de la misma, en relación con el copolímero sin AgNps. Figura 5.28. Nanofibras del nanocompuesto CPA-F/Ag® preparadas a 0.7 mL/h, 20 kV y 20 cm. a) Imagen SEM. B) Distribución de tamaño. En la Figura 5.29 se muestra una imagen TEM de las nanofibras obtenidas, en la que se puede observar una excelente dispersión de las AgNps en la matriz polimérica. En estas no se distinguen aglomerados como es el caso de otras nanofibras conteniendo AgNps [35]. Se puede postular que el efecto de las cargas positivas sobre las AgNps,

0 50 100 150 200 2500

20

40

60

80

100

Dis

tribu

ción

de

frecu

enci

a (%

)

Diámetro (nm)

a) b)

Resultados y Discusión

139

aunado a la aplicación de carga positiva a la solución, hace que las AgNps se repelan y eviten formar grandes aglomerados a lo largo de la nanofibra. Por otra parte, en la Figura 5.30 se muestra una imagen topográfica de AFM de una de las nanofibras obtenidas, de la cual se puede apreciar la forma cilíndrica que estas poseen.

Figura 5.29. Imagen TEM de las nanofibras del nanocompuesto CPA-F/Ag®. Otro de los aspectos importantes a destacar, es que las AgNps se encuentran formando parte de esta y no como ocurre para algunos casos en los que las AgNps se encuentran fuera de esta (Figura 2.60a) [36], lo cual es indicativo de la fuerte interacción de la matriz del copolímero con las AgNps.

Resultados y Discusión

140

Figura 5.30. Imagen topográfica de AFM de una nanofibra del nanocompuesto CPA-F/Ag®.

La determincación de los sitios de interacción entre las AgNps con la matriz del copolímero asociativo, fueron determinados mediante un análisis por XPS. En la Tabla 5.6 se muestran los valores de las energías de enlace para C 1s, N 1s, O 1s y Ag 3d de las nanofibras de CPA-F/Ag® y del copolímero CPA-F en forma de película. Tabla 5.6. Valores de las energías de enlace del copolímero CPA-F y del nanocompuesto CPA-F/Ag®.

Muestra Ambiente elemental Energía De enlace (Ev)

Area (%)

CPA-F C 1s (C-C/C-H) 285.00 72.20 C 1s (C-N) 286.40 13.90 C 1s (C=O) 288.40 13.90 N 1s 399.9 100.00 O 1s 531.80 100.00

CPA-F/Ag® C 1s (C-C/C-H) 285.00 53.59 C 1s (C-N) 285.72 20.59 C 1s (C=O) 288.36 20.66 C 1s (Absorción) 282.54 5.16 N 1s (Libre) 399.97 67.44 N 1s (Coordinado) 398.74 32.56

Resultados y Discusión

141

O 1s (Libre) 531.55 92.14 O 1s (Óxido) 529.28 7.86 Ag 3d5/2 368.00 - Ag 3d3/2 373.80 -

El espectro XPS para el C 1s del copolímero CPA-F, logró ser deconvolucionado en tres picos (Figura 5.31a): Un pico central a 285.00 eV debido al enlace C-C/C-H y dos componentes con la misma intensidad a 286.40 y 288.40 eV debido a los enlaces C-N y C=O respectivamente. El ajuste de los picos para el espectro del C 1s, puede ser explicado en términos de la electronegatividad de los substituyentes de los diferentes átomos de carbono, que componen la unidad repetitiva del copolímero. En general, el elemento con la más alta electronegatividad unido al carbono, provoca un incremento en la energía de enlace de los electrones del C 1s. Así, el oxígeno que está unido al carbono formando el enlace C=O, es el elemento con la mayor electronegatividad, por lo tanto el pico a 288.40 eV puede ser atribuido a dicho enlace, mientras que los picos a 286.40 y 285.00 eV son atribuidos a los enlaces C-N y C-C/C-H respectivamente. Por otro lado, los espectros XPS para N 1s (Figura 5.33b) y O 1s (Figura 5.31c) exhiben un solo pico centrado a 399.9 y 531.8 eV respectivamente. Para el caso del nanocompuesto CPA-F/Ag®, el espectro XPS del C 1s tuvo que ser deconvolucionado en cuatro picos (Figura 5.31d). Los picos a 285, 285.72 y 288.36 eV corresponden a los enlaces C-C/C-H, C-N, C=O respectivamente, mientras que un pico a 282.54 eV es necesario para obtener el mejor ajuste del pico C 1s. La aparición de picos a muy bajas energías de enlace, ha sido atribuida a asociaciones entre moléculas y substratos [37], por lo que este sugiere la absorción de cadenas hidrófobas del tipo –CH2- sobre la superficie de las AgNps, ya que a como se había mencionado en la Sección 2.3.4, las poliacrilamidas asociativas poseen propiedades absortivas e interacciones complejas y estables con coloides y minerales. Por otro lado, la proporción de los enlaces C-N y C=O correspondientes a 20.59 y 20.66% respectivamente, los cuales son ligeramente mayores que las proporciones para el copolímero CPA-F, lo cual indica que los grupos que contiene dichos enlaces se encuentran de modo más abundantes sobre la superficie de las nanofibras que en el copolímero en forma de película [38].

Resultados y Discusión

142

Figura 5.31. Espectros XPS para el copolímero CPA-F (a-c). a) C 1s. b) N 1s. c) O 1s. Espectros XPS para el nanocompuesto CPA-F/Ag® (d-f). d) C 1s. e) N 1s. f) O 1s. De igual forma, el espectro de XPS para el N 1s fue necesario deconvolucionarlo en dos picos (Figura 5.31e). Un pico máximo central ubicado a 399.97 eV debido al grupo amido, y un pequeño pico a 398.74 eV, el cual sugiere una interacción entre la superficie de las AgNps y el grupo amida. Mismos desplazamientos a bajas energías de enlace en el espectro XPS de N 1s, han sido también observados para las interacciones

278 280 282 284 286 288 290 292 294

Energía de enlace (eV)

278 280 282 284 286 288 290 292 294

Energía de enlace (eV)

392 394 396 398 400 402 404 406 408

Energía de enlace (eV)392 394 396 398 400 402 404 406 408

Energía de enlace (eV)

524 526 528 530 532 534 536 538 540

Energía de enlace (eV)524 526 528 530 532 534 536 538 540

Energía de enlace (eV)

a)

b)

c)

d)

e)

f)

Resultados y Discusión

143

entre acetonitrilo-superficie de platino, timina-superficie de oro y PVP-superficie de platino [39]. El análisis cuantitativo para el espectro XPS del N 1s, revela que el 32.56% de los grupos amida se encuentran coordinados con las AgNps. Por otra parte, el espectro de N 1s de las nanofibras del nanocompuesto, presenta una mejor definición que el espectro para el copolímero, indicando que los grupos amida del nanocompuesto se encuentran en gran parte sobre la superficie de las nanofibras, lo cual está acorde con lo discutido con anterioridad para el espectro del C 1s. El espectro XPS para O 1s de las nanofibras del nanocompuesto es mostrado en la Figura 5.31f, el cual fue necesario deconvolucionarlo en dos picos. Un pico máximo central ubicado en 531.55 eV perteneciente al oxígeno del grupo carbonilo, y un pequeño pico a 529.28 eV, el cual sugiere la formación de una capa de Ag2O/AgO en la superficie de las AgNps según la energía de enlace para Ag2O/AgO (529.0 eV) [40]. En lo que a esto último se refiere, un análisis cuantitativo para el espectro O 1s indicó que el 7.86% de los enlaces del oxígeno corresponden al Ag2O/AgO. El espectro XPS a nivel del núcleo para Ag 3d de las nanofibras del nanocompuesto, se muestra en la Figura 5.32. El doblete Ag 3d es identificado a 368.0 y 373.9 eV para Ag 3d5/2 y Ag 3d3/2 respectivamente, las cuales presentan un desplazamiento negativo en relación con las AgNps con diámetro promedio de 12 nm (368.8 eV para Ag 3d5/2 y 374.9 eV para Ag 3d3/2) [41], pero más alto que los valores de las energías de enlace para Ag2O (367.5 eV para Ag 3d5/2 y 373.5 eV para Ag 3d3/2) [42]. Este desplazamiento positivo de las energías de enlace para Ag 3d en relación a las energías de enlace para Ag2O, indica que el pico a 529.28 eV del espectro de O 1s, corresponde solamente a una fracción de nanopartículas de plata que se encuentran recubiertas de esta capa de óxido [43]. En relación a lo anterior, Chan Lim y col. [43] efectuaron un estudio sobre la oxidación de AgNps en función del tamaño, en la que se encontró que las nanopartículas con un tamaño de partícula mayor a los 5-6 nm, presentan una baja actividad catalítica para formar óxidos metálicos en relación con nanopartículas de menor diámetro. En base a esto, y tomando en consideración la distribución de tamaño de las nanopartículas obtenidas en este trabajo (2-15nm), podemos decir entonces que el 7.86% correspondiente al Ag2O/AgO, se encuentra formado principalmente sobre la superficie de las nanopartículas con diámetros menores a los 5-6 nm.

Resultados y Discusión

144

364 366 368 370 372 374 376 378 380 382

Energía de enlace (eV)

Ag 3d5/2

Ag 3d3/2

Figura 5.32. Espectro XPS para Ag 3d5/2 y Ag 3d3/2 de las nanofibras del nanocompuesto CPA-F/Ag®. Por otra parte, el desplazamiento negativo observado para el doblete Ag 3d, en relación a las energías de enlace para nanopartículas de plata con diámetro promedio de 12 nm, confirma entonces la absorción química de las AgNps sobre el nitrógeno del grupo amida de la matriz del copolímero, es decir la superficie de las nanopartículas de plata podrían actuar como aceptores de los electrones libres de las amidas (-CONH2, -CON(C6H13)) formando un enlace coordinado, tal y como se ha observado para la interacción entre las AgNps y la matriz de poli(N-isopropilacrilamida) [38]. Conforme a lo expuesto anteriormente, estos resultados sugieren entonces que las interacciones entre las AgNps y el nitrógeno de las amidas, son mucho más fuertes que las interacciones entre estas y el oxígeno de los grupos carbonilos, a pesar de que este último ha demostrado actuar como fuerte grupo electrodonador en polímeros como PVP [39, 42]. 5.3.3- Diagrama de operaciones Voltaje vs Flujo de alimentación. Para la construcción del diagrama de operaciones voltaje vs flujo de alimentación, es necesario determinar la distancia a la cual se van a efectuar el proceso de electrohilado coaxial, partiendo de las condiciones óptimas de operación para ambos materiales (15 cm para PVA8 y 20 cm para el nanocompuesto). En este caso, la solución de

Resultados y Discusión

145

nanocompuesto CPA1.5-F/Ag®3070 requiere una mayor distancia de operación para que la mezcla de solvente DMF:H2O pueda evaporarse completamente, por lo que esta distancia la definimos como distancia crítica de operación para el proceso de electrohilado coaxial. En la Figura 5.33 se muestra el diagrama de operaciones para el PVA8 a una distancia de 20 cm, en la que se observa como el voltaje necesario, para que se produzca un chorro de solución estable, aumenta a medida que el flujo de alimentación incrementa. Lo anterior concuerda con lo expuesto en la Sección 2.4.2.2 relacionado con la carga necesaria para romper la tensión superficial de una solución. Por otra parte, la amplitud de la región con chorro estable, muestra un intervalo estrecho de operación de 4-5 kV, el cual es constante a lo largo de todo el intervalo de flujo de operación analizado (0.1-0.8 mL/h). De igual forma, en la Figura 5.34 se muestra el diagrama de operaciones para la solución del nanocompuesto CPA1.5-F/Ag®3070, la cual muestra un comportamiento bastante similar al obtenido para el PVA8, en relación al voltaje necesario para dar origen al chorro estable de solución. La única diferencia es que se necesita aplicar un menor voltaje. Por otro lado, no fue posible delimitar esta región, debido a que no se observó un chorro de solución con goteo. Este comportamiento puede ser atribuido a que el cono de Taylor pudo haberse formado en el interior de la aguja, lo cual suele ocurrir para algunos polímeros cuando se someten a altos voltajes durante el proceso de electrohilado [34].

Resultados y Discusión

146

Figura 5.33. Diagrama de operaciones voltaje vs flujo de alimentación para el PVA8 a una distancia de 20 cm. Figura 5.34. Diagrama de operaciones voltaje vs flujo de alimentación para el nanocompuesto CPA1.5-F/Ag®3070 a una distancia de 20 cm.

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.86

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30

Chorro con goteo

Volta

je (k

V)

Flujo de alimentación (ml/h)

Goteo

Chorro estable

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30

Vol

taje

(kV

)

Flujo de alimentación (mL/h)

goteo

Chorro estable

Resultados y Discusión

147

5.3.4- Diagrama conjunto de operaciones voltaje vs flujo de alimentación para el electrohilado coaxial. Para la determinación de las condiciones óptimas de operación en el proceso de electrohilado coaxial, se construyó un diagrama conjunto de operación voltaje vs flujo de alimentación, partiendo de los diagramas de operación de ambos componentes por separado (PVA8 y CPA1.5-F/Ag®3070).

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.86

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30 Chorro estable (PVA) Chorro con goteo (PVA) Chorro estable (Nanocompuesto)

Vol

taje

(Kv)

Flujo de alimentación (mL/h)

Figura 5.35. Diagrama de operaciones conjunto voltaje vs flujo de alimentación, mostrando las regiones de operación óptimas de ambos componentes. El diagrama anterior (Figura 5.35), muestra los límites de la región de goteo-chorro estable para el nanocompuesto, así como los límites de la región de goteo-chorro estable-chorro con goteo para el PVA8, marcados por líneas continuas. Partiendo de las condiciones óptimas de operación a una distancia de 20 cm para ambos componentes (Sección 5.3.2), las líneas punteadas color azul, delimitan las condiciones de flujo a las cuales se obtienen nanofibras con porcentajes de defectos que van desde 0-40% para el PVA; mientras que las líneas punteadas color rojo, delimitan las condiciones de flujo estudiadas para el nanocompuesto CPA1.5-F/Ag®3070.

Resultados y Discusión

148

Como se abordó en la Sección 2.4.4, el éxito de la obtención de nanofibras con morfología coaxial, radica en la operación a flujos donde no se produzcan goteos. Tomado en cuenta el comportamiento para ambos componentes, vemos que la solución de PVA8 determina las condiciones límites de operación, ya que a diferencia del nanocompuesto, este si tiene una región definida para el trabajo a condiciones con un chorro estable. Por esta razón, las condiciones de voltaje iniciales de operación se definieron dentro de dicha región (cuadro rayado en la Figura 5.35). Partiendo entonces de la Figura 5.35, se construyó un mapa de puntos flujo de PVA8 vs flujo del nanocompuesto CPA1.5-F/Ag®3070 en función de un voltaje de aplicación de 18 kV (Figura 5.36), marcándose los puntos donde se observó la formación del cono de Taylor estable. Sin embargo, a pesar de iniciar bajo las condiciones óptimas para ambos componentes, no se llegó a la obtención del chorro estable en la solución para ninguna de las tres geometrías evaluadas (GE-N, GE-E, GE-I), ya que durante las experimentaciones se observó un goteo excesivo, indicando entonces que el flujo de alimentación conjunto (Flujo de PVA8 + Flujo del nanocompuesto CPA1.5-F/Ag®3070) era muy alto (0.85 mL/h – 1.25 mL/h). Figura 5.36. Mapa de operaciones para el proceso de electrohilado coaxial en función de los flujos de alimentación de ambos componentes a un voltaje de 18 kV, utilizando la geometría GE-E.

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.00.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

Fluj

o de

PAM

-co-

DiH

exAM

/Ag

(30:

70) (

mL/

h)

Flujo de PVA (mL/h)

Area de trabajo

Goteo-Chorro con goteo

Chorro estable

Resultados y Discusión

149

Posteriormente se procedió entonces a disminuir el intervalo de flujo de alimentación para el PVA8, para un intervalo de trabajo de 0.1-0.35 mL/h, dejando constante el intervalo para el flujo de alimentación del nanocompuesto CPA1.5-F/Ag®3070. En la Figura 5.37 se muestra un diagrama de operaciones conjunto similar al de la Figura 5.35, en la que se muestra la nueva región de trabajo a partir de la cual se determinó el nuevo voltaje de aplicación, siendo este fijado 4.5 kV más arriba del límite inicial de la región de chorro estable para el nanocompuesto (12 kV), ya que utilizando voltajes entre 12 kV-15kV no se lograba obtener un chorro estable.

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.86

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30 Chorro estable (PVA) Chorro con goteo (PVA) Chorro estable (Nano)

Vol

taje

(kV

)

Flujo de alimentación (mL/h)

Figura 5.37. Diagrama de operaciones conjunto (voltaje vs flujo de alimentación) mostrando las nuevas regiones de operación para ambos componentes. En la Figura 5.38a-c se muestra los mapas de puntos de flujo de PVA8 vs flujo del nanocompuesto CPA1.5-F/Ag®3070 en función de un voltaje de aplicación de 16.5 kV obtenido para las tres geometrías evaluadas, en el que se marcaron los puntos donde se observó la formación del cono de Taylor estable.

Resultados y Discusión

150

Figura 5.38. Mapa de operaciones para el proceso de electrohilado coaxial en función de los flujos de alimentación de ambos componentes a un voltaje de 16.5 Kv para las diferentes geometrías evaluadas. a) GE-E. b) GE-I. c) GE-N.

Area de trabajo

Goteo-Chorro con goteo

Chorro estable

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.00.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

Fluj

o de

PAM

-co-

DiH

exAM

/Ag

(mL/

h)

Flujo de PVA (mL/h)

a)

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.00.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

Fluj

o de

PA

M-c

o-D

iHex

AM

/Ag

(mL/

h)

Flujo de PVA (mL/h)

Area de trabajo

Goteo-Chorro con goteo

Chorro

b)

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.00.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

Fluj

o de

PA

M-c

o-D

iHex

AM

/Ag

(mL/

h)

Flujo de PVA (mL/h)

Area de trabajo

Goteo-Chorro con goteo

Chorro estable

c)

Resultados y Discusión

151

De la Figura 5.38, podemos observar como la geometría de la aguja, influye significativamente en la formación de un cono de Taylor estable. Utilizando una geometría GE-E, se logra un mayor número de puntos en los que se trabaja a condiciones estables de proceso. En la Figura 5.39 se muestra una imagen SEM de las nanofibras obtenidas utilizando la geometría GE-E, en la que se puede observar nudos o defectos muy similares a los obtenidos por las nanofibras del nanocompuesto CPA1.5-F/Ag®3070 (Figura 5.27), lo cual anula la hipótesis planteada en la Sección 5.3.1, relacionada con la obtención de nanofibras con morfología cilíndrica núcleo-coraza sin defectos. Por otro lado, los defectos observados en las nanofibras no se deben a las condiciones de operación seleccionadas para el PVA8, dentro de la zona de alto contenido de defectos (Figura 5.24c), ya que como puede observarse, las nanofibras resultantes adquirieron una morfología planar o de listón, lo cual sugiere la ocurrencia un fenómeno de difusión a nivel interfacial tal y como fue planteado anteriormente, el cual pudo de cierta manera haber modificado la reología de la solución produciéndose este tipo de morfología, la cual únicamente se logra modificando los parámetros reológicos de la solución. Recordemos que los copolímeros asociativos son utilizados como modificadores reológicos de muchas sistemas acuosos. Para probar lo sugerido anteriormente, se efectuó una prueba utilizando un flujo alto de PVA8 y un flujo menor para la solución del nanocompuesto CPA1.5-F/Ag®3070, siendo estos de 0.5 mL/h y 0.1 mL/h respectivamente, para promover aún más la difusión interfacial. La Figura 5.40 muestra una imagen SEM de estas nanofibras a un voltaje de 15 kV y utilizando la geometría GE-E.

Resultados y Discusión

152

Figura 5.39. Imagen SEM de la morfología de las nanofibras obtenidas por electrohilado coaxial, utilizando la geometría GE-E para diferentes velocidades de flujo CPA1.5-F/Ag®3070 – PVA8. a) 0.7mL/h – 0.1 mL/h. b) 0.7 mL/h – 0.2 mL/h. c) 0.6 mL/h – 0.2 mL/h.

a)

b)

c)

Resultados y Discusión

153

Figura 5.40. Imagen SEM de la morfología de las nanofibras obtenidas por electrohilado coaxial, con flujos de 0.5 mL/h y 0.1 mL/h para el PVA8 y el nanocompuesto CPA1.5-F/Ag®3070 respectivamente, utilizando la geometría GE-E. De la Figura 5.39, se puede apreciar la morfología de listón que adquirieron las nanofibras, las cuales difiere significativamente de las obtenidas por el PVA8 y el nanocompuesto CPA1.5-F/Ag®3070 por separado, lo cual confirma entonces que sí ocurre una modificación reológica de la solución de PVA8 con muy pocos contenidos de solución de dicho nanocompueto. Por tanto, los defectos observados en la Figura 5.39, se deben a la solución del nanocompuesto que no logró mezclarse totalmente con el PVA8, predominando así su morfología característica (Figura 5.27d). Si bien es cierto, no se logró obtener la morfología núcleo-coraza deseada, pero los experimentos efectuados nos llevaron a la segunda alternativa propuesta inicialmente, relacionada con la obtención de nanofibras con morfología de listón, las cuales también permiten tener una mayor área superficial para la exposición de las AgNps. Por lo que todo lo anterior, sirvió para aprovechar la propiedad que posee la solución del nanocompuesto CPA1.5-F/Ag®3070, como modificador reológico de la solución de PVA8 para la obtención de nanofibras con morfología de listón. En la siguiente sección, se estudia la metodología para la obtención de nanofibras bicomponentes (CPA-F/Ag®//PVA) con este tipo de morfología. En resumen, la solución del nanocompuesto CPA1.5-F/Ag®3070 actúo como modificador reológico de la solución de PVA8, dando origen al desarrollo de una morfología de listón. Este hecho, manifestado a través de la obtención de nanofibras con morfología de listón con defectos característicos de las nanofibras del nanocompuesto CPA1.5-F/Ag®3070, demostraron la ocurrencia del fenómeno de

Resultados y Discusión

154

difusión interfacial propuesto inicialmente, sin embargo, dicha solución del nanocompuesto no logró adoptar la morfología inicial de las nanofibras de PVA, debido a la inesperada morfología de listón obtenida. Para ello, un estudio estadístico fue implementado con éxito, en la determinación de las condiciones iniciales de operación para el proceso de electrohilado coaxial. Por otro lado, los análisis de XPS de las nanofibras del nanocompuesto CPA-F/Ag®, demostraron una fuerte interacción con la matriz del copolímero asociativo, a través de una asociación por coordinación entre las AgNps y los átomos de nitrógeno, así como una interacción con los segmentos hidrófobos. 5.4- NANOFIBRAS OBTENIDAS POR EL PROCESO DE ELECTROHILADO, UTILIZANDO UNA SOLUCION BICOMPONENTE DE CPA1.5-F/Ag®3070 Y PVA8. 5.4.1- Reología de la solución bicomponente Para la obtención de nanofibras con morfología de listón, utilizando una solución bicomponente de CPA1.5-F/Ag®3070 y PVA8, se efectuó un procedimiento similar al utilizado para la obtención de nanofibras de PVA (Sección 5.3.2). Para esto, primeramente se determinó la proporción adecuada CPA1.5-F/Ag®3070:PVA8, con el objetivo de que las nanofibras obtenidas contuvieran la mayor concentración posible de AgNps. En la Figura 5.41a-b se muestra una imagen SEM de las nanofibras bicomponentes obtenidas a 0.5 mL/h, 15 kV y 20 cm de distancia, utilizando las soluciones CPA1.5-F/Ag®3070//PVA8 3/40:60 y CPA1.5-F/Ag®3070//PVA8 3/56:44. De tal figura, es posible apreciar como la morfología de las nanofibras que contienen una menor proporción de PVA8, muestran la misma morfología con nudos que las obtenidas por electrohilado coaxial. Con un incremento en la proporción de PVA8, se modifica significativamente la morfología de las nanofibras obtenidas, adquiriendo una morfología de listón libre de nudos ó defectos. Si la proporción de nanocompuesto es incrementada por arriba de un 40%, una morfología con nudos y defectos domina sobre la morfología de listón; por lo tanto, la relación 40:60 se tomó como la proporción óptima de trabajo. Adicionalmente, en la Figura 5.42 se muestra un análisis por calorimetría diferencial de barrido (DSC) de la mezcla bicomponente CPA1.5-F/Ag®3070//PVA8 3/40:60, de la que se obtuvo una única temperatura de transición vítrea (Tg), siendo esta de 104.91 °C. Dicha temperatura es desplazada hacia temperaturas más altas en relación a la Tg del PVA8 (76.22 °C) y del nanocompuesto CPA1.5-F/Ag®3070 (86.56 °C). Esto, es

Resultados y Discusión

155

atribuido a un incremento en las interacciones de los segmentos hidrófilos de ambos polímeros, debido a la presencia de un solvente de carácter hidrófobo en el sistema (DMF), el cual disminuye el espacio volumétrico ocupado por segmentos hidrófilos. Lo dicho anteriormente, puede confirmarse mediante la Tg de una mezcla bicomponente de las mismas proporciones, pero partiendo de una solución de nanocompuesto al 1.5% libre de DMF (CPA1.5-F/Ag®), en la que dicha mezcla (CPA1.5-F/Ag®//PVA8 3/40:60) presenta una única Tg a 81.9 °C. Los resultados antes descritos, revelan que ambos componentes son miscibles utilizando dichas proporciones. Figura 5.41. Imagen SEM de la morfología de las nanofibras obtenidas a partir de la solución bicomponente CPA1.5-F/Ag®3070//PVA8 utilizando una proporción 56:44 (a) y 40:60 (b).

a) b)

Resultados y Discusión

156

0 50 100 150 200 250

-2.2

-2.0

-1.8

-1.6

-1.4

-1.2

-1.0

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

104.91 °C

86.56 °C

76.22 °C

Fluj

o de

cal

or (W

/g)

Temperatura (°C)

CPA1.5-F/Ag®3070//PVA8 3/40:60 CPA1.5-F/Ag®3070 PVA8 CPA1.5-F/Ag®//PVA8 3/40:60

81.9 °C

Figura 5.42. Termograma de DSC de películas preparadas a partir de la solución bicomponente y sus componentes por separado. La morfología de listón obtenida, utilizando la solución bicomponente con la relación óptima encontrada, no muestra defectos característicos de una solución que se encuentra en el régimen semidiluido no entrelazado. En la Figura 5.43 se muestra los tres regímenes de concentración determinados para esta solución bicomponente, en la cual la transición del régimen diluido al semidiluido no entrelazado (C*) se encuentra a una concentración de 0.4% (p/p), mientras que el punto de transición del régimen semidiluido no entrelazado al semidiluido entrelazado (Ce) ocurre a una concentración de 1.5% (p/p). La solución bicomponente óptima encontrada tiene una concentración total de polímero del 3% (p/p), la cual se encuentra dentro de la región semidiluido entrelazado, lo cual explica la ausencia de defectos o nudos en la morfología de las nanofibras obtenidas con esta solución.

Resultados y Discusión

157

0.1 1

10-2

10-1

Ce

C*

η 0 (Pa

.s)

Concentración(%p)

Figura 5.43. Regímenes de concentración de la solución bicomponente de CPA1.5-F/Ag®3070 y PVA8. 5.4.2- Investigación de los efectos de las condiciones de proceso en la morfología de nanofibras, utilizando un diseño factorial fraccionado. Siguiendo con la metodología planteada, en la Tabla 5.7 se muestra la matriz L9(33) utilizada para la determinación de las condiciones óptimas de operación, en la que se muestra el diámetro promedio ( D ), desviación estándar (sd) y el porcentaje de defectos (%De) para cada una de las nanofibras obtenidas. Los límites de evaluación para cada variable, fueron determinados en base a los resultados experimentales obtenidos en la sección anterior.

Resultados y Discusión

158

Tabla 5.7. Resultados experimentales como producto del desarrollo de la matriz ortogonal L9(33) utilizada para la investigación de las condiciones de proceso de la solución bicomponente CPA1.5-F/Ag®3070//PVA8 3/40:60.

Matriz Ortogonal L9 (33) Resultados experimentalesN0 Exp. Flujo (mL/h) Voltaje (kV) Distancia (cm) D (nm) sd (±nm) %De

1 0.7 15 10 309.53 141.46 45.702 0.7 20 15 241.72 62.79 25.983 0.7 25 20 239.20 81.87 34.234 0.5 15 15 292.64 95.37 32.595 0.5 20 20 255.49 50.08 19.606 0.5 25 10 -a -a 100 7 0.3 15 20 319.35 72.64 22.758 0.3 20 10 -a -a 100 9 0.3 25 15 214.57 83.00 38.82

(a) No se logró realizar la medición del diámetro de la nanofibra, dado que la muestra tuvo aspecto de película. En la Figura 5.44 se muestra una imagen SEM de algunas de las nanofibras obtenidas al desarrollar la matriz ortogonal, en la que es posible apreciar ciertos sectores con aspecto de membrana, presentado por las nanofibras obtenidas a distancias menores a los 20 cm, lo cual indica entonces que la distancia de operación es una de variables más influyentes en la morfología. Lo anterior, fue confirmado tras un análisis estadístico de los resultados obtenidos (Tabla 5.8), en el que la distancia entre el colector y la aguja y el voltaje, resultaron ser las variables más influyentes en el proceso, teniendo estas un factor S de 30.74 y 27.37 respectivamente. Por otro lado, el flujo de alimentación resultó ser el parámetro menos influyente en la variación de la morfología de la nanofibra, con un factor S de 9.93.

Resultados y Discusión

159

Figura 5.44. Variación de la morfología de las nanofibras de la solución bicomponente CPA1.5-F/Ag®3070//PVA8 3/40:60 en función de los tres parámetros evaluados utilizando la matriz ortogonal L9(33). a) 0.3 mL/h, 15 kV, 20 cm. b) 0.5 mL/h, 15 kV, 15 cm. c) 0.7 mL/h, 25 kV, 20 cm. d) 0.7 mL/h, 15 kV, 10 cm. Tabla 5.8. Valores de R y S obtenidos basados en los resultados experimentales de la aplicación de la matriz L9(33) para la solución bicomponente CPA1.5-F/Ag®3070//PVA8 3/40:60. Voltaje Flujo de alimentación Distancia colector-aguja

K1 33.68 35.30 81.90 K2 28.13 50.73 32.46 K3 78.08 53.86 25.52 R 49.94 18.55 56.38 S 27.37 9.93 30.74

Teniendo los parámetros más influyentes en la morfología de las nanofibras, se desarrolló una ecuación matemática que predijera el %De de las nanofibras en función de estos parámetros; sin embargo, al igual que para el análisis del PVA, las ecuaciones desarrolladas tanto lineales como no lineales, no distribuían aleatoriamente los

a) b)

c) d)

Resultados y Discusión

160

residuales, por lo que se desarrollaron ecuaciones lineales y no lineales en función de los tres parámetros evaluados, mostrando coeficientes de correlación del orden de 0.67 y 0.99 respectivamente; siendo esta última, seleccionada para predecir el %De para las nanofibras obtenidas a partir de la solución bicomponente CPA1.5-F/Ag®3070//PVA8 3/40:60.

Ec. 5.2 222 53.077.15324.067.1738.10778.1169.287% VFDVFDDe +−+−+−=

Donde: D = Distancia (cm). F = Flujo (mL/h). V = Voltaje (kV). De igual manera, la Tabla 5.9 muestra el %De teórico y experimental obtenido para las condiciones de proceso de la matriz L9(33) desarrollada, al igual que para tres condiciones de proceso adicionales a los de dicha matriz, en la que es posible apreciar el alto grado de correlación entre los resultados teóricos y experimentales. Tabla 5.9. Evaluación de la Ecuación 5.2 mediante el cálculo de %De teóricos y experimentales bajo diversas condiciones de operación.

Condiciones de operación N0 Exp. Flujo (mL/h) Voltaje (kV) Distancia (cm) %DeExperimental %DeTeórico

1 0.7 15 10 45.70 47.43 2 0.7 20 15 25.98 22.51 3 0.7 25 20 34.23 35.96 4 0.5 15 15 32.59 33.80 5 0.5 20 20 19.60 20.81 6 0.5 25 10 100 97.57 7 0.3 15 20 22.75 19.80 8 0.3 20 10 38.82 41.07 9 0.3 25 15 100 100.70

10a 0.6 20 20 17.65 14.96 11a 0.4 15 10 75.14 66.09 12a 0.3 18 20 24.35 19.41

aCondiciones experimentales diferentes a la de la matriz L9(33). Para la determinación de las condiciones óptimas de operación, se efectuó la evaluación del %De a partir de la Ecuación 5.2, de la misma manera que se efectuó para las

Resultados y Discusión

161

nanofibras de PVA. En la Figura 5.45a-c se muestra un mapa del valor del %De en función del voltaje y flujo de alimentación aplicado para las tres distancias evaluadas. De lo anterior, se derivó que utilizando una distancia de 20 cm, se logró el mayor intervalo de condiciones de operación con las cuales se pueden obtener muy bajos porcentaje de defectos en las nanofibras (0-20%), seleccionándola así como distancia óptima de operación.

25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 101

0.95

0.9

0.85

0.8

0.75

0.7

0.65

0.6

0.55

0.5

0.45

0.4

0.35

0.3

0.25

0.2

0.15

0.1

Voltaje (kv)

Flujo (ml/h)80-10060-8040-6020-400-20

a)

25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 101

0.95

0.9

0.85

0.8

0.75

0.7

0.65

0.6

0.55

0.5

0.45

0.4

0.35

0.3

0.25

0.2

0.15

0.1

Voltaje (Kv)

Flujo (ml/h) 60-8040-6020-400-20

b)

Resultados y Discusión

162

Figura 5.45. Mapa de las zonas de bajo, medio y alto %De en las nanofibras obtenidas a partir de la solución bicomponente CPA1.5-F/Ag®3070//PVA8 3/40:60, en función de las condiciones de operación de voltaje y flujo de alimentación para una distancia de 10 cm (a), 15 cm (b) y 20 cm (c). De la Tabla 5.9 se tiene que las condiciones experimentales de la corrida número 10, se encuentran dentro de la región de bajo %De de acuerdo a la Figura 5.45c, por lo que dichas condiciones fueron utilizadas para la preparación de las nanofibras bicomponentes para su posterior caracterización. 5.4.2.1- Caracterización. En la Figura 5.46a-c se muestra una imagen SEM de las nanofibras obtenidas a condiciones óptimas y su correspondiente distribución de tamaño. Adicionalmente, una Imagen topográfica de la nanofibra es mostrada en la Figura 5.47, en la que cual es posible apreciar dos tipos de relieve: Una sección tubular y una sección planar, característico del mecanismo de formación de la morfología de listón. Por otro lado, las AgNps mostraron un alto grado de dispersión sobre la nanofibra bicomponente, la cual puede ser apreciada en la imagen TEM de la Figura 5.48.

25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 101

0.95

0.9

0.85

0.8

0.75

0.7

0.65

0.6

0.55

0.5

0.45

0.4

0.35

0.3

0.25

0.2

0.15

0.1

Voltaje (Kv)

Flujo (ml/h) 40-6020-400-20

c)

Resultados y Discusión

163

Figura 5.46. Nanofibras bicomponentes preparadas a 0.6 mL/h, 20 kV y 20 cm. a-b) Imagen SEM. c) Distribución de tamaño. Fuente: Resultados experimentales.

Figura 5.47. Imagen topográfica de una nanofibra bicomponente PAM-co-DiHexAM/Ag//PVA.

b)

300 400 500 600 700 8000

5

10

15

20

25

Frec

uenc

ia (%

)

Diámetro (nm)

a) c)

Resultados y Discusión

164

Figura 5.48. Imagen TEM de una nanofibra bicomponente PAM-co-DiHexAM/Ag//PVA. El estudio de la interacción de las AgNps con la matriz bicomponente, fue efectuado mediante un análisis por XPS. La Tabla 5.10 y muestra los valores de las energías de enlace para C 1s, N 1s, O 1s y Ag 3d de las nanofibras bicomponentes CPA-F/Ag®//PVA. Diferentes mezclas entre el copolímero CPA2-F y el PVA no lograron ser electrohilados, debido a problemas relacionados con la alta tensión superficial en la solución, donde la adición de surfactantes y sales para la solucionar dicho problema, podrían haber interferido en el análisis por XPS. Lo expuesto anteriormente, derivó en la utilización de nanofibras de PVA como punto de comparación, dado que la mezcla bicomponente esta constituida por un 60% de este polímero. Los espectros de XPS de dichas nanofibras, son mostradas en la Figura 5.49, donde todos los picos fueron referenciados a la línea del C 1s a 284.6 eV [44].

Resultados y Discusión

165

Tabla 5.10. Valores de las energías de enlace de las nanofibras de PVA y bicomponentes CPA-F/Ag®//PVA.

Muestra Ambiente elemental Energía De enlace (eV) Area (%)

PVA C 1s (C-C/C-H) 284.60 42.90 C 1s (C-OH) 286.00 57.10 O 1s 532.00 100

CPA-F/Ag®//PVA C 1s (C-C/C-H) 284.50 29.01 C 1s (C-OH) 285.50 33.24 C 1s (C-N) 286.40 12.57 C 1s (C=O) 288.40 13.70 C 1s (Absorción) 283.20 11.48 N 1s (Libre) 400.16 77.44 N 1s (Coordinado) 399.36 22.57 O 1s (C-O) 531.97 50.34 O 1s (C=O) Libre 531.01 42.18 O 1s (Óxido) 529.61 7.48 Ag 3d5/2 368.40 - Ag 3d3/2 374.16 -

El espectro XPS de las nanofibras de PVA para el C 1s fue deconvolucionado en dos picos (Figura 5.49a): Un pico a 284.60 eV correspondiente al enlace C-C/C-H y un componente a 286.00 eV correspondiente al enlace C-OH [45]. En una unidad repetitiva del polímero PVA, el número de enlaces C-C/C-H se encuentran en una relación 2:1 respecto a los enlaces C-OH, sin embargo, los porcentajes obtenidos del análisis de XPS indican que estos últimos se encuentran en un porcentaje mayor con respecto a los enlaces C-C/C-H (57.10% y 42.90% respectivamente), lo cual indica entonces que estos enlaces se encuentran mayormente sobre la superficie de las nanofibras. Lo expuesto anteriormente, coincide con las observaciones efectuadas por Hwa Hong para nanofibras de PVA conteniendo AgNps [33], en las que dichas nanopartículas eran formadas principalmente en la superficie de las nanofibras, debido a la gran cantidad de grupos –OH sobre la superficie de estas.

Resultados y Discusión

166

Figura 5.49. Espectros XPS para nanofibras de PVA (a,c). a) C 1s. c) O 1s. Espectros XPS para nanofibras bicomponentes (b,d-f). b) C 1s. d) O 1s. e) N 1s. f) Ag 3d.

278 280 282 284 286 288 290 292 294

Energía de enlace (eV)278 280 282 284 286 288 290 292 294

Energía de enlace (eV)

524 526 528 530 532 534 536 538 540

Energía de enlace (eV)524 526 528 530 532 534 536 538 540

Energía de enlace (eV)

392 394 396 398 400 402 404 406 408

Energía de enlace (eV)364 366 368 370 372 374 376 378 380 382

Energía de enlace (eV)

Ag 3d5/2

Ag 3d3/2

a) b)

c) d)

e) f)

Resultados y Discusión

167

Para el caso de las nanofibras bicomponentes, el espectro XPS del C 1s tuvo que ser deconvolucionado en cinco picos (Figura 5.49b): Los picos a 284.50, 285.50, 286.40 y 288.40 eV corresponden a los enlaces C-C/C-H, C-OH, C-N, C=O respectivamente, mientras que un pico a 283.2 eV es necesario para obtener el mejor ajuste al pico C 1s, El cual es atribuido a la absorción de cadenas hidrófobas del tipo –CH2- sobre la superficie de las AgNps, tal y como se había explicado con anterioridad. Por otro lado, el espectro XPS para O 1s es mostrado en la Figura 5.49d, el cual fue necesario deconvolucionarlo en tres picos: Un pico máximo central ubicado en 531.97 eV perteneciente al enlace C-OH, de acuerdo al espectro O 1s para el PVA (Figura 5.49c), un pico a 531.01 eV atribuido al enlace C=O y un pequeño pico a 529.61 eV. Este último sugiere de igual manera la formación de una capa de Ag2O/AgO en la superficie de la nanopartícula. Un análisis cuantitativo para el espectro O 1s mostró que el 7.48% de los enlaces del oxígeno corresponden al Ag2O/AgO, el cual coincide con el obtenido para las fibras del nanocompuesto CPA-F/Ag®. De igual forma, el espectro de XPS para N 1s fue necesario deconvolucionarlo en dos picos (Figura 5.49e): Un pico máximo central ubicado a 400.16 eV debido al nitrógeno del grupo amida, y un pequeño pico a 399.36 eV, el cual de igual manera sugiere una interacción entre la superficie de la nanopartícula de plata y el grupo amida. El análisis cuantitativo para el espectro XPS del N 1s, muestra que el 22.57% de los grupos amida se encuentran coordinados con las nanopartículas de plata. Este porcentaje de interacción es ligeramente menor al encontrado para las nanofibras del nanocompuesto CPA-F/Ag®, lo cual indica entonces que el PVA interfiere en la interacción de las nanopartículas con estos grupos; sin embargo, un análisis del espectro C 1s muestra que el porcentaje de interacción entre los grupos hidrófobos (-(C6H13)2) y las AgNps incrementa ligeramente en comparación con la del nanocompuesto CPA-F/Ag®, sugiriendo entonces una mayor interacción de la nanopartícula con estos grupos hidrófobos. El espectro XPS a nivel del núcleo para Ag 3d de las nanofibras bicomponentes, es mostrado en la Figura 5.49f. El doblete Ag 3d es identificado a 368.4 y 374.16 eV para Ag 3d5/2 y Ag 3d3/2 respectivamente. De igual manera que para las nanofibras del nanocompuesto CPA-F/Ag®, se presenta un desplazamiento negativo en relación con las AgNps con diámetro promedio de 12 nm (368.8 eV para Ag 3d5/2 y 374.9 eV para Ag 3d3/2) [41], pero más alto que los valores de las energías de enlace para Ag2O (367.5 eV para Ag 3d5/2 y 373.5 eV para Ag 3d3/2) [42], indicando que el pico a 529.61 eV del espectro de O 1s, corresponde solamente una fracción de las AgNps que se encuentran recubiertas de esta capa de óxido [43], la cual podría corresponder a nanopartículas menores a los 5-6 nm.

Resultados y Discusión

168

De igual manera, el desplazamiento negativo observado para el doblete Ag 3d, en relación a las energías de enlace para las AgNps con diámetro promedio de 12 nm, sugieren que las AgNps actúan como aceptores de los electrones libres de las amidas (-CONH2, -CON(C6H13)) formando un enlace coordinado. A pesar de la existencia de una gran cantidad de grupos carbonilos en la formulación de la nanofibra bicomponente, las interacciones entre las AgNps y el nitrógeno de las amidas, siguen siendo mucho más fuertes que las interacciones con el oxígeno del grupo carbonilo. De manera adicional, cabe mencionar que tanto las nanofibras del nanocompuesto (CPA-F/Ag®) como las bicomponentes (CPA-F/Ag®//PVA) no mostraron la presencia de sulfuro de plata (Ag2S) por medio de un análisis por XPS, en comparación con algunos reportes sobre la síntesis y estabilización de AgNps con PVP [42], lo cual nos da la idea sobre la buena estabilidad química de las AgNps embebidas en la matriz del copolímero asociativo. 5.4.3- Entrecruzamiento de nanofibras bicomponentes 5.4.3.1- DAS Nanofibras bicomponentes conteniendo diferentes concentraciones de DAS, fueron preparadas bajo las condiciones óptimas de operación encontradas en la sección anterior. En la Figura 5.50 se muestra una imagen SEM de las nanofibras entrecruzadas bajo irradiación UV, en la que es posible apreciar como los defectos o nudos aparecen cuando se utiliza una concentración por arriba del 2%, debido al incremento en la conductividad de la solución como consecuencia del incremento en la concentración de DAS [46]. Para todos los casos, las nanofibras entrecruzadas presentaron una pérdida total de la morfología una vez que estas estuvieron en contacto con agua fría durante 48 horas (Figura 5.51), además de experimentar una fragmentación ó ruptura de la muestra. Una de las posibles razones que pudieran explicar lo expuesto anteriormente, podría deberse a la insuficiente cantidad de DAS en las nanofibras. En contraste, Ignatova y col. [46] utilizaron este mismo agente entrecruzante en nanofibras de PEO-PVP con una concentración del 3% en peso de polímero, obteniendo resultados satisfactorios. Lo anterior sugiere que reacciones secundarias podrían haberse involucrado durante el proceso de entrecruzamiento, las cuales hayan provocado una reducción considerablemente en la eficiencia del DAS en nuestro sistema.

Resultados y Discusión

169

Figura 5.50. Imagen SEM de nanofibras bicomponentes entrecruzadas con diferentes concentraciones de DAS, después de 8 horas de irradiación UV. a) 0%. b) 1%. c) 2%. d) 3%.

Figura 5.51. Imagen SEM de nanofibras bicomponentes entrecruzadas con 3% de DAS, después de 48 horas de exposición en agua fría.

a) b)

c) d)

Resultados y Discusión

170

Basados en las reacciones secundarias reportadas para el DAS, las cuales interfieren en la reacción de entrecruzamiento (Figura 5.52), atribuimos como principal responsable de estas reacciones secundarias, al oxígeno presente entre los espacios de las nanofibras.

Figura 5.52. Reacciones secundarias del DAS. Fuente: [47] 5.4.3.2- Genipin Para el caso de las nanofibras bicomponentes utilizando el método de doble entrecruzamiento Genipin-metanol, se observó que las nanofibras conteniendo una concentración menor a 50 mM de Genipin, eran fragmentadas o en algunos casos disueltas al entrar en contacto con agua fría, por lo que se asumió que una concentración de 50 mM era la mínima necesaria para entrecruzar la matriz asociativa CPA-F. Un análisis por IR de las nanofibras después del proceso de entrecruzamiento a 60 °C y previo al entrecruzamiento con metanol (Figura 5.53), mostraron un desplazamiento y una disminución en la intensidad de las vibraciones de flexión de la banda de las amidas de 1616 cm-1 a 1626 cm-1, al igual que modificaciones en las vibraciones de estiramiento del enlace C-N del grupo C-N-H a 1417 cm-1, lo cual sugiere una modificación química de estos grupos como producto de las reacciones de entrecruzamiento mostradas en la Sección 4.4.3.

Resultados y Discusión

171

800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

76

78

80

82

84

86

88

90

92

94

96

98

100

102Tr

ansm

itanc

ia (%

)

Longitud de onda (cm-1)

0 mM 50 mM

Figura 5.53. Comparación de los espectros de IR entre las nanofibras bicomponentes sin entrecruzar y las entrecruzadas con Genipin a 60 °C. En la Figura 5.54 se muestra una imagen SEM de las nanofibras bicomponentes resultantes de la aplicación del método de “doble entrecruzamiento”, utilizando una concentración de Genipin de 50 mM. La morfología presentada por estas nanofibras, es bastante similar a la mostrada por las nanofibras de PVA después de entrecruzarlas con metanol, en gran parte debido a que más del 50% de las nanofibras están compuestas por PVA. Una vez que las nanofibras fueron expuestas en agua fría por 48 horas, hubieron ciertos sectores que conservan de modo intacto la morfología inicial (Figura 5.55), sin embargo, la muestra de la nanofibra permanece sin mostrar rasgos de fragmentación o ruptura, a diferencia de las nanofibras entrecruzadas con DAS.

Resultados y Discusión

172

Figura 5.54. Imagen SEM de nanofibras bicomponentes entrecruzadas utilizando el método de doble entrecruzamiento Genipin-Metanol.

Figura 5.55. Imagen SEM de nanofibras bicomponentes entrecruzadas utilizando el método de “doble entrecruzamiento” Genipin-Metanol, después de 48 horas de exposición en agua fría. Los resultados obtenidos, demuestran una aceptable actividad como agente entrecruzante de las nanofibras bicomponentes, en comparación con las obtenidas con DAS, por lo que para la ejecución de las pruebas antimicrobianas expuestas en la siguiente sección, se utilizaron nanofibras bicomponentes entrecruzadas con este método en cuestión. Cabe mencionar, que la utilización de Genipin como agente entrecruzante de nanofibras, no ha sido reportado hasta la fecha.

Resultados y Discusión

173

5.4.4- Actividad antimicrobiana y antifúngica de las nanofibras bicomponentes. La habilidad de las nanofibras bicomponentes para inhibir el crecimiento de la cepa Escherichia coli (como modelo de bacteria Gram-negativa) y Staphylococcus aureus (como modelo de bacteria Gram-positiva) se muestra en la Tabla 5.11. El porcentaje de inhibición es mayor contra la bacteria Escherichia coli (99.9%) que para la bacteria Staphylococcus aureus (85%), lo cual es atribuido a diferencias en la composición de la membrana celular entre las bacterias Gram-positivas y Gram-negativas. La actividad antimicrobiana de las AgNps, radica en las interacciones con la membrana celular de las bacterias. Se conoce que la membrana celular de las bacterias Gram-negativas poseen una capa flexible de lipopolisacáridos en su exterior, los cuales se componen de enlaces covalentes entre lípidos y polisacáridos, donde las cargas negativas de las cadenas lipopolisacáridas atraen a las cargas positivas débiles de la superficie de las AgNps. Por otro lado, la membrana celular de las bacterias Gram-positivas esta constituida principalmente de una capa gruesa de peptidoglican (20-80 nm), compuesta de cadenas lineales de polisacáridos entrecruzadas, las cuales forman una estructura rígida tridimensional que disminuyen el número de sitios de anclaje de las AgNps y su penetración en la pared celular [25]. Tabla 5.11. Eficiencia antibacteriana de las nanofibras bicomponentes contra la bacteria E. coli y S. aureus.

Bacteria Muestra UFC iniciales

UFC después de 24 h. R %I

E. coli ATCC-25922 PVA 1.1 x 105 0.9 x 105 0.09 18.2 Bicomponente 1.1 x 105 0 4.85 99.9

S. aureus ATCC-29213 PVA 1.3 x 105 1.2 x 105 - - Bicomponente 1.3 x 105 0.2 x 105 0.8 83

La actividad antimicrobiana de nanofibras conteniendo AgNps reportadas en la literatura, muestran un %I para la bacteria S. aureus por arriba del 95%, sin embargo, el mecanismo de actividad antimicrobiana de estos materiales, se basa en la liberación prolongada de la plata en su forma iónica y metálica tal y como fue expuesto con anterioridad. En nuestro caso, las AgNps mantiene una fuerte interacción con la matriz bicomponente, la cual previene que estas sean liberadas, por lo que estas podrían presentar una cierta dificultad para interactuar con la pared celular de las bacterias Gram-positiva, debido a que su movilidad está impedida.

Resultados y Discusión

174

Lo expuesto anteriormente, lo podemos soportar con los resultados obtenidos de la determinación de las CMI y CMB del nanocompuesto CPA2-F/Ag® (Sección 5.2.3 de este capítulo), donde las AgNps al estar en solución acuosa, presentan una mayor movilidad y facilidad para interactuar con los grupos funcionales de las membranas celulares de ambas bacterias. Por otro lado, las nanopartículas de plata mostraron una aceptable acción antifúngica contra la cepa Aspergillus Niger ATCC-6275 a nivel de esporas, con un 66% de inhibición al crecimiento de este microorganismo. El mecanismo y la acción antifúngica de las AgNps no han sido estudiados hasta el momento, sin embargo, pensamos que dicha actividad podría estar relacionada con el mecanismo de acción antimicrobiana descrito anteriormente. Se concoce que la pared celular del Aspergillus niger está constituida de una capa de carbohidratos con carga neutral (73-83%), hexosamina (9-13%), lípidos (2-7%), proteínas (0.5-2.5%) y fósforo (< 0.1%) [48]. De lo anterior se deriva que el bajo %I obtenido, puede deberse a la falta de carga negativa en las cadenas de los carbohidratos así como la pequeña cantidad de proteínas, las cuales limitan el número de sitios de interacción con la superficie de las nanopartículas, tal y como sucede para la interacción entre estas y las bacterias Gram-positivas. En resumen, la implementación de un estudio sistemático utilizando una matriz ortogonal, nos llevó a determinar las condiciones óptimas de operación para la obtención de nanofibras bicomponentes con morfología de listón con el menor número de defectos posibles. La utilización de un doble método de entrecruzamiento Genipin-Metanol, resultó ser mas efectivo que el método por fotoentrecruzamiento con DAS. Una caracterización por XPS de las nanofibras bicomponetes con propiedades antimicrobianas, nos reveló que las interacciones entre las AgNps y el nitrógeno del grupo amida del copolímero, son mucho más fuertes que las interacciones con el grupo carbonilo del PVA. Esto último, soporta el carácter indisoluble de las AgNps, observado para con la matriz del copolímero asociativo, respondiendo de esta manera a las necesidades actuales descritas en el arte previo. La utilización de polímeros con segmentos de grupos amidas disustituidas con grupos hidrófobos, promueven una interacción indisoluble con la superficie de las nanopartículas de plata, lo cual podría despertar el interés en la comunidad científica, para el desarrollo de nuevos nanocompuestos antimicrobianos seguros y eficientes.

Resultados y Discusión

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Conclusiones

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Conclusiones Habiendo expuesto y discutido los resultados de esta investigación, se concluye principalmente lo siguiente:

1. El monómero hidrófobo DiHexAM presenta un capacidad fotoreductora en la síntesis de AgNps con morfología triangular y cuasiesférica dependiendo de la longitud de onda de irradiación, tras un período de envejecimiento de 6 meses; y una capacidad químico-reductora en la síntesis de AgNps con morfología decahedral independiente de la longitud de onda de irradiación, tras un período de envejecimiento mayor a 6 meses.

2. El copolímero asociativo poli(AM-co-DiHexAM) presentó propiedades

reductoras-estabilizadoras en la síntesis de AgNps. 3. El nanocompuesto poli(AM-co-DiHexAM)/Ag presentó propiedades

antimicrobianas contra la bacteria E. coli ATCC-25922 y S. aureus ATCC-29213.

4. El nanocompuesto obtenido actúa como modificador reológico del PVA,

induciendo a una morfología tipo listón en el proceso de electrohilado.

5. La fuerte interacción de las AgNps mediante la coordinación con los átomos de nitrógeno del grupo amida, así como la posible interacción con el oxigeno y los segmentos hidrófobos de la amida terciaria del copolímero asociativo, le confieren la propiedad indisoluble.

6. Las nanofibras bicomponentes conteniendo AgNps, fueron

satisfactoriamente entrecruzadas utilizando Genipin como entrecruzante natural, las cuales a su vez presentaron una actividad contra la bacteria E. coli ATCC-25922 y S. aureus ATCC-29213 y el hongo A. niger ATCC-6275 a nivel de esporas.