Mecanismos de biodegradación de polímero

El medio fisiológico

En teoría los materiales poliméricos tienen una importante ventaja sobre los metales o cerámicas en el campo de aplicaciones biomédicas, ya que el medio fisiológico extracelular (solución salina isotónica) es extremadamente hostil para los metales, pero afecta relativamente poco a la degradación de polímeros sintéticos de elevado peso molecular. A pesar de ello, la mayor parte de los sistemas poliméricos conocidos sonsusceptibles de degradación en condiciones más o menos severas, que pueden variar sustancialmente de unos sistemas a otros. De forma general se pueden considerar dos tipos de procesos:

Aquellos que se inician mediante la absorción de algún tipo de energía, lo que origina el desarrollo y propagación de la degradación molecular mediante reacciones secundarias.

Mecanismos puramente hidrolíticos que dan lugar a la fragmentación de las cadenas macromoleculares, lo que normalmente ocurre con polímeros portadores de heteroátomos en la cadena principal, de tal forma que en varios sistemas se puede considerar como el proceso inverso a una policondensación.

Las condiciones ambientales para que se produzcan procesos catalogados en el primer grupo incluyen, temperaturas elevadas especialmente en presencia de oxígeno para dar lugar a procesos termooxidativos, radiaciones electromagnéticas, tensiones mecánicas a elevadas temperaturas y vibraciones ultrasónicas. Lógicamente el entorno del medio fisiológico del organismo humano no ofrece ninguna de estas condiciones que puedan afectar a un sistema polimérico implantado.

Sin embargo, el medio fisiológico humano reúne las condiciones apropiadas para que se puedan producir con facilidad procesos hidrolíticos. Para ello el polímero debe poseer enlaces hidrolíticamente inestables, debe ser hidrofílico para que el proceso biodegradativo se produzca en un tiempo razonable y la hidrólisis se debe poder realizar en condiciones de pH fisiológico (entre 7 y 7.4).

De forma general, en el organismo la biodegradación tiene lugar por vía hidrolítica y normalmente se completa con procesos enzimáticos. De esta forma, en el desarrollo de nuevos materiales es muy importante estudiar independientemente la resistencia a los distintos tipos de medios. De esta forma, los agentes biodegradativos más comunes en el organismo humano son: agua, sales (aniones y cationes), pH del medio fisiológico y agentes enzimáticos.

Proceso de biodegradación

Como se ha citado con anterioridad, los materiales biodegradables con aplicaciones en medicina, una vez implantados deben mantener sus propiedades mecánicas hasta que hayan cumplido su función para, a partir de entonces, ser absorbidos y excretados por el organismo sin dejar trazas. Una simple hidrólisis química de los enlaces lábiles de las cadenas poliméricas es el mecanismo predominante de la degradación. Este proceso ocurre en dos fases. En la primera fase, el agua penetra en el material, atacando a los enlaces químicos de la fase amorfa y convirtiendo las cadenas poliméricas largas en fragmentos más cortos solubles en agua. Debido a que este fenómeno ocurre inicialmente en la fase amorfa, hay una reducción en el peso molecular pero sin producirse pérdidas en las propiedades físicas, ya que la matriz del material está soportada aún por las regiones cristalinas. La reducción del peso molecular es seguida por la pérdida de las propiedades físicas, mientras el agua continua fragmentando el material. En la segunda fase tiene lugar el ataque enzimático y la metabolización de los fragmentos, resultando en una rápida pérdida de la masa del polímero. Este tipo de degradación – en la que la velocidad con que el agua penetra en el material excede aquella en la cual el polímero es convertido en fragmentos solubles en agua - se llama erosión bulk. Todos los biomateriales comercialmente disponibles se degradan por este proceso.

Un segundo tipo de biodegradación, conocida como erosión superficial, ocurre cuando la velocidad a la que el agua penetra en el material es menor que la velocidad de conversión del polímero en fragmentos solubles. Este ataque superficial tiene como consecuencia la reducción del espesor del material. Los polianhidridos y los poliortoésteres son ejemplos de materiales que experimentan este tipo de biodegradación. En general, este proceso es conocido como bioerosión más que como biodegradación.

C.4.4.3 Factores que influyen en la degradación

De forma general, los factores que influyen en la velocidad de degradación son:

Condiciones del medio: temperatura, humedad, pH.

Características del polímero: presencia de enlaces químicos susceptibles a la hidrólisis, hidroficilicidad, estereoquímica, peso molecular, superficie específica, temperatura de transición vítrea y de fusión, presencia de monómero residual o aditivos, distribución de la secuencia.

Características de los microorganismos: cantidad, variedad, fuente, actividad.