Arquitectura biomolecular vía catalizadores tipo Escorpión

Los catalizadores son moléculas que actúan disminuyendo las barreras de activación de las reacciones químicas, y frecuentemente, dirigiendo una determinada reacción hacia la obtención de un producto de alto valor añadido. Más de un 80% de los productos químicos manufacturados se obtienen mediante procesos en los que, al menos una etapa, precisa de un proceso de catálisis molecular. Los catalizadores son, por tanto, una de las formas más importantes de minimizar  el consumo de energía, así como costes de operación a nivel industrial.

La catálisis molecular también es esencial para la producción de materiales poliméricos. El ejemplo más representativo lo encabezan las poliolefinas, materiales derivados de combustibles fósiles como el petróleo. Se estima que entorno a 70-80 millones de toneladas se producen anualmente en todo el mundo. Sin embargo, existen consecuencias a largo plazo en cuanto a su uso, como son los riesgos ecológicos dada la escasa biodegradabilidad que presentan sus polímeros, así como la sostenibilidad del proceso debido a la limitación de recursos derivados del petróleo.
Una alternativa a este problema la constituyen los poliésteres alifáticos, los cuales se obtienen mediante un proceso de catálisis molecular que utiliza lactonas tales como la caprolactona y un derivado del ácido láctico, “lactide”.

Concretamente el lactide es un recurso natural, anualmente renovable, proveniente de la fermentación de la biomasa, es decir, de fuentes altamente enriquecidas en almidón, tales como maíz, trigo, patata o azúcar de remolacha. Dada la no toxicidad y la biocompatibilidad que presentan los poli-lactides (PLAs) con el tejido vivo, es importante que los catalizadores utilizados para su obtención posean un metal biológicamente benigno, ya que en ocasiones trazas del catalizador se incorporan al polímero. Este hecho ha impulsado el uso de metales biocompatibles tales como magnesio, calcio y zinc, todos ellos presentes en el cuerpo humano.

Así pues, estos biomateriales poliméricos derivados del ácido láctico han encontrado numerosas aplicaciones médicas relacionadas principalmente con  la ingeniería de tejidos cardíacos, transporte de medicamentos y como dispositivos de fijación interna biodegradables y reabsorbibles, para reparar fracturas de huesos pequeños de pies y manos, y de articulaciones como muñecas y tobillos. Estas fijaciones ortopédicas se asimilan de forma natural por el cuerpo humano, donde los polímeros se metabolizan progresivamente transfiriendo su masa al hueso roto para facilitar su regeneración, al mismo tiempo que elimina la necesidad de una segunda intervención.
Paralelamente, en la actualidad los PLAs están siendo también objeto de estudio como elemento base en multitud de productos manufacturados ya que presentan muchas propiedades similares y en ocasiones superiores a los polímeros tradicionales derivados de las bioresistentes poli(-olefinas), con el beneficio añadido de la biodegradabilidad. Mientras que el coste de la producción de estos materiales ha sido considerado anteriormente como “prohibitivo”, los recientes avances en producción y tratamiento han catapultado esta clase de polímeros a posiciones de mercado muy competitivas. Uno de los ejemplos más recientes y relevantes como resultado de esta expansión, lo representa la aventura conjunta iniciada por la Cargill. Inc., y The Dow Chemical Co., que anunciaron ya en 2001 la producción de más de 125.000 toneladas de PLAs por año. A nivel nacional también conviene destacar que la compañía Sphere Group Spain, S.L. actualmente produce distintos tipos de bolsas biodegradables (tipo camiseta, que se dispensan en los supermercados, o bolsas tipo boutique) a partir de almidón de patata.

Resulta pues, evidente, el creciente interés dentro de la comunidad científica a la hora de diseñar catalizadores capaces de producir este tipo de biomateriales con microestructuras bien definidas, dado que ello determinará las propiedades mecánicas, biodegradabilidad, y en definitiva, el uso final del material. En esta línea, el grupo de investigación de la URJC compuesto por los doctores Andrés Garcés, Carlos Alonso y liderado por el doctor Luis Fernando Sánchez-Barba, en colaboración con la UCLM, recientemente han desarrollado unas familias de catalizadores de magnesio y zinc estabilizados con un tipo de molécula denominada “escorpinato”, las cuales recuerdan la picadura de un escorpión en su coordinación a un centro metálico.

Estas nuevas especies son capaces de polimerizar lactonas de manera controlada, siendo altamente activas ya que llegan a alcanzar productividades de 21.000 Kg de polímero por mol de Mg y hora, a temperatura ambiente, lo cual despierta un gran interés debido a su potencial industrial. Al mismo tiempo, la polimerización con lactide da lugar a polímeros altamente cristalinos, con elevadas temperaturas de fusión (165ºC). El elevado nivel de control proporcionado por este tipo de catalizadores definitivamente lo pone de manifiesto su comportamiento “vivo e inmortal”, ya que son capaces de incorporar lactona a la cadena de manera progresiva y lo hacen hasta que se agote la misma. Por otro lado, los iniciadores de zinc ofrecen la posibilidad de controlar espacialmente el crecimiento de la microestructura del PLA dada la influencia que el ligando escorpionato ejerce durante el proceso de propagación de la cadena, lo cual permite modular sus futuras aplicaciones.

Estos estudios aparecen publicados en tres artículos de los últimos números de las revistas de la Sociedad Americana de Química (ACS), Inorganic Chemistry y Organometallics.