Estructura de la celulosa
La celulosa es un compuesto orgánico con la fórmula (C6H10O5)n, un polisacárido que consiste en una cadena lineal de varios cientos a muchos miles de unidades de β(1→4) D-glucosa enlazadas[3][4] La celulosa es un importante componente estructural de la pared celular primaria de las plantas verdes, muchas formas de algas y los oomicetos. Algunas especies de bacterias la segregan para formar biopelículas[5]. La celulosa es el polímero orgánico más abundante en la Tierra[6]. El contenido de celulosa de la fibra de algodón es del 90%, el de la madera es del 40-50% y el del cáñamo seco es aproximadamente del 57%[7][8][9].
La celulosa se utiliza principalmente para producir cartón y papel. En menores cantidades se convierte en una gran variedad de productos derivados, como el celofán y el rayón. La conversión de la celulosa de los cultivos energéticos en biocombustibles, como el etanol celulósico, se está desarrollando como fuente de combustible renovable. La celulosa para uso industrial se obtiene principalmente de la pulpa de madera y del algodón[6].
Algunos animales, en particular los rumiantes y las termitas, pueden digerir la celulosa con la ayuda de microorganismos simbióticos que viven en sus intestinos, como el Trichonympha. En la alimentación humana, la celulosa es un constituyente no digerible de la fibra dietética insoluble, que actúa como agente de volumen hidrófilo para las heces y puede ayudar a la defecación.
Monómero de celulosa
IntroducciónLa creciente demanda de materiales de base biológica está ganando más atención para aplicaciones inmediatas en campos biomédicos como la ingeniería de tejidos, la curación de heridas y la administración de fármacos. Los polisacáridos, moléculas biopoliméricas de carbohidratos de cadena larga compuestas principalmente por unidades de monosacáridos, son materiales de base biológica que combinan un inmenso potencial en aplicaciones biomédicas con las características beneficiosas únicas de los polímeros naturales en contraste con los polímeros sintéticos. Entre varios tipos de polisacáridos, la celulosa y la quitina son los biopolímeros naturales más importantes por su amplia distribución en la naturaleza. La celulosa se sintetiza principalmente en la madera y las plantas, mientras que la quitina se obtiene de animales inferiores (Barikani et al. 2014; Moon et al. 2011). En este artículo de revisión, nos centramos en las características, métodos de preparación y aplicación de la celulosa y sus derivados en el campo biomédico.
La celulosa es un polímero natural no ramificado compuesto por unidades repetidas de glucosa (C6H10O5)n (French 2017), y está considerada como la materia orgánica y el polisacárido más profuso de la Tierra. Este polímero biodegradable se encuentra principalmente en la naturaleza en forma de microfibrillas en las paredes celulares de la madera y las plantas, los tejidos de las algas y la membrana de las células epidérmicas de los tunicados. También lo sintetizan las bacterias en forma de redes de nanofibras. Los materiales celulósicos explotan un diseño de estructura jerárquica que abarca desde la nanoescala hasta las dimensiones macroscópicas en forma de agregados de fibrillas, fibrillas, nanocristalitos y dominios desordenados a nanoescala (Fig. 1a,b). La celulosa presenta una intrincada estructura multinivel, formada por haces/agregados de fibrillas superfinas. La fibrilla superfina contiene varias cadenas de celulosa (Fig. 1a). Cada fibrilla se compone de la repetición de grandes dominios ordenados (cristalinos) y de pequeños dominios desordenados (amorfos) con una dimensión transversal que oscila entre 2 y 20 nm, dependiendo de la fuente de síntesis (Fig. 1b) (Ioelovich 2008). Una sola cadena de celulosa atraviesa muchos dominios cristalinos y desordenados, mientras que fuertes enlaces β 1 → 4 glicosídicos unen unidades de cadena de celulosa individuales. Las cadenas de celulosa están notablemente alineadas en el dominio cristalino de una fibrilla de celulosa (Klemm et al. 2018, 2011).
La celulosa se compone de
En los últimos años, la preocupación medioambiental global por la excesiva dependencia de nuestra sociedad de los plásticos derivados del petróleo ha estimulado una creciente demanda de sustitutos verdes y biodegradables. Por ello, la búsqueda de los materiales más adecuados para diversas aplicaciones de bioingeniería y a granel está ganando cada vez más protagonismo en la investigación. En este sentido, los biomateriales naturales han atraído mucha atención como materiales potenciales para abordar eficazmente los retos de la sostenibilidad y la seguridad medioambiental. Sin embargo, estos biomateriales deben cumplir ciertos requisitos clave, como tener propiedades ajustables, ser producidos en cantidades comerciales y ser asequibles y fácilmente disponibles. Los avances en la ciencia de los materiales y la biotecnología han introducido nuevos y mejores métodos de fabricación, procesamiento y funcionalización de biomateriales para aplicaciones a medida [1].
La celulosa, un candidato viable a biomaterial, es el polímero natural más abundante en la tierra y se encuentra predominantemente en las plantas [2]. Los microorganismos también producen cierta cantidad de celulosa, en particular las bacterias productoras de ácido acético. Este tipo de celulosa se denomina comúnmente celulosa microbiana o bacteriana (BC). La celulosa bacteriana es un tipo de biomaterial que se extruye de forma única en forma de nanofibrillas por fábricas de células individuales microscópicas en un medio de cultivo especializado. Estas nanofibrillas de BC son cien veces más finas que sus homólogas de las plantas, lo que supone una mayor relación superficie-volumen, que a su vez confiere a la BC propiedades superabsorbentes. La celulosa bacteriana es un polímero cristalino que existe como una red tridimensional altamente porosa. Curiosamente, estas nanofibrillas pueden convertirse en macrofibrillas dependiendo de la aplicación de interés [2]. Las macrofibras de BC se caracterizan por su alta resistencia a la tracción y su rigidez, que pueden superar a las del acero [1].
Acetato de celulosa
La mezcla de polímeros naturales con sintéticos para preparar materiales es una forma atractiva de disminuir la cantidad de polímeros derivados del petróleo en los materiales plásticos básicos, aumentando al mismo tiempo su biodegradabilidad. El proyecto BIOBLEND tiene como objetivo preparar compatibilizadores para estabilizar dichas mezclas poliméricas. Normalmente, un compatibilizador debe presentar similitudes estructurales con las dos especies que se van a mezclar, pero no necesariamente del mismo tamaño. En consecuencia, para preparar mezclas estables de celulosa y poliestireno, proponemos injertar segmentos de poliestireno en polisacáridos que sean miscibles con la celulosa pero que posean una estructura menos compleja. Para preparar estos copolímeros, hay que desarrollar tanto un protocolo de síntesis como procedimientos analíticos adecuados. El objetivo final de este proyecto fundamental es racionalizar el diseño de estos compatibilizadores copoliméricos mediante la comprensión de las relaciones entre su estructura y su capacidad para estabilizar la celulosa/poliestireno, para una producción sostenible de materiales de origen biológico.