martes, 26 de febrero de 2019

Agujetas y plásticos biodegradables

Los amigos de Maldita Ciencia, cuya web os recomiendo, recordaban la semana pasada que, en contra de lo que se ha dicho (y enseñado en las escuelas), las llamadas agujetas, ese punzante dolor muscular que aparece tras la realización de un esfuerzo acusado, y generalmente inusual, no están causadas por cristales acerados de ácido láctico que se clavan en nuestros músculos. Lo cual no implica que no se produzca ácido láctico durante los ejercicios violentos o inusuales. En la generación de un esfuerzo, nuestro organismo quema ese combustible a nuestro alcance, tantas veces mencionado en este Blog, la glucosa, produciendo en esa combustión anhídrido carbónico (CO2) y agua. Pero, como en toda combustión, se necesita la presencia del oxígeno. Para conseguirlo durante el esfuerzo, el organismo necesita asegurarse una buena oxigenación. Si el esfuerzo es muy importante, muy prolongado o no estamos bien entrenados para ello, el aporte de oxígeno no es el adecuado y la glucosa no se quema eficientemente.

En lugar de ello, en presencia de esa atmósfera sin el oxígeno necesario, la glucosa sufre una serie de reacciones químicas que mediante la formación de un intermedio, el ácido pirúvico, conduce finalmente a la formación de ácido láctico. Pero hoy parece probado que la mayor parte del ácido láctico generado acaba transformándose en lactato, con lo que la concentración real de aquel es baja y no daría lugar a suficientes agujas cristalinas como para hacernos ver las estrellas. Y la sensación de dolor se debería más a pequeñas roturas de fibras musculares. Pero esto se escapa a las capacidades de este vuestro Búho, aunque leer sobre estas cosas en la web de Maldita Ciencia, me ha recordado una vieja entrada de los inicios del Blog que creo que ha llegado el tiempo de actualizar.

En determinadas ocasiones y en relación con el bombardeo que estamos sufriendo en los medios en torno a la presencia de basura de plásticos en todo nuestro entorno, y particularmente en el mar, se postula como posible alternativa la sustitución de los plásticos convencionales por plásticos con la etiqueta "bio". Ya he alertado aquí en varias ocasiones que hay que tener cuidado con el término. Hoy se emplea el prefijo bio para designar plásticos que provienen de fuentes de biomasa renovables pero, en algunos de los casos, una vez transformadas en un plástico, éste es exactamente igual que el obtenido a partir de derivados de petróleo. El caso más significativo es el polietileno de las bolsas de basura y otros usos. Para producirlo necesitamos etileno, un gas que puede extraerse de plantas de petroquímica o de biomasa como la caña de azúcar. Pero una vez polimerizado para obtener el polietileno, éste es exactamente igual venga de donde venga y el problema de su existencia como basura es idéntico. La solución mas aceptable (aunque no exenta de problemas) es que el polímero obtenido de fuentes renovables, una vez utilizado, se degrade totalmente en el ambiente para dar solo CO2 y agua. Son los llamados plásticos biodegradables. Y de uno de ellos, que tiene que ver con las agujetas, va esta entrada de largo preámbulo.

El ácido láctico presente en la naturaleza se produce generalmente mediante procesos de fermentación de sustratos ricos en glucosa, lactosa o polisacáridos, merced al concurso de microorganismos como la bacteria Bacillus acidilacti. Como tal ácido láctico está presente en la leche y otros derivados lácteos y se usa también, en otros productos alimenticios, como sustancia capaz de regular el pH (su código en estos usos es E-270). Pero donde adquiere mucho mayor valor añadido es en el ámbito de la cosmética, donde junto con un "primo", el ácido glicólico, se emplea para paliar el paso del tiempo en nuestro físico. Adecuadas pociones o incluso infiltraciones de estos alfa-hidroxi ácidos se venden como poderosos agentes antiarrugas, como potenciadores de mejores tonos y texturas de la piel, como protectores solares, etc. No voy a entrar demasiado en el tema. El mundo de la cosmética es un tema del que no me siento particularmente orgulloso como químico y no tenéis más que seguir los libros, las charlas o la web de mi hermano murciano José Manuel López Nicolás para haceros una idea de ello.

El ácido láctico puede polimerizarse para dar lugar a largas cadenas de un polímero plástico que se denomina poliácido láctico (PLA), nombre que nunca me ha convencido porque lo que realmente se obtiene es un poliéster. La reacción en la que el ácido láctico da lugar al poliéster es una reacción complicada y el polímero resultante suele tener cadenas relativamente cortas (bajo peso molecular), algo poco recomendable para muchas aplicaciones convencionales en las que se emplean plásticos. Sin embargo, hay una vía alternativa. A partir del ácido láctico es posible obtener un compuesto llamado lactida, que son dos unidades de ácido láctico unidas en un ciclo de seis miembros. Con adecuados catalizadores es posible abrir ese ciclo y generar el mismo polímero que con el ácido láctico sólo que, está vez, es posible llegar a pesos moleculares más altos y, por tanto, a materiales más interesantes.

Hasta principios de este siglo, el plástico PLA era un material poco relevante, aunque de alto valor añadido, que había encontrado un cierto nicho en el mercado de las aplicaciones biomédicas como hilo de sutura, clavos empleados en la recomposición de fracturas óseas, como soporte de ciertos medicamentos administrados en forma de parches de dosificación controlada, etc. En todas esas aplicaciones, la biocompatibilidad del polímero (es decir, su no rechazo por parte del organismo humano) y su biodegradabilidad a lo largo del tiempo han sido los parámetros clave.

Y así, en el caso de los clavos en cirugía traumatológica o las pequeñas prótesis a base de PLA, su uso es muy interesante. Cuando se trata de reparar una fractura, necesitamos sujetar las dos partes resultantes de la misma con algún dispositivo que asegure su contacto mientras ambas partes se pegan, como consecuencia de la regeneración del tejido óseo. El empleo de clavos metálicos tenía el problema de dejarlos allí permanentemente, con los problemas que un alojamiento prolongado tiene, o bien tener que realizar una nueva operación ulterior para eliminarlos una vez que han cumplido su misión. Con los clavos de PLA la cosa es distinta. Se van biodegradando desde que son implantados pero están calculados para resistir mecánicamente el tiempo necesario para que se produzca la regeneración ósea. Posteriormente, van desapareciendo poco a poco sin causar problema alguno al organismo que los albergaba.

Pero el salto a la fama definitivo del PLA se produjo en los primeros años de este siglo, cuando empezaron a comercializarse diversos productos, capaces de competir con los polímeros convencionales en el mundo del envase, las fibras y otros. Y ello ocurrió como consecuencia de un consorcio o joint-venture de dos empresas colosales: Cargill una empresa que controla la mayor parte de la producción de maíz, tanto en USA como en otros países, así como el muchas otras semillas y productos y Dow Chemical, uno de los nombres míticos de la Industria Química.

Hoy Dow ha desaparecido del consorcio y ha sido reemplazada por PTT Global Chemistry, la mayor empresa química de Tailandia. Sobre la base de materia prima de origen exclusivamente vegetal como maíz, azúcar o trigo y mediante procesos fermentativos que generan el ácido láctico y posteriormente la lactida, como los descritos líneas arriba, el consorcio, de nombre NatureWorks, produce una variada gama de productos a base de PLA que, bajo el nombre comercial de Ingeo, se emplean en diversas aplicaciones como láminas que se transforman en envases de alimentos o vasos de café para llevar, fibras de todo tipo y, más recientemente, como materiales para las impresoras 3D, como los filamentos que se ven en la foto que ilustra esta entrada. La firma, radicada en Blair, Nebraska, USA, produce 150.000 toneladas anuales de PLA y tiene representantes y negocio por todo el mundo. En 2016 abrió un laboratorio de investigación orientado a la obtención de ácido láctico a partir de metano por procesos fermentativos.

Esa variedad de materiales, a partir de un compuesto químico del mismo nombre, puede llegarse a obtener porque el ácido láctico es una molécula quiral (una introducción al tema puede verse aquí), lo que quiere decir que tenemos en realidad dos moléculas distintas de ácido láctico, tan iguales o distintas como nuestras dos manos, que nunca pueden superponerse una sobre otra en la misma posición. Son los isómeros L y D del ácido láctico, que podemos combinar en las cadenas del polímero final, dando lugar a copolímeros de ambos con ordenaciones, y correspondientes propiedades, muy dispares.

Pero, ¿qué suponen los polímeros realmente biodegradables hoy en día en el mercado de los plásticos?. Pues en realidad no mucho y os voy a hacer unos números con las estadísticas más recientes. En 2018 la producción total de plásticos en el mundo ha alcanzado la cifra de 348 millones de toneladas, un 3,9% mas que el año anterior. La producción de bioplásticos (biodegradables o no) alcanzó ese mismo año 2018 la cifra de 2,11 millones de toneladas, apenas un 0,6% de la producción total. Pero (y este es un importante pero) los verdaderos plásticos biodegradables, como el PLA y otros, solo son el 43,2% de esas 2,11 millones de toneladas, esto es 0,9 millones de toneladas, menos de un 0,3% de la producción total de plásticos en el mundo. El informe que tengo en la mano sobre el futuro de estos materiales predice un crecimiento del 60%, de aquí al 2023, pero la implantación en el mercado seguirá siendo poco representativa.

Así que habrá que esperar a ver qué pasa. Yo no soy muy optimista sobre la implantación de materiales como el PLA. Una parte de mi vida académica ha estado ligada a estos materiales y siempre han sido eternos aspirantes a plásticos de futuro. Pero siempre ha habido algo que ha frustrado su salto a la fama.

2 comentarios:

Flatólogo dijo...

El copolímero de ácido poliglicólico/poliláctico (poliglactina 910) es la sutura absorbible más utilizada, el famoso Vicryl de la casa Ethicon. También están las suturas de polidioxanona y las de policaprolactona. En Europa ya no se usa el histórico catgut, sutura absorbible de colágeno bovino.

Educadores en Ciencias Químicas dijo...

Excelente.
Estimado, aquí una invitación:
Inauguración del 1er Carnaval Iberoamericano de Química

Una web o blog carnaval se organiza cuando varios autores escriben publicaciones sobre un tema específico en un sitio web o blog, y luego todas esas publicaciones están vinculadas desde un sitio que las promociona durante una fecha establecida del Carnaval.
Los carnavales de Química se vienen desarrollando en países como: España, Estados Unidos, Reino Unido, etc.
La iniciativa del 1er Carnaval Iberoamericano de Química surge a partir de la necesidad de vincular y conectar a los educadores de ciencias químicas de iberoamérica para que compartan sus saberes y creatividad en plataformas de la era digital.

Requisitos para participar
Las normas básicas son casi similares a las del Carnaval de Química que se inició en 2011 con Dani Torregrosa (@DaniEPAP) en España, pero:

1. Sólo pueden participar profesores, licenciados y doctores en Química o ciencias afines.

2. La participación es libre y no remunerada. La participación asegura difusión de los contenidos, entablar nuevas relaciones y compartir tu pasión con gente afín.

3. En cada edición el sitio web o blog anfitrión anunciará el inicio mensual del Carnaval indicando la fecha de comienzo y la fecha de fin del mismo. La elección del sitio web o blog anfitrión de cada edición la hará libremente el último sitio que la haya organizado. Para participar hace falta tener una web o blog propio haciendo mención expresa al autor o autores.
4. La temática de las entradas participantes debe ser la Química en cualquiera de sus ramas y variantes (pura, aplicada, historia de la química, influencia en otras ciencias, relación con el arte, personajes históricos…¡creatividad!). Cada blog organizador valorará si las entradas cumplen estos requisitos de temática, rigor, amenidad, interés o cualquier otro aspecto que considere conveniente. Si la entrada no cumpliera con uno o varios de estos requisitos, o contiene lenguaje obsceno, homofóbico, xenófobo o racista, faltas ortográficas, su temática es pseudocientífica o, en resumen, lo calificaríamos de mal gusto, no se debe incluir en la recopilación final.

5. Cada entrada publicada deberá indicar que participa en una determinada Edición del Carnaval Iberoamericano de Química citando, enlazando al blog organizador y avisando con un comentario en la web o blog que organiza. Por ejemplo, para participar en el I Carnaval Iberoamericano de Química se debe copiar directamente esta frase:

“Esta entrada participa en la I edición del Carnaval Iberoamericano de Química, alojada en el blog Educadores en Ciencias Químicas de @EducadoresEnCiencias.Quimicas"
Tambien es necesario incluir en la entrada participante la imagen oficial de la edición I: Hidrógeno

El Carnaval Iberoamericano de Química posee una cuenta de facebook @EducadoresEn Ciencias.Químicas, que irá anunciando las entradas participantes, los sitios anfitriones y el inicio y el fin de cada edición. El sitio anfitrión deberá recopilar las entradas de la edición que organiza.
Para los educadores en química que les gusta divulgar, o iniciarse en divulgación, o para los científicos de todas las áreas relacionadas con la química que les interese deberán comentar en el blog o en facebook esta entrada de contenido entre el 05/03/2019 y el 05/04/2019. La idea es poder continuar con el próximo carnaval en los meses siguientes.

La mecánica es muy sencilla: escribís tu entrada relacionada con la Química en tu sitio web o blog añadiendo la frase que encontrás más arriba; y me avisas a través de Blogger o facebook (mensaje directo o mencionando la participación con un post en esta publicación) o al e-mail (correajuancruz@hotmail.com) haciendo llegar solo la participación y tu enlace a tu sitio con la publicación. Las entradas serán situadas en Blogger juntamente con el resto y anunciada y promocionada en facebook.

¡Que comience el Carnaval Iberoamericano de Química!