lunes, 8 de abril de 2013

¡Superhéroe de guardia!

(Vía)
Los superhéroes tienen dos identidades, que sacan a relucir dependiendo de si llevan puesto o no el uniforme de trabajo. Así despistan a los supervillanos y pueden llevar una vida humana semi-normal que les sirve de tapadera pero también les proporciona beneficios: una familia, un trabajo gratificante (no todos son como Mr Increíble). Salvo quizá Batman, el resto de superhéroes mantienen los superpoderes aunque no tengan puesto el equipo de faena, así que en cierta forma son superhéroes las 24 horas del día.


Fluido supercrítico (SCF) no es la excepción, así que aunque no alcancemos la temperatura o presión críticas del gas que estemos usando (su nombre en clave es CO2, para evitar poner en peligro su identidad secreta), podemos conseguir ciertas propiedades del estado supercrítico SIN haberlo alcanzado. De manera que podemos aprovechar sus superpoderes aunque no lleve puesto el traje, y así ahorramos energía (que habría que suministrarle en forma de calor y presión). Siendo rigurosos, no podemos decir que estemos trabajando con fluidos supercríticos, sino con fluidos comprimidos o gases densos.
Diagrama de fases del dióxido de carbono: cómo es un tipo normal hasta su punto crítico...


Una tecnología que emplea CO2 comprimido (que no supercrítico), y de la que todavía no hemos hablado por aquí, es la despresurización de una solución líquida orgánica expandida (DELOS) usada como técnica de cristalización. Es un proceso eco-eficiente y de una sola etapa, para la producción directa de partículas cristalinas submicrónicas o micrónicas. Difiere de RESS, GAS y PGSS (de los que ya hablamos en otra ocasión) en que el CF actúa como co-solvente siendo completamente miscible a una presión y temperatura dadas con la disolución orgánica del soluto que se quiere cristalizar. El papel del CF es producir un subenfriamiento homogéneo de la solución con la precipitación de las partículas sólidas.


Un proceso DELOS comprende las etapas siguientes:


1. Disolución del soluto a cristalizar en un disolvente convencional (por ejemplo, disolvente orgánico) a la presión atmosférica y temperatura de trabajo, Tw, para formar una solución con concentración de soluto, C, por debajo del límite de saturación.


2. Adición de CF sobre la disolución orgánica para obtener una solución líquida expandida volumétricamente, a la temperatura de trabajo, y con una presión de trabajo más alta; conteniendo una fracción molar dada de CF (Xw) que llamaremos composición de trabajo del CF. La concentración de soluto en esta etapa debe permanecer por debajo del límite de saturación en la mezcla expandida del disolvente convencional y del CF.


3. Reducción rápida de la presión de la disolución expandida, a través de una válvula de no-retorno. Durante el proceso de despresurización, la evaporación del CF de la expansión volumétrica tiene lugar provocando una disminución grande, rápida y homogénea de la temperatura de la disolución. Como consecuencia, se produce un aumento homogéneo y pronunciado de la relación de supersaturación en la disolución, y empieza el fenómeno de nucleación produciendo partículas cristalinas submicrónicas con una distribución de tamaños estrecha.


El tamaño de partícula y la distribución de tamaños que resultan de los experimentos DELOS muestran una clara dependencia del contenido de CO2 en la mezcla antes de la etapa de despresurización. Por lo tanto, cuanto mayor es Xw las partículas producidas son más pequeñas y la distribución de partículas es más estrecha. Esto hace que en un proceso DELOS sea posible controlar las características de tamaño de partícula a través del contenido en CO2 del sistema presurizado. En cambio, la variación de temperatura o de presión, si se mantiene el resto de variables fijas, no afecta al tamaño de partícula ni al rendimiento, así que podemos elegir la presión de trabajo más baja (adios SCF, hola CF y ahorro energético).


Un ejemplo: en un experimento DELOS hecho sobre una disolución de acetona, la fracción molar del CO2 de la solución expandida final depende de los equilibrios líquido-vapor y del comportamiento de la expansión volumétrica del sistema binario acetona/CO2.


Las vesículas son interesantes como materiales inteligentes sensibles a estímulos externos- presión, pH, temperatura, o cambios de concentración del medio- que activan modificaciones en su estructura supramolecular: ¡importantísimo para aplicaciones en ciencia de materiales o drug delivery!


Si preparamos las vesículas por tecnologías convencionales se obtienen vesículas multilamelares (MLVs) que deben sonicarse, y filtrarse para obtener las vesículas uniformes SUVs. Los inconvenientes de las técnicas convencionales incluyen que es una preparación multietapa, que requiere largos tiempos de procesado, alto consumo de energía, y se tiene un control limitado del tamaño de partícula en el material final. La causa de estos problemas es que son procesos basados en disolvente y que evolucionan por cambios en la temperatura y/o en la composición (reducción de la temperatura, evaporación del disolvente, adición de sales, etc.) en los sistemas procesados. Los cambios se transmiten a la totalidad del sistema de forma lenta y no-homogénea. En cambio, al usar CFs, el poder de solvatación en estado líquido o supercrítico puede ajustarse por cambios de presión que se propagan de manera más rápida y uniforme.
De izquierda a derecha: moola, psschh ¿y si lo mejoras?, MUERTE Y CAOS


DELOS-susp [que se basa en el proceso DELOS] implica la despresurización de una solución líquida de lípidos expandida con CO2 en una fase acuosa usando condiciones más suaves de presión (10 MPa) y temperatura (308 K) que la mayoría de metodologías que emplean CFs. Las temperaturas más bajas podrían permitir el procesado de compuestos lábiles al calentamiento, mientras que las presiones moderadas reducen el coste capital de una planta a alta presión cuando escalemos el proceso a la industria.


El lípido o lípidos se disuelven en un disolvente orgánico convencional, a presión atmosférica y a la temperatura de trabajo. Un fluido comprimido (normalmente CO2) se añade entonces para obtener una solución volumétrica expandida de los lípidos, a la Tw y a alta presión (Pw) con una fracción molar dada de CO2, Xw. Es importante que los lípidos sean completamente solubles en el disolvente orgánico expandido con CO2 para asegurar la presencia de una única fase dentro de la cámara de alta presión. Finalmente, esta solución expandida con CO2 se despresuriza, de la Pw a la presión atmosférica, sobre un flujo acuoso continuo, que contienen un surfactante cuando corresponde para formar nanovesículas unilamelares de lípidos.


Por esta metodología la solución lipídica experimenta una gran reducción abrupta y homogénea de la temperatura, de Tw a Tf, durante la despresurización, que es probablemente la razón por la que este procedimiento da vesículas más homogéneas en términos de tamaño, morfología y organización supramolecular que los procedimientos convencionales.


Con respecto a la encapsulación de sustancias activas dentro de vesículas por DELOS-susp el fármaco puede disolverse en la mezcla expandida o en la fase acuosa dependiendo de su naturaleza hidrofóbica o hidrofílica, respectivamente.


Uno de los principales problemas para el uso generalizado de las vesículas como sistemas de drug delivery es la falta de reproducibilidad y el alto coste relacionado con el escalado de los métodos de preparación de vesículas. La estructura de las vesículas se mantiene por interacciones no covalentes, es decir: no son muy estables..., lo que representa un problema con mayúsculas si queremos trasladar nuestro proceso del laboratorio a la industria. A nuestro rescate, vienen las tecnologías basadas en fluidos comprimidos y el método DELOS-susp puede ser fácilmente escalado con rendimientos homogéneos en estructuras similares- tamaño de vesícula, distribución de tamaños, morfología- y en eficiencia de encapsulación.

Referencias

Cano-Sarabia M, Ventosa N, Sala S, Patiño C, Arranz R, & Veciana J (2008). Preparation of uniform rich cholesterol unilamellar nanovesicles using CO2-expanded solvents. Langmuir : the ACS journal of surfaces and colloids, 24 (6), 2433-7 PMID: 18229961

Ventosa, N., Sala, S., Veciana, J., Torres, J., & Llibre, J. (2001). Depressurization of an Expanded Liquid Organic Solution (DELOS):  A New Procedure for Obtaining Submicron- or Micron-Sized Crystalline Particles Crystal Growth & Design, 1 (4), 299-303 DOI: 10.1021/cg0155090

Esta entrada participa en la XLI edición del Carnaval de la Física, alojado en esta ocasión en el blog El Factor Ciencia  y en el XXIV Carnaval de la Química alojado en el blog el zombi de Schrödinger

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