Polímeros en medicina Teach article

Traducido por María Chueca. El tema de los polímeros se trata con poca frecuencia fuera de las lecciones de Química. El proyecto Establish proporciona algunas actividades prácticas para investigar estos materiales y algunas de sus aplicaciones médicas.

Los polímeros son usados en
productos cotidianos como
por ejemplo los pañales
desechables

Imagen cortesía de SCA
Svenska Cellulosa Aktiebolaget;
fuente: Flickr

Usamos polímeros a diario, por ejemplo en plásticos, en recubrimientos, en papel o en productos como pañales y champús. Un polímero consiste en la repetición de varias unidades estructurales formando una gran molécula.

Las siguientes actividades han sido desarrolladas con el fin de ayudar a los estudiantes a relacionar el mundo de los materiales macroscópicos, que podemos ver, con el mundo submicroscópico de las partículas (átomos y moléculas), que no podemos ver, usando aplicaciones reales. El enfoque didáctico que se utiliza es el del aprendizaje basado en la investigación: se incita a los estudiantes a que desarrollen sus propias ideas a partir de la observación de las actividades prácticas y a continuación a ponerlas a prueba en un nuevo contexto.

Paciente sometiéndose a
diálisis

Imagen cortesía de quecojones;
fuente: Flickr

En la primera actividad, los estudiantes de entre 13 y 15 años investigan la difusión de líquidos a través de diferentes membranas poliméricas (Ficha 1). A partir de ahí se pasa a considerar el uso de membranas en medicina: cómo funciona el riñón humano y cómo una máquina de diálisis puede hacer esa función (Ficha 2). El objetivo particular consiste en entender por qué durante la diálisis algunas moléculas son filtradas y otras no. Los alumnos también deben predecir qué pasa en el caso de que el fluido sea agua, y así se introduce el estudio de la ósmosis.

En la segunda actividad, los estudiantes de entre 15 y 17 años crean membranas de cloruro de polivinilo (PVC) e investigan su comportamiento químico y físico. Pueden fabricar y probar una membrana de PVC antibacteriana (Ficha 3). Como ampliación, los estudiantes pueden investigar membranas hechas con diferentes tipos de plastificantes, o determinar la efectividad antibacteriana de membranas que contengan diferentes metales o diferente cantidad de metales.

Las tres Fichas se pueden descargar en Word o PDF desde la página web de Science in Schoolw8.

Membranas con agujeros invisibles

En esta actividad se pide a los alumnos que piensen en el mundo invisible de los átomos y moléculas, cuando entiendan la actividad desarrollaran una comprensión sobre la naturaleza particular de la materia. Mediante estas actividades queda demostrada la existencia de las moléculas y a la vez se comprueba que tienen distintos tamaños. Los alumnos van a investigar la difusión de partículas a través de diferentes membranas y después van a relacionar lo aprendido con el riñón y la diálisisw1.

Imagen cortesía de Peter
Asquith; fuente: Flickr

Los alumnos, que ya habrán usado el tamiz para separar mezclas, ya habrán experimentado la necesidad de usar un tamiz con el tamaño apropiado de agujeros. Tras abordar el tema del embalaje de los alimentos, los estudiantes pueden hacer esta investigación con diferentes membranas. El profesor debe animar a que se discuta sobre las posibles explicaciones de los resultados. Si es necesario, debe transmitir la idea de que existen partículas de distintos tamaños y membranas con huecos de distintos tamaños.

La idea consiste en usar una variedad de membranas, por ejemplo bolsas de plástico baratas, film o bolsas de embalaje alimentario, para investigar el paso de partículas de yodo a través de diferentes membranas. Los alumnos debe preparar varios experimentos sugeridos en la Tabla 1. El profesor debe probarlo por adelantado para asegurarse de que se obtienen suficientes resultados diferentes.

Número de tubo

Membrana

Tabla 1: Posibles membranas para la investigación de ‘agujeros’

1

Sin membrana

2

Tapa de bote de mermelada

3

Bolsa de plástico o film adhesivo

4

Guante de látex

Los estudiantes deben aprender a:

  • Sacar conclusiones a partir de observaciones
  • Explicar el fenómeno a través de la existencia de agujeros invisibles y del movimiento de partículas
  • Distinguish alternative explanations and debate with peers.

Ficha 1: membranas con agujeros invisibles

Materiales

  • Solución de yodo (aproximadamente 0.05 M)
  • Solución de almidón (aproximadamente 0.12% w/v)
  • Una selección de diferentes filmes de plástico.

Procedimiento

Investigar el movimiento de las partículas de yodo a través de distintas membranas. Hacer un pequeña bolsa con cada membrana y colocarla en un tubo con solución de almidón, como se muestra en la Figura 1. Añadir solución de yodo en cada bolsa y observar lo que pasa.

Figura 1: configuración del experimento
Imagen cortesía de Establish project
  1. Anota tus observaciones en la Tabla 2.
Tabla 2: Resultados de tu experimento
    1 2 3 4

Color al inicio

En la bolsita

       

En el tubo

       

Color al final

En la bolsita

       

En el tubo

       
  1. ¿Puedes explicar lo que está pasando?
  2. ¿Puedes relacionar cada uno de tus tubos (1-4) con uno de los diagramas (A-D) en la Figura 2?
Figura 2: ¿Qué situación corresponde a cada uno de tus tubos de ensayo?
Imagen cortesía de Establish project
  1. ¿Qué pasaría en cada tubo si las soluciones se invirtieran: si al principio la solución de moléculas mas pequeñas estuviera en el tubo de ensayo y la solución de moléculas mas grandes estuviera en la membrana (Figura 3)? Anota tus predicciones en la Tabla 3.
Figura3: ¿Qué pasaría si las soluciones se invirtieran?
Imagen cortesía de Establish project
Tabla 3: Tus predicciones si se invirtieran las soluciones
    1 2 3 4

Color al inicio

En la bolsita

       

En el tubo

       

Color al final

En la bolsita

       

En el tubo

       


Ficha 2: riñones y diálisis

El riñón humano es un órgano sorprendente que tiene dos funciones esenciales: el mantenimiento del equilibrio del agua en el cuerpo y la excreción de urea, sales y agua. Cada día los riñones filtran unos 180 l de fluido a partir de la sangre, la mayoría es reabsorbido junto con los nutrientes que el cuerpo todavía necesita, como glucosa y aminoácidos. De los 180 l de fluido que filtran los riñones se producen unos 2 l de orina que contienen productos de deshecho como la urea que es tóxica para el cuerpo. La orina se almacena en la vejiga antes de ser excretada.

Cómo funciona el riñón. Pincha en la imagen para ampliarla. Para obtener una imagen aún más grande pincha aquí.

a) Visión general del riñón. La filtración tiene lugar en 3 millones de nefronas, a las que la sangre llega bajo la presión de los capilares.
Imagen cortesía de Piotr Michał Jaworski; fuente: Wikimedia Commons

b) Estructura detallada de una nefrona. El agua y las moléculas pequeñas se filtran desde la sangre a través de huecos en las paredes de la cápsula de Bowman. Las moleculas necesarias para el cuerpo son reabsorbidas en subsecuentes partes de la nefrona
Imagen cortesía de http://osmoregulation-apbio3.wikispaces.com

  1. Por qué crees que normalmente no hay proteínas de plasma en la orina a pesar de estar presentes en el plasma sanguíneo?
  2. Como resultado de ciertas enfermedades aparecen células sanguíneas en la orina. ¿Qué puede haber causado esto?

Si el riñón de una persona falla, la muerte ocurrirá al cabo de unos cuatro días, debido a que la acumulación de urea provoca la pérdida de control del cuerpo sobre el equilibrio de agua. La vida de la persona se puede salvar con ayuda de la diálisis; normalmente esto implica visitar el hospital tres veces por semana. Durante la diálisis, que dura entre seis y ocho horas, la sangre del paciente se hace pasar junto a un filtro llamado membrana de diálisis con la ayuda de una máquina. Al otro lado de la membrana fluye una solución de diálisis especializada. La composición de esta solución es tal que consigue hacer pasar la urea de la sangre a través de la membrana hacia el fluido de diálisis sin que lo hagan la glucosa ni los aminoácidos. La sangre, sin la urea, es retornada entonces al cuerpo.

  1. ¿Por qué las células sanguíneas y las proteínas del plasma no son extraídas de la sangre durante la diálisis?
  2. Urea, glucosa y aminoácidos son todas moléculas de tamaños similares. ¿Por qué la urea pasa a través de la membrana de diálisis pero no la glucosa y los aminoácidos?
  3. ¿Que pasaría si se utilizara agua como fluido de diálisis?
  4. ¿Como se podría usar la diálisis para extraer el exceso de sales?

 

Películas de PVC
impregnadas de plata en que
se muestran diferencias en
zonas de inhibición con carga
de plata (Ag)

Imagen cortesía de James
Chapman, Dublin City
University

PVC antibacteriano

En esta actividad los alumnos van a fabricar membranas de PVC y van a investigar sobre el efecto que tiene un plastificante sobre las propiedades físicas y químicas de la membrana (esta membrana también se puede usar en la primera actividad). A continuación fabricarán una membrana de PVC que contenga partículas de plata y comprobarán sus propiedades dejándola en incubación durante una noche.

Como investigación avanzada, los alumnos pueden alcanzar una mejor comprensión sobre las propiedades antimicrobianas de la membrana al ir incorporando plata a distinta concentración y pueden comprobar el efecto de la concentración en las zonas de inhibición que observen. A la derecha se pueden ver varios ejemplos típicos.

La Escherichia coli no patógena se puede conseguir de la American Tissue Culture Collection (ATCC)w2. BAA 1427, en concreto, es una cepa sustitutoria no patógena adecuada para este experimento.

 

Ficha 3: sintetizando e investigando PVC antibacteriano

El polímero cloruro de polivinilo (PVC) es un plástico barato y duradero que se usa en tuberías, carteles y ropa. A menudo se le añaden plastificantes para hacerlo más flexible y fácil de manipular. En esta actividad vas a fabricar una membrana de PVC con y sin plastificantes y vas a comparar sus propiedades físicas y químicas.

Las membranas antimicrobianas son utilizadas en muchas tecnologías médicas, se fabrican incorporando nano partículas o micro partículas de plata o de otros metales en polímeros. En presencia de oxígeno (en el aire) y agua, las partículas de plata elemental reaccionan para formar iones plata (Ag2+) que tienen la capacidad de destruir la pared celular, inhibir la reproducción celular y trastornar el metabolismo en algunas bacterias, virus, algas y hongosw3, w4.

Materiales

  • Disolvente: oxolano (tetrahidrofurano, (CH2)4O)
  • PVC en polvo
  • Dibutil sebacato u otro plastificante
  • Nitrato de plata (AgNO3)
  • Citrato trisodico (Na3C6H5O7)
  • Nutrient agar
  • Cultivo bacteriano (por ejemplo E. Coli en un caldo de nutrientes)
  • Una placa calefactora
  • Un agitador magnético
  • Vasos de precipitados de 75 ml
  • Una base de vidrio (por ejemplo un vaso de precipitados, un vidrio reloj o un vidrio portante)
  • Una probeta graduada
  • Una pipeta Pasteur
  • Una espátula
  • Cápsulas Petri
  • Bucles de inoculación

Procedimiento

Nota de seguridad: todos los pasos han de realizarse bajo la campana de humos. El tetrahidrofurano es un líquido altamente inflamable y su vapor puede causar irritación ocular seria, se debe manipular con cuidado, siempre bajo la campana y llevando guantes.

1) Fabricando PVC sin plastificante

  1. Calienta 20 ml de disolvente usando la placa calefactora y el agitador magnético.
  2. Lentamente añade 1.5 g de PVC en polvo mientras agitas.
  3. A los diez minutos la disolución debería volverse más viscosa. Separa el vaso de precipitados de la placa.
  4. Retirar el agitador magnético y añadir unos mililitros de la solución de PVC lo más finamente y bien repartido posible sobre el sustrato de vidrio (dentro o fuera del vaso de precipitados o en el portante o el vidrio de reloj). Para obtener una capa fina rotar el sustrato de vidrio cuidadosamente mientras la solución esta todavía caliente.
  5. Dejar el sustrato y el PVC bajo la campana mientras el disolvente se evapora, tardará unos 15 minutos. La membrana de PVC puede entonces ser fácilmente retirada del sustrato de vidrio.

2) Fabricando PVC con un plastificante

Repite los pasos anteriores para fabricar cuatro membranas más de PVC, cada una con una cantidad diferente de plastificante añadido al solvente calentado (ver Tabla 4).

No muestra.

PVC (g)

Solvente (ml)

Dibutyl sebacate (ml)

Tabla 4: Creando membranas de PVC con diferentes cantidades de plastificante
1 1.5 20 0.5
2 1.5 20 1
3 1.5 20 2
4 1.5 20 3
  1. Compara tus cinco membranas de PVC. ¿Qué efecto tiene el plastificante sobre el plástico?
  2. ¿Qué crees que le pasa al plástico cuando se le añade más plastificante?
  3. Según las imágenes de abajo obtenidas mediante microscopio electrónico de barrido (SEM) ¿has dado la respuesta correcta a la pregunta 2?
  4. Estas membranas se pueden usar en las actividades anteriores (‘Membranas con agujeros invisibles’) para investigar el tamaño relativo de los ‘agujeros’.
SEM imágenes de PVC: a) sin plastificante, b) con 0.5 ml de plastificante y c) con 2 ml de plastificante. Haga clic sobre la imagen para ampliarla
Imágenes cortesía del Proyecto Establish

3) Haciendo PVC antibacteriano

La preparación de PVC conteniendo partículas de plata requiere que la membrana tenga grandes agujeros, por ello usamos un plastificante. La plata se añade en forma de nitrato de plata, el cual es reducido usando citrato de sodio.

Micro- y nano partículas en
una membrana de PVC. Haga
clic sobre la imagen para
ampliarla

Imagen cortesía de the
Establish project
  1. Usando la placa y el agitador magnético calienta 20 ml de disolvente.
  2. Añade 2.5 ml de plastificante y entonces añade 1.5 g de PVC en polvo lentamente.
  3. Añade 2.5 ml de nitrato de plata 10mM y agita durante 1-2 minutos.
  4. Divide la solución entre dos vasos de precipitados de 75 ml. Agita rápidamente el vaso de forma que el interior quede recubierto de la la solución formando una membrana con la forma del vaso. Asegúrate de que no queden huecos ya que la membrana debe ser capaz de contener agua.
  5. Deja los vasos baja la campana de humos para que se evapore el disolvente y extrae la membrana cuidadosamente. (Esto resulta difícil, así que haciendo dos aumentas tus posibilidades de éxito.)
  6. Haz una disolución 5 mM de citrato de sodio y viértela con cuidado sobre una de las membranas con forma de vaso. Debe pasar a través de la membrana (sosténlo sobre el vaso de precipitados) reaccionando con el nitrato de plata y produciendo nano o micropartículas de plata.
  7. Nota el cambio de color de la membrana.
  8. Deja la membrana secar en la campana. Las imágenes SEM (a la derecha) muestran la presencia de plata elemental dispersadas sobre una membrana de PVC.

A continuación puedes investigar las propiedades antibacterianas de las membranas que has preparado.

  1. Prepara una placa de agar con una colonia de bacterias: deposita unos 100 µl de tu cultivo bacteriano sobre una placa Petri que contega nutriente agar (por ej. E. coli en un caldo de cultivo) y usa un bucle de inoculación para repartirlo homogéneamente sobre la placa.
  2. Coloca aproximadamente 1 cm2 de tu membrana de PVC impregnada con plata sobre la placa.
    Coloca alternativamente tres piezas de membrana de PVC de las cuales una no debe haber sido tratado con plata, de forma que puedas hacer una comparación.
  3. Deja la placa incubando a 37º C durante la noche y después mide la zona de inhibición que aparece alrededor de cada membrana.

Nota de seguridad: Al igual que en todos los estudios microbianos, se debe usar instrumentos esterilizados en todo momento (puen ser esterilizados en autoclave o quemados con alcohol). Incluyendo las tijeras que uses para cortar la membrana. Para prevenir contaminaciones cruzadas, lava el bucle de inoculación previamente con jabón antibacteriano.

Las propiedades antibacterianas de estas membranas las hacen útiles para tratar heridas y quemaduras, al igual que infecciones con bacterias como la Stafilococus aureus (MRSA) resistente a la meticilina y la E. coli.

  1. ¿Por qué las membranas de PVC antibacterianas son particularmente útiles en el tratamiento de infecciones por MRSA?
  2. ¿Qué otras aplicaciones puedes encontrar para las membranas de PVC antibacterianas?

El Proyecto Establish

Estas actividades se encuentran en las unidades didácticas desarrolladas por el proyecto Establish, un proyecto fundado por la UE para fomentar el amplio uso de la enseñanza de la ciencia basada en la investigación para los estudiantes de secundaria (12-18 años). Mas de 60 socios de 11 países europeos trabajan juntos para desarrollar y adaptar unidades didácticas útiles para las clases de toda Europa.

Las actividades de este articulo forman parte de la unidad didáctica titulada: ‘Explorando agujeros’. En el momento de ir a imprenta ya había disponibles unidades sobre el sonido y la minusvalía, y se están planeando nuevas unidades sobre cosméticos, chitosan, ciencia forense, fotoquímica, energías renovables e imaginería medica. Para saber más y descargar las unidades completas visita la página web de Estabishw5.

Nanopartículas en medicina

El uso de nano partículas es muy importante en la nuevas aplicaciones sanitarias. Entender el impacto de las nanoparticulas en las células y tejidos es crucial para la seguridad, el diagnóstico fiable y el tratamiento de enfermedades. Muchas nanoparticulas médicas son a base de metales, y las técnicas de rayos X que se usan en la instalación de radiación de sincrotron ESRFw6 son muy adecuadas para controlar, por ejemplo, la interacción que se produce entre una sola nanopartícula y una célula criogenizada en la escala nanométrica. (Lewis et al., 2010).

ESRF es miembro de EIROforumw7, el editor de Science in School.


 

Agradecimientos

Las actividades descritas en este artículo están basadas en información de Wilms et al.(2004; Ficha 1), de Alison Graham de la Universidad de la Ciudad de Dublín, República Irlandesa (Ficha 2), y de Laura Barron y James Chapman de la Universidad de la Ciudad de Dublín (Ficha 3).

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References

  • Lewis DJ et al. (2010) Intracellular synchrotron nanoimaging and DNA damage / genotoxicity screening of novel lanthanide-coated nanovectors. Nanomedicine 5(10): 1547-1557. doi: 10.2217/nnm.10.96
  • Wilms M et al. (2004) Molekulares Sieben: Mit Einmachfolie ins Diskontinuum. Chemkon 11(3):127-130. doi: 10.1002/ckon.200410011

Web References

  • w1 – El portal Merlot Health Sciences tiene una práctica simulación de diálisis. Ver: http://healthsciences.merlot.org/images/18loop.gif
  • w2 – ATCC es un centro global de biorecursos sin ánimo de lucro y una organización de investigación que proporciona productos biológicos, servicios técnicos y programas educacionales. Ver : www.atcc.org
  • w3 – las nanopartículas de plata pueden estar destruyendo bacterias beneficiosas en el tratamiento de aguas residuales. Science Daily. www.sciencedaily.com o usar el enlace directo: http://tinyurl.com/4mq4pv
  • w4 – Modificación superficial de nanopartículas de plata y sus interacciones con las células vivas. Nano Werk. www.nanowerk.com o utiliza el enlace directo: http://tinyurl.com/68fojm9
  • w5 – Para saber más sobre el proyecto Establish y para descargar las unidades completas (y se van añadir mas próximamente), ver : http://establish-fp7.eu
  • w6 – Un centro de investigación internacional en Grenoble, el ESRF, produce rayos X de alto brillo, accesible a miles de investigadores de todo el mundo. Ver: www.esrf.eu
  • w7 – Para saber más sobre EIROforum, ver: www.eiroforum.org
  • w8 – La ficha de esta actividad se puede descargar en Word o en formato PDF aquí:

Review

¿Te has preguntado alguna vez cómo funciona una membrana de diálisis? ¿Puede un plástico eliminar sustancias indeseadas de tu cuerpo? ¿Y sobre los plásticos antibacterianos? Este artículo hace una introducción sobre el rol que juegan los polímeros en las máquinas de diálisis usadas para filtrar la sangre y en el tratamiento de las heridas.

Los experimentos que se describen en este artículo para los alumnos más pequeños les van a ayudar a entender la ciencia de los polímeros y su aplicación en el caso de la diálisis. En las actividades para los grandes, la clase fabrica su propia membrana de PVC – uno de los polímeros mas comunes hoy en día – e investiga sus propiedades antibacterianas.

Estas actividades son adecuadas tanto para las clases de química como para las de biología, abordando los temas de polimerización, ósmosis, difusión y excreción. A continuación se pueden aborda temas como el amplio uso de los polímeros, el de las membranas permeables selectivas o el de la excreción.


Andrew Galea, Giovanni Curmi Post-Secondary School Naxxar, Malta




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CC-BY-NC-SA