Resumen de Síntesis y formulación de nuevas espumas de poliuretano flexibles con propiedades mejoradas
Una cavidad pleural residual (CPR) se origina tras un proceso patológico pleural o tras una resección pulmonar y persiste prolongadamente en el tiempo, dando lugar a diversas complicaciones (infecciones, sangrado, disnea, fístulas y/o dolor). Las causas que originan una CPR pueden ser tuberculosis, infecciones virales, cáncer de pulmón, insuficiencia cardíaca congestiva, etc. Las CPRs deben ser tratadas con inmediatez para evitar severas complicaciones tales como neumotórax, derrames pleurales o hemotórax, pudiendo llegar a producir la defunción del paciente.
En la actualidad, los tratamientos de las CPRs consisten en complicadas intervenciones quirúrgicas que suelen acarrear un deterioro posterior en la calidad de vida del paciente. Desde hace algunos años se ha propuesto rellenar las CPRs con materiales sintéticos, habiéndose usado diferentes materiales (esferas huecas de polimetil metacrilato, implantes de prótesis de mama o de testículo, y prótesis expansibles rellenadas con soluciones estériles). Sin embargo, ninguno de estos materiales ha proporcionado resultados suficientemente positivos, ya que no se adaptan completamente a la CPR y generan infecciones o fístulas. Considerando que las espumas poliméricas permiten el relleno de espacios de diferente geometría y tamaño, así como su alta durabilidad y facilidad de aplicación, en este estudio se propone el desarrollo de espumas de poliuretano (PUF) para rellenar CPRs in-situ.
Para ello, el estudio se ha llevado a cabo en diferentes etapas. En la primera etapa del estudio, se optimizó la síntesis de espumas de poliuretano mediante la herramienta matemático-analítica de diseño multifactorial de experimentos para establecer las formulaciones que cumplieran con distintas premisas para su adecuado uso, incluyendo que fueran autoexpansibles, ser una formulación líquida, poseer bajas temperaturas de reacción y generar una rápida autoexpansión. En primer lugar, se ejecutó un diseño de experimentos multifactorial de cribado, el cual pudo estimar las variables más significativas durante la síntesis de espumas de poliuretano, empleando como respuesta el volumen máximo alcanzado por la espuma. El estudio determinó que el surfactante y los catalizadores de las reacciones de gelado y gasificación eran los principales componentes de la síntesis de las espumas de poliuretano que determinaban su eficiencia.
El diseño de experimentos multifactorial de la superficie de respuesta sobre los factores más determinantes permitió obtener una formulación de espuma de poliuretano que cumplía con las premisas establecidas, a la que se denominó como R1F. Esta espuma presentó propiedades características de espumas flexibles, tanto en densidad como en comportamiento mecánico. Durante la síntesis, se alcanzó una temperatura máxima de reacción de 51 ºC en un tiempo corto (10 segundos), por lo que se estableció como base para el desarrollo de otras espumas de poliuretano.
En una segunda etapa se trataron de mejorar las propiedades de la espuma de poliuretano R1F mediante la modificación de su formulación. La formulación de la espuma de poliuretano fue modificada en la componente poliol, mediante el empleo de mezclas en diversas proporciones de poliéteres de diferente peso molecular (R1 = 4800 g/mol ; R2 = 886 g/mol). Las espumas de poliuretano que contenían más del 60 % en peso del poliol R1 presentaron mejores propiedades químicas, ya que no mostraron grupos NCO libres. Se encontraron diferencias en las estructuras celulares, ya que a medida que se aumentaba el contenido de poliol R2, mayor era el número de celdas por unidad espacial. Además, la adición de un mayor contenido de poliol R2 mostró una temperatura de reacción mayor así como un menor tiempo de hilo, debido a la utilización de un poliol de menor peso molecular. Las propiedades mecánicas de compresión mostraron una sinergia de propiedades en la utilización de una relación 80/20 de polioles de mayor/menor peso molecular atribuido a la formación de celdas parcialmente abiertas además de un mayor número de celdas por unidad de volumen. Esta espuma de poliuretano presentó una estructura basada en poliureas con alto contenido de enlaces de hidrogeno (ureas bidentadas), mostrando un mayor orden estructural.
Los estudios posteriores se centraron en el uso de polioles de diferente naturaleza química y menor funcionalidad (copolímero poliéster/policarbonato diol y poliéster derivado de original con funcionalidades 2 y 1.6, respectivamente). El uso de polioles con menor funcionalidad, produjo una menor reactividad de la espuma de poliuretano, dejando ocluidos grupos NCO en la estructura que, con el tiempo, reaccionaban entre sí formando isocianuratos que rigidizaban la estructura. Esto conllevó una oclusión de dichos de las cadenas alifáticas, permitiendo un mejor reordenamiento, particularmente cuando se utilizaba el copolímero poliéster/policarbonato diol. Así mismo, la estructura celular era diferente cuando se empleaba el copolímero poliéster/policarbonato diol, tanto en forma (más esférica), como en número de celdas por unidad de volumen.
Se estudió la influencia del peso molecular de copolímeros de poliéster/policarbonato diol (500-2000 g/mol) en las propiedades de las espumas de poliuretano. La síntesis de las espuma de poliuretano con el copolímero de poliéster/policarbonato de peso molecular 500 g/mol no fue viable. Para el resto de copolímeros de poliéster/policarbonato, se generaba un incremento del número de enlaces urea bidentada, generando estructuras más rígidas con un detrimento de las propiedades físicas (menor volumen de expansión y mayores temperaturas de reacción máxima). Además, se sintetizaron espumas de poliuretano empleando mezclas de polioles 80/20 (poliéter y copolímero de poliéster/policarbonato diol), mejorando las propiedades físicas y mecánicas, ya que con respecto a la espuma R1F, se obtuvieron mejores valores en rendimiento al ser esta comprimidas hasta el 50% de espesor.
Se estudió la adición de diferentes materiales grafíticas en las propiedades de las espumas de poliuretano. La adición de distintas cantidades de nanoláminas grafíticas GP500 en cantidades menores del 0.5 % en peso produjo un detrimento en la contribución de ureas bidentadas. No obstante, las propiedades viscoelásticas de dichas espumas de poliuretano mostraron un aumento de módulo de almacenamiento en un amplio abanico de temperaturas, generando un incremento de su rigidez. Las propiedades morfológicas de las espumas de poliuretano se afectaron por la adición de nanoláminas grafíticas, reduciéndose el tamaño de las celdas a medida que se adicionaba mayor cantidad, lo que conllevó una mejora del máximo de presión de compresión. Adicionalmente, se encontró una sinergia de propiedades en el yield point para las espumas de poliuretano con 0.3 y 0.5 % en peso de nanoláminas grafíticas GP500. Por último, se adicionó 0.5 % en peso de nanorellenos con diferente número de nanoláminas grafíticas apiladas (GP300 y GP100). La espuma de poliuretano preparada con GP300 mostró peores propiedades por proporcionar una estructura celular altamente heterogénea con celdas abiertas, cerradas e incompletas. La adición de GP100 mostró propiedades similares a las de GP500, aunque presentaba mayor contenido de grupos NCO libres en la estructura.
El siguiente paso en el estudio es el ensayo in-vivo de las espumas de poliuretano optimizadas en ratas, trabajo que se está realizando en la unidad de Cirugía Torácica del Hospital Universitario de Albacete como parte de la tesis doctoral de Mercedes Cambronero Aroca.
