Efecto de la carga superficial de fibras electrohiladas de polieterimida sulfonada sobre la cristalización de CaCO3 mediante titulación potenciométrica

Abstract

Existe un especial interés en el control de la formación de carbonato de calcio (CaCO3) ya sea para inhibir o producir selectivamente su polimorfismo. La inhibición de CaCO3 y particularmente el polimorfo de calcita, evita la formación de incrustaciones en la superficie de equipos y tuberías que conlleva a daños y pérdidas financieras. Por otro lado, CaCO3 es un material atractivo para el desarrollo de materiales para aplicaciones biomédicas y cuidado personal, en particular el polimorfo de vaterita. Por lo anterior es necesario ampliar el conocimiento sobre el proceso y control de la nucleación y cristalización del CaCO3. Se han planteado diferentes estrategias para controlar la formación de CaCO3 basándose en los procesos que ocurren en la naturaleza, los cuales emplean moléculas orgánicas aniónicas con grupos funcionales como el grupo sulfónico (–SO3H) y matrices fibrilares. La técnica de electrohilado permite obtener fibras poliméricas ultrafinas similares a matrices encontradas en la naturaleza. Un aspecto que no ha sido estudiado con esta técnica es el efecto de la carga superficial de las fibras inducida por la polaridad del voltaje aplicado sobre la mineralización de CaCO3. La presente tesis doctoral evalúa este efecto a través de un polímero (polieterimida, PEI) modificado con –SO3H y electrohilada con voltaje positivo y negativo, formando matrices fibrilares con distribución de fibras aleatorias y alineadas. En el capítulo uno se muestra la modificación química de PEI con –SO3H obteniéndose polieterimida sulfonada (PEI-S), el cual fue confirmado por análisis elemental CHNS, RMN y FTIR. Además, se preparó nanopartículas (NPs) de ambos polímeros para evaluar el efecto del polímero como aditivo en solución sobre la cristalización de CaCO3 y luego se fabricaron mallas electrohiladas de ambos polímeros considerando películas por “solvent casting” como muestra control. En el capítulo dos presenta la obtención de estas NPs, películas y mallas electrohiladas las cuales se estudiaron usando FE-SEM, TEM, DLS, potencial Z, XPS y ángulo de contacto, y se discute las propiedades hidrofílicas del PEI-S en sus diferentes formatos y la diferencia de las propiedades superficiales de las mallas según la polaridad del voltaje aplicado y orientación de las fibras. Finalmente, el capítulo tres abarca los ensayos de cristalización de CaCO3 por titulación potenciométrica automática (TPA) en presencia de NPs, películas y mallas electrohiladas de PEI y PEI-S. Los precipitados de CaCO3, las películas y mallas tras los ensayos de cristalización se analizaron por FTIR, XRD y FESEM. Se encontró que el PEI como NPs, película o mallas no afectó la cinética de formación del CaCO3 actuando solo como una superficie inicial de nucleación. Mientras que el PEI-S en sus diferentes formatos si afectó la dinámica de nucleación, morfología, y polimorfismo del CaCO3. El estudio de NPs de PEI-S representó un buen punto de partida para comprender la interacción de iones calcio (Ca2+) con el –SO3H. Al estudiar las mallas de PEI-S se encontró que la morfología de las fibras, su orientación y carga superficial afectan la cristalización de CaCO3 de diferentes formas. Los resultados encontrados mostraron un efecto sinérgico de la carga superficial y la orientación de las fibras sobre la formación de CaCO3. Así, fibras electrohiladas con voltaje positivo y orientación aleatoria promueve la cristalización del CaCO3 en la superficie de las fibras e interior de la matriz fibrilar, mientras que mallas de fibras alineadas y electrohiladas con voltaje negativo indujo un recubrimiento homogéneo de CaCO3 sobre las fibras.

Esta tesis doctoral demuestra el control de la mineralización in vitro de CaCO3 al manipular la carga en la superficie de una matriz sólida fibrilar sin necesidad de realizar un tratamiento de funcionalización posterior al substrato orgánico como se ha requerido hasta el momento.