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Los polímeros de impresión molecular (MIP, por sus siglas en inglés)

son materiales sintéticos tridimensionales con cavidades específicas

para retener de manera selectiva a una molécula de interés (deno-

minada plantilla) por medio de adsorción a nivel molecular.

El análisis de un solo compuesto en mezclas complejas frecuen-

temente requiere diversos pasos de pretratamiento. Si el com-

puesto a analizar está presente en muy bajas concentraciones, es

necesario que sea concentrado para poder detectarlo mediante

técnicas analíticas estándares. Los MIP son polímeros que reco-

nocen de manera altamente específica a un compuesto o fami-

lia de compuestos; debido a esta propiedad, puede ser utilizado

como sistema de extracción, reduciendo así las interferencias en

Polímeros de impresión molecular

Recibido: 31.01.2020 I Aceptado: 03.03.2020

Palabras clave: Adsorción, analítica, contaminantes, polímeros impresos y selectividad.

JESSICA GUADALUPE MELÉNDEZ MARMOLEJOjessica.melendez.mg@outlook.comLORENA DÍAZ DE LEÓN MARTÍNEZCOORDINACIÓN PARA LA INNOVACIÓN Y APLICACIÓN DE LA CIENCIA Y LA TECNOLOGÍA, UASLP

ABRIL 2020 246 UNIVERSITARIOS POTOSINOS 17MIP

el análisis para mejorar la capacidad

de detección de compuestos de in-

terés y para disminuir los costos de

análisis químico. Por estas razones,

han sido utilizados en las áreas de

química analítica ambiental,

medicina, nanociencias, en-

tre otras.

Los MIP se sintetizan en

presencia de esa plantilla,

lo que confiere al polímero

la forma, disposición, orienta-

ción y enlaces específicos que dan

lugar al fenómeno denominado

‘reconocimiento molecular’

(Díaz de León et al., 2018).

Se trata de materiales que

reproducen el mecanismo

de reconocimiento de los

sistemas biológicos (antíge-

no-anticuerpo) y actúan forman-

do un complejo de llave-cerradura en-

tre el polímero y la plantilla (figura 1).

Antecedentes

En 1931, un grupo de investigadores

ucranianos publicó un trabajo donde

reportó haber obtenido partículas de

silica en presencia de benceno, xileno

o tolueno. Lo interesante del estudio

es que eran mucho más selectivas

para la adsorción de benceno y tolue-

no que para las moléculas homólogas,

lo que reflejó la propiedad de memo-

ria del adsorbente (Polyakov, 1931).

Estos primeros trabajos coincidieron

en el tiempo con las nuevas teorías

en el campo del estudio del sistema

inmunológico.

En ese entonces, los científicos esta-

dounidenses Seeley Greenleaf Mudd

y Linus Carl Pauling comenzaban a

postular las bases del reconocimien-

to antígeno-anticuerpo (Mudd, 1932).

Los trabajos se centraban en compren-

der la especificidad biológica, y una de

sus muchas conclusiones se basó en

la idea de que el reconocimiento de

las uniones específicas no se estable-

cía sólo por las interacciones quími-

cas, sino que dependían de la forma

de la molécula.

Descubrieron que la unión antíge-

no-anticuerpo era como la de una

llave y una cerradura, ya que sus for-

mas eran complementarias. Estas

interacciones —un tanto ajustadas—

hacen que las moléculas estén tan cer-

ca que puedan establecerse uniones

entre ellas, ya sea del tipo de Van der

Waals (fuerzas atractivas entre molé-

culas o interacciones electrostáticas)

o enlaces por puentes de hidrógeno

(atracción entre un átomo de hidró-

geno —carga positiva— con un átomo

pequeño muy electronegativo —como

oxígeno o nitrógeno—). Pauling exten-

dió su idea a otros sistemas biológicos,

como las uniones enzima-sustrato,

ya postuladas por Hermann Emil Fi-

sher en 1894, o como los olores a los

receptores olfativos.

En 1949, Frank Dickey —estudiante de

Pauling— sintetizó de forma inorgánica,

partículas de silica en presencia de na-

ranja de metilo (un colorante azoderi-

vado, usado como colorante en varias

industrias); los resultados de esta inves-

tigación reportaron que el adsorbente

presentaba una gran afinidad por el

colorante (Dickey, 1949). Estas técnicas

comenzaron a aplicarse en la síntesis

de soportes específicos para cromato-

Polimerización Limpieza

PolímeroPolímero impreso con cavidades selectivas

Monómero Plantilla

Figura 1.

Proceso de impresión molecular

UNIVERSITARIOS POTOSINOS 246 ABRIL 202018 MELÉNDEZ, J. Y DÍAZ DE LEÓN, L. PÁGINAS 16 A 21

grafías en columna o en capa fina, en-

tre otros usos. Después de dos déca-

das de investigación en la tecnología de

impresión molecular, lograron sinteti-

zarse los primeros polímeros orgánicos

impresos (Sarhan y Zabrocki, 1973).

En la actualidad, la tecnología de im-

presión molecular se ha utilizado para

retener e identificar selectivamente

aminoácidos, proteínas, fármacos,

contaminantes orgánicos (plaguici-

das, colorantes, compuestos nitroge-

nados, organometálicos), entre otros

compuestos. Además, ha aumentado

el interés en el diseño, preparación y

caracterización de nuevos materiales

de reconocimiento molecular, entre

los que se encuentran los polímeros

de impresión molecular; esto se refleja

en el número de publicaciones cien-

tíficas que han aumentado desde su

descubrimiento hasta la actualidad, lo

cual se debe a su versatilidad, funcio-

nalidad y utilidad en muchos campos

de la química analítica, bioquímica,

biología, farmacia, medicina, biotecno-

logía e ingeniería.

¿Cómo se obtienen

los MIP?

En términos generales,

la técnica de impresión

molecular se basa en la

preparación, en presencia

del monómero adecuado, de

un polímero altamente entrecruzado

alrededor de un analito (componente

de interés analítico de una muestra

que se separa de la matriz) plantilla.

Están conformados por:

a) Plantilla. Es la molécula que

se desea extraer o analizar selec-

tivamente, por ejemplo, fármacos,

aminoácidos, carbohidratos, proteí-

nas, hormonas, plaguicidas, antibió-

ticos, entre otros.

b) Monómero funcional. Compues-

to que formará el polímero, unidad

por unidad. La selección del tipo de

monómero más adecuado se reali-

zará en función de las características

y grupos químicos funcionales de la

plantilla, con el que debe formar un

complejo estable. Una de las carac-

terísticas deseables en un MIP es

que entre la plantilla y el monóme-

ro se formen interacciones comple-

mentarias que aumenten la afinidad

y la selectividad en los poros.

c) Entrecruzante. Elemento res-

ponsable de generar la estructura

tridimensional del polímero y de

proporcionarle la estabilidad me-

cánica y rigidez. La selectividad es

altamente dependiente del tipo y

cantidad de agente entrecruzante

que se utilice en la síntesis.

d) Iniciador. Es el responsable de

iniciar el proceso de polimerización

por radicales libres. Se emplean di-

ferentes iniciadores; en función del

método de iniciación empleado,

éstos pueden ser por exposición a

radiación ultravioleta o calor.

e) Porógeno. Es el componente que

conduce la fuerza de las interaccio-

nes y otorga la morfología de la cavi-

dad selectiva de los polímeros. Debe

cumplir con ciertas características:

los demás compuestos que intervie-

nen en la polimerización deben ser

solubles en él y tener baja polaridad,

para reducir las interferencias du-

rante la formación del complejo de

polimerización, con la finalidad de

aumentar la selectividad del MIP.

La preparación se realiza por medio de

un proceso de polimerización que se

ABRIL 2020 246 UNIVERSITARIOS POTOSINOS 19MIP

basa en la generación de dos solucio-

nes: a) de prepolimerización y b) de po-

limerización; en la primera se añade la

plantilla y se pone en contacto con un

monómero, mientras que la segunda

consiste principalmente de una molé-

cula entrecruzante, un porógeno y, por

último, la adición de un iniciador que

realiza una reacción radicalaria y da lu-

gar al proceso de polimerización. Una

vez obtenido el polímero —y tras la ex-

tracción de la plantilla— se crean cavida-

des en su interior, que son complemen-

tarias en tamaño, forma geométrica y

orientación de grupos funcionales a la

molécula utilizada como plantilla (Díaz

de León-Martínez et al., 2018).

Existen diversos métodos de polime-

rización, entre los que destacan la

síntesis por emulsión, en masa y co-

precipitación, en donde la elección

del método dependerá de las carac-

terísticas fisicoquímicas que se desee

en el polímero.

En la polimerización por emulsión (fi-

gura 2a) se combinan un medio orgá-

nico hidrofóbico en que se encuentra

la mezcla de polimerización y un me-

dio dispersante orgánico o acuoso,

que sean inmiscibles (es decir, que no

constituyen una solución homogénea)

y formen dos fases. Este tipo de po-

limerización se da en las gotas de la

mezcla de polimerización, con agita-

ción y temperatura constante. La prin-

cipal ventaja de este procedimiento es

que permite controlar el tamaño de las

partículas y la obtención de poros ho-

mogéneos (figura 2b).

El método de polimerización en masa

(figura 3a) consiste en la síntesis del

polímero en el porógeno, este método

no requiere de agitación y se da me-

ramente por la adición del iniciador a

la mezcla de prepolimerización, a tem-

peratura constante o de manera foto-

química. Este fue el primer método

empleado para la síntesis de MIP, como

resultado se obtiene un monolito inso-

luble (figura 3b) que, posteriormente,

se somete a un proceso de triturado y

tamizaje para reducir y homogenizar el

tamaño de sus partículas.

Polimerización

Agua

80 ºCAgitaciónMicela

IndicadorMonómeroSurfactante

Polímero

Polimerización

Solvente Polímero

IndicadorMonómero

IndicadorMonómero

Polimerización

Agitación

Solvente Polímero

80 ºC

80 ºC

Figura 2.

a) Polimerización por emulsión b) Formato físico del MIP

a)

b)

UNIVERSITARIOS POTOSINOS 246 ABRIL 202020

Polimerización

Agua

80 ºCAgitaciónMicela

IndicadorMonómeroSurfactante

Polímero

Polimerización

Solvente Polímero

IndicadorMonómero

IndicadorMonómero

Polimerización

Agitación

Solvente Polímero

80 ºC

80 ºC

MELÉNDEZ, J. Y DÍAZ DE LEÓN, L. PÁGINAS 16 A 21

La polimerización por coprecipitación

tiene el mismo fundamento que la po-

limerización en masa, las diferencias

radican en la adición de cinco veces

más cantidad de porógeno y constan-

te agitación (figura 4a). Como conse-

cuencia, las cadenas poliméricas no

son capaces de ocupar el volumen del

disolvente (porógeno), produciéndose

una dispersión de partículas de formas

irregulares de polímero en la solu-

ción. Este tipo de polimerización tiene

como resultado un polímero tipo gel

(figura 4b) y una de las ventajas que

presenta es la homogeneidad en los

sitios de unión.

¿Cuáles son las ventajas de los MIP?

Los polímeros de impresión molecular

presentan ventajas frente a otros mé-

todos analíticos: a) el bajo costo frente

a métodos de concentración, como

extracción en fase sólida (SPE); b) son

sencillos de preparar; c) pueden em-

plearse bajo un amplio intervalo de

temperaturas, pH y presiones; d) son

selectivos para un solo analito o

familia de compuestos

Figura 3.

a) Polimerización en masa b) Formato físico del MIP

Figura 4.

a) Polimerización por coprecipitación b) Formato físico del MIP

Polimerización

Agua

80 ºCAgitaciónMicela

IndicadorMonómeroSurfactante

Polímero

Polimerización

Solvente Polímero

IndicadorMonómero

IndicadorMonómero

Polimerización

Agitación

Solvente Polímero

80 ºC

80 ºC

a)

a)

b)

b)

ABRIL 2020 246 UNIVERSITARIOS POTOSINOS 21MIP

Es licenciada en Química por la Facultad de Ciencias Químicas de la UASLP donde actualmente estudia la Maestría en Ciencias Ambientales en el Programa Multidisciplinario en Ciencias Ambientales. Además, es investigadora en la Coordinación para la Innovación y Aplicación de la Ciencia y la Tecnología y realiza el proyecto “Síntesis y caracterización de polímeros de impresión molecular como adsorbentes para fármacos antiinflamatorios (naproxeno, ibuprofeno y diclofenaco)”.

JESSICA GUADALUPE MELÉNDEZ MARMOLEJO

(el de interés); e) pueden utilizarse en

varios ciclos de reconocimiento sin

que sus propiedades analíticas se vean

alteradas; f) la adsorción de la molé-

cula de interés tiene lugar de forma

reversible y en un corto tiempo, por

lo que son reutilizables sin perder sus

propiedades; g) pueden ser sintetiza-

dos en gran variedad de formatos físi-

cos, como nanopartículas, micropartí-

culas, membranas poliméricas, fibras,

entre otros.

Todas estas ventajas frente a otros mé-

todos químicos, analíticos y biológicos

han propiciado su reciente interés e

investigación aplicada en diferentes

campos de la ciencia y la industria.

Por ejemplo, en química analítica la

utilidad de los MIP radica en la alta ca-

pacidad de reconocimiento molecular

y retención. La especificidad permite

aumentar la selectividad del adsorben-

te, incluso en el análisis de muestras

complejas, proporcionando gran apli-

cabilidad en los procedimientos de

extracción en fase sólida, ya que se ha

demostrado que son capaces de elimi-

nar —o cuando menos minimizar— el

efecto de matriz. Además, su eleva-

da capacidad de retención permite la

preconcentración del analito de inte-

rés, lo que facilita su detección en un

equipo analítico.

Lo anterior es muy importante en la

investigación en el campo medioam-

biental, debido a que es cada vez más

dependiente de métodos analíticos

específicos y sensibles, que han de

detectar y cuantificar trazas y ultratra-

zas (partes por billón, µg/L, y partes

por trillón, ng/L) de contaminantes en

matrices muy complejas. Es así, que

los MIP, al proporcionar mejoras en

limpieza, preconcentración y recupera-

ción de contaminantes de interés, per-

mitirían una mejor cuantificación que

facilitaría monitorizar contaminantes

en matrices como aguas residuales y

sedimento.

Referencias bibliográficas:Díaz de León, L., Flores, R., Rodríguez, M., Ocampo, R., Gutié-

rrez, J. M., Díaz-Barriga, F. y Batres, L. (2018). Synthesis and Evaluation of a Molecularly Imprinted Polymer for the Determination of Metronidazole in Water Samples. Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology, 100(3), pp. 395-401.

Dickey, F. H. (1949). The Preparation of Specific Adsorbents. Proceedings of the National Academy of Sciences, 35(5), pp. 227-229.

Mudd, S. (1923). A Hypothetical Mechanism of Antibody Formation. The Journal of Immunology, 23(6), pp. 423-428.

Polyakov, M. (1931). Adsorption properties and structure of silica gel. Zhurmal Fizicheskoi Khimii, 65(2), pp. 267-273.

Wulff, G., Sarhan, A. y Zabrocki, K. (1973). Enzyme-analogue built polymers and their use for the resolution of racemates. Tetrahedron Letters, 14(44), pp. 4329-4332.

Figura 4.

a) Polimerización por coprecipitación b) Formato físico del MIP