Materiales composites basados en bio-híbridos zeína-arcilla, su procedimiento de obtención y usos de estos materiales.

La presente invención describe un material composite que comprende un biohíbrido de zeína y arcilla con un polímero que puede ser de diversa naturaleza, así como un procedimiento de obtención de dicho material. La composición característica de este tipo de materiales los hace idóneos para diversos usos tales como material de embalaje y envasado de alimentos, soporte de medicamentos, soporte de herbicidas, insecticidas, fungicidas y otros plaguicidas, absorbente o secuestrante de micotoxinas, soporte para el crecimiento de células o aislante mecánico, acústico o térmico

Materiales composites basados en bio-híbridos zeína-arcilla, su procedimiento de obtención y usos de estos materiales.

Se describe la preparación y aplicaciones de nuevos materiales composites basados en la combinación de compuestos zeína-arcilla con diversos tipos de polímeros. Los materiales composites resultantes de esta combinación pueden ser procesados y conformados como películas o láminas, sistemas densos y espumas rígidas, así como materiales particulados incluyendo microesferas, siendo de interés para aplicaciones en embalaje y envasado en el sector alimentario, para la aplicación de plaguicidas en el sector agrario, como absorbente y adsorbente en la depuración de aguas, en el sector farmacéutico y en biomedicina, o como aislante mecánico, acústico o térmico, entre otras.

Sector de la técnica

Dentro del sector químico, esta invención se refiere a materiales composites (nanocomposites) con potenciales aplicaciones como plásticos biodegradables, películas para envasado y conservación de alimentos, fases activas de membranas de separación de gases y pervaporación, en depuración de aguas, secuestrante de micotoxinas, en aplicaciones biomédicas como soporte o portador (carrier) de fármacos, vendajes o como material soporte para el crecimiento celular en la regeneración de tejidos, así como en el sector agrario para la liberación controlada de plaguicidas, o como aislante mecánico, acústico o térmico.

Estado de la técnica

La nanotecnología de biomateriales es un campo relativamente reciente en el cual se encuentran los llamados bio-nanocomposites, materiales resultantes de la combinación a escala nanométrica de biopolímeros y sólidos inorgánicos. La preparación de materiales bio-híbridos nanoestructurados basados en la combinación de silicatos (arcillas) y polímeros de origen natural (biopolímeros) es una temática de enorme interés debido a su impacto en el desarrollo de nuevos materiales avanzados tanto estructurales como funcionales a partir de materias primas baratas y ecológicas, presentando además el carácter biocompatible y biodegradable asociados al biopolímero (M. Darder, P. Aranda, E. Ruiz-Hitzky, "Bio-nanocomposites: a new concept of ecological, bioinspired and functional hybrid materials" Adv. Mater. 2007, 19, 1309-1319). Dentro de la amplia gama de biopolímeros extraídos directamente de la biomasa podemos citar la zeína, una proteína de almacenamiento encontrada en abundancia en el maíz, la cuál se caracteriza por su naturaleza hidrofóbica debido a su alto contenido en aminoácidos no polares. En la ultima década la zeína ha recibido gran interés tanto desde el punto de vista científico como del industrial, debido a sus propiedades de formación de películas biodegradables y de revestimientos comestibles para productos alimenticios (Wasa, T. Takahsahi, H., 1998. Coating agent for food excelent in workability in coating. Patent WO 98/14076), así como por su uso en sistemas dispensadores de fármacos, siendo recientemente utilizado en la preparación de microesferas para la liberación de insulina, heparina e ivermectina (Liu, X., Sun, Q., Wang, H., Zhang, L., Wang, J. Y. Microspheres of corn protein, zein, for an invermectin drug delivery system. Biomaterials, 2005, 26, 109-115).

Uno de los principales usos de la zeína se da en el área de los alimentos con respecto a la utilización de envases y como revestimiento. Tal biopolímero puede ser procesado en forma de película y ser utilizado en el sector alimentario, como plástico biodegradable para el recubrimiento y embalaje de alimentos, donde presenta buena biodegradabilidad, biocompatibilidad, actividad anti-bacteriana y propiedades de barrera al paso de gases y vapor de agua, siendo una alternativa para mejorar la calidad y conservación de alimentos. Aún así, las películas de zeína presentan fragilidad una vez secas, por lo que generalmente se requiere la adición de plastificantes (propilenglicol, glicerol, polietilenglicol, sorbitol, azúcares) para mejorar su flexibilidad.

A pesar de que son bien conocidas las potenciales aplicaciones de la zeína para bioplásticos y películas dirigidas al sector alimentario y farmacéutico, no se tiene constancia de estudios sobre el desarrollo de nanocomposites o materiales híbridos basados en zeína y minerales de la arcilla para estas y otras aplicaciones. En el ámbito de la biomedicina, hasta este momento solamente se ha encontrado un estudio de biocompatibilidad y propiedades mecánicas de zeína asociada a hidroxiapatito, para su uso como soporte (scaffold) en ingeniería de tejidos. En cuanto a la asociación de zeína con arcillas sólo se tiene constancia de un reciente trabajo donde se describe la adsorción de zeína en montmorillonita, sepiolita y palygorskita aunque estos sistemas no presentan buenas propiedades para ser empleados como bioplásticos por sí mismos (A.C.S. Alcántara, M. Darder, P. Aranda, E. Ruiz-Hitzky, "Interacciones de zeína con minerales de la arcilla" MACLA, núm. 9, 25-26 (2008)). Sin embargo, es posible que los materiales híbridos resultantes de la combinación de la zeína con montmorillonita, sepiolita y otras arcillas puedan ser usados como carga de polímeros y biopolímeros dando lugar a materiales compuestos y nanocompuestos (composites y nanocomposites) para diversas aplicaciones, como por ejemplo para la preparación de bioplásticos que actúen como barrera al paso de gases y vapor de agua, muy útiles para la conservación de alimentos. En este sentido, la combinación de bio-híbridos zeína-arcilla con otros polímeros y biopolímeros que aporten flexibilidad, funcionalidad y resistencia mecánica al sistema puede resultar de gran interés al facilitar su manejo en distintas aplicaciones, tales como membranas de separación de gases y pervaporación, soporte para el crecimiento celular o sistemas dispensadores de fármacos.

Descripción de la invención

La presente invención se basa en tres aspectos fundamentales:

Un primer aspecto de la invención es el desarrollo de materiales composites basados en la dispersión de bio-híbridos zeína-arcilla en matrices poliméricas.

Un segundo aspecto de la invención es el procedimiento de preparación de este tipo de material composite que comprende tres etapas: 1) etapa de preparación del bio-híbrido mediante compatibilización de los distintos componentes utilizando los disolventes más adecuados dependiendo de la naturaleza de la arcilla que se asocia a la zeína; 2) una segunda etapa que implica la dispersión de las cargas zeína-arcilla, obtenidas tras la separación del disolvente en el primer paso, en una disolución del polímero escogido; y 3) una tercera etapa en la que se lleva a cabo la eliminación del disolvente por secado a temperatura ambiente y presión atmosférica, o bien mediante técnicas de liofilización o de secado supercrítico.

Un tercer aspecto de la presente invención es el uso de este nuevo tipo de materiales composite para aplicaciones como material de embalaje y envasado de alimentos, liberación controlada de fármacos, soporte de herbicidas, insecticidas, fungicidas y otros plaguicidas para su posterior liberación controlada, absorbente o secuestrante de micotoxinas, soporte para el crecimiento de células en la regeneración de tejidos o como espumas para aislantes mecánicos, acústicos y térmicos.

En un primer aspecto, la presente invención se refiere a un material composite que comprende un bio-híbrido de zeína-arcilla y un polímero.

El término "material composite" tal y como se usa en la presente invención, se refiere a un material sólido resultante de la combinación de dos o mas materiales simples que se presentan en fase continua (polímero, metal, cerámica..) y en fase dispersa (fibra de vidrio, microsferas de sílice, etc..) teniendo propiedades distintas, generalmente sinérgicas y mejoradas, con respecto a las de los componentes por separado. Cuando los componentes de la fase continua interaccionan con los de la fase dispersa a la escala nanométrica, se denominan "materiales nanocomposites".

El denominado "bio-híbrido" es un material que resulta del ensamblaje de la zeína, una proteína de naturaleza hidrofóbica derivada del maíz, con diferentes sólidos inorgánicos del tipo de las arcillas. Estos últimos son silicatos, que comprenden a las arcillas laminares de origen natural como la montmorillonita, hectorita, etc., o sintético, como la laponita o las fluorohectoritas,... [Seguir leyendo]

1. Material composite que comprende un bio-híbrido de zeína-arcilla y un polímero.

2. Material composite según la reivindicación 1, caracterizado porque el polímero es un biopolímero.

3. Material composite según la reivindicación 2, caracterizado porque el biopolímero es un polisacárido.

4. Material composite según la reivindicación 3, caracterizado porque el polisacárido se selecciona entre alginato, xantano, goma gellan, pectina, kappa-carragenato y iota-carragenato.

5. Material composite según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque la arcilla que forma parte del bio-híbrido se selecciona entre una arcilla de fibrosa o una arcilla laminar.

6. Material composite según la reivindicación 5, caracterizado porque la arcilla de morfología fibrosa se selecciona entre sepiolita y palygorskita.

7. Material composite según la reivindicación 5, caracterizado porque la arcilla de estructura laminar se selecciona entre montmorillonita, saponita, estevensita, hectorita, beidellita, illita, clorita, talco, pirofilita, caolinita, halloisita, vermiculita o arcillas sintéticas.

8. Material composite según la reivindicación 5 ó 7 caracterizado porque la arcilla de estructura laminar está modificada con un compuesto orgánico.

9. Material composite según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque además comprende al menos un aditivo.

10. Material composite según la reivindicación 9 caracterizado porque el aditivo se selecciona entre antioxidantes, fármacos, antibióticos, fungicidas, pesticidas, colorantes o nanopartículas metálicas y de óxidos metálicos.

11. Procedimiento de preparación de un material composite según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, que comprende las siguientes etapas: