Felipe Salcedo - Profesor Asistente
nanocompuestos poliméricos - polímeros biodegradables - relaciones propiedades/estructura/procesamiento de materiales poliméricos - análisis térmico - reología de polímeros
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Sistemas Poliméricos

El interés de esta línea de investigación se centra en el desarrollo o mejoramiento de materiales poliméricos, innovadores o de alto desempeño, con un enfoque que cubre tanto fundamentos de ciencia como de aplicaciones en ingeniería. Principalmente aplicamos el estudio básico de física y fisicoquímica de polímeros, junto con técnicas de caracterización avanzadas, para el análisis de las relaciones estructura-propiedades de sistemas poliméricos y el diseño y producción de materiales dirigidos a aplicaciones específicas.

En nuestras investigaciones utilizamos una aproximación del diseño multi-escala en la cual se estudian los fenómenos desde los niveles molecular y microscópico, y sus relaciones con la formulación, para predecir/desarrollar diversos comportamientos macroscópicos de productos de diferentes sistemas poliméricos. En esta línea de investigación hacemos uso intensivo de técnicas de caracterización avanzadas como análisis térmico, dispersión de rayos láser, microscopía electrónica de barrido, difracción de rayos-X, espectroscopía infrarroja de transformada de Fourier y diferentes tipos de ensayos reológicos. Igualmente colaboramos estrechamente con los grupos de Investigación de Materiales y Manufactura (CIPP-CIPEM) del Departamento de Ingeniería Mecánica y el Grupo de Ingeniería Biomédica (GIB) del Departamento de Ingeniería Biomédica. Algunos de los temas específicos en los que trabajamos en la actualidad son los siguientes:


Desarrollo y caracterización de sistemas poliméricos de fuentes renovables para empaques de alimentos

El creciente interés de la comunidad internacional de comienzos del siglo XXI de ser menos dependientes de los combustibles fósiles y reducir los residuos plásticos en el medio ambiente genera grandes desafíos para la industria de polímeros a nivel mundial. Esta realidad ha conducido  a la realización de diversos esfuerzos para el desarrollo de materiales con ciclos de degradación mucho más cortos (biodegradables) y/o provenientes de fuentes renovables (biopolímeros) que puedan reemplazar a los polímeros convencionales provenientes de la industria del petróleo. Entre los biopolímeros más estudiados, especialmente para aplicaciones agrícolas y de empaques de alimentos, están la celulosa, el ácido poliláctico y el almidón termoplástico, siendo este último uno de los más atractivos debido a su bajo costo, gran abundancia en la naturaleza y alta biodegradadabilidad.

Almidón termoplástico como material potencial para empaque de alimentos
A pesar de las ventajas del almidón termoplástico, éste presenta algunas limitaciones en cuanto a sus propiedades mecánicas y estabilidad de sus propiedades en el tiempo. Esta variación de sus propiedades macroscópicas se debe principalmente a la complejidad de los procesos fisicoquímicos que se suceden tanto durante la gelatinización del almidón como a los que se suceden después de haberse obtenido el almidón termoplástico, especialmente el fenómeno de retorgradación (recristalización).

001Figura 1. Estructura molecular (izquierda), y microscópica (derecha) del almidón

En nuestro grupo de investigación trabajamos en la actualidad en la búsqueda de un mejor entendimiento de los procesos de gelatinización y retrogradación y en el planteamiento de distintas formulaciones y condiciones de proceso alternativas que permitan desarrollar productos más estables y con propiedades macroscópicas mejoradas. Estudiamos diferentes variables de formulación como: diferentes fuentes botánicas del almidón, modificaciones químicas del almidón, diferentes tipos y concentraciones de plastificantes, y la producción de compuestos y nanocompuestos de almidón con rellenos inorgánicos tipo arcillas (tanto modificadas químicamente como sin modificar).

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Figura 2. Caracterización reológica del proceso de gelatinización de almidón termoplástico (izquierda) y propiedades mecánicas (derecha) de almidón termoplástico con y sin refuerzo con arcilla (monmorillonita)

Estudio de Kefirán como potencial empaque comestible de frutas y hortalizas
El Kefiran es un polisacárido obtenido a partir de la fermentación de los granos de kéfir cultivados en leche o suero lácteo. Está conformado por cantidades iguales de D-glucosa y D-galactosa, es biodegradable, soluble en agua y su proceso de extracción es relativamente sencillo. El Kefirán es comestible y se le atribuyen importantes propiedades nutricionales, anti-patógenas y anti-tumorales. En trabajos previos de nuestro grupo de investigación hemos obtenido películas de Kefiran/glicerol con propiedades mecánicas y transparencia similares a las requeridas para aplicaciones de empaques de frutas y hortalizas.

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Figura 3. Granos de kefir (izquierda) y película de Kefiran (derecha) producidas en nuestros laboratorios

Sin embargo, las películas obtenidas a partir de Kefirán presentan altas permeabilidades al vapor de agua, en comparación a los materiales tradicionales, al ser un polímero hidrofílico. Igualmente su permeabilidad a otros gases (CO2 y O2) sigue sin determinar. En la actualidad estamos investigando los fenómenos presentes en los procesos de plastificación y formación de películas y las relaciones entre la microestructura/formulación/propiedades macroscópicas de diferentes películas basadas en Kefirán. Hacemos especial énfasis en el estudio de las propiedades reológicas de las suspensiones Kefirán/plastificante y en las propiedades mecánicas, de barrera y biodegradación de las películas. Adicionalmente exploramos posibles alternativas en los procesos tradicionales de aislamiento del Kefiran que permitan aumentar su eficiencia de producción y/o mejorar sus propiedades como material base para la producción de películas y estudiamos los efectos de modificaciones químicas del Kefirán.

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Figura 4. Estudio del cambio de la estructura cristalina por difracción de rayos-x  (izquierda) y del crecimiento de bacterias (derecha) de películas de Kefiran a diferentes concentraciones de plastificante

Desarrollo de un bio-adhesivo para huesos para el tratamiento de fracturas complejas

En conjunto con el grupo de investigación GIB de Ingeniería Biomédica, las facultades de Ciencias y Medicina y el departamentos de Ingeniería Mecánica, estamos desarrollando un proyecto de investigación que busca producir un adhesivo para huesos, basado en biopolímeros, que sirva como material de osteosíntesis y que permitan el proceso de consolidación del hueso como alternativa de tratamiento para fracturas conminuta. En trabajos preliminares realizados en la Universidad de los Andes se han probado formulaciones de adhesivos basados en biopolímeros de fuentes renovables como el quitosano y el alginato con propiedades adhesivas en muestras de hueso bovino.

005Figura 5. Proceso de extracción de quitosano a partir de cáscaras de camarón (izquierda) y gel de alginato de sodio/carbonato de calcio/glucodeltalactona  (derecha)

El quitosano es un polisacárido compuesto por residuos de β-(1-4) D-glucosamina y N-acetil D- glucosamina enlazados. Este biopolímero ha recibido especial atención en el campo biomédico debido a su bio-compatibilidad, bio-resorbabilidad, y bio-actividad, en adición a sus propiedades fungicidas y bactericidas. Los hidrogeles fabricados a partir de quitosano son aptos para el diseño de materiales con aplicaciones biomédicas, debido a su similitud en contenido de agua con respecto a la composición de los tejidos naturales. Por su parte, el alginato es un biopolímero obtenido de algas marinas pardas que tiene las características de ser biocompatible, no tóxico, no inmunogénico, biodegradable y posee efectos antimicrobianos. Es un copolímero aniónico que está compuesto de ácido manurónico y ácido galurónico. El alginato tiene la capacidad de formar hidrogeles en la presencia de cationes divalentes, tales como el calcio, que actúan como agentes entrecruzantes entre los grupos funcionales de las cadenas de alginato. Además, el alginato ha sido utilizado como matriz principal para la regeneración de tejidos y la liberación de fármacos.

006Figura 6. Procesos de gelificación monitoreados reológicamente para varias formulaciones de alginato/carbonato de calcio/glucodeltalactona (izquierda) y quitosano/carbonato de calcio/hidroxiapatita (derecha)

A pesar de las propiedades adhesivas encontradas hasta el momento con los geles basados en quitosano y alginato, todavía se presenta mucha variabilidad en los resultados obtenidos y no se tiene claridad de las variables fundamentales, tanto de proceso como de formulación, determinantes en las características adhesivas de los geles. En nuestro grupo de investigación estamos trabajando en la búsqueda de métodos que permitan una mejor caracterización de los biopolímeros a ser utilizados como adhesivos y buscando un mejor entendimiento de los procesos fisicoquímicos involucrados en la formación de los geles de estos biopolímeros, así como en establecer relaciones entre las propiedades reológicas de los geles y sus propiedades mecánicas y de adhesión.
Nanocompuestos poliméricos

Desde hace dos décadas y tras el descubrimiento de las extraordinarias propiedades mecánicas y de barrera de compuestos de matriz polimérica y rellenos de capas de aluminosilicatos (como las presentes en las arcillas), el campo de los nanocompuestos poliméricos ha cobrado gran interés científico. En esta área de investigación hemos trabajado en el estudio de la morfología y propiedades termomecánicas y reológicas de diferentes tipos de nanocompuestos de matrices de poliolefinas y rellenos inorgánicos (principalmente aluminosilicatos y carbonato de calcio). Se han obtenido avances importantes en el entendimiento del papel de las interacciones intermoleculares de las diferentes matrices poliméricas y los rellenos inorgánicos. Específicamente se ha observado la forma en que las interacciones entálpicas entre polímeros funcionalizados y las capas de aluminosilicatos determinan la morfología (dispersión) de las capas de aluminosilicatos en la matriz polimérica permitiendo la formación de nanoestrucutras que cambian completamente las propiedades macroscópicas de los polímeros. De este modo se han obtenido materiales híbridos (nanocompuestos) con propiedades termomecánicas mejoradas (y en algunos casos únicas) en aplicaciones de empaques de alimentos. En la actualidad nuestro interés se centra en poder extender las técnicas ya utilizadas y probadas en el mejor entendimiento del efecto de las interacciones moleculares a otros sistemas poliméricos más complejos para poder desarrollar nuevos materiales con desempeños innovadores.

007Figura 7. Morfología por microscopía electrónica (izquierda) y propiedades termomecánicas (derecha) de diferentes nanocompuesots de poliolefinas/arcillas/carbonato de calcio