apuntes de biología

Algunas aplicaciones curiosas de los polímeros superabsorbentes

Durante los últimos 15 años, los polímeros superabsorbentes han llegado a ser un importante componente de muchos productos, en concreto han tenido un gran auge en aquellos dedicados a la higiene personal. Quizás muchos de vosotros recordéis aquellos pintorescos anuncios de televisión en los que se mojaban pañales infantiles con un líquido de un extraño color azul, y después se comprobaba cómo el material interior era capaz de absorber todo el líquido transformándose, ante el asombro general, en unas curiosas "perlitas de gel". Este sorprendente material no es más que un ejemplo de lo que genéricamente se han denominado como hidrogeles o polímeros superabsorbentes, materiales entrecruzados que tienen la propiedad de absorber grandes cantidades de agua y otras disoluciones acuosas sin disolverse.

Los polímeros superabsorbentes de interés comercial son generalmente sales sódicas de poliácido acrílico entrecruzado y copolímeros de este ácido y almidón. La variedad de compuestos utilizados, así como los mecanismos de síntesis, está aumentando rápidamente, lo que ha permitido la obtención de hidrogeles con cada vez mayor capacidad de absorción de agua, llegándose a obtener polímeros con grados de hinchamiento superiores al 99% de su propio peso. El mecanismo por el que los polímeros son capaces de absorber tanto volumen de soluciones acuosas no es solamente físico, sino que depende de la naturaleza química del polímero. Las fuerzas que contribuyen al hinchamiento de los polímeros entrecruzados son la energía libre de mezcla y la respuesta elástica del entrecruzamiento, aunque también existen polímeros que presentan en su estructura unidades ionizables. Así, cuando un polímero de estas características se introduce en un medio acuoso, las unidades iónicas se disocian y crean una densidad de carga a lo largo de las cadenas y una elevada densidad de iones en el gel. Este carácter iónico produce unas nuevas fuerzas que condicionan el hinchamiento. Por un lado, la diferencia entre la concentración de iones entre el gel hinchado y la solución externa produce una presión osmótica, que sólo puede reducirse a través de la dilución de carga, es decir, por el hinchamiento del gel, y por otro, la densidad de carga neta entre las cadenas genera repulsiones electrostáticas que tienden a expandir el gel, lo que contribuye al hinchamiento [Martínez et al., Química e Industria, abril: 26-31 (1998)].

En los últimos años, debido sobre todo a las posibilidades comerciales que presentan estos compuestos, se ha desarrollado un importante trabajo de investigación sobre estos materiales, lo que ha derivado en la obtención de polímeros superabsorbentes usados en nuevas y muy diversas aplicaciones. Así, se están fabricando productos con estos polímeros que ya forman parte de nuestra vida cotidiana, y que van desde pañales hasta productos para agricultura, la industria alimentaria o las telecomunicaciones entre otros.

Sin lugar a dudas, los productos estrella son aquellos dedicados a la higiene personal, que actualmente utilizan el 95% de las más de 500.000 toneladas de polímeros superabsorbentes producidas al año en todo el mundo (de las que España consume unas 3.500 toneladas). Su principal aplicación es en pañales de un solo uso, los cuales son cada vez más finos como consecuencia de la inclusión de este tipo de polímeros, ya que la cantidad de líquido que pueden llegar a absorber es muy superior a la que se producía en los espacios abiertos de la celulosa. Este tipo de polímeros se utiliza igualmente en compresas femeninas y pañales para incontinencias seniles.

Otra aplicación de estos compuestos, que está cobrando un enorme interés, es su empleo en agricultura. Desde hace unos 20 años se están realizando ensayos que demuestran que el uso extensivo de polímeros superabsorbentes mejora la capacidad de retención de agua del suelo, favoreciendo por tanto el desarrollo de las plantas [van Cotthem et al., Soil Technology, 4: 183-189 (1991)]. Al mezclarse el polímero con el suelo se consigue, por un lado, aprovechar mejor el agua de lluvia o riego al perderse menor cantidad de agua por filtración, y por otro lado, también se consigue disminuir la evaporación de la misma. Estos dos factores son suficientes para mejorar la actividad biológica y aumentar la producción del suelo [Azzam, Commun. Soil Sci. Plant. Anal., 23: 243 (1983)]. Además, la utilización de polímeros también produce una mejora de la estructura del suelo y de la aireación del mismo. Así, el uso de este tipo de polímeros permitiría, por ejemplo, la recuperación de zonas semiáridas o terrenos de cultivo abandonados y poco fértiles cuando se emplea de forma extensiva. También se han utilizado, mezclándolo con abonos, en campañas de reforestación, donde proporcionan a los plantones una reserva de agua para las primeras fases (las más críticas) de su adaptación al terreno. Otro campo de aplicación muy importante sería en jardinería y paisajismo, donde la utilización de estos polímeros en grandes superficies ajardinadas, campos de golf, campos deportivos, etc., permitiría una disminución en la cantidad de agua empleada en el riego o bien, un mayor espaciado de los mismos, con el consiguiente ahorro de agua y dinero que ello supone.

Los polímeros superabsorbentes están también siendo introducidos en otras áreas como la protección medioambiental, ya que pueden utilizarse para controlar escapes y vertidos de productos tóxicos. La utilización de los polímeros adecuados cuando se produce un vertido o un escape accidental de una sustancia tóxica, permite controlar el vertido al ser el contaminante absorbido por el polímero de una forma rápida y limpia. Este tipo de técnicas se han aplicado con éxito para el control de vertidos de muchas sustancias químicas, incluyendo ácidos y bases fuertes, y se han desarrollado también polímeros capaces de absorber aceites y otros productos derivados del petróleo.

Otras aplicaciones de los polímeros superabsorbentes tienen que ver con el desarrollo de nuevas aplicaciones industriales en el campo de la ingeniería eléctrica y de telecomunicaciones, ya que se están empezando a emplear en los materiales de recubrimiento de cables eléctricos, cables telefónicos y de fibra óptica, creando una capa aislante que en caso de rotura en el cable, impide los daños que podría producir el agua, evitando así, problemas como cortocircuitos o cortes en las telecomunicaciones.

Tampoco la industria alimentaria ha querido dejar atrás las posibilidades que presentan los polímeros superabsorbentes. Los productos frescos perecederos como carnes y pescados presentan muchas veces problemas de transporte y empaquetado. Los cambios de temperatura en el envase pueden conducir a una condensación del agua sobre los productos que repercute directamente en la calidad y en la caducidad de los mismos. Estos problemas se han remediado mediante el uso de bandejas de envasado que incluyen polímeros en su composición, las cuales son capaces de absorber hasta 40 veces su propio peso, incluso bajo presión, y retener el líquido permanentemente. Esto permite mantener la calidad de los productos durante un mayor periodo de tiempo.

Otro ejemplo de aplicación bastante curiosa de los polímeros superabsorbentes, es su empleo como nieve artificial en unas instalaciones cerradas para la práctica del esquí, cercanas a Tokio. La nieve se prepara hinchando el polímero con una cantidad de agua 100 veces su peso y congelándose in situ. La capa de gel congelada se trata para darle un aspecto real, similar al obtenido con la nieve en polvo. Por último, un novedoso campo de investigación actual relacionado con los polímeros superabsorbentes, es el que se deriva del empleo de estos materiales como "músculos artificiales" en robótica, ya que variando las condiciones de hinchamiento del polímero mediante cambios de temperatura, pH o concentración de sal del fluido de hinchamiento, se puede variar el volumen del gel, dando lugar a movimientos que simulan a los de la musculatura humana.

Como hemos visto, las investigaciones que se han venido desarrollando en los últimos años sobre los polímeros superabsorbentes, han dado como resultado nuevos productos que cubren amplias áreas de aplicación. La continuidad de las investigaciones permitirá en un futuro que podamos disfrutar de nuevas y diversas aplicaciones de estos versátiles compuestos.

Ontogenia de las células adenohipofisarias en teleósteos

La adenohipófisis de los teleósteos

La hipófisis es una glándula clave para el control hormonal de diferentes funciones, tales como reproducción, desarrollo, crecimiento, osmorre-gulación, metabolismo, etc. Esta glándula es un lugar de síntesis, almacenaje y liberación de varias hormonas peptídicas que actúan sobre estos procesos. De este modo, la hipófisis puede ser considerada como un transductor que gracias a sus secreciones permite que el sistema nervioso central controle un rango muy amplio de funciones endocrinas.

Esta glándula se compone de dos tipos de tejidos con orígenes distintos: i) la adenohipófisis, originada por una evaginación ectodérmica del techo de la cavidad bucal embrionaria, y ii) la neurohipófisis de origen nervioso, originada de una invaginación del proceso ventral del diencéfalo. Los tipos celulares de la adenohipófisis se encuentran localizados en determinadas partes de la glándula, de manera que dos o más tipos celulares constituyen un lóbulo hipofisario. Las células que integran los diferentes lóbulos hipofisarios se distinguen por su morfología, afinidades tintoriales, reacciones inmunocitoquímicas y por su función fisiológica. Desde el punto de vista anatómico, la adenohipófisis de peces teleósteos presenta tres partes diferenciadas:

i) Pars distalis rostralis (PDR), en la posición más rostral de la glándula. En ella se localizan las células lactotropas o productoras de la hormona lactotropa (prolactina, PRL), y las células corticotropas o productoras de la hormona estimulante de las cápsulas adrenales (adrenocorticotropina, ACTH).

ii) Pars distalis proximalis (PDP), en posición caudal a la PDR. Contiene las células somatotropas o sintetizadoras de la hormona del crecimiento (somatotropina, GH), células tirotropas o productoras de la hormona estimulante del tiroides (tirotropina, TSH), y células gonadotropas o sintetizadoras de las hormonas estimulantes de las gónadas (gonadotropinas, GTH I y GTH II).

iii) Pars intermedia (PI), localizada en la parte más caudal de la glándula. En ella se hallan las células melanotropas o productoras de la hormona estimulante de los melanocitos (melanotropina, MSH), y las células somatolactotropas o sintetizadoras de la hormona somatolactina (SL).

La distribución de hormonas adenohipofisarias puede variar ligeramente entre especies, aunque la distribución más común es la explicada anteriormente. En algunos teleósteos es posible observar células GTH en la PDR y PI (ver figura 1).

Desarrollo de la adenohipófisis

En peces teleósteos los procesos saltatorios existentes durante la ontogenia hacen necesario el estudio detallado del desarrollo hipofisario en cada especie. De este modo, el tiempo de aparición de las diferentes células adenohipofisarias varía con la especie estudiada [Balon, Am. Zool. 21: 573-596 (1981)]. Como regla general, las especies dulceacuícolas presentan un periodo de desarrollo embrionario mayor que las especies marinas. Durante el periodo embrionario los órganos endocrinos no son todavía funcionales, aunque se detectan diversas hormonas de origen materno. El papel fisiológico de las hormonas maternas no está claro, sin embargo su presencia en los huevos sugiere una importante función en el desarrollo y la supervivencia de los embriones [Tagawa e Hirano, J. Exp. Zool. 257: 360-366 (1991)]. La diferenciación del sistema endocrino generalmente ocurre antes de la absorción del saco vitelino. Este hecho sugiere que dicho sistema es importante para la transición de alimentación endógena a exógena. La diferenciación funcional de la glándula hipofisaria ocurre en un amplio rango de edades en las diferentes especies estudiadas, aunque siempre aparece asociada con procesos de desarrollo del ojo, justo antes del final de la absorción del saco vitelino [Tanaka et al., Aquaculture, 135: 111-126 (1995)]. En la figura 2 se muestra el momento de aparición de las distintas células adenohipofisarias en el clupeido Alosa sapidissima. Esta especie presenta un periodo embrionario de 6 días y es un buen modelo para el estudio del desarrollo adenohipofisario en teleósteos dulciacuícolas.

Implicaciones de las hormonas adeno-hipofisarias en el desarrollo

En teleósteos dulceacuícolas y eurihalinos la PRL es esencial para mantener el balance hidromineral en agua dulce. Sin embargo, en peces marinos la función de la PRL no está clara [Loretz y Bern, Neuroendocrinology, 35: 292-304 (1982)]. Así, la temprana aparición durante el desarrollo embrionario de inmunorreactividad para las células de PRL indican la existencia de células de PRL activas y sugieren una función de esta hormona en los procesos de desarrollo y crecimiento de embriones y larvas [Tanaka et al., Aquaculture. 135: 111-126 (1995)]. Además, la PRL ha sido relacionada con la respuesta al estrés y el momento de la eclosión supone un momento de estrés agudo para el animal. De este modo, la producción endógena de PRL antes de la eclosión podría servir para afrontar el estrés provocado por la misma y la posterior adaptación a un ambiente hipoosmótico.

La ACTH adenohipofisaria controla la síntesis del cortisol, que constituye el principal corticosteroide segregado por el tejido interrenal en peces. De este modo, deberíamos hablar de eje hipotálamo-hipofisario-interrenal con el cortisol como el producto final de secreción [Wendelaar Bonga, Physiol. Rev. 77: 591-625 (1997)]. El cortisol afecta a procesos de desarrollo en peces teleósteos, incluyendo la eclosión, el crecimiento y la metamorfosis [Yamano et al., J. Comp. Physiol. 161: 371-375 (1991)]. Así, es lógico que las células de ACTH sean unas de las primeras en presentar actividad en las etapas del desarrollo larvario, tanto en teleósteos marinos como dulceacuícolas.

La principal función de la GH es regular el crecimiento somático a través de la hipertrofia y/o la hiperplasia celular. Según la hipótesis dual, los efectos de GH se pueden ejercer por una acción directa de la hormona sobre un tejido o indirectamente mediante las somatomedinas o IGFs (Insulin-like growth factors) [Holly y Wass, J. Endocrinol. 122: 611-619 (1989)]. A nivel larvario, en teleósteos marinos no se ha encontrado inmunorreactividad en las células GH antes de la eclosión. El corto tiempo de desarrollo larvario que presentan los teleósteos marinos, así como el aporte materno de GH, podría explicar esta falta de actividad de las células productoras de GH. Sin embargo, los teleósteos dulciacuícolas, con un mayor periodo de desarrollo embrionario, sí presentan células GH activas antes de la eclosión [Tanaka et al.,Aquaculture. 135: 111-126 (1995)]. Esto indica que la GH es ya importante en las primeras etapas del desarrollo ontogenético de peces teleósteos. Además, la producción local de IGFs en diferentes órganos del embrión es bastante importante, lo que puede favorecer los procesos de crecimiento sin necesidad de un gran aporte de GH.

Las GTHs son las hormonas que regulan la gametogénesis y la esteroidogénesis gonadal. En teleósteos se han descrito la existencia de dos GTHs: GTH I (GTH-vitelogénica) y GTH II (GTH II-maduracional) [Kah et al., Fish Physiol. Biochem. 11: 85-98 (1993)]. En diferentes especies de peces teleósteos no se ha detectado inmunorreactividad en las células secretoras de GTHs en estadios embrionarios. Durante el desarrollo larvario se ha puesto de manifiesto la expresión diferencial de ambas GTHs: las células conteniendo GTH I se detectan en las etapas larvarias coincidiendo con el momento en que tiene lugar la determinación morfológica gonadal, mientras que las células conteniendo GTH II no se detectan en ninguna etapa del desarrollo larvario [Saga et al., Gen. Comp. Endocrinol. 92: 233-241 (1993)]. Estos datos indican que la función de las GTHs no es necesaria hasta después de la eclosión.

El papel de la TSH es la estimulación de la glándula tiroides para la liberación de sus hormonas: tiroxina y triyodotiroxina. En peces teleósteos, estas hormonas están involucradas en procesos de metabolismo, osmorregulación y metamorfosis. Además, durante el desarrollo post-embrionario estimulan el crecimiento, actuando de un modo sinérgico con otras hormonas [Tagawa et al., Fish Physiol. Biochem. 8:515-520 (1990)]. En peces teleósteos se ha descrito inmunorreactividad en las células secretoras de TSH en los últimos estadios embrionarios o primeros estadios larvarios.

La a-MSH presenta un papel en la adaptación al color de fondo mediante un control de la dispersión de los pigmentos en la piel. Sin embargo, debido a la relación estructural entre la á-MSH y la ACTH, también estimula la producción de cortisol y está involucrada en la respuesta al estrés [Lamers et al., J. Endocrinol. 135: 285-292 (1992)]. El papel de la á-MSH en el desarrollo larvario no está claro, aunque se relaciona con el proceso de estrés asociado a la eclosión. En la mayoría de las especies marinas las células melanotropas muestran inmunorreactividad después de la eclosión, mientras que en las especies dulceacuícolas se detecta dicha inmunorreactividad antes de la misma [Naito et al., Cell Tiss. Res. 272: 429-437 (1993); Saga et al., Anat. Embryol. 200: 469-475 (1999)].

Las células secretoras de SL se activan por una extensa variedad de condiciones ambientales, aunque tanto en adultos como en larvas la función fisiológica de la SL es desconocida [Kaneko, Int. Rev. Cytol. 169: 1-24 (1996)]. Sin embargo, la pronta aparición de células sintetizadoras de SL en embriones sugiere un papel de esta hormona durante el desarrollo embrionario. De hecho, se ha propuesto un papel de la SL en la adaptación al estrés fisiológico asociado a la eclosión y al nuevo ambiente [Funkenstein et al., Fish Physiol. Biochem. 17: 247-252 (1997)].