Estudio_de_Mezclas_de_Polietileno_de_Alt

Vista previa del material en texto

Carmen Mueller-Karger, Sara Wong, Alexandra La Cruz (Eds.): CLAIB 2007, IFMBE Proceedings 18, pp. 676–680, 2007 
www.springerlink.com © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2007 
Estudio de Mezclas de Polietileno de Alta Densidad (PEAD) con colágeno/acetato 
de sodio e Hidroxiapatita (HA) 
R. González Paz1, A. Grillo1, J.L. Feijoo1, K. Noris-Suárez3, R. Perera2 y J. López1 
1 Universidad Simón Bolívar/Departamento de Ciencia de Materiales, GPUSB, Caracas, Venezuela 
2 Universidad Simón Bolívar/Departamento de Mecánica, Caracas, Venezuela. 
3 Universidad Simón Bolívar/Departamento de Biología Celular, Caracas, Venezuela. 
Abstract— Blends and/or composites of HDPE, type I colla-
gen gel extracted from rat tails and dried in presence of so-
dium acetate, poly(ethylene –co- acrylic acid) (a compatibilizg 
agent) and hydroxiapatite were studied. Differential Scanning 
Calorimetry (DSC) analyses demonstrated that the collagen gel 
was able to tolerate the processing conditions of HDPE since it 
kept its characteristic denaturalization temperature. Trans-
mision Electronic Microscopy (TEM) showed that the fibrillar 
structure of collagen was kept and it finds itself dispersed on 
the HDPE matrix. Collagen supplies an important reinforce-
ment to HDPE by increasing 2,7 times the HDPE Young’s 
modulus values. The compatibilizing agent did not show any 
important contribution to the Young’s modulus of the 
HDPE/collagen/copolymer blend in comparison with the blend 
where no compatibilizing was used. On the other hand, the 
HDPE/HA blends showed a Young’s modulus about two times 
that of pure HDPE, due to the HA crystals which confer stiff-
ness to the whole system. 
Palabras claves— Colágeno/ acetato de sodio, gel, PEAD, 
hidroxiapatita. 
I. INTRODUCCIÓN 
El colágeno es el biopolímero más abundante en 
animales, ya que provee principalmente un apoyo 
estructural y mecánico. Su ordenamiento como estructura 
triple helicoidal es estabilizada mayoritariamente por 
puentes de hidrógeno que se forman entre las cadenas α que 
conforman la triple hélice y entre cada una de las cadenas α 
con el agua. El colágeno se encuentra fácilmente disponible, 
es atóxico y tiene la estructura fibrilada inherente de los 
tejidos naturales (figura 1), carácter que acentúa el 
desempeño de éste porque mantiene una excelente base para 
biomateriales en aplicaciones como: prótesis arteriales y 
piel artificial [1]. 
Las poliolefinas, por su parte, son una importante clase 
de polímeros comerciales, que han sido empleados en un 
amplio rango de aplicaciones. No obstante, este rango puede 
ser ampliado aún más mezclando poliolefinas con otros 
polímeros [2]. Se han usado mezclas de polímeros sintéticos 
y naturales en las últimas décadas para desarrollar nuevos 
materiales, llamados “materiales poliméricos bioartifi-
ciales”. La capacidad de mezclar buenas propiedades físicas 
y mecánicas con las características biocompatibles ha sido 
empleada con el propósito de hacer nuevos materiales para 
aplicaciones biomédicas. [2] 
La incompatibilidad de la mezcla PEAD/Colágeno se 
debe fundamentalmente a la amplia diferencia en las 
estructuras químicas de los componentes de la mezcla, ya 
que el colágeno posee una estructura altamente polar, 
mientras que el PEAD es completamente apolar. Por esta 
razón, el biopolímero no se dispersa fácilmente en los 
termoplásticos no polares. Es más, debido al fuerte enlace 
hidrógeno intermolecular, el polímero natural tiende a 
aglomerarse durante el mezclado con plásticos. Como 
resultado, la pobre compatibilidad y dispersabilidad del 
polímero natural con los termoplásticos no polares 
constituye una seria desventaja al momento de la obtención 
de los materiales compuestos [2]. 
La hidroxiapatita (HA) es un mineral que se encuentra de 
forma natural en el hueso. Está conformada principalmente 
por cristales de fosfato de calcio, organizados en una 
estructura cristalina. Hoy en día este mineral, ya sea de 
origen natural o sintético, ha sido usado frecuentemente en 
la creación de nuevos biomateriales para la elaboración de 
implantes óseos [3]. 
El objetivo de este trabajo es caracterizar las mezclas del 
colágeno/acetato de sodio, con PEAD, HA y un agente 
compatibilizante de etileno-co-ácido acrílico. 
 
Fig. 1 Estructura fibrilar del Colágeno tipo I 
Estudio de Mezclas de Polietileno de Alta Densidad (PEAD) con colágeno/acetato de sodio e Hidroxiapatita (HA) 677 
_______________________________________________________________
 IFMBE Proceedings Vol. 18 
__________________________________________________________________
 
II. MATERIALES Y MÉTODOS 
A. Materiales 
Los materiales utilizados fueron: un polietileno de alta 
densidad (PEAD) comercial, gel de Colágeno tipo I secado 
en presencia de acetato de sodio, hidroxiapatita (HA) 
sintetizada por el método de precipitación [4] y un 
copolímero de etileno-co-ácido acrílico, suministrado por 
Aldrich, con 10% de ácido acrílico. La HA fue caracterizada 
por Espectroscopía Infrarroja y Difracción de Rayos X, y 
los resultados fueron comparables a los reportados por 
Panda et al [5] y Wang [6]. 
B. Método de Extracción de Colágeno 
El colágeno hidrolizado fue extraído a partir de tendones 
de cola de rata, previamente lavadas con etanol absoluto. 
Posteriormente, se desollaron y se fracturaron las colas por 
cada espacio intervertebral. Se despegó la primera vértebra 
y se halaron cuidadosamente los tendones de cada una. 
Luego, se pesaron los tendones y se colocó 1g de tendón en 
200ml de ácido acético al 3% por 24h y a continuación se 
centrifugó a 3000rpm a 4ºC por 30min, y se recuperó el 
material sobrenadante. Luego de obtener el colágeno 
hidrolizado en ácido acético, se neutralizó la solución con 
NaOH 1N hasta el punto de obtener el colágeno gelificado, 
para luego secarlo en una estufa a 60ºC durante 7 días y 
molerlo, obteniendo así un polvo blanco que contiene 
colágeno en un 17% y acetato de sodio (CH3COO
- Na+) en 
un 83%. 
C. Síntesis de Hidroxiapatita 
La hidroxiapatita (HA) se sintetizó a través de un método 
de precipitación a temperatura y presión ambiental. Se 
preparó una solución de hidróxido de calcio (Ca(OH)2) y 
una de fosfato de calcio dibásico ((NH4)2HPO4) en solución 
acuosa empleando agua desionizada en cantidades 
equimolares. Dichas soluciones se colocaron en un régimen 
continuo de agitación para disolver los reactivos. Una vez 
disueltos, se mezcló la solución de fosfato de amonio 
dibásico con la de hidróxido de calcio manteniéndose la 
agitación por 15min, aproximadamente. Pasado el tiempo 
de reacción, el material se trasvasó a un envase plástico 
donde se dejó reposar por 72h. Después se realizó el lavado 
de la hidroxiapatita con la finalidad de eliminar el hidróxido 
de amonio (NH4OH). Se agitó el recipiente de la misma 
homogeneizando la mezcla. Posteriormente, se centrifugó la 
mezcla para eliminar el agua. Luego, se agregó nuevamente 
agua desionizada para retornar al centrifugado. El ciclo de 
lavado finalizó cuando el pH de la solución resultó neutro. 
Una vez finalizado el lavado, la hidroxiapatita se introdujo 
en la estufa a una temperatura de 80ºC por 48h [7]. 
D. Mezclado, Moldeo y Propiedades Mecánicas 
Los materiales compuestos se prepararon por mezclado 
en fundido. El mezclado se llevó a cabo en un mezclador 
interno marca Haake durante 7 minutos, a una temperatura 
de 160ºC y a 90 rpm. Se realizaron las mezclas y/o 
materiales compuestos según las composiciones que se 
muestran en la Tabla 1, manteniendo para todas ellas una 
relación 75/25 entre el PEAD y el colágeno, y añadiendo un 
10% de cada uno de los componentes restantes de la 
formulación, en base a 50g de masa total de la mezcla. 
Luego del mezclado, el material fue moldeado por 
compresión en una prensa hidráulica Carver modelo C 
precalentada a 170°C siguiendo ciclo de moldeo durante 5 
minutos. Se obtuvieron placas de 1mm de espesor para 
posteriormente troquelar probetas tipoalterio a partir de 
las láminas obtenidas. 
Las propiedades mecánicas de las probetas obtenidas 
fueron determinadas mediante ensayos tensiles llevados a 
cabo en un equipo de ensayos universales marca LLOYD, 
modelo EZ20, a una velocidad de deformación de 
5mm/min, a temperatura ambiente. 
E. Calorimetría Diferencial de Barrido (DSC) 
Las propiedades térmicas de las mezclas se determinaron 
por calorimetría diferencial de barrido en un equipo 
PERKIN-ELMER DSC 7 a una velocidad de 5ºC/min, bajo 
una atmósfera inerte de nitrógeno. La masa empleada fue de 
aproximadamente 30mg. 
F. Microscopía Electrónica de Transmisión (TEM) 
Las imágenes de microscopía electrónica de transmisión 
(MET) se obtuvieron en un equipo JEOL JEM1220 a 50kV. 
Tabla 1 Composición de las diferentes mezclas y/o 
compuestos evaluados. 
Colágeno/ 
Formulación PEAD Acetato de Sodio Copolímero HA 
F1 x 
F2 x x x 
F3 x x 
F4 x x x 
F5 x x x x 
678 R. González Paz, A. Grillo, J.L. Feijoo, K. Noris-Suárez, R. Perera y J. López 
_______________________________________________________________
 IFMBE Proceedings Vol. 18 
__________________________________________________________________
 
Las muestras fueron cortadas en un ultramicrotomo LEICA 
ULTRACUT UCT a temperatura ambiente para obtener un 
espesor promedio de 50nm y luego se tiñeron con Rutenio. 
III. RESULTADOS 
A. Calorimetría Diferencial de Barrido (DSC) 
En la figura 2 se muestran los termogramas de las 
mezclas. La curva a) muestra la fusión del PEAD, la cual 
ocurre a 129 ºC. La temperatura de desnaturalización del 
colágeno tipo I obtenida en este caso fue de 65ºC, tal y 
como se muestra en la curva f). Esta temperatura ha sido 
reportada entre 55 y 60ºC [8-9]. El incremento observado 
puede atribuirse a una mayor estabilidad en la estructura del 
colágeno producto de la interacción iónica con la sal [10]. 
La temperatura de desnaturalización del colágeno es un 
factor muy importante a tomar en cuenta durante el 
procesamiento de las mezclas PEAD/colágeno, debido a la 
gran probabilidad de que este último se degrade a la 
temperatura de procesamiento característica del PEAD. El 
pico mostrado en las curvas b) c) y d) a la misma 
temperatura mencionada anteriormente por el complejo 
colágeno/sal, evidencian que el gel de colágeno btenido es 
estable en las condiciones de mezclado y moldeo del PEAD. 
La curva e) corresponde al compuesto 
PEAD/copolímero/HA. En ésta sólo se observa una ligera 
disminución de 3 ºC de la temperatura de fusión del PEAD, 
debido al efecto diluyente del copolímero. La presencia de 
los cristales de HA no afectó el comportamiento de 
cristalización del PEAD. 
 
 
 
Fig. 3a) Micrografías de la mezcla PEAD/Colágeno 
 
 
Fig. 3b) Micrografías de la mezcla PEAD/Colágeno 
B. Microscopía Electrónica de Transmisión (TEM) 
En las figuras 3a) y 3b) se observa la dispersión de las 
estructuras fibrilares del complejo colágeno/sal a nivel 
nanométrico en la matriz de PEAD. Por su parte, la figura 
3b) muestra un detalle de las estructuras organizadas a nivel 
fibrilar del complejo colágeno/sal, presentando una fuerte 
orientación de estas estructuras dentro del PEAD. 
C. Propiedades Mecánicas 
En la Tabla 2 se presentan las propiedades mecánicas en 
tensión para los distintos materiales. En la misma se observa 
el aumento del módulo de Young entre la formulación F1 y 
F2 por la presencia de hidroxiapatita (HA), la cual es una 
carga rígida. La HA presenta una estructura cristalina [4-7]. 
La secuencia de aminoácidos que forma cada cadena α de la 
triple hélice del colágeno se debería compatibilizar gracias 
 
Fig. 2 Termogramas correspondientes al primer calentamiento 
de las mezclas. Las composiciones se muestran sobre cada curva. 
PEAD/Colag/Copol/HA 
100/0/0/0 
75/25/0/0 
80/0/10/10 
60/20/10/10 
0/0/0/100 
67/23/10/0 
Estudio de Mezclas de Polietileno de Alta Densidad (PEAD) con colágeno/acetato de sodio e Hidroxiapatita (HA) 679 
_______________________________________________________________
 IFMBE Proceedings Vol. 18 
__________________________________________________________________
 
al grupo funcional ácido del copolímero, ya que en ausencia 
de éste no existiría afinidad con la estructura apolar del 
polietileno de alta densidad (PEAD) [11]. Sin embargo, al 
observar los valores de módulo de Young, se obtuvo que la 
formulación F4 exhibe un menor desempeño que la mezcla 
PEAD/Colágeno (F3), lo cual se podría deber a que las 
interacciones del colágeno con la sal impiden que los 
grupos ácidos del copolímero interactúen con los grupos 
polares del colágeno, disminuyendo el efecto del 
copolímero. Las fibras que se observan a escala nanométrica 
en las figuras 3a) y 3b) explican el hecho de que el módulo 
de Young sea mayor para la formulación F3, ya que el 
colágeno se encuentra disperso en la matriz de PEAD como 
una carga fibrilar nanométrica que imparte rigidez al 
sistema. En consecuencia, esta formulación exhibe el mayor 
esfuerzo a ruptura seguido sólo por la formulación que 
posee el agente compatibilizante (ver Tabla 2). Por otro 
lado, al comparar la formulación F4 con la F5 se observa 
que el valor del módulo de Young al agregar HA permanece 
prácticamente constante, encontrándose dentro del rango de 
error experimental. 
La formulación F5, compuesta por PEAD/Colágeno/ 
Copolímero/HA muestra un menor esfuerzo de ruptura que 
la formulación F4, cuya única diferencia con respecto a F5 
es la ausencia de HA. De esta manera se tiene que la HA 
podría estar disminuyendo el esfuerzo requerido a la 
ruptura, ya que actúa como carga rigidizando al PEAD. 
IV. CONCLUSIONES 
El complejo colágeno/sal es estable bajo las condiciones 
de procesamiento del PEAD, tal como lo muestran los 
resultados de DSC. Las estructuras fibrilares del complejo 
colágeno/sal permanecen organizadas a nivel nanométrico 
tal como se observa en los resultados de las 
microfotografías obtenidas por TEM. Esta morfología 
explica el carácter reforzante del complejo en las 
propiedades mecánicas tensiles de las mezclas ensayadas, 
siendo éste mayor para la formulación F3 PEAD/Colágeno. 
El agente compatibilizante no mostró el mejor desempeño 
esperado para las mezclas PEAD/Colágeno/Copolímero, 
probablemente debido a interacciones iónicas de la sal con 
el colágeno que impiden que los grupos polares del 
colágeno interactúen con los grupos ácidos del copolímero. 
La hidroxiapatita refuerza la matriz de PEAD duplicando el 
módulo con respecto al PEAD sólo; sin embargo, el 
reforzamiento se hace aún mayor en presencia de colágeno. 
AGRADECIMIENTOS 
El presente trabajo fue financiado por fondos 
provenientes de FONACIT (proyectos LAB-2000001152, 
G-200100900 y G-2005000173), y por el Decanato de 
Investigación y Desarrollo de la USB por el apoyo al 
programa de Grupos GID-02. Los autores agradecen a las 
doctoras Carmen Albano y Gema González por el 
suministro de la hidroxiapatita, el polietileno y el 
copolímero de etileno y ácido acrílico. 
REFERENCIAS 
1. Sionkowska A. et al (2006) Photochemical stability of colla-
gen/poly(ethylene oxide) blends. J Photochem and Photobio 
A: Chem 177:61–67. 
2. Dascălu M, Vasile C, Silvestre C, Pascu M. (2005) On the 
compatibility of low density polyethylene/hydrolyzed colla-
gen blends. II: New compatibilizers. Eur Polym J 41(1):1391–
1402. 
3. Pompea W, et al (2003) Functionally graded materials for 
biomedical applications. Mat Sci and Eng A362:40–60. 
4. Liu H. S. et al (1997) Hydroxyapatite synthesized by a simpli-
fied hydrothermal method. Ceramics Int 23:19-25 
5. Panda R. et al (2001) X-Ray Diffractometry and X-Ray Pho-
toelectron Spectroscopy Investigations of Nanocrystalline 
Hydroxyapatite. The Japan Soc. Appl. Phys 40:5030-5035 
6. Wang Y. et al. (2006) Surfactant-assited synthesis of hy-
droxyapatite particles. Mat. Lett 60:3227-3231 
7. Albano C, Karma A, Perera R, Gonzalez G. (2006) HDPE/HA 
composites obtained in solution. NuclInst. and Meth in Phys 
Res. B247 331-341. 
8. Tiktopulo E, (1998) Denaturation of Type I collagen Fibrils is 
an Endothermic Process Accompanied by a Noticeable 
change in the Partial Heat Capacity. Biochem 37:8147-8152 
9. Miles C et al, (1995) The Kinetics of the Thermal Denatura-
tion of Collagen in Unrestrained Rat Tail Tendon Determined 
by Differential Scanning Calorimetry. J. Mol. Biol 245:437-
446 
Tabla 2 Composición de las diferentes mezclas evaluadas. 
Formulación E (MPa) Δ E (MPa) 
σ r 
(MPa) 
Δ σr 
(MPa) 
F1 460 18 11,9 0,1 
F2 810 74 8,2 0,8 
F3 1240 42 14,7 0,4 
F4 990 35 13,0 0,5 
F5 1020 37 10,5 0,2 
680 R. González Paz, A. Grillo, J.L. Feijoo, K. Noris-Suárez, R. Perera y J. López 
_______________________________________________________________
 IFMBE Proceedings Vol. 18 
__________________________________________________________________
 
10. Fernández M D, et al (2001) Gel Properties of Collagen from 
skins of cod (Gadus morhua) and hake (Merluccius merluc-
cius) and their modification by the coenhancers magnesium 
sulphate, glycerol and transglutaminase. Food Chem 74:161-
167 
11. Berisio R, Vitagliano L, Mazzarella L, y Zagari A, ( 2002) 
Crystal structure of the collagen triple helix model [(Pro-Pro-
Gly)10]. Protein Sci 11:262-270 
Autor de Correspondencia: 
Autor: Karem Noris-Suárez 
Instituto: Universidad Simón Bolívar 
Calle: Carretera Nacional de Baruta 
Ciudad: Caracas 
País: Venezuela 
E-mail: knoris@usb.ve