Gel: estructura y clasificación

Gel: estructura y clasificación

Partimos inicialmente de ese estado de sol, donde tenemos las partículas coloidales con estructura filamentosa alargada rodeados de moléculas de agua, se trata de un sistema poco viscoso, un sistema desordenado e incoherente. Por determinadas circunstancias como puede ser una elevada concentración, un cambio de pH, de temperatura… esas partículas coloidales contactan entre sí formando una estructura tridimensional que engloba la fase externa. Esta estructura tridimensional se trata de un gel.

Al final va a ser difícil distinguir esa fase externa y esa fase interna.

Gel: sistema disperso coherente formado por una malla rígida y viscosa que encierra el medio de dispersión (a la fase externa).

Clasificación: naturaleza de las fases, cantidad del medio de dispersión, según los enlaces químicos que unen el esqueleto/estructura.

• Naturaleza de las fases:

  • Fase interna: geles inorgánicos (están formados por partículas inorgánicas como sílice, arcillas, hidróxidos de Al o Mg; estas partículas no se disuelven pero van a formar geles liófobos, son suspensiones coloidales) o geles orgánicos (están formados a partir de polímeros como la celulosa o la gelatina).

• Fase externa:

  • Oleogeles o geles lipófilos (la fase externa es oleosa), hidrogeles o geles hidrófilos (la fase externa es acuosa). Cuando la fase interna y externa son de naturaleza similar se denomina isogeles.

La Real Farmacopea Española los clasifica en función de esa fase externa, los clasifica en hidrogeles o oleogeles. Define los geles como preparaciones semisólidas para aplicación cutánea, indica que están formados por lípidos gelificados con la ayuda de agentes gelificantes apropiados.

• Hidrogeles:

  Bases que la constituyen agua, glicerol, propilenglicol; gelificados con agentes gelificantes adecuados como almidón, derivados de celulosa, carbómeros, silicatos de magnesio y aluminio.

• Oleogeles:

  Son preparaciones cuyas bases están constituidas por parafina líquida con polietileno o aceites grasos gelificados con sílice coloidal o con jabones de aluminio o zinc.

Según la cantidad de medio de dispersión: Liogeles o jaleas: van a encerrar un líquido. Serogeles: encierran un gas en su interior, estos se obtienen al eliminar el líquido de un liogel. Son geles desecados o deshidratados, como por ejemplo la gelatina en láminas. Estos serogeles se pueden hidratar, la ventaja de que están deshidratados es la conservación para evitar su degradación.

Según los enlaces químicos que unen el esqueleto o la estructura:

• Geles de valencia principal: enlaces C-C o macromoléculas con ramificaciones.
• Geles de valencia accesoria: están formados por enlaces secundarios débiles, se pueden presentar con distinta estructura. Pueden ser de estructura coloidal laminar (betonita), coloidal lineal (celulosa), esferocoloidal (sílice).

Propiedades de los geles:

Los geles son sistemas coherentes - porque esos agregados de fase interna forman una estructura, es difícil distinguir la fase interna y la externa. Presentan una estructura tridimensional, donde alberga el medio líquido. Y además Presentan gran estabilidad en general, la estabilidad de los geles es relativa, los geles van a ser menos estables que una solución pero van a ser más estables que una suspensión o que una emulsión. Hay que tener en cuenta que la interacción entre las macromoléculas de polímero y de partículas son débiles, con lo cual pueden desestabilizarse con distintos factores: electrolitos, cambios de T, por agitación…

Pueden presentar sinéresis: pueden perder parte de la fase externa.

En cuanto a las propiedades reológicas puede presentar tixotropía o reopexia y plasticidad o elasticidad.

Los geles se pueden contraer en reposo y expulsar parte del líquido  sinéresis. La sinéresis representa un problema de estabilidad de estos sistemas a largo plazo, sufren una retracción, la estructura es la misma pero disminuye el volumen. Parte de esa fase externa que pierden, se va a localizar en la parte superior. No le ocurre a todos los geles, puede ocurrir.

En el caso de que presenten tixotropía se produce el paso de estado de gel a sol dependiendo de si se agitan o de si están en reposo. En reposo el sistema se encuentra en estado de gel y al agitar el sistema pasa a estado de sol.

El que esté en estado de gel o de sol puede resultar útil, por ejemplo, si lo tenemos en estado de gel, tenemos elevada viscosidad, lo que contribuye a esa estabilidad, y se pueden evitar fenómenos de sedimentación. Mientras que en estado de sol, a baja viscosidad, puede contribuir a la precisa dosificación del sistema, ya que es más fácil dosificar un líquido que dosificar un semisólido.

La tixotropía es una propiedad que depende del tiempo, y transcurrido cierto tiempo el sistema recupera su estado inicial.

Que presenten reopexia es poco común, en este caso el gel se forma por agitación, al agitar se obtiene ese sistema viscoso.

Liofilización

Liofilización: Se utilizaban bajas temperaturas. Utilizamos una tª menor a la tª de congelación del líquido.

La liofilización es una operación general de la TF de transferencia de materia y energía en la que se deseca un líquido (agua) para recuperar el sólido que contiene, mediante congelación del sistema y posterior sublimación del agua en condiciones de alto vacío, para obtener un sólido esponjoso y de fácil disolución, que se conoce como liofilizado.

Durante el proceso de liofilización pasamos de un producto líquido a un producto sólido y de forma intermedia, el agua que queremos eliminar, sufre dos cambios de fase: pasa de líquido a sólido  de sólido a estado gaseoso mediante la sublimación.

Vamos a conseguir eliminar el agua mediante la congelación del sistema y posterior sublimación de ese hielo mediante la aplicación de vacío. El producto que vamos a obtener es el liofilizado.

Se puede denominar como:

• Liofilización: haciendo referencia a la afinidad por el disolvente del sólido obtenido.
• Criodesecación: haciendo referencia a la desecación por frío.
• Criosublimación: haciendo referencia a la congelación seguida de sublimación.

Se va a obtener un producto final (liofilizado), va a tener unas características determinadas: muy poroso, humedad prácticamente nula, fácilmente reconstituible (si a ese producto final le añadimos agua, obtenemos el producto con la forma y estructura original), presenta gran estabilidad (se va a conservar muy bien), fácil manejabilidad por su propio peso.

Ventajas de la liofilización:

• Se consigue un producto final muy seco, con una humedad inferior al 5%. Se consigue una alta estabilidad biológica.
• Se obtiene un liofilizado muy poroso y fácilmente soluble, porque si le añadimos agua, recuperar su forma y estructura original.
• No hay calentamiento, por tanto se puede usar para sustancias termolábiles.
• Se va a trabajar en ausencia de aire, en condiciones de alto vacío, se va a conseguir por tanto una estabilidad química.
• Es un proceso reversible, se puede reconstituir el sistema inicial.
• Permite trabajar en condiciones de esterilidad, esto va a ser útil en la fabricación de inyectables.
• El producto que obtiene tiene muy buenas propiedades, es un producto muy estable, por tanto se va a conservar muy bien.

Inconvenientes: La liofilización es un proceso lento y caro, además también se requiere de personal cualificado. Además contribuye a que sea un proceso caro el que tenga un elevado consumo energético.

El liofilizado reconstituido, debe administrarse inmediatamente, no podemos conservarlo.

Aplicaciones:

Por su interés: Productos inestables. Es una situación ideal para sustancias termolábiles. Se puede usar cuando se requieren situaciones de asepsia. Permite la dosificación exacta que va a ser difícil cuando tenemos un sólido pulverulento. Redisolución rápida y completa. Productos de elevado coste.

Por su origen: sustancias de origen humano (plasma, hemoderivados, leche, córneas…), animal (sueros, antígenos, enzimas), vegetal (extractos, antibióticos, vitaminas) o microorganismos (vacunas, bacilos lácticos).

Fundamentos teóricos (fisicoquímicos):

Se basa en el diagrama de fases del agua. El líquido que queremos eliminar es el agua, cuyo estado depende de las condiciones de P y tª, como queda reflejado en el diagrama de fases del agua. Podemos distinguir 3 zonas que corresponden a cada uno de los estados del agua: estado sólido, estado líquido y estado gaseoso.

Este diagrama de fases indica el estado en el que se encuentra el agua en función de la P y la tª. Sabemos que a una P de 1 atm, de 760 mmHg, el agua se congela a una temperatura inferior a 0ºC. A partir de 100ºC, el agua pasa a estado de vapor. A tª ambiente esa agua estará en estado líquido.

Las condiciones de P y tª en las que coexisten los tres estados del agua se denomina punto triple, en este coexiste el estado líquido, sólido y el estado de vapor. Esas condiciones son a una P de 4.58 mmHg, y a una tª de 0ºC =en esas condiciones de P y tª coexisten los 3 estados =punto triple.

-El trazo de BO corresponde a los puntos de ebullición del agua, se va disminuyendo la tª de ebullición conforme disminuye la P. La b es la curva de equilibrio entre líquido y vapor.

-El tramo AO, corresponde a esa línea de congelación, a esos puntos de congelación del agua, si se aumenta la P disminuye la tª de congelación muy ligeramente. La A es la curva de equilibrio entre líquido y sólido.

-El tramo de CO, corresponde a esa línea de sublimación del hielo, cuando ese hielo que está en estado sólido pasa a estado de vapor. Disminuye la P a medida que disminuye la temperatura. La C es la curva de equilibrio sólido-vapor.

Agua altamente purificada

Agua altamente purificada: Es el agua destinada a la preparación de medicamentos en los que se requiere agua de mayor calidad biológica, y que no se administran por vía parentenal.

La Real Farmacopea Española establece la especificaciones para este tipo de agua, muchos de los ensayos y de los valores límites son similares a los del agua purificada. La principal diferencia radica en los valores de conductividad y en los de recuento de los microorganismos exigidos. Estos parámetros van a tener unos valores más estrictos puesto que va a ser agua de mayor calidad biológica.

Para el agua altamente purificada todos los valores iguales al agua anterior, excepto: conductividad menor/igual a 1.1 micros/cm (20ºC), microorganismos aerobios viables totales 10 UFC/100mL.

Agua para preparaciones inyectables: Esta agua debe ser incolora, inodora, insípida, además es importante que sea apirógena (tiene que estar exenta de pirógenos).

Agua destinada a la preparación de medicamentos para administración parentenal:

• Vehículo: inyectables de reposición (aquel que está elaborado directamente para ser utilizado).
• Limpieza de equipos utilizados en la elaboración de preparados estériles (en estos 2 últimos de usa agua para inyectables a granel).
• Disolución/dilución de sustancias.
• Productos parentenales de preparación extemporánea (tenemos que prepararlos antes de administrarlos, por un lado vamos a tener el sólido y por otro el agua para inyectables) (estos 2 últimos usan agua estéril para preparaciones de inyectables).

Debe cumplir las mismas especificaciones que el agua altamente purificada, se requiere obligatoriamente su obtención mediante destilación (a partir del agua potable o de agua purificada).

Agua para preparaciones inyectables a granel: En este caso, tras la destilación, esta agua debe recogerse y conservarse en condiciones que eviten el crecimiento de microorganismos y de cualquier otra contaminación. Agua que sale directamente del dispositivo y todavía no hemos envasado. Se puede usar como vehículo o para la limpieza de equipos utilizados en la elaboración de preparados estériles.

Agua estéril para preparaciones inyectables: Es el agua para preparados inyectables a granel distribuida en ampollas o recipientes adecuados, cerrados y esterilizados por calor. Su uso va dirigido para la disolución/dilución de sustancias o a productos parentenales de preparación extemporánea.

Dependiendo del volumen nominal del envase empleado, en el caso de agua estéril para preparaciones inyectables, la Real Farmacopea Española establece límites de acidez y alcalinidad, de concentración de aniones y cationes tolerados, de sustancias oxidables y del residuo seco.

Este tipo de agua debe cumplir con el ensayo de esterilidad, analizada en condiciones adecuadas debe ser incolora y límpida.

El agua para preparaciones inyectables se puede obtener a partir del agua purificada a partir de destilación, ósmosis inversa y esa agua para preparaciones inyectables puede ser a granel o para preparaciones inyectables esterilizada (está en su envase y ha sido esterilizada).

Procedimientos de obtención: Se van a combinar a nivel industrial distintos métodos para obtener el agua con las características adecuadas, con la pureza adecuada.

Por tanto, se parte de agua potable que se va a someter a un proceso de pretratamiento. Esa será la primera etapa. La última etapa consiste en el almacenamiento para su posterior distribución.

Ese pretratamiento al que se somete el agua potable consta de 3 fases:

1.Filtración: Eliminar partículas sólidas y sustancias orgánicas. Se usan materiales filtrantes sueltos (gránulos de sílice), el mecanismo de filtración va a ser en profundidad.

2.Monopermutación o descalcificación o ablandamiento del agua: El agua dura se caracteriza por tener una elevada cantidad de cationes, generalmente el agua potable va a ser agua dura, con elevada cantidad de cationes de gran tamaño como son el Ca y el Mg, por un procedimiento como este, se puede conseguir eliminar esos cationes de gran tamaño y obtener un agua blanda (o agua descalcificada).

Para llevar a cabo este procedimiento, se utilizan las resinas de intercambio catiónico, en concreto se utilizan zeolitas y permutitas. Cuando esa agua dura se hace pasar por estas resinas, los cationes quedan retenidos en la estructura de esa zeolita, y se ceden iones Na al medio, se eliminarán posteriormente, de forma que las sales del agua tratada se transforman en sales de Na. Se trata de un proceso reversible, ya que si sumergimos esta zeolitas en una disolución concentrada de iones Na, de nuevo se produce un intercambio catiónico y la zeolita volverá a contener Na en su estructura.