Introducción a los Sistemas Coloidales: Soles y Geles
Partimos del estado de sol, donde las partículas coloidales con estructura filamentosa alargada están rodeadas de moléculas de agua. Se trata de un sistema poco viscoso, desordenado e incoherente. Por determinadas circunstancias, como una elevada concentración, un cambio de pH o de temperatura, estas partículas coloidales contactan entre sí, formando una estructura tridimensional que engloba la fase externa. Esta estructura tridimensional se denomina gel.
En un gel, resulta difícil distinguir la fase externa de la fase interna.
Definición de Gel
Un gel es un sistema disperso coherente formado por una malla rígida y viscosa que encierra el medio de dispersión (la fase externa).
Clasificación de los Geles
Los geles se clasifican según la naturaleza de las fases, la cantidad del medio de dispersión y los enlaces químicos que unen el esqueleto o la estructura.
1. Según la Naturaleza de las Fases
Fase Interna
- Geles inorgánicos: Formados por partículas inorgánicas como sílice, arcillas, hidróxidos de Al o Mg. Estas partículas no se disuelven, pero forman geles liófobos (suspensiones coloidales).
- Geles orgánicos: 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 denominan isogeles.
La Real Farmacopea Española los clasifica en función de la fase externa, distinguiendo hidrogeles u oleogeles. Define los geles como preparaciones semisólidas para aplicación cutánea, indicando que están formados por lípidos gelificados con la ayuda de agentes gelificantes apropiados.
Hidrogeles
Bases constituidas por agua, glicerol, propilenglicol; gelificados con agentes gelificantes adecuados, como almidón, derivados de celulosa, carbómeros, silicatos de magnesio y aluminio.
Oleogeles
Preparaciones cuyas bases están constituidas por parafina líquida con polietileno o aceites grasos gelificados con sílice coloidal o con jabones de aluminio o zinc.
2. Según la Cantidad de Medio de Dispersión
- Liogeles o jaleas: Encierran un líquido.
- Serogeles: Encierran un gas en su interior; se obtienen al eliminar el líquido de un liogel. Son geles desecados o deshidratados, como la gelatina en láminas. Estos serogeles pueden hidratarse. La ventaja de su estado deshidratado es la conservación, que evita su degradación.
3. Según los Enlaces Químicos que Unen el Esqueleto o la Estructura
- Geles de valencia principal: Formados por enlaces C-C o macromoléculas con ramificaciones.
- Geles de valencia accesoria: Formados por enlaces secundarios débiles, pueden presentar distinta estructura. Pueden ser de estructura coloidal laminar (bentonita), coloidal lineal (celulosa) o esferocoloidal (sílice).
Propiedades de los Geles
Los geles son sistemas coherentes porque los agregados de la fase interna forman una estructura, lo que dificulta distinguir la fase interna de la externa. Presentan una estructura tridimensional que alberga el medio líquido.
Presentan, en general, una estabilidad relativa: son menos estables que una solución, pero más estables que una suspensión o una emulsión. Hay que tener en cuenta que la interacción entre las macromoléculas de polímero y las partículas es débil, por lo que pueden desestabilizarse por diversos factores: electrolitos, cambios de temperatura, agitación, etc.
Sinéresis
Los geles pueden contraerse en reposo y expulsar parte del líquido, fenómeno conocido como sinéresis. La sinéresis representa un problema de estabilidad a largo plazo para estos sistemas, ya que sufren una retracción: la estructura permanece, pero el volumen disminuye. La fase externa perdida se localiza en la parte superior. No ocurre en todos los geles, pero es una posibilidad.
Propiedades Reológicas
En cuanto a las propiedades reológicas, los geles pueden presentar tixotropía, reopexia, plasticidad o elasticidad.
Tixotropía
Cuando presentan tixotropía, se produce el paso del estado de gel a sol, dependiendo de si se agitan o están en reposo. En reposo, el sistema se encuentra en estado de gel y, al agitarlo, pasa a estado de sol.
La capacidad de alternar entre el estado de gel y sol puede ser útil. Por ejemplo, en estado de gel, la elevada viscosidad contribuye a la estabilidad y previene fenómenos de sedimentación. En estado de sol, la baja viscosidad facilita la dosificación precisa del sistema, ya que es más sencillo dosificar un líquido que un semisólido.
La tixotropía es una propiedad dependiente del tiempo; transcurrido un cierto periodo, el sistema recupera su estado inicial.
Reopexia
La reopexia es menos común; en este caso, el gel se forma por agitación, obteniéndose un sistema viscoso al agitar.
Liofilización: Desecación por Frío
Se utilizan bajas temperaturas, específicamente una temperatura menor a la de congelación del líquido.
La liofilización es una operación de transferencia de materia y energía en la que se deseca un líquido (generalmente agua) para recuperar el sólido que contiene. Esto se logra mediante la congelación del sistema y la posterior sublimación del agua en condiciones de alto vacío, obteniendo un sólido esponjoso y de fácil disolución, conocido como liofilizado.
Durante el proceso de liofilización, se pasa de un producto líquido a uno sólido. El agua a eliminar sufre dos cambios de fase intermedios: de líquido a sólido, y luego de sólido a estado gaseoso mediante sublimación.
Se logra eliminar el agua mediante la congelación del sistema y la posterior sublimación del hielo aplicando vacío. El producto que se obtiene es el liofilizado.
Denominaciones Alternativas
También se puede denominar:
- Liofilización: Haciendo referencia a la afinidad del sólido obtenido por el disolvente.
- Criodesecación: Haciendo referencia a la desecación por frío.
- Criosublimación: Haciendo referencia a la congelación seguida de sublimación.
Características del Liofilizado
El producto final (liofilizado) tendrá características específicas: será muy poroso, con humedad prácticamente nula, fácilmente reconstituible (al añadir agua, recupera su forma y estructura original), presentará gran estabilidad (se conservará muy bien) y será de fácil manejabilidad debido a su bajo peso.
Ventajas de la Liofilización
- Se obtiene un producto final muy seco, con una humedad inferior al 5%, lo que confiere una alta estabilidad biológica.
- Se obtiene un liofilizado muy poroso y fácilmente soluble, ya que al añadir agua, recupera su forma y estructura original.
- No hay calentamiento, por lo tanto, es adecuado para sustancias termolábiles.
- Se trabaja en ausencia de aire y en condiciones de alto vacío, lo que proporciona estabilidad química.
- Es un proceso reversible; el sistema inicial puede reconstituirse.
- Permite trabajar en condiciones de esterilidad, lo cual es útil en la fabricación de inyectables.
- El producto obtenido posee muy buenas propiedades y es muy estable, lo que asegura una excelente conservación.
Inconvenientes de la Liofilización
- La liofilización es un proceso lento y costoso, que además requiere personal cualificado.
- El elevado consumo energético también contribuye a su alto coste.
- El liofilizado reconstituido debe administrarse inmediatamente, no puede conservarse.
Aplicaciones de la Liofilización
Por su Interés
- Ideal para productos inestables y sustancias termolábiles.
- Útil cuando se requieren condiciones de asepsia.
- Permite una dosificación exacta, difícil de lograr con sólidos pulverulentos.
- Facilita la redisolución rápida y completa.
- Adecuado para productos de elevado coste.
Por su Origen
- Sustancias de origen humano (plasma, hemoderivados, leche, córneas).
- Animal (sueros, antígenos, enzimas).
- Vegetal (extractos, antibióticos, vitaminas).
- Microorganismos (vacunas, bacilos lácticos).
Fundamentos Teóricos (Fisicoquímicos)
Se basa en el diagrama de fases del agua. El líquido a eliminar es el agua, cuyo estado depende de las condiciones de presión (P) y temperatura (T), como se refleja en dicho diagrama. Se distinguen tres zonas que corresponden a cada uno de los estados del agua: sólido, líquido y gaseoso.
Este diagrama de fases indica el estado del agua en función de la presión (P) y la temperatura (T). Sabemos que a una presión de 1 atm (760 mmHg), el agua se congela a una temperatura inferior a 0 °C. A partir de 100 °C, el agua pasa a estado de vapor. A temperatura ambiente, el agua estará en estado líquido.
Las condiciones de presión y temperatura en las que coexisten los tres estados del agua se denominan punto triple. En este punto coexisten el estado líquido, sólido y vapor. Estas condiciones son una presión de 4.58 mmHg y una temperatura de 0 °C. En estas condiciones de P y T coexisten los tres estados, constituyendo el punto triple.
- El tramo BO corresponde a los puntos de ebullición del agua; la temperatura de ebullición disminuye conforme lo hace la presión. Esta es la curva de equilibrio entre líquido y vapor.
- El tramo AO corresponde a la línea de congelación, a los puntos de congelación del agua; si se aumenta la presión, la temperatura de congelación disminuye muy ligeramente. Esta es la curva de equilibrio entre líquido y sólido.
- El tramo CO corresponde a la línea de sublimación del hielo, donde el hielo en estado sólido pasa a estado de vapor. La presión disminuye a medida que disminuye la temperatura. Esta es la curva de equilibrio sólido-vapor.
Agua Purificada: Tipos y Métodos de Obtención
Agua Altamente Purificada
Es el agua destinada a la preparación de medicamentos que requieren una mayor calidad biológica y que no se administran por vía parenteral.
La Real Farmacopea Española establece las especificaciones para este tipo de agua; muchos de los ensayos y valores límite son similares a los del agua purificada. La principal diferencia radica en los valores de conductividad y en el recuento de microorganismos exigidos. Estos parámetros tendrán valores más estrictos, ya que se trata de agua de mayor calidad biológica.
Para el agua altamente purificada, todos los valores son iguales a los del agua purificada, excepto: conductividad ≤ 1.1 µS/cm (20 °C) y microorganismos aerobios viables totales ≤ 10 UFC/100 mL.
Agua para Preparaciones Inyectables
Esta agua debe ser incolora, inodora e insípida; además, es fundamental que sea apirógena (exenta de pirógenos).
Agua destinada a la preparación de medicamentos para administración parenteral:
Usos
- Vehículo: Inyectables de reposición (elaborados directamente para su uso).
- Limpieza de equipos utilizados en la elaboración de preparados estériles (en estos dos últimos casos, se usa agua para inyectables a granel).
- Disolución/dilución de sustancias.
- Productos parenterales de preparación extemporánea (deben prepararse antes de su administración; por un lado, se tiene el sólido y, por otro, el agua para inyectables) (estos dos últimos usos requieren agua estéril para preparaciones inyectables).
Debe cumplir las mismas especificaciones que el agua altamente purificada, y su obtención mediante destilación es obligatoria (a partir de agua potable o 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 cualquier otra contaminación. Es el agua que sale directamente del dispositivo y aún no ha sido envasada. 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 está dirigido a la disolución/dilución de sustancias o a productos parenterales de preparación extemporánea.
Dependiendo del volumen nominal del envase, la Real Farmacopea Española establece límites para la acidez y alcalinidad, la concentración de aniones y cationes tolerados, las sustancias oxidables y el residuo seco en el agua estéril para preparaciones inyectables.
Este tipo de agua debe cumplir con el ensayo de esterilidad y, analizada en condiciones adecuadas, debe ser incolora y límpida.
El agua para preparaciones inyectables se puede obtener a partir de agua purificada mediante destilación u ósmosis inversa. Esta agua puede ser a granel o esterilizada para preparaciones inyectables (envasada y esterilizada).
Procedimientos de Obtención de Agua Purificada
A nivel industrial, se combinan distintos métodos para obtener agua con las características y pureza adecuadas.
Por lo tanto, se parte de agua potable que se somete a un proceso de pretratamiento. Esta será la primera etapa. La última etapa consiste en el almacenamiento para su posterior distribución.
Pretratamiento del Agua Potable
El pretratamiento al que se somete el agua potable consta de tres fases:
1. Filtración
Eliminar partículas sólidas y sustancias orgánicas. Se utilizan materiales filtrantes sueltos (gránulos de sílice), y el mecanismo de filtración es en profundidad.
2. Monopermutación o Descalcificación (Ablandamiento del Agua)
El agua dura se caracteriza por una elevada cantidad de cationes, generalmente Ca y Mg. Mediante este procedimiento, se pueden eliminar estos cationes de gran tamaño para obtener agua blanda (o descalcificada).
Para llevar a cabo este procedimiento, se utilizan resinas de intercambio catiónico, específicamente zeolitas y permutitas. Cuando el agua dura se hace pasar por estas resinas, los cationes quedan retenidos en la estructura de la zeolita, y se ceden iones Na+ al medio. Estos iones 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 se sumergen estas zeolitas en una disolución concentrada de iones Na+, se produce de nuevo un intercambio catiónico y la zeolita volverá a contener Na+ en su estructura.
3. Desionización o Intercambio Iónico (Permutación)
Permite eliminar tanto cationes de menor tamaño como iones en solución. Es un proceso por el cual los iones, unidos por fuerzas electrostáticas a grupos funcionales cargados en la superficie de un sólido, son intercambiados por iones de igual carga presentes en una disolución cuando el sólido se sumerge en ella.
Este método es adecuado para obtener agua purificada y agua altamente purificada, pero no para la obtención de agua para inyectables.
Se utilizan pequeñas bolitas de material polimérico.
Se utilizan resinas cambiadoras de iones: compuestos sintéticos insolubles con un esqueleto macromolecular de estructura reticular tridimensional, dotado de grupos polares a los que se unen los iones intercambiadores por enlaces covalentes, constituyendo los grupos funcionales activos.
En la resina cambiadora de iones se distingue la parte que se intercambia (contraión) y una parte que permanece unida (ion fijo). Existen resinas catiónicas y aniónicas.
En el seno del agua, estas resinas pueden ionizarse, produciéndose un intercambio entre los iones intercambiadores y los iones del mismo signo presentes en el medio acuoso que rodea al intercambiador.
- En el caso de las resinas catiónicas, se produce un intercambio entre los H+ y los cationes; los cationes quedan retenidos en la membrana y se ceden iones H+ al medio.
- En el caso de las resinas aniónicas, hay un intercambio entre los aniones y los grupos hidroxilo; la membrana retiene los aniones y cede grupos OH- al medio.
Ósmosis Inversa
La ósmosis se observa cuando dos disoluciones con diferente concentración se ponen en contacto, separadas por una membrana semipermeable (permeable al agua, pero no a otras moléculas o iones disueltos). El agua pasará de la disolución menos concentrada a la más concentrada hasta alcanzar el equilibrio.
Fundamento de la Ósmosis
El fundamento de la ósmosis se ilustra con un recipiente en forma de U con dos compartimentos separados por una membrana semipermeable. Uno contiene agua pura y el otro, una solución salina. Ambos compartimentos se llenan a la misma altura. El agua pasará del compartimento A al compartimento B (que contiene la solución salina).
El nivel asciende en el compartimento B hasta que la presión anula el paso del agua a este compartimento. En este momento, se ha alcanzado el equilibrio osmótico, y el valor de la presión en el compartimento B corresponde a la presión osmótica.
Si en el compartimento B se aplica una presión superior a la presión osmótica, se logra un flujo continuo de agua en sentido inverso, de manera que las sales quedan retenidas por la membrana semipermeable. Este es el fundamento de la ósmosis inversa. Para que ocurra la ósmosis inversa, es necesario aplicar una presión superior a la presión osmótica.
Eficacia de la Ósmosis Inversa
La eficacia de la ósmosis inversa permite eliminar, gracias a las membranas semipermeables, un mayor número de contaminantes:
- Se logra eliminar la totalidad de las materias coloidales más finas, como bacterias, virus, hongos y algas.
- Permite eliminar entre el 90-99% de elementos minerales disueltos: entre el 92-96% de iones monovalentes, entre el 94-98% de iones divalentes y entre el 97-99.9% de iones trivalentes.
- Permite eliminar casi por completo la materia orgánica y los pirógenos.
Membranas Semipermeables
Para este procedimiento, se emplean membranas semipermeables (permeables a las moléculas de agua, pero impermeables a otras moléculas o iones disueltos).
- Estas membranas están elaboradas con materiales muy estables y de gran resistencia mecánica.
- Son ultradelgadas, pero muy resistentes.
- Presentan un diámetro de poro de entre 5 y 100 Å (Angstrom).
- Se comercializan membranas de acetato de celulosa (derivados de celulosa) y de polietileno (fibras poliméricas sintéticas). Las de acetato de celulosa están prácticamente en desuso para uso farmacéutico.
Mecanismo de Separación
El mecanismo de separación es una filtración tangencial: el agua circula de forma paralela a la superficie filtrante, en este caso, a la membrana semipermeable. El agua a tratar entra por un lateral y las impurezas salen por el extremo opuesto. El agua purificada sale por la parte inferior. El agua atraviesa las membranas semipermeables mediante un mecanismo de difusión molecular, ya que se forman puentes de hidrógeno con determinados grupos de la membrana, mientras que las impurezas quedan en la parte superior y son eliminadas por el lado opuesto al de entrada del agua a tratar.