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Fotoquímica

Ligazón íntima

La interacción entre luz y polímeros acelera los procesos de estructuración de resinas odontológicas y la degradación de plásticos

Eduardo CesarEn ciertas condiciones, la luz contribuye para acelerar procesos de estructuración y degradación de materiales poliméricos, como así también ayuda a evaluar su composición. Esta estrecha interacción en sus múltiples facetas es la base de estudios desarrollados en el Instituto de Química de São Carlos (IQSC) de la Universidad de São Paulo, con resultados interesantes, principalmente para el área odontológica. En el caso de los compuestos de resinas utilizados en tratamientos dentales, una de las investigaciones realizadas tuvo como foco evaluar, con el auxilio de la luz ultravioleta (UV), la respuesta fluorescente de la restauración, es decir, verificar si ésta presentaba el mismo comportamiento que un diente natural, que posee una  fluorescencia propia, originada en un péptido llamado piridinolina, presente en el colágeno de la dentina.

“Dependiendo del material utilizado, la restauración aparece en color negro, mientras que el diente emite una radiación blanca azulada en contacto con la luz UV”, dice el profesor Miguel Guillermo Neumann, coordinador de la Cámara de Apoyo a los Núcleos de Investigación de la USP y que desde 1984 está al frente del Grupo de Fotoquímica en el IQSC, responsable de la publicación de más de 200 trabajos científicos en revistas nacionales e internacionales. “Es como se existiera un agujero en el lugar de la restauración”, compara la profesora Carla Schmitt Cavalheiro, aliada de Neumann en el grupo de investigación.

Esto sucede porque la composición de la resina puede no contener agentes fluorescentes, en general compuestos de tierras raras, que también tienen aplicación en tecnologías diversas tales como lámparas fluorescentes, vidrios y fibra óptica. “Cuando entra en contacto con la radiación ultravioleta, la respuesta de la resina debe igualarse a la respuesta del diente”, dice el profesor Ivo Carlos Correa, de la Facultad de Odontología de la Universidad Federal de Río de Janeiro (UFRJ), quien participa del grupo de investigación desde el año 2000, cuando empezó su doctorado en la USP de São Paulo. “Ésa es una característica estética importante que debe ser tenida en cuenta e el proceso de fabricación del material”. El estudio fue presentado en congresos científicos y llamó la atención de una empresa alemana fabricante de materiales odontológicos, que alteró la formulación para añadir el componente fluo¬rescente en la composición.

Otro resultado de las investigaciones del IQSC es un fotorreactor para polímeros, que ya está listo para ser producido a pedido o incluso en escala comercial. También llamado cámara de irradiación, el fotorreactor de 16 lámparas de luz ultravioleta fue proyectado por los investigadores de la universidad y de la empresa Tecnal, de Piracicaba, en el interior paulista, que ahora produce el aparato. “Comenzamos el desarrollo en 2003 tomando como base un calefactor con refrigeración, y a partir de allí, fuimos juntando las informaciones encontradas en la literatura científica con las necesidades del laboratorio”, explica Fredy Rossi Borges, gerente comercial de la empresa, que tiene un departamento de investigación compuesto por ingenieros y técnicos. Una vez lista, la empresa recibió un pedido de una  investigadora de la UFRJ para la fabricación de una  cámara semejante. “Tuvimos que hacer ajustes en la longitud de onda de la luz porque el equipo tenía otra finalidad”, dice Borges. El interés en el producto demostrado por otros investigadores resultó en la creación de un catálogo con fotos, donde es posible determinar variaciones en el proyecto.

Eduardo CesarLa cámara de irradiación es usada en las investigaciones de fotopolimerización y fotodegradación, las dos principales líneas en el área de fotoquímica estudiadas en la USP de São Carlos. En la fotopolimerización la luz es utilizada para, a partir de moléculas muy sencillas, llamadas monómeros, obtener moléculas más complejas, las macromoléculas o polímeros, que son la base de productos tales como resinas odontológicas, circuitos impresos, materiales ópticos, tintas vinílicas y plásticos. En el consultorio del odontólogo, las resinas se encuentran en estado líquido o pastoso, como en los adhesivos (tipo de cemento que prepara el diente para recibir la restauración) y compósitos restauradores, respectivamente. La fotopolimerización es el proceso que endurece el material restaurador por la interacción de la luz visible con un colorante, llamado fotoiniciador, que participa de la reacción química como generador de radicales libres.

En el área odontológica, el fotoiniciador más utilizado actualmente es la canforquinona, un colorante de color amarillo que, cuando se lo mezcla en las formulaciones, puede resultar en un efecto amarillento indeseado en el diente restaurado, visible principalmente en los tratamientos de blanqueamiento. “En las restauraciones que se ubican en el fondo de la boca, esta pequeña diferencia no queda visible. Pero en las restauraciones de frente es más difícil conseguir la misma tonalidad de los otros dientes y esa diferencia se acentúa cuando se hace el blanqueamiento”, dice Neumann.

Sistemas sincrónicos
En las búsquedas por fotoiniciadores más blancos en sustitución a la canforquinona, las industrias se depararon con un obstáculo. “Dependiendo de la fuente de luz usada en la fotoactivación, no había generación suficiente de radicales libres para iniciar la polimerización, con ello el material restaurador no se endurecía en la cavidad”, explica Correa, de la UFRJ. “El sistema químico y el de luz debe funcionar en sincronía”, resalta Carla. Para que la canforquinona dé inicio al proceso de polimerización, por ejemplo, es preciso aplicar una fuente de color azul, emitida por aparatos de luz halógena o de luz LED (de la sigla en inglés light emitting diodes, o diodos emisores de luz).

Habida cuenta de una  controversia surgida entre los investigadores sobre la capacidad de las fuentes de luz a base de LEDs de polimerizar materiales dentales, Correa eligió este tema para su tesis doctoral defendida en la USP en 2003. “Los LEDs de luz azul como una nueva tecnología de iluminación para el área odontológica, en contraposición con la luz halógena, comenzaban a presentar algunas irregularidades en relación con la resistencia del material en la boca”, comenta. Al contrario que las lámparas halógenas, cuya luz es generada por filamentos incandescentes, los LEDs convierten la energía eléctrica directamente en luz por electroluminescencia a través de haces semiconductores. La luz halógena comprende un espectro más amplio y es emitida en longitudes de onda de entre 350 y 700 nanómetros, mientras que el LED emite luz azul entre 440 y 490 nanómetros.

Eduardo CesarAntes de empezar su tesis doctoral, Correa entró en contacto con Neumann y, desde entonces, ambos establecieron una sólida alianza, que ya dura 7 años. “Trabajé en colaboración con el profesor en varias combinaciones de resinas, formuladas con diferentes iniciadores por la empresa Vigodent, de Río de Janeiro, usando la luz halógena y el LED cedido por la empresa DMC Equipamentos, de São Carlos”, explica Correa. La evaluación se hizo con cuatro fotoiniciadores, entre los cuales la canforquinona, el PPD (fenilpropanodiona) y dos fotoiniciadores a base de óxido acilfosfina, el Lucirin TPO y el Irgacure 819. “La conclusión es que, dependiendo del fotoiniciador utilizado, una lámpara es más apropiada que otra”, dice Neumann. El Lucirin, por ejemplo, es más eficiente que los otros evaluados cuando es irradiado con la lámpara convencional, mientras que la respuesta efectiva de la canforquinona se da con el uso del LED. “Estudiamos reacciones químicas que suceden en menos de una milmillonésima de segundo y, a partir de allí, podemos indicar los iniciadores más eficientes”, explica Neumann.

Sin embargo, la aplicación práctica depende de cambios en la infraestructura comercial, que hoy está direccionada al uso de la canforquinona como fotoiniciador principal en la formulaciones. Las investigaciones con nuevos fotoiniciadores podrá conducir a LEDs específicos para estos materiales. “La eficiencia de este proceso es importante, porque culminará en la longevidad de la restauración”, dice Correa. Algunos investigadores ya se están dedicando al desarrollo de fuentes en otras longitudes de luz para los materiales odontológicos, además del azul. Este estudio condujo a otras investigaciones dentro del grupo, direccionadas para establecer parámetros de eficiencia fotónica, tales como material restaurador más adecuado, la intensidad de la luz y franja de longitud de onda, que resulten en una correcta polimerización dentro de la boca del paciente. Estos estudios tuvieron un gran impacto en la comunidad científica mundial, durante la presentación de trabajos del grupo de fotoquímica en los congresos de la Asociación Internacional de Investigación Odontológica (IADR).

Degradación probada
Otra línea de investigación del grupo que ha presentado resultados alentadores es en el área de fotodegradación, en la cual la luz se utiliza para degradar plásticos descartados en industrias, basurales y rellenos sanitarios. Las primeras pruebas se realizaron con el polietileno glicol, usado en formulaciones cosméticas, pomadas para uso tópico y radiadores de coches para controlar la temperatura del motor. Es¬¬tos materiales recibieron la adición de colorantes responsables del inicio del proceso de fotodegradación. En algunas condiciones, el polietileno glicol se descompuso hasta formar moléculas de agua y gas carbónico.

Las investigaciones fueron llevadas a cabo por la alumna de doctorado Laís Calixto Santos, quien comparó diferentes métodos de degradación. En uno de ellos se utilizó el peróxido de hidrógeno (agua oxigenada) y luz, en otro la reacción de Fenton (combinación de agua oxigenada y sales de hierro) y en el tercero, el sistema de foto-Fenton (agua oxigenada, sales de hierro y luz). Las sales de hierro se comportan co¬mo un colorante al absorber la luz y dar inicio a la reacción. El mejor resultado para el consumo total del polietilenoglicol se obtuvo con el foto-Fenton, alrededor de 15 minutos. Con el peróxido irradiado fueron necesarias dos horas para la decomposición, mientras que con agua oxigenada y hierro, sin la luz, tardó 10 días. Este proceso puede usarse, por ejemplo, para el tratamiento de efluentes industriales. En el futuro, esos sistemas y otros que contengan colorantes podrán ser utilizados en formulaciones de botellas plásticas que, al ser descartadas en el ambiente, entrarán en un rápido proceso de descomposición.

Los proyectos
1. Interacciones de luz visible con polímeros: fotopolimerización y fotodegradación (nº 03/07770-4); Modalidad Proyecto Temático; Coordinador Miguel Guillermo Neumann – USP; Inversión R$ 341.745,25 (FAPESP)
2. Contribución al estudio de fotoestabilidad de colorantes en polímeros (nº 05/03692-4); Modalidad Auxilio Regular a Investigación; Coordinadora Carla Schmitt Cavalheiro – USP; Inversión R$ 244.184,88 (FAPESP)
3. Polimerización vinílica fotoiniciada (nº 98/11752-1); Modalidad Auxilio Universal; Coordinador Miguel Guillermo Neumann – USP; Inversión R$ 34.000,00 (CNPq)

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