Uno de los más grandes intereses de la ciencia actual, se centra en la búsqueda de biomateriales que permitan liberar los mercados del uso de moléculas derivadas de fuentes petroquímicas, promotoras de compuestos orgánicos volátiles (C.O.V) u otros químicos con alta toxicidad residual. Sustancias como la epiclorhidrina, toluen-di-isocianato (TDI), formaldehído, etc., afectan en gran magnitud tanto a la salud como al medioambiente. Al contrario, la molécula de Quitina representa una fuente natural, libre de toxicidad, con alta actividad química y biológica.

La Quitina, es el segundo biopolímero más abundante en la naturaleza y su aparición inició con el químico francés Henri Braconott en 1811 quien extrajo una sustancia del hongo Agaricus volvaceus, insoluble en medio alcalino, a la que llamó “Fungina”. Odler en 1823, descubrió una sustancia similar en la cutícula de un insecto (escarabajo) a la cual nombró por primera vez como Quitina del griego “ χιτών”que significa “Chiton” o “envoltura”. Stadler más tarde, en 1859 la describió como un carbohidrato y Ledderhose 1876 como una glucosamina [1]. Gracias a los trabajos de Fräenkel & Kelly en 1901 [2], se identificó que la Quitina estaba constituida por unidades monoméricas de glucosamina acetilada enlazadas. Seguidamente, estos autores propusieron por primera vez que la Quitina se trataba de un polisacárido lineal.

Una segunda era en la investigación, se centró en su estructura con Berlese en 1909 [1], y la tercera era, con Morgulis et al (1916) [3], quienes debatieron sobre la complejidad de la molécula y su contenido de nitrógeno; para luego proponer una estructura química que finalmente fue confirmada y aceptada con el trabajo realizado por Meyer & Pankow 1935 [4]. Estos últimos autores, emplearon la técnica de difracción RX, para elucidar la molécula que luego denominaron α-Quitina. En 1950, Lotmar y Picken, compararon este estudio con el isómero β-Quitina empleando la misma técnica [5].

La Quitina es físicamente un compuesto blanco, duro e inelástico, y es un componente estructural de los exoesqueletos de artrópodos como cangrejos, camarones, langostas y moluscos (calamares, ostras, sepias, cefalópodos). También es extraído de las paredes celulares de los hongos, así como se encuentra en la matriz extracelular de una variedad de invertebrados incluidos insectos, poríferas (esponjas) [6], platelmintos y nemátodos, acompañada principalmente de carbonato de calcio y proteínas en la mayoría de estos organismos [1].

Siendo la Celulosa el polímero más abundante en la naturaleza, resulta químicamente interesante la similitud estructural con la Quitina, cuya diferencia radica básicamente en los grupos acetamidos presentes en el carbono C2 y que reemplazan grupos -OH en la molécula de Celulosa [7, 8], como puede observarse en la Figura 1.

Figura 1 Figura 1 Estructuras Químicas [7]

Dado que las fibras de la Quitina se asocian unas a otras, la molécula adopta tres posibles organizaciones cristalinas que se muestran en la Figura 2.

Figura 2 Figura 2 Estructuras Cristalinas de la Quitina [1]

a) Ordenamiento antiparalelo (α): presente en la mayor cantidad de artrópodos, siendo la más abundante, estable, altamente cristalina (80 %) y presenta los más fuertes enlaces intermoleculares. Se encuentra en superficies duras o rígidas [4, 7, 9, 10].

b) Ordenamiento paralelo (β): encontrado mayoritariamente en calamares, gusanos gigantes e insectos.

Resulta más reactiva, semicristalina, más soluble y con débiles fuerzas intermoleculares; además puede hincharse y convertirse en la forma α por ser metaestable y es capaz de biosintetizarse en condiciones específicas [5, 7, 11, 12].

c) Ordenamiento asimétrico (γ): es el menos común, y además se ha asociado como una distorsión de las organizaciones α y β [13]; aunque también se ha reportado su presencia en capullos de insectos (escarabajos) y en paredes celulares de hongos [1, 7, 14].

Las dos estructuras alomórficas β y γ, se consideran flexibles y más hidratadas que la α-Quitina.

El Quitosano es obtenido a partir de una reacción en medio básico de la Quitina, conocida como N-Deacetilación. La molécula resultante es producto de la conversión de más del 60 % de los grupos amidos presentes en la Quitina, por lo que se incrementan los grupos aminos ( – NH₂). Su estructura, ilustrada en la Figura 3, cuyo nombre químico es poli [β–(1–4)–2–amino–2–desoxi–D–glucopiranosa], puede contener entre 6-9 % de nitrógeno y variados pesos moleculares promedios, purezas y propiedades fisicoquímicas como color, solubilidad, viscosidad, reactividad y cristalinidad. Por tal motivo, es de gran importancia el proceso experimental para deacetilar la Quitina, ya que ello define las aplicaciones finales y el mecanismo de acción de su derivado [15].

Figura 3 Figura 3 Estructura química de la molécula de Quitosano [16]

El Quitosano resulta un polisacárido catiónico lineal de la familia aminoglucopirano, y de igual forma que la Quitina, es biorenovable, biocompatible, biodegradable, no tóxico, no irritante y además mantiene las mismas estructuras cristalinas α, β, γ [1]. Estas dos moléculas no son únicas, ya que pueden variar en sus valores de masa molecular y grados de deacetilación promedio o grupos aminos libres, lo cual determina su calidad y el uso de estos polímeros.

El Quitosano es un copolímero insoluble a pH neutro y básico debido a sus enlaces intra e intermoleculares formados por puentes de hidrógeno. Su forma cristalina y grupos amino protonables ( – NH₃ ⁺), permiten que sea soluble en soluciones acuosas ácidas, ya que se incrementa la polaridad y las repulsiones electrostáticas, lo que facilita la formación de asociaciones interpoliméricas [17].

La composición del Quitosano está distribuida de forma aleatoria entre unidades moleculares de β-(1→4) D-glucosamina y N-acetil- D-glucosamina [1]. Este compuesto demuestra mayor versatilidad que la celulosa para reacciones químicas, debido a las posibles sustituciones en los sitios activos aminos ubicados en la posición C2, y a varios grupos hidroxilos también disponibles.

Se han hecho muchos esfuerzos científicos por mejorar su solubilidad en solventes orgánicos convencionales [8, 18], además de explorar sus propiedades funcionales y potenciarlas a través de la preparación de derivados, aplicando reacciones químicas de sustitución, elongación de cadenas o despolimerizaciones (químicas, físicas o enzimáticas) [19].

Los derivados del Quitosano están siendo reportados constantemente en la literatura científica, enriqueciendo y multiplicando las aplicaciones potenciales. Diversas industrias buscan innovar a través del uso de materiales ecológicos y potentes activos químicos como este biopelímero que es posible funcionalizarlo desde muy bajas concentraciones.

Algunas aplicaciones para estos derivados, incluyen: la preservación de alimentos, biotecnología, suplementos dietéticos, antihongos y antibacteriales; fabricación de cosméticos, antioxidantes, fabricación de películas para empaques, nanofibras para la industria textil.

La biomedicina ha desarrollado la dosificación controlada de medicamentos, antitumorales, suturante de heridas, etc [20, 21, 22].

En la agricultura son útiles como recubrimiento de semillas, alimentos para animales, agentes floculantes, entre otras [23, 24, 25].

La industria papelera los emplea como bioadhesivos, aditivos en la fabricación del papel, etc [26, 27, 28]

Otras especialidades han desarrollado su uso como nanoparticulas poliméricas, nanocompuestos, microesferas, hidrogeles, biosensores y muchas más [29, 30, 31, 32, 33, 34].

Este trabajo representa una revisión actualizada del estado del arte de relevantes trabajos de investigación sobre la molécula del Quitosano, considerando los métodos de extracción, así como su caracterización molecular empleando diversas técnicas. Adicionalmente se menciona la preparación de los derivados más comunes, y un resumen de sus aplicaciones científicas e industriales dentro del amplio espectro de conocimientos que continuamente son generados y compartidos en la literatura.

El Quitosano puede ser caracterizado por numerosas técnicas y métodos analíticos que definen sus propiedades, características fisicoquímicas y morfológicas. Bajo estos métodos, numerosos autores han validado su estructura molecular, distanciamiento entre las cadenas poliméricas, organización de sus fibras y su cristalinidad (polimorfismo), así como han identificado su red de puentes de hidrógeno y demás grupos funcionales.

Los estudios desarrollados previamente, permitieron revelar como ocurre el hinchamiento en medio acuoso, los cambios de solubilidad y reactividad del Quitosano [49].

Por otro lado, se ha reportado que es posible obtener diferentes resultados experimentales empleando metodologías basadas en distintos principios, por lo tanto, a modo comparativo, siempre se considerará el método de caracterización aplicado [63].

En 1978 Hepburn y Chandler, definieron la Quitina como una molécula viscoelástica, con rigidez, resistencia y extensibilidad que varía de acuerdo a cada estructura isomórfica α, β, γ [64]. Debido a ello, ganó interés el estudio de las propiedades mecánicas de su derivado Quitosano, las cuales hoy en día se destacan en diversos campos de aplicación.

El grado de deacetilación (DA) y el peso molecular, son las características más críticas en la definición de la funcionalidad del Quitosano. Dependen en gran medida de la cantidad de residuos poliméricos presentes, luego de la reacción de deacetilación. En particular, el peso molecular tiene una influencia directa en la viscosidad intrínseca del producto en medio acuoso.

La pureza, se relacionada con el contenido de cenizas. La ausencia de bacterias, grado de polimerización, contenido de metales pesados, humedad, cristalinidad y polidispersidad, son otras características claves para definir interacciones con sistemas biológicos. Todas estas deben reportarse cuando el Quitosano se destina hacia aplicaciones de consumo humano, biomedicina, biofarmacéutica y agricultura, principalmente. Para aplicaciones industriales varias de estas características son reportadas sólo a petición del consumidor directo [63].

Las técnicas comúnmente aplicadas para realizar análisis fisicoquímicos del Quitosano y sus derivados, son: Difracción RX, Microscopía Electrónica de Barrido (MEB o SEM), Espectroscopía Infrarroja (FTIR) y Espectroscopía UV-Visible, Cristalografía, Titulación Potenciométrica, Gravimetría, Análisis Termo Gravimétrico (DTG o TGA), Calorimetría de Barrido Diferencial (DSC), Color bajo escala CIELAB, Polarimetría [5, 6, 7, 8, 11, 65, 66, 67, 68].

Más recientemente, otras técnicas más avanzadas, consideran en profundidad el análisis estructural de la molécula de Quitosano, más allá de los fisicoquímicos. Dada la influencia que tiene el proceso de deacetilación parcial o completo del Quitosano, y la presencia de agregados o residuos de grupos acetilos no dispersos completamente en solución acuosa, los resultados reportados varían al aplicar diferentes técnicas. Por esta razón, se recurre a la deacetilación completa de la molécula para aumentar la precisión de los estudios conformacionales [69]. Algunas de las más estudiadas son: Resonancia Magnética Nuclear (RMN), Cromatografía por Permeación de Gel (GPC) [67], Ecuación de Mark-Houwink (relaciona la viscosidad intrínseca con el peso molecular) [70].

Además, la Cromatografía de Exclusión por Tamaños con Detección Múltiple (SEC-MALS), empleada para el análisis conformacional del Quitosano en solución acuosa [67, 69, 71]. Por otro lado, el Modelaje Molecular, establece las características confromacionales entre los enlaces moleculares a través de cálculos y algoritmos [67, 72, 81].

La técnica de Microscopía de Fuerza Atómica (AFM), evidencia cambios morfológicos, y el Aparato de Fuerza Superficial (SFA), es empleado para evaluar interacciones cohesivas en películas conformadas por Quitosano [73, 74, 75].

Para generar despolimerizaciones forzadas del Quitosano y estudiar los efectos en pesos moleculares vs propiedades, se han empleado últimamente la Irradiación Electrónica e-beam (EBI) [76], Gamma [77], Microondas [78], UV [79, 80]. Todas estas técnicas modernas soportan y amplían la caracterización molecular avanzada de la molécula del Quitosano.

Numerosas modificaciones pueden ser realizadas hoy en día sobre la molécula del Quitosano para diversificar sus aplicaciones finales, este proceso, conocido como Derivatización, se lleva a cabo por reacciones de sustitución química, elongación de cadenas o despolimerizaciones [19, 35]. Un resumen de estas reacciones químicas se describe en la Figura 8.

Una gran cantidad de trabajos de investigación han sido publicados en la reciente década, reportando reacciones de injerto (grafting): catiónicas, enzimáticas, vía radicales libres o asistidas por radiación. Además, reacciones de copolimerización a través de monómeros, sobre el Quitosano [82, 20, 17], o sobre la Quitina en polvo [83].

También se resaltan reacciones de modificación de grupos funcionales, que incluyen procesos como la formación de derivados aniónicos y anfotéricos del Quitosano N,O- sustituidos bajo carboximetilación [17].

Figura 8 Figura 8 Reacciones de derivatización típicas sobre la molécula de Quitosano [17]

Otros procesos se conocen como: crosslinking o entrecruzamiento químico [80, 82], tiolación, sulfatación (N,O- mono y di-sustituidos), amino-alquilación o metilación y N-acilación. La cuaternización, produce betaínas-quitosanos, a partir de glicina betaína. La oxidación ocurre como N,O- hidroxialquilación (con etil, propil y glicol como los grupos más comunes). Por otro lado, reacciones de hidroxiarilación originan aductos entre el Quitosano y el fenol, bajo una reacción oxidativa enzimática [7, 20, 29, 84, 85, 17].

Además, otras reacciones de mucha importancia son las despolimerizaciones, las cuales ocurren vía hidrólisis, y generan una nueva clase de compuestos derivados denominados Oligosacáridos tipo D-Glucosaminas [8, 60, 61, 23, 29, 25, 62].

Las reacciones de Despolimerización ocurren bajo diversos mecanismos:

a) Físicos: cuando son asistidas por irradiación ultrasonido o microondas.

b) Químicos: vía ácida o radicales libres.

c) Enzimáticos: empleando chitinasa, lipasa, o proteasa.

Recientemente son reportados con mucho interés las relevantes funcionalizaciones iminas, conocidas como quitosanos-bases de Schiff que se emplean ampliamente como grupos protectores para modificaciones sobre el grupo funcional -OH [7, 86, 87].

Otros aportes relevantes a las reacciones de derivatización se basan en procesos químicos de aminación reductiva, a través del cual es posible modificar el Quitosano con carbohidratos (uniéndolo a moléculas de azúcares D, L- como: glucosa, galactosa, lactosa, etc.) [7, 17].

Adicionalmente, este proceso permite modular el carácter hidrofóbico del Quitosano, introduciendo cadenas alquílicas de diferentes longitudes, siguiendo una reacción de N-alquilación [7, 18, 78, 21], lo que deriva en polímeros anfífilos con solubilidad ajustable y propiedades fisicoquímicas diferenciadas.

Las aplicaciones de los biopolímeros Quitina y Quitosano en diferentes campos, se han diversificado a través de la derivatización funcional del Quitosano, lo cual ha permitido desarrollar nuevos y mejores materiales para explorar y explotar al máximo su potencial, especialmente si pueden ser obtenidos siguiendo rutas cada vez más ecoamigables y sustentables que garanticen su participación permanente en cada vez más aplicaciones científicas e industriales.

Ciertamente el Quitosano tiene la ventaja sobre la Quitina de ser más polar y disolverse en medio acuoso ácido (pKa 6.3) por disminuir las repulsiones electrostáticas que le permiten comportarse como un polielectrolito, pero sus derivados, han abierto la posibilidad de modificar esta característica, y ahora, en muchos casos, es posible su solubilización en medios neutros o alcalinos, debido a su capacidad de asociación electrostática con biopolímeros aniónicos y polímeros sintéticos [17].

Esta nueva y relevante característica, permite formar películas [88, 89], hidrogeles [30], membranas [90, 33, 91], además puede formar complejos con óxidos metálicos, celulosa y CMC, entre otros [75]. También se han obtenido micro y nanopartículas, nanofibras [79, 31, 32, 92, 33, 93] y microesferas [91, 34].

Entre otras propiedades, se destacan las características bioadhesivas de los derivados del Quitosano [15, 94, 95, 96], así como su aplicación como un aditivo en el proceso húmedo de fabricación de papel [26, 97, 27].

El siguiente resumen presenta interesantes aplicaciones científicas e industriales, que han sido publicadas en distintos campos de aplicación, describiendo la versatilidad del Quitosano y sus derivados.

Durante décadas se ha estudiado la molécula de Quitosano con especial interés en conocer su estructura, morfología, características fisicoquímicas y propiedades funcionales. Todas estas han sido publicadas de forma constante a la comunidad científica, alimentando cada vez más el interés por emplear este abundante polisacárido incluso en aplicaciones nunca antes exploradas.

Ya en actualidad, son incontables los trabajos reportados en los cuales se explota el alto potencial biotecnológico de esta molécula y sus derivados. Es tan versátil, que hasta puede ingerirse, curar directamente heridas abiertas, además, un derivado de Quitosano, puede aplicarse sobre alimentos, en cremas y shampoos de uso cosmético, así como ser empleado en diversos campos industriales, como tratamiento de aguas residuales, extracción de metales pesados, entre muchos otros usos.

El Quitosano y sus derivados, tienen una gran ventaja asociada a sus múltiples morfologías, incluyendo: formación de fibras, películas, hidrogeles, membranas, nanopartículas y micropartículas, con muchas propiedades funcionales y bioactividades. Es por ello que todos los esfuerzos que se continúen realizando por mejorar sus técnicas de extracción y reducir los contaminantes químicos residuales, estandarizando nuevas metodologías menos agresivas al medioambiente, y en sí, protegiendo la estructura molecular nativa de este biopolímero, estarán directamente relacionadas con la mejora de los rendimientos y la garantía de la calidad.

Por otro lado, todos estos aportes contribuirán con la reducción de los precios actuales de estos productos en el mercado. Como consecuencia, estarán cada vez más accesibles para ser considerados dentro del desarrollo de más proyectos. Además, esto sería un impulso para transportar las aplicaciones que hoy se han manejado sólo como investigaciones a escala de laboratorio, hacia procesos industrializados que generen un valor comercial que esté al alcance de todos los consumidores finales.