Diseño de matrices poliméricas biodegradables para la liberación controlada de feromonas en el control de plagas

Abstract

El presente trabajo de Tesis Doctoral consiste en el desarrollo de diversos dispositivos poliméricos para liberación controlada de feromonas a partir del uso de polímeros de orígenes naturales y biodegradables como el quitosano y el alginato. El diseño de estos dispositivos estuvo enfocado hacia la obtención de cinéticas de liberación adecuadas de los tres compuestos que integran el blend feromonal de un insecto de importancia económica y forestal llamado Megaplatypus mutatus. Los compuestos son sulcatol, sulcatona y 3-pentanol y su uso en el control de esta plaga es una técnica novedosa de escasos antecedentes en el país. Los dispositivos poliméricos planteados tenían como requisitos: ser biodegradables para evitar tener que recolectarlos una vez concluido el control de la plaga, tener una alta proporción de compuesto incorporado, así como una baja concentración residual, liberar los compuestos de interés de manera lenta y sostenida, y ser de rápida aplicación y de bajo costo de elaboración. La secuencia de dispositivos desarrollados fue avanzando y modificándose según los resultados así lo demostraban y requerían, adquiriendo de estos resultados el criterio para fundamentar la preparación de un nuevo dispositivo. Para tal fin, se estudió la conveniencia del uso de una vía seca ó de una vía húmeda. Para el primer caso se prepararon películas y para el segundo caso, se prepararon geles y esferas de quitosano y alginato simples y combinadas. Las películas fueron generadas a partir del entrecruzamiento de quitosano con genipina y a partir de alginato. Se realizaron por el método de evaporación del solvente. En el caso de la película de quitosano se pudo demostrar cualitativamente que este dispositivo incorporó el sulcatol y que lo liberó gradualmente por un período de 13 días. En el caso de la película de alginato, la misma no resultó estable y resultaron materiales muy flexibles con una muy baja estabilidad de forma. En cuanto a los geles, su forma de síntesis supone una clara ventaja en cuanto a la incorporación de un compuesto de interés, ya que al ser un proceso sencillo, que no posee medios o pasos intermedios de reacción, no supone la pérdida del compuesto en etapas intermedias. La preparación de estos dispositivos permitió regular la velocidad de difusión y la de liberación, aumentando en el tiempo. En cuanto al comportamiento de incorporación/liberación de STOL, los dos polímeros utilizados mostraron diferencias importantes; mientras que el quitosano mantuvo una liberación controlada por una cantidad considerable de días con un bajo porcentaje de retención de la droga, el alginato lo hizo por un período de tiempo muy reducido. Así, con el fin de aumentar la superficie expuesta al ambiente y de obtener dispositivos más fáciles de transportar y de ubicar en forestaciones, se condujo la experimentación hacia el desarrollo de esferas. Las esferas poseen una alta relación volumen/superficie, lo cual es muy beneficioso para la preparación de dispositivos de liberación controlada y prolongada en el tiempo. El tercer tipo de dispositivos preparados fue el de esferas simples de alginato y de quitosano. Ambos materiales fueron sintetizados por coacervación simple. El quitosano mostró buena capacidad de formación de esferas y buena incorporación de los compuestos orgánicos evaluados. Sin embargo este polímero se comportó como un agente de retención excesivo ya que el único compuesto posible de cuantificar fue el Beta-Caroteno.Por otro lado, las esferas de alginato mantienen la forma esférica adecuada e incorporan un alto porcentaje de los compuestos de interés. Sin embargo poseen también ciertas debilidades, tales como la salida demasiado rápida del compuesto incorporado, ya sea durante el lavado de las esferas o por sus propiedades de retención intrínsecas. Estas debilidades debieron ser superadas desde la preparación de las mismas, sumando compuestos que recubren la esfera y que colaboren a disminuir la porosidad del mismo. En este sentido, la carga negativa del alginato otorgada por sus grupos COO- le confiere posibilidad de interacción con otros polímeros de carga opuesta y de esta manera amplia posibilidades de mejorar las condiciones desfavorables detectadas. Así, la experimentación de la presente tesis doctoral se condujo al desarrollo de esferas combinadas. En este sentido, y ya en la segunda etapa de experimentación del presente trabajo, se realizaron esferas combinadas sintetizadas con las dos opciones alternadas de ubicación de los polímeros, es decir se sintetizaron esferas con un corazón de quitosano y una cubierta de alginato y esferas con un corazón de alginato y una cubierta de quitosano. Las de corazón de quitosano fueron realizadas por el método de coacervación compleja, en el cual a partir del contacto entre ambos polímeros se produce la unión de los grupos carboxílicos del alginato y los grupos amino del quitosano. Si bien los estudios de caracterización por FT-IR y microscópicos revelaron la presencia de ambos polímeros en los dispositivos, las esferas presentaron pobres propiedades mecánicas, adjudicadas principalmente a la baja eficiencia de las interacciones, electrostáticas o covalentes. Este tipo de interacciones no pudieron dar origen a un retículo estable, por lo que la experimentación se condujo hacia el otro tipo de esferas combinadas, las de corazón de alginato y cubierta de quitosano. Estas esferas fueron ampliamente caracterizadas por medio de estudios de FT-IR, DSC, SEM y fotografías ópticas. Para el estudio de sus propiedades se modificaron diversas variables de síntesis en pos de conocer el efecto sobre el hinchamiento y sus propiedades mecánicas; ya que ambas características se encuentran totalmente relacionadas con el grado de entrecruzamiento de las esferas y por ende con la capacidad y tiempo de liberación de compuestos incorporados en ellas. Las variables que más influyeron en el comportamiento final de los dispositivos fueron el pH de la solución gelificante y la relación molar Ca2+/COO-. Estos dos parámetros afectan por un lado el grado de ionización de los grupos COO- del alginato y por otro lado, el porcentaje de Calcio disponible para conformar la estructura “caja de huevo” característica de esta interacción. A partir de estos estudios de las propiedades y de los estudios de liberación de BC, STOL, STONA y 3-PEN se pudieron definir las condiciones de preparación consideradas óptimas para los ensayos biocomportamentales de atracción que seguían a esta sección experimental. Así las condiciones de concentración de alginato de 4% p/v, el pH y la relación molar Ca2+/COO- de la solución gelificante de 9 y 3,5 respectivamente y un tiempo de curado de 10 minutos fueron las utilizadas para preparar las esferas con las que se comprobó la efectividad de atracción con el insecto en cuestión. En la última sección de esta tesis doctoral, se realizaron ensayos de atractancia de los insectos hacia los dispositivos por medio del uso de un olfatómetro. Los resultados obtenidos sugieren que los dispositivos elegidos como liberadores de feromonas se comportaron de manera adecuada para provocar el efecto de atracción de hembras de Megaplatypus mutatus