La presente invención se refiere a un procedimiento de obtención de materiales renovables, multifuncionales y acordes a un desarrollo sostenible, a partir del tratamiento controlado de rechazo de pipa, desecho de la producción de aceite de girasol, y su uso para crecimiento celular y como catalizador en procesos de obtención de sustancias de química fina con calentamiento dieléctrico o con activación solar. Desde el punto de vista del procedimiento, este invención esta en el sector de síntesis y preparación de nuevos materiales. En cuanto a sus aplicaciones o usos, la invención se encuadra dentro del sector de la preparación de sustancias de química fina, pues este material tiene centros básicos de gran actividad en su superficie, y de la salud, ya que es biocompatible y en él se puede desarrollar crecimiento celular, dada la composición y textura que se puede diseñar en el material final con los tratamientos adecuados .

ESTADO DE LA TÉCNICA

La bio-ingeniería para reemplazar tejidos y órganos tiene gran importancia económica dado el aumento de la edad promedia de la población. Esta fuertemente basada en el diseño de la estructura y textura de matrices diseñadas para cada caso particular de regeneración tisular (Z. Yue, F. Wen, S. Gao, M. Yi Ang, P.K. Pallathadka, L. Liu, H. Yu . : Preparation of three-dimensional interconnected macroporous cellulosic hydrogels for soft tissue engineering. Biomaterials, 31 (32) (2010) 8141-8152) .

Los biomateriales utilizados deben ser matrices con las características adecuadas a cada uso de restauración de tejidos y ser capaces de soportar la regeneración de material, mediante la adecuada composición, estructura y textura, con sus correspondientes efectos sobre la velocidad de degradación en las soluciones biológicas adecuadas, intercambio de nutrientes y transporte de materia. Para conseguir estas propiedades se utilizan materiales tanto orgánicos (polímeros, proteínas...), como inorgánicos (óxidos (p.ej. alúmina, zirconia ... ) , hidroxiapatito y una gran variedad de fosfatos, vidrios bioactivos etc..) (M. Kharaziha, M.H. Fathi . : Improvement of mechanical properties and biocompatibility of forsterite bioceramic addressed to bone tissue engineering materials. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, 3 (2010) 530-537; E. Leonardi, G. Ciapetti, N. Baldini, G. Novajra, E. Verné, F. Baino, C. Vitale-Brovarone . : Response of human bone marrow stromal cells to a resorbable P ₂ 0 ₅ -S i0 ₂ -CaO-MgO- a ₂ 0-K ₂ 0 phosphate glass ceramic for tissue engineering applications . Acta Biomaterialia, 6 (2010) 598-606) .

Un gran cantidad de los sólidos utilizados usualmente son sintéticos (S.I. Ranganathan, D.M. Yoon, A.M. Henslee, M.B. Nair, C. Smid, F.K. Kasper, E. Tasciotti, A.G. Mikos, P. Decuzzi, M. Ferrari.: Shaping the micromechanical behavior of multi-phase composites for bone tissue engineering. Acta Biomaterialia, 6 (2010) 3448-3456; R.E. Bauer . : Novel calcium phosphate cement based scaffolds for bone tissue engineering. Journal of Oral and Maxillofacial Surgery, 68 (2010) 49-50; D. Bellucci, V. Cannillo, G. Ciardelli, P. Gentile, A. Sola: Potassium based bioactive glass for bone tissue engineering. Ceramics International, 36 (2010) 2449-2453; Y. Lu, A. Zhu, W. Wang, H. Shi : New bioactive hybrid material of nano-hydroxyapatite based on N- carboxyethylchitosan for bone tissue engineering. Applied Surface Science, 256 (23) (2010) 7228-7233; A.G. Dias, I.R. Gibson, J.D. Santos, M.A. Lopes: Phys icochemical degradation studies of calcium phosphate glass ceramic in the CaO-P ₂ 0s- MgO-Ti0 ₂ system. Acta Biomaterialia, 3 (2007) 263-269), o de origen animal, aunque esta última opción esta actualmente siendo considerada con gran cuidado debido a la existencia de posibles enfermedades de transmisión en dicho procedimiento .

Materiales naturales basados en coral han sido utilizados con fines similares, aunque su sostenibilidad es dudosa, ya que no pueden ser considerados renovables (F.M. Chen, J. Zhang, M. Zhang, Y. An, F. Chen, Z.F. Wu : A review on endogenous regenerative technology in periodontal regenerative medicine. Biomaterials 31 (31) (2010) 7892- 7927) .

Los materiales sintéticos, suelen conllevar síntesis con varios pasos, reactivos a menudo no muy limpios y calcinaciones a temperaturas muy elevadas cercanas a 1500°C, con una adición final de silicio, procedente de organosilicatos (p.ej. TEOS) y un último paso de sinterización a mas de 1100°C (M.B. Nair, S.S. Babu, H.K. Varma, A. John.: A triphasic ceramic-coated porous hydroxyapatite for tissue engineering application. Acta Biomaterialia, 4 (2008) 173-181) .

Se han utilizado materiales de composición similar a los de esta invención para administración controlada de drogas, proteínas, genes, etc., debido a su biocompatibilidad y similitud con los que constituyen los huesos y dientes humanos (D. Jiang, J. Zhang: Calcium phosphate with well controlled nanostructure for tissue engineering, Current Applied Physics, 9 (3) (2009) S252- S256; W.J.E.M. Habraken, J.G.C. Wolke, J.A. Jansen: Ceramic composites as matrices and scaffolds for drug delivery in tissue engineering, Advanced Drug Delivery Reviews, 59 (4- 5) (2007) 234-248) . También materiales basados en fosfatos han sido usados como material soporte para el desarrollo del músculo cráneo-facial (R. Shah, A. C. M. Sinanan, J. C. Knowles, N. P. Hunt, M. P. Lewis: Craniofacial muscle engineering using a 3-dimensional phosphate glass fibre construct Biomaterials, 26 (13) (2005) 1497-1505) . El presente trabajo se basa por un lado en la obtención de sólidos biocompatibles de valor añadido utilizando como materia prima subproductos de la producción de aceite de girasol y con métodos basados en la química sostenible, evitando al máximo la toxicidad en sustancias o procedimientos .

Los subproductos de la producción del aceite de girasol proceden del proceso de la extracción del aceite por prensado, con un contenido típico en peso de 19% de aceite, 25% de celulosa, 17% de hemicelulosa y 39% de proteína vegetal (H. F. Gercel: Production and characterization of pyrolysis liquids from sunflower-pressed bagasse, Bioresource technology 85 (2) (2002) 113-117) .

Los materiales finales se diseñan para su funcionamiento como biomateriales , modificando sus estructuras y texturas para cada uso concreto.

Otro aspecto de la presente invención es el uso de los materiales de la invención como catalizadores para la preparación de sustancias de química fina, dada sus características de basicidad, medidas por adsorción- descomposición de acido acético en los laboratorios de la invención, para obtener sustancias de química fina por condensación catalítica (Rousselot, C. Taviot-Guého, J.P. Besse: Synthesis and characterization of mixed Ga/Al- containing layered double hydroxides: study of their basic properties through the Knoevenagel condensation of benzaldehyde and ethyl cyanoacetate, and comparison to other LDHs . International Journal of Inorganic Materials, 1 (1999) 165-174; G. Postole, B. Chowdhury, B. Karmakar, K. Pinki, J. Banerji, A. Auroux. Knovenagel condensation reaction over acid-base bifunctional nanocrystalline Ce _x Zri_ _x 02 solid solutions. Journal of Catalysis, 269 (2010) 110-121).

La actividad catalítica en la condensación de Knoevenagel de los sólidos diseñados es comparable a la de sólidos recogidos en la bibliografía, con activación por calentamiento dieléctrico y también por activación solar (R.A. Mekheimer, A.M. Abdel Hameed, S. A. A. Mansour, K.U. Sadek: Solar thermochemical reactions III: A convenient one- pot synthesis of 1 , 2 , 4 , 5-tetrasubstituted imidazoles catalyzed by high surface área S1O ₂ and induced by solar thermal energy. Chínese Chemical Letters 20 (2009) 812-814) .

El procedimiento desarrollado tiene un doble interés, pues disminuye la contaminación producida por los desechos, además de convertirlos en sustancias de valor añadido.

Aunque se han utilizado desechos procedentes de la producción de cerveza como matrices para el crecimiento de osteoblastos (M. Yates Buxcey, M.A. Martin Luengo y M.B. Casal Piga, Preparación de materiales biocompatibles a partir de desechos del proceso de fabricación de cerveza y sus usos, WO2010/058049, (2010)), un inconveniente importante del uso del bagazo de cerveza como materia prima con respecto al uso del rechazo de pipa es la necesidad de un paso extra de secado rápido, para evitar la fermentación del material, que contiene gran cantidad de liquido (cercana al 80%) , lo cual no ocurre con el rechazo de pipa, que es mucho más estable.

Cuando se estudian las actividades de estos materiales en la reacción de condensación de Knoevenagel con activación solar o dieléctrica, se observa una mejor comportamiento, tanto en actividad como en selectividad al compuesto condensado, de los materiales preparados con el rechazo de pipa, comparados con los procedentes del bagazo de cerveza debido a las mejoradas características texturales y estructurales de los materiales procedentes de rechazo de pipa, con respecto a los procedentes del bagazo de cerveza (M. Yates Buxcey, M.A. Martin Luengo y M.B. Casal Piga, Preparación de materiales biocompatibles a partir de desechos del proceso de fabricación de cerveza y sus usos, PCT 1646-286, (2010) ) .

DESCRIPCIÓN BREVE DE LA INVENCIÓN Esta invención se basa en:

1) Preparar materiales multifuncionales y renovables con fosfato y silicato en su composición, por tratamiento térmico del residuo de la producción de aceite de girasol; 2) el material obtenido en el punto 1 se usa para ingeniería de te idos óseos ;

3) el material obtenido en el punto 1 se usa como catalizador para obtención de sustancias de química fina, utilizando calentamiento dieléctrico o activación solar, lo cual hace que el proceso sea mas económico, debido a los bajos tiempos de reacción necesarios en el caso del calentamiento dieléctrico (inferiores a 5 minutos) y a la sostenibilidad intrínseca de la activación solar; y

4) el material obtenido en el punto 1 se usa para administración controlada de drogas, proteínas, genes, etc., debido a su biocompatibilidad y composición.

En la presente memoria, se entiende por material muítifuncional aquel que puede desempeñar múltiples funciones, como son las funciones de biomaterial, de catalizador, etc. aquí referidas. Asimismo, se entiende que los materiales descritos en la presente memoria son renovables porque su preparación deriva de subproductos agroalimentarios que se producen anualmente en cada cosecha, en contraste con materias primas derivadas de petróleo.

DESCRIPCIÓN DETALLADA

Esta invención describe un procedimiento de preparación de materiales renovables, de valor añadido, que contienen fosfatos y silicatos, a partir de residuos de la preparación de aceite de girasol. Los materiales obtenidos, dada su textura y composición, son multifuncionales , ya que pueden ser usados en ingeniería ósea tisular y en producción de sustancias de química fina por condensación sobre los lugares básicos que contienen. Así, un aspecto de esta invención es el procedimiento de preparación de materiales que contienen fosfatos y silicatos, en adelante procedimiento de la invención.

El análisis TG de la muestra original presenta pérdida de humedad de 30 a 100°C del 5%, y de sustancias volátiles y combustión de carbón y alquitranes hasta la temperatura máxima utilizada (1000°C) . El 7% que queda es ceniza. (P.T. Williams, S. Besler.: The influence of temperature and heating rate on the slow pyrolysis of biomass. Renewable Energy, 7 (1996) 233-250; N. Worasuwannarak, T. Sonobe, W. Tanthapanichakoon . Pyrolysis behaviours of rice straw, rice husk, and corncob by TG-MS technique. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 78 (2) (2007) 265-271) .

La descomposición de biomasa está promovida por la presencia de sustancias inorgánicas naturales (P.R. Patwardhan, J.A. Satrio, R.C. Brown, B.H. Shanks : Influence of inorganic salts on the primary pyrolysis product of cellulose, Bioresource Technology, 101 (12) (2010) 4646- 4655; V. Kirubakaran, V. Sivaramakrishnan , R. Nalini, T. Sekar, M. Premalatha, P. Subramanian . : A review on gasification of biomass. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 13 (2009) 179-186; T.P. Wampler. A selected bibliography of analytical pyrolysis applications 1980-1989. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 16 (1989) 291- 322) .

Los principales constituyentes inorgánicos de la biomasa en forma de iones u óxidos son sodio, potasio, magnesio, calcio y silicio. (K. Raveendran, A. Ganesh and K.C. Khilar.: Influence of mineral matter on biomass pyrolysis characteristics . Fuel 74 (1995) 1812-1822). El rechazo de pipa, usado como material de partida en la presente invención es el subproducto de la industria de preparación de aceite de girasol, resultante del prensado de la pipa para extraer el aceite y está formado por la cascara, pieles y partes carnosas de la pipa desechadas físicamente en el proceso. Debido a este origen contiene elevadas cantidades de fósforo y magnesio, cationes de gran importancia y biocompatibles . La cáscara de la pipa de girasol tiene un poder calorífico de 17500 kJ/kg, considerado como un poder calorífico medio. Dicho sólido se modifica por tratamiento en diferentes condiciones para variar la estructura y textura de los materiales finales obtenidos a partir de este desecho, según los usos para los que se diseña.

La presente invención que se dirige a un procedimiento de obtención de materiales multifuncionales y renovables a partir del rechazo de pipa procedente de la producción de aceite de girasol, que comprende al menos las siguientes etapas :

calentar el rechazo de pipa desde temperatura ambiente hasta una temperatura igual o inferior a

1000°C, con una rampa de calentamiento comprendida entre 1 y 10 °C/min, incluidos ambos límites; y

- mantener la temperatura alcanzada durante al menos una hora.

Preferiblemente, el rechazo de pipa se calienta a una temperatura comprendida entre 350°c y 1000°C, incluidos ambos límites.

Un aspecto más preferente de la presente invención es el procedimiento de la invención en el que la temperatura final de la etapa de calentamiento es de 850°C, dando lugar a un material que comprende fósforo, magnesio, silicio, calcio y cantidades inferiores de sodio y potasio. Caracterizando estos sólidos (ver Ejemplo 1) se afirma que el material obtenido mediante el procedimiento de la invención, utilizando una temperatura de calentamiento comprendida entre 700°C y 1000°C, incluidos ambos límites, se puede utilizar en ingeniería de tejidos óseos.

Además, los sólidos preparados tienen características básicas, con basicidades similares a las de sólidos de síntesis utilizados en reacciones de condensación de Knoevenagel, para preparar sustancias de química fina. Se ha medido la basicidad de estos sólidos por adsorción- descomposición de acido acético sobre los centros básicos. (H.A. Prescott, Z.J. Li, E. Kemnitz, A. Trunschke, J. Deutsh, H. Lieske, A. Auroux.: Application of calcined Mg-Al hydrotalcites for Michael additions : an investigation of catalytic activity and acid-base properties. Journal of Catalysis, 234 (2005) 119-130) .

La condensación de Knoevenagel es una reacción de gran interés en la preparación de sustancias de química fina, mediante la formación de enlaces carbono-carbono, utilizándose para ella normalmente reactivos básicos, en un principio siguiendo los parámetros de la catálisis homogénea. Heterogeneizando estos catalizadores se consiguen simplicidad de operación, reusabilidad, mayor selectividad, economía y consecuentemente procesos en general más acordes a un desarrollo sostenible.

Los sólidos preparados aquí se han estudiado con éxito en esta reacción, obteniéndose con ellos actividades y selectividades en la condensación Knoevenagel de benzaldehído con cianoacetato de etilo, similares a las de sólidos utilizados en la bibliografía de basicidades similares, en su mayoría preparados a través de síntesis, no renovables y de mayor impacto medioambiental que los diseñados en la presente invención. Es importante destacar que en esta invención se ha usado calentamiento dieléctrico o activación solar para llevar a cabo estas reacciones, disminuyendo el tiempo de reacción (<5 minutos en activación dieléctrica) , o abaratando de forma radical los costes con el uso de activación solar, alcanzando conversiones cercanas al 100% y elevadas selectividades al producto de condensación, en algunos de los sólidos diseñados.

Otro aspecto más preferente de la presente invención es el procedimiento de la invención en que la rampa de calentamiento utilizada en la etapa de calentamiento es de de 5°C/min.

Otro aspecto más preferente de la presente invención es el procedimiento de la invención en que la temperatura final en la etapa de calentamiento se mantiene durante 4 horas .

Otro aspecto más preferente de la presente invención es el procedimiento de la invención en que la temperatura final en la etapa de calentamiento se mantiene durante 2 horas .

Otro aspecto más preferente de la presente invención es el procedimiento de la invención en el que la temperatura final de la etapa de calentamiento es 700°C, dando lugar a un material que comprende fósforo, silicio, calcio y magnesio, además de cantidades inferiores de sodio y potasio. La caracterización de estos sólidos (ver ejemplo 2) indica que el material obtenido mediante el procedimiento de la invención, utilizando ésta temperatura final de 700°C, se puede utilizar como catalizador en reacciones de obtención de sustancias de química fina, con activación dieléctrica o solar .

La observación de los materiales de la invención con difracción de rayos X determina estructuras cristalinas que corresponden a fosfatos y silicatos de calcio y magnesio. El análisis textural de los materiales de la invención indica la presencia de macroporos por encima de 65 mieras. Los resultados de análisis químico confirman la presencia de fósforo en un intervalo comprendido entre 7% y 12% incluidos ambos límites; silicio en un intervalo comprendido entre 4% y 9% incluidos ambos límites; potasio en un intervalo comprendido entre 8% y 18% incluidos ambos límites; calcio en un intervalo comprendido entre 7% y 11% incluidos ambos límites; y magnesio en un intervalo comprendido entre 5% y 14% incluidos ambos límites, como elementos principales del material de la invención, además de cantidades de aluminio, hierro, sodio, zinc, azufre y cloro comprendidas entre 0,1% y 2% incluidos ambos límites. Más preferentemente, el material obtenido presenta 9,5% de fósforo, 6,6% de silicio, 16,4% de potasio, 9,8% de calcio, 7,0% de magnesio, además de cantidades inferiores a 1% de aluminio, hierro, sodio, zinc, azufre y cloro. Dada su similitud con la fase mineral del hueso, y sus características texturales con diámetros de poro de varios cientos de mieras este material se ha usado para la ingeniería de tejidos óseos. Además su contenido autógeno en iones presentes en el medio fisiológico (sodio, calcio, magnesio, potasio) lo hace altamente biocompatible . Su contenido en fosfato y silicio es beneficioso, pues los materiales que contienen estos elementos tienen características interesantes de reabsorción en los medios biológicos .

Normalmente el material muítifuncional y renovable obtenido a partir del presente método en cualquiera de sus variantes puede someterse a tratamientos químicos para modificar sus propiedades estructurales y texturales en función del uso que se les va a dar, al igual que otros materiales similares conocidos en el estado de la técnica. Esta modificación química del material puede ser con ácido, con base y/o con oxidantes del material.

Otro aspecto de la presente invención es la posibilidad de utilizar estos materiales para administración controlada de drogas, proteínas, genes, etc., debido a su biocompatibilidad y composición.

Otro aspecto de la presente invención es su posible utilidad como material de soporte para regeneración tisular. Para su aplicación en este campo, el material se esteriliza y se moldea tras su obtención para adecuarlo al caso requerido.

Otro aspecto de la presente invención es su posible utilidad como catalizador para reacciones activadas sobre centros básicos. Para esta aplicación, el material se tamiza tras su obtención hasta un tamaño de partícula adecuado para cada reacción. EJEMPLOS DE REALIZACIÓN DE LA INVENCIÓN

EJEMPLO 1. Preparación de material biocompatible a partir de rechazo de pipa y caracterización para comprobar su aplicación en ingeniería de tejidos óseos.

El rechazo de pipa obtenido de una fábrica de aceite de girasol se calienta desde temperatura ambiente hasta una temperatura de 700°C, manteniendo la temperatura final cuatro horas .

El material obtenido comprende en peso mayoritariamente 9,5% de fósforo, 6,6 % de silicio, 16,4% de potasio, 9,8 de calcio y 7% de magnesio como elementos principales, además de cantidades inferiores al 1% de aluminio, sodio y potasio. Se analiza la influencia de sus características estructurales, superficiales, texturales y su biocompatibilidad sobre el crecimiento de osteoblastos.

Para la caracterización de las fases cristalinas del material objeto de la patente, se utilizó difracción de rayos X de polvo con un difractómetro Policristal X ^' Pert 15 Pro PANalytical, usando radiación Ka de Cu. Se realizaron los diagramas de difracción de rayos X, encontrándose picos correspondientes a fosfato de calcio y de potasio y silicatos de calcio y magnesio, similares a los encontrados en la bibliografía para matrices utilizadas en crecimiento de tejido óseo (D. Tadic and M. Epple.: A thorough physicochemical characterization of 14 calcium phosphate- based bone substitution materials in comparison to natural bone. Biomaterials 25 (2004) 987-994).

Las distribuciones de tamaño de partícula, meso y macroporos se determinaron por porosimetría de mercurio, en un equipo Fisons Pascal 140/240, aplicando la ecuación de Washburn, con ángulo de contacto de mercurio de 141° y una tensión superficial de 484 mNm ^"1 según recomendaciones de la IUPAC, sobre muestras previamente secadas a 150 °C durante 16 horas. (J. Blanco, A.L. Petre, M. Yates, M.P. Martin, J.A. Martin, M.A. Martín-Luengo . : Tailor-made high porosity VOC oxidation catalysts prepared by a single-step procedure . Applied Catalysis B: Environmental 73 (2007) 128-134) .

Los materiales tienen una estructura porosa, con más de 90% de sus poros por encima de 65 mieras de diámetro. Las densidades de los materiales son superiores a 2,34g/cc. Los sólidos utilizados para crecimiento de osteoblastos suelen tener poros en el rango de 50 a 500 mieras y dependiendo de estos, pueden servir o no como biomateriales para crecimiento celular. Se ha estudiado la biocompatibilidad de estos sólidos y realizado cultivos de osteoblastos, comprobando como dichas células crecen en su superficie de forma similar a la de un hidroxiapatito, utilizado como control en este tipo de procesos.

EJEMPLO 2. Preparación de catalizadores básicos a partir de desechos de producción de aceite de girasol y su uso en reacciones de obtención de sustancias de química fina, debido a su basicidad intrínseca. Se ha utilizado para estas reacciones activación dieléctrica o activación solar .

El rechazo de pipa procedente de la preparación de aceite de girasol se trata en aire desde temperatura ambiente hasta una temperatura comprendida entre 350 °C y 1000 °C, manteniendo esta temperatura final durante al menos 1 hora.

Los reactivos utilizados han sido benzaldehido y cianoacetato de etilo en una relación molar de 1:1.3, con 0,15g de catalizador. La adsorción descomposición de acido acético muestra centros básicos en cantidades y fuerzas similares a las encontradas en sólidos sintéticos utilizados para reacciones de condensación (Rousselot, C. Taviot-Guého, J.P. Besse: Synthesis and characterization of mixed Ga/Al- containing layered double hydroxides: study of their basic properties through the Knoevenagel condensation of benzaldehyde and ethyl cyanoacetate, and comparison to other LDHs . International Journal of Inorganic Materials, 1 (1999) 165-174) (G. Postole, B. Chowdhury, B. Karmakar, K. Pinki, J. Banerji, A. Auroux. Knovenagel condensation reaction over acid-base bifunctional nanocrystalline Ce _x Zri_ _x 02 solid solutions. Journal of Catalysis, 269 (2010) 110-121) . Las actividades catalíticas con calentamiento dieléctrico indican que con los materiales derivados de rechazo de pipa se pueden alcanzar conversiones del 100% al producto condensado en un minuto, mientras que con los derivados del bagazo del cerveza solo se alcanzan conversiones de alrededor del 60% en siete minutos de reacción.

En el caso de la reacción con activación solar, durante cuatro horas y con una radiación cercana a 1000 W/m ² , los materiales basados en rechazo de pipa permiten obtener conversiones cercanas a 90% y selectividades al compuesto condensado, mientras que los derivados del bagazo de cerveza solo permiten obtener conversiones inferiores al 5%.

Tabla 1-. Reacción de condensación de Knoevenagel con rechazo de pipa (RP) o bagazo de cerveza (BBM) y activación solar (4h, 1000 W/m )

RP47 RP48 RP410 BBM47

Convers ión 88 85 19 4

Selectividad

100 99 62 82

condensado