Microencapsulación y su aplicación en la industria del calzado

La microencapsulación podría definirse como el proceso de recubrimiento de sustancias activas con materiales de distinta naturaleza, generalmente poliméricos, para dar lugar a partículas de tamaño micrométrico. El producto resultante de este proceso tecnológico recibe la denominación de “microcápsulas”, “microesferas” o “micropartículas”, en función de su morfología y estructura interna, si bien todos ellos presentan como característica común su tamaño de partícula, el cual es siempre inferior a 1 mm (hay que dividir 1 mm en 1000 veces para conseguir 1 micra; imposible de ver por el ojo humano). Cuando las partículas poseen un tamaño inferior a 1 micra, el producto resultante del proceso de microencapsulación recibe la denominación de “nanoesferas”, “nanopartículas” o “nanocápsulas”.

Una de las primeras industrias en aplicar estas técnicas fue la industria del papel, para el desarrollo de papel de calco sin carbón. Actualmente las microcápsulas se emplean en sectores industriales muy diversos: farmacéutico (liberación controlada de medicamentos), agricultura (liberación lenta de pesticidas y fertilizantes), alimentación (liberación de aromas y sabores), cosmética (microcápsulas de sustancias cosméticas y perfumes), etc. Las ventajas que ofrecen las microcápsulas sobre un proceso convencional pueden resumirse en la protección y enmascaramiento de la sustancia encapsulada frente a medios inestables u hostiles para su posterior liberación progresiva. Estos dos factores han hecho que diferentes sectores industriales basen algunos de sus productos de mayor innovación en estas tecnologías.

En el caso de la industria del calzado la microencapsulación es todavía una técnica emergente, que puede aportar un alto grado de innovación en los materiales utilizados. Por ello, hace unos años INESCOP puso en marcha una nueva línea de investigación centrada en el desarrollo y la aplicación de las diferentes técnicas de microencapsulación para la obtención de materiales activos o inteligentes, de uso en la industria del calzado.

La especialización en las diferentes técnicas de microencapsulación y nanoencapsulación se ha realizado mediante diversas estancias de técnicos de INESCOP en centros de investigación internacionales de prestigio, como son el Laboratoire de Génie des Procédés Papetiers de la École Française de Papeterie et des Industries Graphiques en Saint Martin d´Hères (Francia), el Organic Chemistry III Institute de la Universidad de Ulm (Alemania) y el BP Institute en cola-boración con el Departamento de Ingeniería Química de la Universidad de Cambridge (Inglate-rra).

Estas estancias de especialización contaron con el apoyo del IMPIVA y del Fondo Social Europeo a través del Programa de Alta Especialización en Tecnologías Industriales.

El equipo de INESCOP está trabajando en técnicas para la microencapsulación de sustancias, pues la elección de la técnica adecuada para cada sustancia es primordial para lograr los resultados esperados. Esta elección se debe hacer en función tanto de las propiedades propias de la sustancia a encapsular como del sistema de liberación deseado para cada aplicación. De este modo, INESCOP dispone en la actualidad de la tecnología y los conocimientos necesarios para el desarrollo y aplicación de las siguientes técnicas de microencapsulación.

• Coacervación Compleja. Este método consiste principalmente en la mezcla de dos polímeros de diferente carga solubles en agua. La formación de un complejo entre los dos polímeros conduce a la deposición del recubrimiento, denominado coacervato, sobre las gotas de una emulsión de la sustancia activa. La formación del coacervato está controlada por la adición de una sal, el pH, temperatura o por la dilución del medio.

• Polimerización Interfacial. Este método es especialmente atractivo para la microencapsulación de agentes activos en estado líquido. La base de esta técnica consiste en la reacción de polimerización de monómeros en la interfase de dos líquidos inmiscibles (emulsión O/W) dando lugar a la pared o membrana de la microcápsula. La reacción de polimerización está controlada por difusión, y el tamaño de las microcápsulas lo determina las propiedades de la emulsión inicial.

• Polimerización en miniemulsión. Las miniemulsiones son dispersiones estabilizadas que presentan tamaños entre 50 y 500 nm, obtenidas mediante la utilización de ultrasonidos, cuya característica principal es la elevada estabilidad de la emulsión. Este método permite la obtención de nanocápsulas mediante procesos de polimerización interfacial como el descrito anteriormente.

• Preparación de coloidosomas. Los coloidosomas son microcápsulas cuya pared está formada por la coagulación, agregación o fusión de partículas, dando lugar a recubrimientos porosos. El grado de permeabilidad del recubrimiento puede controlarse durante el proceso de formación del coloidosoma mediante la temperatura y tiempo de reacción. De esta forma se obtienen microcápsulas con un perfil de liberación gradual y sostenido, en la que la sustancia activa se libera a lo largo del tiempo mediante difusión a través de la cubierta porosa.

• Evaporación del disolvente o deposición polimérica. Este método está basado en el fenómeno de separación de fases y se utiliza habitualmente en emulsiones O/W. La fase orgánica consiste en una mezcla del polímero que más tarde formará la cubierta, un disol-vente volátil y otro no volátil. A medida que el disolvente volátil se evapora, el polímero precipita en la superficie de la sustancia activa atrapándola en su interior y dando lugar a las microcápsulas.

En función de la aplicación, se puede seleccionar el mecanismo mas adecuado para la liberación del material encapsulado. El tipo de liberación más brusca consiste en la ruptura de la cubierta de la microcápsula al aplicar una fuerza. Para ello es necesario que la pared de la cápsula sea frágil, como es el caso de la liberación de aromas. La fuerza necesaria para la ruptura de la pared de la cápsula está determinada por el material que forma la pared así como por el espesor de la misma, y ambos parámetros se pueden controlar durante el proceso de microencapsulación.

Otro método de liberación consiste en la disolución del recubrimiento de la microcápsula en el medio. Esto puede suceder tanto por fusión, acción de un disolvente, ataque enzimático, hidrólisis, desintegración lenta o por reacción química o fotoquímica.

Tanto la ruptura como la disolución de la cubierta son sistemas de liberación inmediata del agente microencapsulado. Si por el contrario, se desea obtener una liberación gradual y sostenida del mismo, en la que la fase interna se libere a lo largo del tiempo, el mecanismo de difu-sión a través de una cubierta porosa es la mejor opción. El ingrediente encapsulado se difundirá lentamente a través de la cubierta. La velocidad de difusión está controlada por la permeabilidad de la misma, así como por el tamaño y forma de la sustancia encapsulada.

Otra alternativa para la liberación sostenida a lo largo del tiempo es el empleo de recubrimien-tos capaces de cambiar su morfología ante ciertos estímulos, tales como cambios de pH, fuer-za iónica, luz y temperatura. En este caso, el control sobre el perfil de liberación se puede llevar a cabo modificando las condiciones del medio.

Posibles aplicaciones en la industria del calzado de las microcápsulas

La posibilidad de microencapsular sustancias para su incorporación en los diferentes componentes del zapato con el objetivo de obtener nuevas líneas de calzado funcionarizado, calzado activo o calzado biodegradable, etc..., abre un nuevo abanico de posibilidades para la industria del calzado aportando soluciones innovadoras. En los últimos años, INESCOP está trabajando para introducir esta tecnología y sus distintas aplicaciones en la industria del calzado.

• Cosméticas: La incorporación de microcápsulas que contengan aceites esenciales, aromas y agentes hidratantes o desodorantes en diversas partes del zapato, como son las plantillas y forros, facilitaría la liberación de dichos cosméticos de forma gradual para el cuidado del pie.
• Sanitarias: En la misma línea que la anterior se encuentra la microencapsulación de sustancias bactericidas, fungicidas y antimicrobianas que incorporados al zapato contribuirían a evitar infecciones y a mejorar la salud del pie.
• Termorregulación: Existen sustancias que debido a sus características son capaces de actuar como reguladores de la temperatura de forma reversible. De este modo en condiciones de bajas temperaturas externas actuarían cediendo calor al pie, y en el caso de altas temperaturas exteriores absorberían calor de forma que actuarían amortiguando el efecto del clima en el pie. La selección de la sustancia capaz de regular la temperatura del pie para microencapsular va a determinar el rango de temperaturas de aplicación de ese calzado, lo que podría ser de interés por ejemplo en botas de ski o de montaña, guantes, etc.
• Calzado de seguridad: La microencapsulación de indicadores para su incorporación a los materiales que conforman el calzado de seguridad permitiría controlar el deterioro de los materiales que constituyen el calzado de seguridad. Del mismo modo esta aplicación puede extenderse a otros campos en los que sea necesario conocer el fin de la vida útil del producto. En esos casos la microcápsula liberaría el agente indicador (coloreado, por ejemplo) que daría a conocer la necesidad de sustituir ese artículo por otro nuevo.
• Biodegradabilidad: La posibilidad de microencapsular enzimas o bacterias para ser liberadas en el momento adecuado, contribuyendo a la biodegradación del calzado al final de su vida útil.
• Manejabilidad de sustancias tóxicas: La microencapsulación de sustancias nocivas para la salud cuya manipulación se vería simplificada al quedar aisladas del exterior por el recubrimiento de la microcápsula. También ayuda a la simplificación de algunos procesos de fabricación al permitir el manejo de líquidos como si se tratase de sólidos.

Con esta nueva tecnología INESCOP entra de lleno en el campo de los materiales "inteligentes". Hasta ahora el zapato es un agente pasivo, pero en un futuro próximo podría pasar a tener un papel activo en la salud y cuidado del pie. Además, la tendencia actual es a incrementar el uso de estos materiales “inteligentes”, lo que permite pensar que los mercados potenciales para estas nuevas aplicaciones son numerosos. El calzado está en contacto con nuestro cuerpo unas 16 horas del día, por lo que no está de más pensar en aprovechar esta situación para ampliar su función de protección o meramente estética hacia otras posibilidades más funcionales.