Estudio básico y aplicado de polímeros elastómeros mediante la Técnica de Resonancia Magnética Nuclear (RMN)

Los polímeros son materiales que poseen una variedad muy grande de aplicaciones. Por esta razón, el estudio de sus propiedades físicas y químicas resulta de gran interés. Un polímero es una macromolécula cuyo peso molecular puede llegar a varios millones de umas. Mediante la selección de el o los monómeros y de su secuenciamiento en el proceso de polimerización (microestructura del polímero), se puede lograr que el material tenga propiedades predeterminadas. Es posible, entonces, encontrar o desarrollar polímeros para las más variadas aplicaciones: elásticos, rígidos, resistentes a la temperatura, conductores, aisladores, inertes, etc. (...) La Resonancia Magnética Nuclear (RMN) de alta resolución es una de las técnicas más poderosas para la caracterización de los polímeros, brindando información sobre la microestructura y la dinámica de estas macromoléculas, tanto cuando se encuentran en estado sólido como cuando están disueltas en soluciones líquidas. El entendimiento de la microestructura de un polímero es de interés porque ella está íntimamente relacionada con las propiedades macroscópicas del material. Por otra parte, la microestructura de un polímero depende del proceso de polimerización utilizado y en consecuencia, es posible obtener información sobre los mecanismos de reacción química que ocurren durante su síntesis, dentro de los reactores de polimerización. NMR permite, también, obtener información detallada sobre la dinámica de los polímeros. La gran longitud de los polímeros hace que su dinámica molecular sea sumamente compleja. Sin embargo, mediante el empleo de secuencias de pulsos particulares y mediciones de los tiempos de relajación característicos de los espines nucleares, se obtiene información sobre la dinámica de la macromolécula, de los segmentos que la componen y de los grupos colgantes que pueda poseer. Objetivos Generales y Específicos El trabajo a realizar en el período correspondiente al subsidio solicitado, es la continuación de las investigaciones comenzadas en septiembre de 1995. Se avanzará en el entendimiento de los elastómeros que se están estudiando actualmente. El estudio abarca los elastómeros sin tratamientos térmicos y con tratamientos térmicos (vulcanizados).

Investigación básica y aplicada, y desarrollos empleando la Resonancia Magnética Nuclear

La Resonancia Magnética Nuclear (RMN) es una técnica experimental de gran utilidad y de amplia aplicación a un variado campo de investigación multidisciplinario. En particular la RMN en sólidos requiere de la disponibilidad de un complejo equipamiento que contempla sofisticados accesorios experimentales. Sin embargo, se compensa el gasto que involucra la compra de equipamiento con el amplio número de usuarios del mismo. Este PIT refleja la necesidad de un equipo permanente que tienen los distintos investigadores que forman parte de este proyecto. Las tareas de investigación se desarrollarán en el Laboratorio de Investigación y Servicios de Resonancia Magnética Nuclear (LANAIS de RMN) de la Facultad de Matemática, Astronomía y Física (FAMAF) de la UNC. La adquisición del equipamiento permanente solicitado es de fundamental importancia para la concreción de los planes de investigación como también a la formación de recursos humanos a nivel de doctorado en Física. El Objetivo General de este PIT es el de contribuir de una forma centralizada al mantenimiento del equipamiento con que cuenta este LANAIS de RMN, a incorporar mejoras que sean necesarias y a adquirir accesorios que incrementen sus posibilidades, que sean de uso y utilidad general a los proyectos antes mencionados y que permitan realizar nuevos experimentos, no factibles actualmente. El Objetivo Específico a lograr en estos tres años es el de incorporar y desarrollar la capacidad de realizar estudios de alta resolución de líquidos, debiéndose adquirir un cabezal de banda ancha que cubra el rango de frecuencias desde Ag-109 hasta P-31 (15-120 MHz), para portamuestras de 10 mm de diámetro y con capacidad para variar la temperatura alrededor de la temperatura ambiente. Este cabezal tiene uso inmediato en los siguientes proyectos: * Estudio de polimorfismos y estructuración del agua en polímeros. * Propiedades estructurales y dinámicas de organizaciones supramoleculares de interés biológico. * Estudios por Resonancia Magnética Nuclear. * Utilización de Resonancia Magnética Nuclear de sólidos en el campo farmacéutico.

Estudios sobre mecanismos de acción de hormonas tiroideas: Participación del receptor nuclear

Objetivo General: El objetivo general del plan de trabajo propuesto es aclarar algunos aspectos de los mecanismos que intervienen en la regulación de la acción de las hormonas tiroideas a nivel celular. Debido al papel determinante del receptor nuclear de T3 en la acción de la hormona, se pondrá especial énfasis en la correlación entre cambios a nivel del receptor y su repercusión en la expresión de efectos metabólicos tisulares específicos de la hormona. Se espera que los resultados a obtener aporten información sobre el efecto potencial que diversos factores puedan ejercer sobre el funcionalismo tiroideo. Objetivos Específicos: Tema 1: Estudiar el efecto de dos factores de crecimiento (GH e IGH-I) sobre la expresión de efectos metabólicos tisulares específicos de la hormona tiroidea (actividad de dos enzimas hepáticas dependientes de la T3: alfa-GPD y EM). En tales cirscunstancias, estudiar las posibles modificaciones operadas sobre el receptor nuclear de T3 mediante la evaluación de la expresión del gen (niveles de mRNA), capacidad máxima de unión de T3, afinidad, etc. El interés del estudio de los efectos de estos factores de crecimiento sobre el funcionalismo tiroideo, se debe a la reciente introducción de GH e IGF-I obtenidos por técnicas recombinantes, en el uso clínico para el tratamiento de alteraciones en el crecimiento y desarrollo en endocrinología pediátrica. Tema 2: Investigar la posible regulación por TSH de la expresión de los genes que codifican a los receptores de T3 y de la actividad funcional (capacidad máxima de unión de T3 y constante afinidad) de los mismos en el tejido tiroideo. Se estudiará además el efecto de T3 sobre la biosíntesis de hormonas tiroideas. El conocimiento de los mecanismos involucrados en la regulación de la expresión de los receptores a T3, así como los efectos de T3 sobre su propia biosíntesis permitirá interpretar los mecanismos involucrados en la autorregulación de la glándula tiroides, así como también esclarecer la fisiopatología de algunas de sus enfermedades.

Aplicación de la Resonancia Magnética Nuclear al estudio de sólidos moleculares

La Resonancia Magnética Nuclear (RMN) y la Resonancia Cuadrupolar Nuclear (RCN) son técnicas sumamente útiles para el estudio microscópico de diversas propiedades estructurales y dinámicas en sólidos. Nuestro grupo de investigación posee una amplia experiencia en la aplicación de ambas técnicas para la caracterización de cristales moleculares. Sin embargo, la limitada infraestructura existente en el área de la RMN ha hecho que esta importante técnica no fuera utilizada en toda su potencialidad. Objetivos generales y específicos El Objetivo de este plan de trabajo es optimizar la infraestructura experimental con el propósito de utilizar esta técnica en los diversos proyectos de la Física del Sólido que se desarrolla en nuestro grupo de trabajo. En particular, se aplicará el estudio de compuestos pertenecientes a la familia de los bifenilos clorados analizando cómo afectan las interacciones intermoleculares a la conformación de la molécula llegando a originar, en algunos casos, la aparición de transiciones de fase a estructuras desordenadas o parcialmente desordenadas evidenciadas en cambios estructurales y dinámicos de la molécula. También se planifica estudiar cómo perturbaciones a las interacciones intermoleculares modifican las características de las transiciones a estas estructuras parcialmente desordenadas. Se espera desarrollar una infraestructura experimental que permita el desarrollo de nuevas líneas de investigación, muchas de las cuales se realizan de manera precaria con el instrumental existente. (...) El objetivo de este proyecto es desarrollar la infraestructura experimental del grupo de investigación de manera tal de aplicar la técnica de RMN al estudio de las propiedades estructurales y dinámicas de los sólidos moleculares que presentan un cierto grado de desorden estructural. Es por ello que se planean como objetivos específicos: a) Puesta en funcionamiento del espectrómetro de RMN donado por la Facultad de Farmacia y Bioquímica de la Universidad de Buenos Aires. (...) b) Aplicación de la técnica de RMN para el estudio de cristales moleculares pertenecientes a la familia de los bifenilos clorados.

Resonancia Magnética Nuclear en aleaciones moleculares y sistemas heterogéneos

La Resonancia Cuadrupolar Nuclear ha tratado desde siempre de resolver uno de los problemas de la Física del Sólido que es el estudio de cristales impuros, en particular, la naturaleza y concentración de moléculas de impurezas en cristales moleculares. Estos estudios han presentado problemas relacionados con los diagramas de estado de las soluciones sólidas y las condiciones asociadas al enfriamiento ya que se encontraban una variedad de soluciones con concentraciones diferentes a las del "melt". Las aleaciones de compuestos moleculares A(x)B(1-x) son materiales cuya originalidad y riqueza están en que variando la composición, la temperatura de fusión puede ser ajustada a condiciones óptimas de trabajo. Estas propiedades los convierte en tecnológicamente atractivos, particularmente como almacenadores de energía y protectores térmicos. Para comprender el proceso de formación de una aleación molecular es de fundamental importancia el conocimiento de las estructuras, las diferentes fases termodinámicas y la estabilidad de las mismas. (...) Los objetivos más inmediatos del estudio de las aleaciones por RCN son: a) Determinar la naturaleza física de las interacciones que se manifiestan en los espectros de RCN. b) Determinar las leyes estadísticas que describen la distribución de moléculas de "impurezas sustitucionales" en el cristal de la aleación. c) Determinar la influencia de factores de simetría en el espectro de RCN de las aleaciones. Por otra parte, dado lo laborioso y complejo de la determinación de los diagramas de fase y estabilidad de las mismas, se utilizan los métodos de la Mecánica Estadística para calcular los diagramas de fase de las aleaciones moleculares. Las simulaciones Montecarlo de hamiltonianos tipo Ising utilizadas para modelar estas aleaciones binarias permitirán además comprobar la validez de los potenciales transferibles átomo-átomo en los bencenos sustituidos al utilizarlos éstos para calcular las constantes de acoplamiento Jij.

Optimización del método de determinación de distribución de tamaño de poros de diversas muestras, usando Resonancia Magnética Nuclear

La utilización de la Resonancia Magnética Nuclear (RMN) como técnica para la caracterización de propiedades físicas de diversos medios es algo bien conocido. Basta mencionar las imágenes de RMN utilizadas en medicina, determinación del campo de velocidades en el flujo de: fluidos en tuberías o de sangre en seres vivos. La caracterización de medios porosos por medio de RMN es un tema que está recibiendo suma atención por su importancia en el área de explotación petrolera. La idea básica consiste en rellenar un medio poroso (sustrato) con algún fluido, usualmente agua o benceno y determinar: la determinación de temperaturas de fusión y temperaturas de solidificación y distribución de constantes de difusión. Estas determinaciones se realizan midiendo los tiempos de relajación y forma de línea de la señal de RMN correspondiente a los núcleos de 1H del fluido utilizado. Las distribuciones obtenidas permiten obtener, en forma indirecta, información acerca de la distribución de tamaño de los poros que alojan al fluido. Sin embargo, los modelos que permiten vincular lo que se mide con la distribución de tamaño de poros, aún no está bien establecida debida a la complejidad y diversidad de los fenómenos involucrados en la interfase fluido-sustrato. Objetivos generales y específicos El objetivo general del presente trabajo es comparar la distribución de tamaño de poros obtenidas por medio de RMN partiendo de muestras con distribución de tamaño de poros caracterizados por microscopía. El fin de esta comparación es optimizar los modelos que vinculan datos de RMN con las distribuciones de tamaños de poros. Los objetivos específicos son: 1- Construcción de muestras y caracterización de tamaño de poros por medio de microscopía. 2- Puesta a punto de un control de temperaturas para termalizar muestras en el equipo de RMN con que cuenta el laboratorio donde se desarrollará el proyecto. 3- Medición de tiempos de relajación y de forma de línea en función de la temperatura, (en un entorno del punto de fusión) en las muestras mencionadas en el objetivo específico 1. 4- Análisis de los modelos existentes que permiten obtener la distribución de tamaño de poros por medio de RMN.

Estados de cuasi-equilibrio dipolar en fluidos complejos estudiados por relajación y decoherencia en Resonancia Magnética Nuclear

La dinámica molecular colectiva de los cristales líquidos (CL) juega un papel preponderante en la respuesta de estos sistemas ante la aplicación de campos eléctricos y magnéticos externos, por lo que el estudio básico de la dinámica molecular, particularmente de los movimientos correlacionados, es indispensable para el diseño de aplicaciones tecnológicas basadas en CL. Por otra parte, se reconoce que la dinámica molecular colectiva distintiva de las fases ordenadas de fluidos complejos es además una propiedad que controla procesos clave en diversidad de materiales biológicos (funcionalidad y propiedades viscoelásticas de membranas, resistencia al almacenamiento de semillas y alimentos, temperatura de transición vítrea de compuestos de almidón, estabilidad de fases lamelares, etc.). Al presente, la relación entre estos conceptos reclama exhaustivos análisis y técnicas adecuadas para estudiar los movimientos microscópicos en distintas escalas temporales. En este Proyecto de investigación básica proponemos desarrollar y optimizar un conjunto de técnicas de RMN selectivamente aptas para el estudio de la dinámica lenta característica de las fases parcialmente ordenadas, por lo que tendrían aplicación directa en sistemas de interés biológico y tecnológico. Mediante diversas secuencias de pulsos en experimentos de RMN, es posible preparar estados cuánticos de “orden dipolar” en el sistema de espines nucleares, tanto en muestras en fase sólida como en CL. Tales estados de orden, están caracterizados por "cuasi-invariantes" que son observables de espin que relajan lentamente, intercambiando energía con la red que hace las veces de reservorio térmico. En síntesis, una vez creado el orden y establecido el estado de cuasi-equilibrio de cada cuasi-invariante, el sistema se comporta como un sistema termodinámico en contacto térmico con una red. De hecho, con todo rigor, se puede caracterizar el grado de orden por una "temperatura de espin". Además hay evidencia que los cuasi-invariantes dipolares reflejan sensible y selectivamente los movimientos moleculares correlacionados (a diferencia del cuasiinvariante Zeeman o magnetización nuclear). El aspecto distintivo de nuestra propuesta con respecto al estado actual del conocimiento, radica en la provisión de un nuevo parámetro de relajación de protones en cristales líquidos, para lo cual enfocamos las tareas hacia la caracterización de estos cuasiinvariantes, al diseño de técnicas de medición de sus tiempos de relajación y al desarrollo de la teoría que relaciona a éstos con la dinámica molecular. El esquema de trabajo se basa en reconocer que los eventos relevantes en los experimentos de creación-relajación de cuasi-invariantes dipolares ocurren en dos escalas de tiempo: la escala microscópica asociada con la decoherencia de los estados cuánticos y la escala macroscópica en la que se observa la relajación espín-reservorio. Proponemos como hipótesis general que los procesos que gobiernan la decoherencia, determinan también la relajación espin-red. Proponemos un enfoque innovador dentro del campo general de relajación de espin nuclear por RMN: considerar al sistema de espines nucleares como un sistema cuántico abierto multi-spin interactuando con un sistema (también cuántico) no observado. Para incorporar el detalle de la dinámica en escala microscópica en la descripción de la relajación es necesario el estudio experimental de los fenómenos que gobiernan la decoherencia y la relajación. Los resultados esperados en cada uno de esos grupos se interrelacionan, ya que la caracterización de los observables dipolares es un paso indispensable para explotar la potencialidad de la relajación del orden dipolar en presencia de movimientos moleculares correlacionados.

Resonancia Magnética Nuclear aplicada al estudio de nuevos sistemas farmacéuticos y biológicos, complejos poliméricos y conjuntos de espines modelo. Nuclear Magnetic Resonance applied to the study of new pharmaceutical and biological systems, polymeric complexes and model spin clusters.

El presente proyecto plantea utilizar integralmente la técnica de Resonancia Magnética Nuclear en sólidos como un medio experimental que permite entender fenómenos de la física fundamental, como así también realizar aplicaciones de interés en el campo de la química, los desarrollos farmacéuticos y la biología. Novedosas técnicas experimentales serán empleadas, en conjunción con otras más tradicionales, en la caracterización de nuevas estructuras poliméricas acomplejadas a metales, membranas biológicas y compuestos de interés farmacéutico en vías de desarrollo, los cuales presentan el fenómeno de polimorfismo . Esto se llevará a cabo complementando los resultados de RMN en sólidos con técnicas tanto espectroscópicas como analíticas (Infrarrojo, Difracción de Rayos X, Calorimetría, RMN en solución) y trabajo interdisciplinario. Paralelamente al desarrollo de estos temas, profundizaremos mediante investigación básica, en la compresión de la dinámica cuántica y el surgimiento de la irreversibilidad en sistemas de espines nucleares. Observaremos en particular la generación, evolución y control de las coherencias cuánticas múltiples en sistemas cuánticos abiertos, lo cual nos da información sobre tamaño de clusters de espines. Esto permitirá la correcta implementación de secuencias de pulsos sofisticadas, como así también desarrollar nuevos métodos de medición aplicados a la caracterización estructural y a la dinámica molecular de sólidos complejos. Debemos resaltar que este proyecto está conectado con aspectos tanto básicos como aplicados de la RMN en sólidos como técnica experimental, la cual se desarrolla en el país únicamente en FaMAF-UNC. Se nutre además de trabajo multidisciplinario promoviendo la colaboración con investigadores y becarios de distintas áreas (física, química, farmacia, biología) provenientes de distintos puntos del país. Finalmente podemos afirmar que este plan impulsa la aplicación de la física básica proyectada a diferentes áreas del conocimiento, en el ámbito de la provincia de Córdoba. The aim of the present proyect is to use Nuclear Magnetic Resonance (NMR) as a complete techique that allows the understanding of fundamental physics phenomena and, at the same time, it leads to important applications in the fields of chemistry, pharmaceutical developments and biology. New experiments will be used together with traditional ones, in the characterization of new metal-polymer complexes, biological membranes and pharmaceutical compounds, some of them presenting polymorfism. NMR experiments will be complemented with diverse spectroscopic and analytical techniques: Infrared, X ray Diffraction, Thermal Analysis, solution NMR, as well as multidisciplinary investigation. Additionally, the present proyect plans to study in depth several aspects of quantum dynamics phenomena and decoherence in nuclear spin systems. The present proyect is connected with basic and applied aspects of the solid state NMR technique, developed in our country, only at FaMAF-UNC. It is is composed by multidisciplinary work and it promotes the collaboration with researchers and students coming from different fields (physics, chemistry, pharmaceutical developments, biology) and different points of our country.