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Estudio del comportamiento biofısicode pelıculas interfaciales de
surfactante pulmonar sometidas aciclos de compresion expansion.
Angela Johana Riano Rivera
Universidad Distrital Francisco Jose De Caldas
Facultad de ciencias y educacion, Licenciatura en fısica
Bogota, Colombia
2016
Estudio de caracterısticastermodinamicas de isotermas de
compresion-expansion de pelıculasinterfaciales del sistema surfactante
pulmonar
Angela Johana Riano Rivera
Informe de pasantıa presentada como requisito parcial para optar al tıtulo de:
Licenciada en Fısica
Director(a):
Olga Lucia Ospina Ramirez Ph.D
Jose Manuel Florez Perez Ph.D
Lınea de Investigacion:
Caracterizacion de pelıculas interfaciales (surfactante pulmonar)
Grupo de Investigacion:
Grupo de biofısica y bioquımica estructural PUJ
Universidad Distrital Francisco Jose de Caldas
Facultad de ciencias y educacion, Licenciatura en fısica
Bogota, Colombia
2016
Agradecimientos
Agradezco cordialmente a lo superior por darme la oportunidad de adentrarme en la mıstica
y en la ciencia que conlleva el gran misterio de la vida, desde el primer halito de vida, la
respiracion. Soy sensible al prestamo que me ha dado el universo con su energıa, pudiendo
transformarla en trabajo y disciplina que permitio consumar este trabajo de investigacion,
un nuevo ciclo de vida que trasciende tiempo y espacio.
Agradezco a cada una de las personas que estuvieron brindandome sus conocimientos, sabe-
res y animo; tambien a aquellos que presenciaron mi ausencia y que aun ası, me brindaron
las fuerzas para continuar mi camino. Apremio la labor de mis primeros docentes, mis pa-
dres, que han brindado su esfuerzo y apoyo incondicional en mi formacion como persona
independiente.
Doy las gracias a la profesora Olga Lucia Ospina Ramirez por su paciencia, por promover
la investigacion en el ambito de la Biofısica, por compartir su espacio y tiempo en este
proyecto que cada vez da nuevos frutos. No olvido el apoyo brindado por los docentes de la
Universidad Distrital que han entregado su vida al cambio desde la accion docente.
iv
Resumen
El estudio de los fenomenos interfaciales ha adquirido una importancia interdiciplinar, como
es el caso del estudio y analisis biofısico de pelıculas interfaciales de surfactante pulmonar.
Esta sustancia es un agente tensioactivo, localizado en los pulmones de todos los mamıferos
en la parte distal del arbol bronquial, denominados sacos alveolares, los cuales juegan un
papel de vital importancia durante la respiracion, tanto en la defensa inmune del pulmon,
como en el intercambio gaseoso, regulado por el entramado tisular y las fuerzas interfaciales.
Estas fuerzas reducen la tension superficial estabilizando la interfase aire-lıquido alveolar
durante el ciclo respiratorio, permitiendo una adaptacion de los alveolos y de esa manera
evita el colapso pulmonar.
La ausencia de surfactante pulmonar en los recien nacidos es conocida clınicamente como el
Sındrome de Dificultad Respiratoria Infantil (SDRI). Esta afeccion es la principal causa de
muerte de los bebes prematuros, ya que el pulmon tiene que realizar un mayor trabajo para
conservar el equilibrio respiratorio. El tratamiento de esta enfermedad esta dado por la admi-
nistracion de preparaciones de surfactantes exogenos procedentes de origen animal o mezclas
con suplementos artificiales. Por ello se hace importante el estudio y analisis del comporta-
miento de pelıculas de surfactante pulmonar a traves de la balanza de Langmuir, que permite
hacer un acercamiento in vitro del estudio de las caracterısticas biofısicas de actividad inter-
facial de pelıculas de surfactante pulmonar sometidas a procesos de compresion-expansion.
Estos ciclos isotermicos, permiten evaluar la relacion entre la presion superficial (π) en fun-
cion del area superficial (A), temperatura (T ), masa (m) y velocidad de compresion (v).
La evaluacion de los ciclos se realiza a partir del estudio de la histeresis al momento de com-
presion-expansion de una pelıcula de surfactante pulmonar. Este analisis permite un soporte
a la hipotesis de que a menor masa de SP (10µg), se requiere un mayor costo energetico
debido la necesidad de un mayor porcentaje de compresion de la pelıcula interfacial, puesto
que no se alcanza a llegar a valores de presion superficial cercanos a ±72mN/m, siendo los
valor de presion alcanzados de ±45mN/m para un trabajo interfacial de 22, 4x10−6J y un
porcentaje de compresion de 90 %.
Este trabajo proporciona las bases biofısicas de la caracterizacion in vitro de pelıculas inter-
faciales de surfactante pulmonar de origen porcino obtenido en Colombia.
Palabras clave: fenomenos interfaciales, surfactante pulmonar, tensioactivo, tension
superficial, ciclos isotermicos, presion superficial, histeresis.
Contenido
Agradecimientos III
Resumen IV
Lista de figuras VII
Lista de tablas IX
Lista de sımbolos X
1. Introduccion 1
1.1. Sistema pulmonar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2. Surfactante pulmonar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2.1. Mecanismo de sıntesis del surfactante pulmonar . . . . . . . . . . . . 5
1.2.2. Composicion del surfactante pulmonar . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2.3. Funcion del surfactante pulmonar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.3. Fenomenos superficiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3.1. Tension superficial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.3.2. Presion superficial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.4. Ciclos isotermicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.4.1. Fases moleculares en la subfase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.4.2. Histeresis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2. Objetivos 24
2.1. OBJETIVO GENERAL: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3. Materiales y Metodos 25
3.1. Materiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.1.1. Materiales de origen sintetico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.1.2. Surfactante Pulmonar de origen Porcino . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.2. Metodo de obtencion del material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.2.1. Lavado bronco-alveolar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.2.2. Extraccion y purificacion del surfactante pulmonar . . . . . . . . . . 26
3.2.3. Cuantificacion de fosfolıpidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
vi Contenido
3.3. Metodo de obtencion y analisis de datos de isotermas . . . . . . . . . . . . . 28
3.3.1. Balanza de Langmuir . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.3.2. Analisis de Datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
4. Resultados 30
4.1. Valoracion de fosfolıpido de surfactante pulmonar . . . . . . . . . . . . . . . 30
4.2. Ciclos isotermicos de compresion-expansion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
5. Discusion de resultados 42
6. Conclusiones y recomendaciones 49
6.1. Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
6.2. Recomendaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
A. Anexo: Codigo de las graficas de ciclos isotermicos 51
B. Programacion Analisis de datos de las isotermas 53
Bibliografıa 54
Lista de Figuras
1-1. Esquema de los sacos alveolares, en donde se representa el intercambio gaseoso,
ası como sus principales estructuras. Tomado de [Gil, 2010] . . . . . . . . . . 1
1-2. . Estructura ramificada del arbol bronquial de los pulmones y alveolos agru-
pados formando los sacos alveolares. Esquema tomado de [la Serna, 2006] . . 3
1-3. Esquema representativo de la ubicacion del surfactante pulmonar. Los neumo-
citos tipo II sintetizan el surfactante pulmonar, que es una mezcla lipoproteica
almacenada en los cuerpos lamelares (CL) y secretada a la hipofase acuosa en
forma de agregados y mielina tubular que se adsorbe en la interfase aire-lıquido
alveolar. Esquema tomado de [Ospina, 2011] . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1-4. Distribucion de porcentaje en masa de los componentes del surfactante pul-
monar. Esquema tomado de [Ospina, 2011] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1-5. Esquema representativo de la estructura basica de los fosfolıpidos identificando
las regiones hidrofılica e hidrofobica de cada uno. Tomado de [Ospina, 2011] 7
1-6. (A) Modelo de interfaz bidimensional. (B) Interfase donde ocurre una tran-
sicion continua de las coordenadas extensivas, donde δ hace referencia a la
densidad de la interfase. Modelo Tomado de [Rabockal, 1997] . . . . . . . . 10
1-7. Esquema de las fuerzas de atraccion en el interior del lıquido A; y de las
partıculas en la interfase aire-lıquido B. Tomado de [Picardi, 2014] . . . . . . 10
1-8. El esquema representa el cambio de volumen comprendido entre dos fases,
teniendo en cuenta una superficie de separacion inicial y final. . . . . . . . . 14
1-9. Segun la ley de Laplace, dos alveolos esfericos de diferente radio, R1 y R2 , con
la misma γ y que estan interconectados, no pueden coexistir en equilibrio a
una presion determinada. La presion P1, en el alveolo de radio menor, tiende a
colapsarlo en el alveolo de radio mayor. El SP disminuye la tension superficial
de acuerdo con el tamano del alveolo, estabilizando la interfase contra las
fuerzas que tienden a su colapso. Tomado de [Ospina, 2011]. . . . . . . . . . 15
1-10.Sistema basico de la balanza de Langmuir. 1) Base, 2) Barreras, 3) Tina de
teflon, 4) sensor de presion de superficie, 5) Inmersor mecanico, 6) Unidad de
interfaz. Tomado del manual KSV NIMA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1-11.Diagrama de la bandera. Tomado de [la Serna, 2006] . . . . . . . . . . . . . 17
1-12.Se observa una grafica de una isoterma de compresion de una monocapa de
DPPC a 250C con las indicaciones de los estados dimensionales. . . . . . . . 20
viii Lista de Figuras
1-13.A la izquierda se observa un ciclo isotermico (γ − A) a una temperatura de
250C, una masa de 25µg y una velocidad de compresion 25cm2/min con una
marcada histeresis. A la derecha se observa un ciclo isotermico de (π−A) con
las mismas condiciones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3-1. Esquema del gradiente de densidad discontinuo. a. Comparacion de los gra-
dientes de densidad de Bromuro de sodio. b. Fraccion de surfactante obtenida.
Tomado de [Angela Alvarez, 2014] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3-2. Esquema general de funcionamiento del espectrofotometro. Tomado de [An-
gela Alvarez, 2014] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3-3. A la izquierda se presenta la balanza de Langmuir del laboratorio de Biofısica
de la Universidad Javeriana, PUJ; empleada para la obtencion de datos de
ciclos isotermicos de compresion-expansion como se observa al lado derecho. 29
4-1. Grafica de la absorbancia en funcion de la cantidad de moles de fosfato. Donde
p0 hace referencia al punto de corte y p1 la pendiente de la recta. . . . . . . 30
4-2. La grafica muestra los diez ciclos consecutivos de compresion-expansion a
250C, 25µg y 25cm2/min; donde solamente se remarcan los ciclos 1, 5 y 10. . 33
4-3. Ciclos isotermicos de compresion-expansion de SP a 25oC en funcion de la
cantidad de materia m; 10µg, 25µg y 50µg ubicado en las columnas y la
velocidad de compresion v 25cm2/min, 47cm2/min y 65cm2/min ubicado en
las filas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
4-4. Ciclos isotermicos de compresion-expansion de SP a 37oCen funcion de la
cantidad de materia m; 10µg, 25µg y 50µg ubicado en las columnas y la
velocidad de compresion v 25cm2/min, 47cm2/min y 65cm2/min ubicado en
las filas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4-5. Area de histeresis para los respectivos ciclos de compresion-expansion a 25oC,
una masa de (25µg) y una razon de cambio de area de 25cm2/min. En color
gris se observa la histeresis del ciclo 1, en rosado el ciclo 5 y en verde el ciclo
10. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
5-1. Ciclos 1 y 10 (π−A) a 25oC, detallados por color segun su masa y graficados
para las tres velocidades de compresion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
5-2. Ciclos 1 y 10 (π−A) a 37oC, detallados por color segun su masa y graficados
para las tres velocidades de compresion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
5-3. Pendientes de compresion-expansion del primer ciclo isotermico para una masa
de 25µg, una velocidad de compresion de 65cm2/min para una temperatura
de 25oC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
5-4. Pendientes de compresion-expansion del primer ciclo isotermico para una masa
de 25µg, una velocidad de compresion de 65cm2/min para una temperatura
de 37oC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
Lista de Tablas
4-1. Valores de la cuantificacion de fosfolıpidos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
4-2. Valores de absorbancia cantidad de moles de fosfato y concentracion para las
muestras de surfactante pulmonar, para un volumen de 10µl 1/10 la muestra
SP1 y 1/20 la muestra SP2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4-3. Valores calculados para el trabajo de compresion-expansion, representado por
el area de histeresis para los ciclos 1, 5 y 10; considerando la cantidad de SP
(m) y la velocidad de compresion (v) a una temperatura de 250C . . . . . . . 39
4-4. Valores calculados para el trabajo de compresion-expansion, representado por
el area de histeresis para los ciclos 1, 5 y 10; considerando la cantidad de SP
(m) y la velocidad de compresion (v) a una temperatura de 370C. . . . . . . 41
5-1. Valores de presion superficial maxima (πmax), y el area relativa de compresion
para alcanzar dicho valor (A%), para el primer y decimo ciclo de compresion-
expansion de las isotermas (π − A) a temperatura de 25OC en funcion de la
masa m y la velocidad de compresion v. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
5-2. Valores de presion superficial maxima (πmax), y el area relativa de compresion
para alcanzar dicho valor (A%), para el primer y decimo ciclo de compresion-
expansion de las isotermas (π − A) a temperatura de 37oC en funcion de la
masa m y la velocidad de compresion v. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
Lista de sımbolos
Sımbolos con letras latinas
Sımbolo Termino Unidad SI Definicion
A Area m2∫ ∫
dxdy
c Concentracion de la cantidad de materia mgml
mV
solutosolucion
m Masa kg DF
n Cantidad de materia mol DF
P Presion Pa~F ·~nA
Q Calor kJ 1. LT
T Temperatura K DF
t Tiempo s DF
V Volumen m3∫dr3
Sımbolos con letras griegas
Sımbolo Termino Unidad SI
γ Tension Superficial Nm
θ Angulo de inclinacion 1
π Presion Superficial Nm
Lista de Tablas xi
Abreviaturas
Abreviatura Termino
NaBr Bromuro de sodio
NaCl Cloruro de sodio
CO2 Dioxido de Carbono
DPPC Dipalmitolilfosfatidilcolina
LBA Lavado Bronco Alveolar
O2 Oxigeno
SDRI Sındrome de Dificultad Respiratoria Infantil
SN Surfactante Nativo (Porcino)
SP − A Proteına A del Surfactante pulmonar
SP −B Proteına B del Surfactante pulmonar
SP − C Proteına C del Surfactante pulmonar
SP −D Proteına D del Surfactante pulmonar
1. Introduccion
Los mamıferos se caracterizan por realizar un proceso respiratorio a traves de los pulmones,
los cuales presentan en su interior unas estructuras denominados sacos alveolares (ver figura
1-1), en donde se realizan dos funciones principales como son la absorcion de oxigeno (O2)
y la eliminacion del dioxido de carbono (CO2) del cuerpo [W.F., 1993]. Esta funcion se
lleva a cabo en una zona interfacial aire-lıquido que tiene un papel primordial para el recien
nacido en su primera respiracion, en donde el O2 que proviene inicialmente de la placenta,
debe ser absorbido del aire inspirado. Este cambio es equilibrado por la presencia de una
sustancia denominada surfactante pulmonar (SP). La ausencia y/o inactivacion de SP en el
neonato referencia sıntomas de dificultad respiratoria, la cual esta relacionada con patologıas
como; el Sındrome de Dificultad Respiratoria Infantil (SDRI) y el Sındrome de Aspiracion
de Meconio (MAS) principalmente; lo cual da lugar a una elevada tension superficial en la
interfase pulmonar implicando un colapso alveolar. La ausencia y/o inactivacion puede ser
debido a la inmaduracion del pulmon, por falta de las celulas epiteliales que producen el SP
o por la presencia de residuos al momento del parto.
Figura 1-1.: Esquema de los sacos alveolares, en donde se representa el intercambio gaseoso,
ası como sus principales estructuras. Tomado de [Gil, 2010]
2 1 Introduccion
Diversos estudios del surfactante pulmonar han evaluado la composicion y funcionamiento
de este. En 1929 el fisiologo sueco Kurt Von Neegaard [Jimenez and Reyes, 2009], realizo
las primeras investigaciones sobre la fuerza de retraccion ejercida por la tension superficial
en los pulmones extirpados de diferentes especies [Wustneck et al., 2005], indicando que la
presion requerida para mantener el pulmon lleno con aire era mayor que la necesaria para
mantener el pulmon lleno con soluciones salinas. Richard Pattle en 1955 estudio los lavados
pulmonares y encontro que contienen un material que podrıa reducir la tension superficial a
valores cercanos de 0mN/m [Zuo and Possmayer, 2007]. En 1956 John Clements demostro
que los extractos pulmonares generan pelıculas superficiales que podrıan ser comprimidas
y ası alcanzar valores de tension superficial por debajo de 10mN/m; siendo el primero en
denominar esta sustancia tensoactiva como SP, estos estudios los realizo utilizando la ba-
lanza de Langmuir-Wilhelmy [Zuo and Possmayer, 2007,Jimenez and Reyes, 2009]. Estudios
posteriores permitieron elucidar la composicion del surfactante pulmonar caracterizandolo
principalmente como una sustancia lipo-proteica, que recubre la superficie interna de los
alveolos, modulando la tension superficial alveolar, favoreciendo el intercambio gaseoso.
La primera experiencia clınica de administracion de surfactante exogeno, como tratamiento
a las dificultades respiratorias neonatales, fue reportada por el pediatra Japones Tetsuro
Fujiwara en la decada de 1980, el cual describe el uso de un surfactante natural de origen
bovino que aseguro una supervivencia del 80 % de los neonatos prematuros que fueron trata-
dos. Posteriormente este medicamento fue aprobado para uso en humanos y desde entonces
se han hecho numerosos estudios y ensayos clınicos que han permitido usar cada vez con
mayor eficacia un surfactante exogeno, bien sea de origen natural, mixto o suplementado
con elementos sinteticos.
Uno de los primeros paıses en latinoamerica en contar con esta terapia fue Argentina, que
desde 1992 promueve el estudio del surfactante pulmonar, haciendolos acreedores de un
producto con desarrollo y fabricacion nacional, Surfactante B Richet (R). Otros paıses la-
tinoamericanos pioneros de estos estudios son Cuba, Brazil y Venezuela [Travieso Novelles,
2006]. En Colombia se han realizado algunos estudios clınicos y terapeuticos, ası como estu-
dios a nivel biofısico, donde se evalua la actividad del surfactante pulmonar de origen porcino
y bovino en la interfase, a partir de mediciones de la presion superficial (π) en funcion del
tiempo, tambien llamadas isotermas de adsorcion π(t). Indicando que las presiones de equi-
librio en el surfactante son aproximadamente de 45mN/m para temperaturas de 25 y 37oC
en un surfactante de origen bovino [Angela Alvarez, 2014].
En contribucion a generar un espectro amplio de conocimiento sobre el surfactate pulmonar
Colombiano, el presente trabajo desde su interdisciplinariedad expone el estudio de los ciclos
isotermicos de compresion-expansion in vitro de pelıculas interfaciales del surfactante pulmo-
nar de origen porcino, en funcion de la temperatura (T ), la cantidad de materia depositada
1.1 Sistema pulmonar 3
en la interfase (m) y la velocidad de compresion (v). Este estudio permite un acercamiento
al comportamiento de las pelıculas de surfactante pulmonar, donde se evalua la capacidad
para alcanzar las maximas presiones en el proceso de compresion interfacial y la histeresis
del proceso de compresion-expansion a partir de las isotermas de presion en funcion del area
(π−A), encontrandose una relacion entre la variacion del area de compresion-expansion y el
trabajo de la pelıcula interfacial, para mantener una estabilidad en el proceso respiratorio.
1.1. Sistema pulmonar
La respiracion es uno de los procesos mas importantes e inherente a los seres vivos que con-
siste en la absorcion de O2 del medio ambiente y la eliminacion de CO2 del cuerpo, y se
lleva a cabo en dos movimientos cıclicos e involuntarios de inspiracion (aumento del volu-
men pulmonar) y espiracion (reduccion del volumen pulmonar). Para realizar el proceso de
respiracion se requiere de unas estructuras anatomicas ordenadas que permiten el intercam-
bio gaseoso en el interior del pulmon, los sacos alveolares. De esta forma, el aire inspirado
inicialmente entra por las fosas nasales, pasando por la faringe donde es atemperado, luego
pasa por la traquea hasta los alveolos a traves de los bronquios, bronquiolos y conductos
alveolares (ver figura 1-2).
Figura 1-2.: . Estructura ramificada del arbol bronquial de los pulmones y alveolos agru-
pados formando los sacos alveolares. Esquema tomado de [la Serna, 2006]
4 1 Introduccion
Una de las caracterısticas estructurales de los pulmones es que los alveolos presentan una
estructura multilobulada asociada a una geometrıa fractal [Malacrida, 2014], que posibilita
una mayor area de intercambio gaseoso y eficiencia en el proceso de respiracion; a partir del
adecuado flujo de gases a los alveolos, una mınima produccion de entropıa en la mecanica
respiratoria y un mınimo costo en materia y energıa [Canals et al., 1998]. A favor de este
intercambio tambien esta involucrado el revestimiento de un epitelio alveolar especifico, que
se encuentra formado principalmente por dos tipos de celulas fundamentales para el inter-
cambio gaseoso, estas son los neumocitos tipo I y II (ver figura 1-1). Los neumocitos tipo I
son celulas planas y finas que recubren el 90 % de la superficie alveolar, y su principal funcion
es el intercambio gaseoso. Los neumocitos tipo II son celulas de forma cubica que recubren
la superficie alveolar restante y son los que intervienen en la distension y recuperacion del
tamano de los alveolos mediante la sıntesis y secrecion de SP.
Edad gestacional del surfactante pulmonar en el humano
Como se dijo anteriormente, son los neumocitos tipo II las celulas que sintetizan y secretan el
surfactante pulmonar. Sin embargo, la sıntesis del SP en el feto coincide con el proceso dado
por la etapa dinamica de maduracion pulmonar, la cual ocurre en la semana 35 de gesta-
cion [Lopez, 2012]. Los mayores cambios que se producen en esta etapa son: la proliferacion de
los tipos celulares que recubren el epitelio alveolar, la aparicion de mas alveolos terminales, el
adelgazamiento del epitelio y un incremento tanto dimensional como en cantidad de los cuer-
pos lamelares, siendo estas estructuras lamelares las responsables del almacenamiento del SP.
Se calcula que el pulmon humano al termino de la gestacion tiene alrededor de 10 a 15
millones de alveolos, por tanto el parto en la semana 35 genera un nacimiento pre-termino,
lo cual podrıa explicar la susceptibilidad a las patologıas bronco-pulmonar del recien naci-
do [Perea, ], como el SDRI o MAS. Varias tecnicas han surgido para estudiar la maduracion
pulmonar; un ejemplo de ello es el descubrimiento de Louis Gluck en 1970, el cual revela
que se puede indicar la madurez fetal del pulmon, considerando el estudio de los lıpidos del
SP inmerso en el lıquido amniotico, este estudio contribuyo al reconocimiento de la primera
proteına del surfactante [Jimenez and Reyes, 2009]. Es caracterıstico de la semana 35 que la
fase de maduracion pulmonar no se complete, teniendo como consecuencia la inmadurez del
epitelio que sintetiza y segrega el SP pulmonar, siendo uno de los casos de mayor morbilidad
y mortalidad neonatal [Iniguez and Sanchez, 2008].
1.2 Surfactante pulmonar 5
1.2. Surfactante pulmonar
1.2.1. Mecanismo de sıntesis del surfactante pulmonar
En los alveolos el intercambio gaseoso debe producirse primero a traves de una fina pelıcula
lipoproteica, el surfactante pulmonar, que se ubica entre el aire y la capa capilar de lıquido
que recubre la superficie alveolar que se conoce como hipofase alveolar (ver figura 1-3). Para
que el surfactante se ubique en la interfase, antes de ser secretado a la hipofase alveolar, es
almacenado en organulos especiales denominados cuerpos lamelares (CL), en forma de mem-
branas altamente empaquetadas [Gil, 2010,Perez-Gil, 2008]. Al ser secretados por exocitosis
hacia la hipofase, que es la fina fase acuosa que recubre las celulas alveolares, los cuerpos
lamelares liberan el surfactante que se dispone en forma de agregados ricos en fosfolıpidos
y en una estructura denominada mielina tubular. Estas estructuras son la principal fuente
de material para la formacion de una pelıcula de SP en la interfase aire-lıquido alveolar, que
al estar sometida a ciclos respiratorios, disminuye la tension superficial a valores cercanos a
1mN/m cuando se lleva al estado de mayor compresion [Notter, 2000, Perez-Gil, 2008, Zuo
et al., 2008,Ospina, 2011]
Figura 1-3.: Esquema representativo de la ubicacion del surfactante pulmonar. Los neumo-
citos tipo II sintetizan el surfactante pulmonar, que es una mezcla lipoproteica
almacenada en los cuerpos lamelares (CL) y secretada a la hipofase acuosa en
forma de agregados y mielina tubular que se adsorbe en la interfase aire-lıquido
alveolar. Esquema tomado de [Ospina, 2011]
6 1 Introduccion
1.2.2. Composicion del surfactante pulmonar
Estudios obtenidos de lavados broncoalveolares (LBA) de pulmones de animales [Ospina,
2011], han permitido identificar una composicion lipo-proteica del surfactante pulmonar,
donde el 90 % del peso corresponde a lıpidos y el restante a proteınas especificas del surfac-
tante (ver figura 1-4).
Figura 1-4.: Distribucion de porcentaje en masa de los componentes del surfactante pul-
monar. Esquema tomado de [Ospina, 2011]
Composicion lipıdica: Un 90 % de la composicion lipıdica esta dada por los fosfolıpi-
dos, los cuales tiene la caracterıstica de ser moleculas anfipaticas; es decir que tienen
un extremo hidrofılico, el cual presenta un grupo polar y otro hidrofobico con un grupo
apolar (ver figura1-5).
La region hidrofobica de los fosfolıpidos esta formada por dos acidos grasos que pueden
ser saturados (sin dobles enlaces) o insaturados (con uno o mas dobles enlaces). Cada
lıpido posee cadenas de acilo de longitud y saturacion caracterıstica que determinan
su organizacion conformacional. Cuanto mas ordenada sea la disposicion en la que
se encuentre una molecula de fosfolıpido, menor energıa conformacional tendra. Esta
estructura le confiere al fosfolıpido una organizacion especifica que esta directamente
comprometida con la formacion de una pelıcula tensioactiva en la interfase aire-lıquido
alveolar [Veldhuizen et al., 1998]. Ademas de esta funcion, los fosfolıpidos forman una
base o matriz sobre la cual se ensamblan las diferentes estructuras del surfactante
[Perez-Gil, 2008].
1.2 Surfactante pulmonar 7
Figura 1-5.: Esquema representativo de la estructura basica de los fosfolıpidos identificando
las regiones hidrofılica e hidrofobica de cada uno. Tomado de [Ospina, 2011]
Dependiendo de la apariencia de la barrera que forman los fosfolıpidos se pueden or-
ganizar en bicapas, monocapas o multicapas.
Las bicapas se forman al considerar una fase acuosa con condiciones normales, a pre-
sion atmosferica y temperatura ambiente. Estas membranas delgadas se ordenan de
tal manera que las cadenas de acilo de una hemicapa se ubican frente a las cadenas de
acilo de otra hemicapa, con las cabezas polares de cada hemicapa expuestas hacia la
fase acuosa [Ospina, 2011].
Por otro lado la monocapa, esta dada por la relacion de una interfase polar-no polar
como la interfase aire-lıquido alveolar, donde la orientacion de su cabeza polar es hacia
el agua y de la region no polar es hacia el aire, como se observa en la pelıcula de surfac-
tante de la figura 1-3. En 1932 Irving Langmuir fue galardonado con el premio Nobel
de Quımica por sus estudios de la quımica de superficies, usando monocapas flotantes
para estudiar la naturaleza de las fuerzas intermoleculares, abriendo de ese modo una
importante lınea de investigacion en biofısica de membranas e interfases lipo-proteicas.
El fosfolıpido que mas abunda y contribuye al papel tensioactivo del surfactante es la
dipalmitoilfosfatidilcolina (DPPC), con una masa molar de 734, 04g/mol. La DPPC
tiene la capacidad de reducir la tension superficial a valores cercanos a 2mN/m, en
altos grados de compresion [Ospina, 2011].
El otro 10 % esta dado por los lıpidos neutros, que en su mayorıa es colesterol, es
importante en la fluidificacion del SP, lo que facilita la re-extension de la pelıcula ten-
sioactiva despues de la compresion; debido a que puede incrementar la separacion entre
8 1 Introduccion
las moleculas de fosfolıpido [Daniels and Orgeig, 2003,Creuwels et al., 1997].
Composicion proteica: La fraccion proteica esta dada por cuatro proteınas denomi-
nadas SP-A, SP-B, SP-C, SP-D. Las proteınas SP-B y SP-C se encuentran asociadas a
los lıpidos del surfactante, ası que permiten que los fosfolıpidos se adsorban y ubiquen
de forma rapida en la interfase aire-lıquido alveolar. Las proteınas SP-A y SP-D son
proteınas hidrofılicas que influyen en el mecanismo de defensa del pulmon, actuando
como una barrera ante los patogenos [Blanco and Perez-Gil, 2007].
De manera particular la SP-B es fundamental para la biogenesis de complejos lipi-
proteicos del SP y participa en el empaquetameinto de estos en los cuerpos lamela-
res [Perez-Gil and Weaver, 2010], su efecto en la adsorcion interfacial de fosfolıpidos
se ve favorecido por la liberacion de fosfolıpidos insaturados en la monocapa duran-
te los estados de alta compresion [Longo et al., 1993,Lipp et al., 1996,Cruz et al., 2000].
Varios estudios han mostrado que la SP-C promueve la exclusion de fosfolıpidos desde
la interfase durante la compresion [Taneva and Keough, 1994], favorece la formacion
de estructuras tridimensionales de complejos lipoproteicos asociados a la interfase [von
Nahmen et al., 1997] y facilita la re-extension y reposicion de las pelıculas interfaciales
durante los procesos de expansion [Creuwels et al., 1995]. Sus principales funciones
respecto al SP es la capacidad para promover la adsorcion de fosfolipidos en la interfase
alveolar y la capacidad para formar y estabilizar reservorios de surfactante asociados
con la interfase [Ospina, 2011].
Deficiencias en proteınas como SP-A o SP-C no son crıticas en primera instancia, aunque los
modelos animales deficientes en SP-A desarrollan infecciones pulmonares con mayor facilidad,
mientras que los deficientes en SP-C desarrollan enfermedades pulmonares cronicas. Sin
embargo, la deficiencia en SP-B resulta letal a los pocos minutos tras el nacimiento, debido
a la funcion esencial de la proteına SP-B en la reduccion de la tension superficial y la
estabilizacion de una superficie alveolar abierta al intercambio gaseoso [Lopez, 2012].
1.2.3. Funcion del surfactante pulmonar
El surfactante pulmonar presenta dos funciones esenciales:
1. Reducir la tension superficial en la interfase aire-lıquido durante la espiracion, evitan-
do el colapso alveolar y confiriendo estabilidad mecanica al alveolo, de esa manera
mantiene la homeostasis del lıquido alveolar previniendo los edemas.
1.3 Fenomenos superficiales 9
2. Contribuye a la defensa del organismo frente a patogenos, ya que es la primera ba-
rrera fısica a la entrada de cualquier microorganismo a los pulmones. Esto se debe a
las proteınas hidrofılicas SP-A y SP-D, que se unen a la superficie de los patogenos
(incluyendo virus y bacterias) [Picardi, 2014] .
El sistema respiratorio ha desarrollado dos mecanismos fısicos para mantener estable la es-
tructura alveolar a lo largo de la continua dinamica cıclica, estos son el entramado tisular
de sosten y el surfactante pulmonar [Picardi, 2014].
Es ası que los tejidos circundantes evitan una expansion excesiva de los espacios alveolares
y por otro lado la composicion lipo-proteica del surfactante pulmonar facilita la apertura y
cierre de los alveolos mediante una transicion de fase a temperaturas cercanas a la fisiologi-
ca [Picardi, 2014], esta ultima es en la que se fundamenta este estudio, por tanto se ahondara
en la relacion fısica del surfactante pulmonar, teniendo como premisa la contextualizacion
teorica que permita comprender la actividad biofısica de la interfase de surfactante pulmonar.
De estas funciones el objetivo de este trabajo se centra en la primera, considerando los ciclos
isotermicos de compresion-expansion que relacionan la presion superficial en funcion del area,
permitiendo evidenciar in vitro la actividad interfacial de este tensioactivo pulmonar, para
la disminucion de la tension superficial.
1.3. Fenomenos superficiales
Los fenomenos superficiales, se distinguen por ser fenomenos que se producen cerca de la
superficie que separa dos medios continuos (Ver figura 1-6); considerando que los medios
estan separados por una capa de transicion fina que es tan delgada que puede considerarse
como una superficie. En esta investigacion se estudiaran pelıculas de surfactante pulmonar
formadas en una interfase aire-lıquido, siendo este lıquido una solucion tamponadora, com-
puesta de Tris 5mM pH 7 conteniendo NaCl 150mM, en la cual se deposita la muestra.
Esta pelıcula interfacial entre dos medios inmiscibles de densidades δ1 y δ2, presentan dos
casos principales que la caracterizan para poder relacionarla como un fenomeno de tipo
capilar [Levich and Krylov, 1969]:
1. Cuando la superficie de separacion entre las fases posee una curvatura considerable.
2. Cuando la tension superficial varıa de un punto a otro en la superficie.
En ambos casos, surgen fuerzas cerca del lımite de interfase, llamadas fuerzas de tension
superficial, a la que se ven sometidas las moleculas en fase acuosa en la superficie de la
10 1 Introduccion
pelıcula de lıquido que recubre el epitelio pulmonar, que son las principales responsables del
colapso alveolar.
Figura 1-6.: (A) Modelo de interfaz bidimensional. (B) Interfase donde ocurre una tran-
sicion continua de las coordenadas extensivas, donde δ hace referencia a la
densidad de la interfase. Modelo Tomado de [Rabockal, 1997]
1.3.1. Tension superficial
Los fenomenos interfaciales presentan condiciones especiales debido a que las moleculas de
la capa lımite del lıquido, a diferencia de las moleculas de su interior, no estan rodeadas por
todas partes por moleculas del mismo lıquido (ver figura 1-7).
Figura 1-7.: Esquema de las fuerzas de atraccion en el interior del lıquido A; y de las
partıculas en la interfase aire-lıquido B. Tomado de [Picardi, 2014]
1.3 Fenomenos superficiales 11
Parte de las moleculas superficiales limıtrofes son las partıculas de un segundo medio, con
el cual colinda el lıquido, por tanto las moleculas de la capa superficial tiene una interaccion
diferente, por eso las fuerzas que actuan en cada molecula en esta capa no se encuentran
equilibradas, existiendo una resultante dirigida hacia el lado del volumen del lıquido. Trayen-
do como consecuencia el desplazamiento de las moleculas desde la capa superficial al interior
del lıquido, acompanado de un trabajo, [Kikoin, 1971,Pijush K. Kundu, 2001]. El desplaza-
miento de la molecula de la superficie al interior del lıquido se considera como un trabajo
positivo, por ejemplo al reducirse la superficie. El paso de las moleculas desde el volumen
del lıquido a la superficie va acompanado de un trabajo negativo, por tanto es necesario un
gasto de trabajo exterior.
Lo anterior se describe matematicamente como:
dW = −γdA (1-1)
El signo menos indica que el aumento de superficie (dA) va acompanado de trabajo negativo
(dW ). El coeficiente (γ) caracteriza las fuerzas superficie del lıquido, y es llamado coeficiente
de tension superficial, el cual se mide por el trabajo necesario para aumentar la superficie del
lıquido en una unidad a temperatura constante; sus dimensiones en el sistema SI son J/m2.
Este tambien puede ser determinado como una magnitud igual a las fuerzas de superficie
que actuan de manera tangencial sobre el lıquido, correspondiente a la unidad de longitud
de la linea divisoria con unidades N/m [Kikoin, 1971,Pijush K. Kundu, 2001]. Considerando
la ecuacion 1-1 se obtiene el trabajo dado por la tension superficial para una temperatura
constante, resultando:
γ = −(dW
dA
)T
(1-2)
La variacion de trabajo se puede expresar en terminos de la energıa libre que necesita el
sistema para reducir la tension superficial. Ası que la energıa libre de un sistema se mide por
el trabajo que puede producir el sistema, cambiando isotermica y reversiblemente su estado
desde aquel estado en que se encontraba anteriormente al estado inicial, en el cual se admite
que la energıa libre es igual a cero [Kikoin, 1971,Nelson et al., 2005].
Las moleculas de la capa superficial del lıquido poseen un exceso de energıa potencial (Up), la
cual se debe a las fuerzas de atraccion y repulsion con las moleculas del entorno; esta energıa
se mide por el trabajo que puedan realizar las moleculas de la superficie, desplazandose al
interior del lıquido bajo la accion de la fuerza de atraccion por parte de las moleculas del
volumen lıquido [Kikoin, 1971].
Esta energıa es proporcional al area (A) pues depende de la superficie del lıquido, por tanto
las variaciones del area lleva consigo el cambio de la energıa potencial
dUp = γdA (1-3)
12 1 Introduccion
que a su vez implica una variacion en el trabajo.
dW = −dUp = −γdA (1-4)
Si el cambio de la superficie se realiza en condiciones isotermicas, el trabajo requerido es
igual a la variacion de la energıa libre de Helmholtz (F )
dW = −dF (1-5)
de modo que la ecuacion 1-2 queda de la forma siguiente:
γ =
(dF
dA
)T
(1-6)
Teniendo en cuenta la primera ley de la termodinamica, el trabajo realizado por el sistema es
la ganancia total de energıa libre. Considerando lo escrito por Lamb [Sir Horace Lamb M.A.
LL.D. Sc.D. F.R.S., 1975] “Puesto que la condicion de equilibrio estable es que la energıa
libre sea un mınimo, la superficie tiende a contraerse tanto como sea consistente con las
demas condiciones del problema”, lo cual implica la existencia de una fuerza que dificulta el
aumento de la superficie del lıquido ayudando a la reduccion de este, es ası que en el pulmon
se hace necesario una sustancia que contraponga esta fuerza y evite el colapso pulmonar.
Desde la termodinamica la funcion energıa libre de Helmholtz se caracteriza por brindar
una informacion exhaustiva en torno a un sistema termodinamico, utilizando como variables
independientes la temperatura T , entropıa S, volumen V , presion P ; es ası que la funcion
potencial F se define de la forma:
F = U − TS (1-7)
Es conveniente para aquellos casos en que exista variaciones en la presion, la expresion
diferencial de la ecuacion 1-7 es:
dF = dU − TdS − SdT (1-8)
Y considerando la ecuacion Gibbs-Duhemde que es consecuencia de la primera ley de la
termodinamica,
TdS = dU +∑i
Widwi (1-9)
Donde∑
iWidwi es el termino que hace referencia al trabajo y puede ser dividido de la
forma:∑i
Widwi = PdV +∑i
W′
i dw′
i (1-10)
1.3 Fenomenos superficiales 13
Donde∑
iW′i dw
′i constituye el conjunto de fuerzas generalizadas; de lo cual se infiere que
la energıa total de un sistema termodinamico complejo, en forma de trabajo, esta integrada
por diversas contribuciones. Por tanto∑
iW′i dw
′i se considera como el trabajo util o trabajo
no-mecanico y refleja la energıa en forma de trabajo como consecuencia del acoplamiento
del sistema con los alrededores [Tejerina Garcıa, 1977].
Entonces teniendo en cuenta la ecuacion 1-8 y 1-9, para un sistema complejo se obtienen:
dF = −SdT −∑i
Widwi (1-11)
Sustituyendo el trabajo segun la ecuacion 1-10, se obtiene el trabajo en todas sus contribu-
ciones, de acuerdo el sistema de trabajo.
dF = −SdT − PdV −∑i
W′
i dw′
i (1-12)
Considerando el trabajo que intervienen en la frontera de separacion de dos fases, el cual esta
relacionado con el coeficiente de tension superficial γ, se obtienen la funcion termodinamica
dada por:
dF = −SdT + γdA (1-13)
Esta funcion contiene la informacion necesaria en torno al sistema termodinamico. Es ası
que la primera derivada de la ecuacion 1-13 con respecto al area dA, permite determinar las
fuerzas generalizadas de la tension superficial, tal como se muestra en la ecuacion 1-6.
Podemos hablar de un trabajo mecanico si la superficie entre dos medios sufre una variacion
en su desplazamiento (dz), considerando un elemento de volumen infinitesimal (dzdA), entre
el punto inicial y final del desplazamiento de la superficie (ver figura 1-8). Teniendo en
cuenta que en la curvatura de una superficie interfacial, las presiones cercanas a la interfase
son diferente para ambas fases, siendo p1 y p2 las presiones en ambos medios [Landau and
Liftshitz, 1969], entonces podemos representar el trabajo necesario para realizar la variacion
de volumen como:∫(−p1 + p2) dzdA (1-14)
Donde el trabajo esta dado por la diferencia de presiones y el volumen desplazado. Por tanto,
el trabajo total debido al desplazamiento de la superficie, se obtiene sumando a la ecuacion
1-14 la variacion de area de la superficie dada por la tension superficial.
δW = −∫
(p1 − p2)dzdA+ γδA (1-15)
Considerando R1 y R2 como los radios de curvatura en un punto determinado de la super-
ficie (ver figura 1-8), cuando la superficie sufre un desplazamiento, se puede determinar la
14 1 Introduccion
variacion total del area de la superficie de separacion, entre un momento inicial y otro final
el cual esta dado por [Landau and Liftshitz, 1969]:
δA =
∫dz
(1
R1
+1
R2
)dA (1-16)
Figura 1-8.: El esquema representa el cambio de volumen comprendido entre dos fases,
teniendo en cuenta una superficie de separacion inicial y final.
Estimando la exigencia de la condicion de equilibrio termodinamico en relacion al trabajo;
δW = 0, que es validado por el principio de mınima energıa, entonces se sustituye la expresion
1-16 en 1-15, y se obtiene la ecuacion de equilibrio del sistema:∫dz
{(p1 − p2)− γ
(1
R1
+1
R2
)}dA = 0 (1-17)
De la expresion entre llaves se reconoce la ecuacion de Young-Laplace:
p1 − p2 = γ
(1
R1
+1
R2
)(1-18)
Esta formulacion es estudiada desde 1805 por Young y Laplace, y esta relacionada con la
atraccion desequilibrada de las moleculas en la interfase, que conduce a la aparicion de fuer-
zas que actuan sobre el lıquido generando un incremento de presion a traves de una interfaz
curvada.
Recordando que los alveolos pulmonares presentan una forma ovalada figura 1-9, al reducir
el area superficial, el alveolo tiende a hacerse mas pequeno, por tanto cuanto menor es el
alveolo mayor es la presion que soporta sus paredes. La presion varia inversamente con el
radio y directamente con la tension superficial.
Se tiene un caso particular de la ecuacion 1-18 al considerar que los radios de curvatura
para el alveolo son R1 = R2 = R y solo se tienen en cuenta la presion interna puesto que la
1.3 Fenomenos superficiales 15
externa esta en contacto con el tejido tisular es decir, p1 = p y p2 = 0; de esta manera la
expresion es de la forma:
p =2γ
R(1-19)
Sin embargo, lo anterior es un modelo para un alveolo, pero en el pulmon hay aproximada-
mente 150 millones de estos y se encuentran interactuando entre sı, ademas no todos tienen
el mismo radio de curvatura, lo cual implica un desequilibrio a nivel pulmonar, puesto que la
presion interna de los alveolos de menor radio es mayor, a diferencia de los de mayor radio;
como se observa en el esquema de la figura 1-9 para dos alveolos contiguos.
Figura 1-9.: Segun la ley de Laplace, dos alveolos esfericos de diferente radio, R1 y R2 , con
la misma γ y que estan interconectados, no pueden coexistir en equilibrio a
una presion determinada. La presion P1, en el alveolo de radio menor, tiende a
colapsarlo en el alveolo de radio mayor. El SP disminuye la tension superficial
de acuerdo con el tamano del alveolo, estabilizando la interfase contra las
fuerzas que tienden a su colapso. Tomado de [Ospina, 2011].
Lo que implica que al momento de la inspiracion los alveolos de mayor diametro sigan au-
mentando mas su volumen y se genere una diferencia significativa con los alveolos de menor
diametro. En cambio en el momento de la espiracion debido a la mayor presion en el alveolo
pequeno este libera mas aire llegando a un colapso; lo cual general el fenomeno llamado
atelectasia (disminucion del volumen pulmonar). Mientras que el alveolo de mayor diametro
incrementara su volumen respecto al aire que no sale del pulmon.
En este punto la naturaleza genera un mecanismo de homeostasis a partir de la formacion
y segregacion de surfactante pulmonar, el cual no solo disminuye la tension superficial sino
que tambien cambia el diametro alveolar, por eso se reduce el trabajo necesario para realizar
esta actividad, permitiendo llegar a un equilibrio pulmonar. Es ası que las concentraciones de
16 1 Introduccion
surfactante pulmonar son mayores en los alveolos pequenos, haciendo que en ellos la tension
superficial sea menor, reduciendo la presion interna [Iglesias, 2007].
1.3.2. Presion superficial
El cambio en la tension superficial a menudo se describe en terminos de la presion superficial
(π). Matematicamente la presion superficial se define:
π = γ0 − γ (1-20)
Donde γ0 es la tension superficial de la subfase lıquida y γ es la tension superficial con una
pelıcula de surfactante. Tanto π como γ tienen las mismas unidades pero sus direcciones son
opuestas; es decir que cuando γ es grande la π es pequena. En consecuencia el lımite de la
presion superficial esta entre 0 ≤ π ≥ γ [Notter, 2000].
Mecanismo de medicion de la presion superficial en la interfase
El mecanismo utilizado para medir la presion superficial esta dado por la Balanza de Lang-
muir, la cual consta de una base, unas barreras, una cubeta en teflon, un sensor de superficie
de presion, denominado tambien brazo de balanza y una unidad de interfaz, como se muestra
en la figura 1-10. Las barreras o cintas son responsables de la compresion del tensioactivo
en la superficie, y el sensor es el encargado de medir la presion en la interfase durante la
compresion-expansion de SP.
Figura 1-10.: Sistema basico de la balanza de Langmuir. 1) Base, 2) Barreras, 3) Tina de
teflon, 4) sensor de presion de superficie, 5) Inmersor mecanico, 6) Unidad de
interfaz. Tomado del manual KSV NIMA.
El fundamento fısico de medicion de la presion superficial esta dado por la mecanica del brazo
de balanza, la cual presenta un sensor de fuerza anclado a la bandera de papel sumergida
verticalmente dentro del fluido como se muestra en la figura 1-11.
1.3 Fenomenos superficiales 17
Figura 1-11.: Diagrama de la bandera. Tomado de [la Serna, 2006]
El extremo superior de la balanza, donde cuelga la bandera, permite la medida de la com-
ponente vertical de la fuerza que actua sobre la balanza al contacto con las moleculas super-
ficiales del lıquido, la cual coincide con la tension superficial.
La bandera al entrar en contacto con el lıquido se humedece y forma un menisco a lo largo
de la lınea de longitud de contacto, de esta manera se diagrama las fuerzas que interactuan
con la placa (Ver figura 1-11). Considerando la segunda ley de Newton se obtiene de manera
vectorial la sumatoria de fuerzas:
Σ~F = ~FE + ~Fγ + ~W = ~0 (1-21)
Descomponiendo en las coordenadas cartesianas x, y y z se obtiene;
ΣFj = FE − 2Fγy −W = 0
ΣFi = Fγx − Fγx = 0
ΣFk = Fγz − Fγz = 0
Donde:
FE = ρgV es el empuje, ρ es la densidad del fluido, g la gravedad y V hace referencia al volu-
men desplazado por la bandera, el cual se puede representar como lda, por tanto, FE = ρglda.
18 1 Introduccion
Fγy = (l + a)γ0 cos θ donde l hace referencia a la linea de contacto a lo largo y a a lo ancho,
a pesar de ser a muy pequeno se toma en cuenta puesto que se hace un analisis completo
del sistema en el cual a escala molecular interviene de manera que no se puede despreciar,
γ0 denota la tension superficial de la superficie limpia, θ el angulo de contacto del menisco;
Fγx y Fγz, componente vertical, horizontal y profundo de la fuerza de tension superficial.
W = mg, el peso de la banderita, m es la masa de esta que a su vez se puede escribir como
ρbVb = ρblha.
Por tanto la ecuacion 1-21 se representa como:
F0 = ρgdla− 2(l + a)γ0 cos θ − gρblha (1-22)
La fuerza que experimenta la bandera en la subfase se establece considerando el material
de referencia, esta fuerza se encuentra en funcion de la tension superficial del lıquido, dada
por γ0 la cual tienen un valor de 72mNm
. La tension superficial se determina considerando
una diferencia de fuerzas F −F0; tomando como referencia la superficie limpia, es ası que al
agregar el surfactante pulmonar se inicia la toma de datos segun las variaciones al distribuirse
en la superficie. Al realizar la diferencia de fuerza se obtiene:
F − F0 = 2(l + a)(γ − γ0) cos θ (1-23)
Despejando la diferencia de tensiones se obtiene:
∆γ =∆F
2(l + a) cos θ(1-24)
La gran ventaja de este metodo es que la medida de la presion superficial se hace de forma
directa, ya que ∆γ = −∆π, y por lo tanto
∆π = − ∆F
2(l + a) cos θ(1-25)
Como se deduce de este desarrollo, el angulo de contacto es un aspecto crıtico para poder
realizar este tipo de medidas con precision: La clave de esta metodologıa consiste en conseguir
que este angulo sea realmente nulo o por lo menos conocido en todo momento, lo que requiere
ser especialmente cuidadoso con la eleccion del material de la bandera, ası como de la limpieza
del mismo [George L. Gaines, 1966].
1.4 Ciclos isotermicos 19
1.4. Ciclos isotermicos
Para analizar el comportamiento dinamico de la pelıcula interfacial de surfactante pulmonar,
se estudia la presion superficial en funcion del area, a una temperatura constante, algunos de
los estudios mas usados son las isotermas de compresion (π−A) y ciclos isotermicos de com-
presion-expansion (π−A). Al modificar el area de la interfase se genera una re-organizacion
de las moleculas generando cambios en sus propiedades fısico-quımicas especıficas.
En la etapa de compresion, se tienen una fuente de calor a temperatura constante, la cual se
pone en contacto con el sistema, dado por el montaje de la balanza de Langmuir, la solucion
tamponadora y el SP; luego se inicia la reduccion del area interfacial a partir de la contrac-
cion de las barreras. Al no cambiar la temperatura tampoco varıa la energıa interna, ası que
considerando la primera ley de la termodinamica, nos permite comprender que se ejerce un
trabajo sobre el sistema relacionado con una transferencia de calor. Esta compresion genera
cambios en la organizacion de las moleculas denominadas fases moleculares de la interfase,
las cuales depende de la cantidad de materias, la velocidad de compresion de la barrera, y
la temperatura.
La etapa de expansion del ciclo isotermico inicia cuando el area superficial esta en su mınimo
valor, la extension lleva consigo la organizacion de las moleculas, aumentando el camino libre
medio entre las moleculas e insertando los componentes previamente excluidos durante la
compresion (fosfolıpidos insaturados, anionicos, colesterol) y cuya presencia habıa contribui-
do a fluidificar el material facilitando su adsorcion [Picardi, 2014].
El ciclo isotermico de compresion-expansion, se presenta como un proceso irreversible, pues-
to que se ha tenido que realizar un trabajo adicional relacionado con la organizacion de las
moleculas para que el sistema llegue a su estado inicial, el grado de irreversibilidad esta
relacionado con la histeresis del sistema, es decir el proceso directo e inverso no presenta
el mismo ordenamiento de los estados intermedios durante el proceso. Entre mayor sea la
histeresis mayor sera la irreversibilidad del sistema.
A continuacion se detallan las fases moleculares que ocurren en la interfase al momento de
reducir el area superficial del sistema.
1.4.1. Fases moleculares en la subfase
Analogamente a los tres estados de la materia que se observan en gases inmersos en un
volumen especifico, en una superficie las moleculas se organizan en la interfase aire-lıquido;
esta organizacion presenta tres fases;
Gaseoso (G): las moleculas estan expandidas en la subfase y no interactuan de manera
20 1 Introduccion
significativa, por lo que la pelıcula obedece a una ley de dos dimensiones de los gases
ideales πS = kT .
Expandido (LE): Hay una interaccion entre las cadenas de la mono capa, ası que el
empaquetamiento molecular esta mas cerca que en las pelıculas de gases y la movilidad
es mas limitada.
Condensado (LC): En esta fase el comportamiento de la pelıcula es suficientemente
compresible ası que se puede hacer una analogıa con los lıquidos; por tanto presentan
una mayor viscosidad y una menor compresibilidad.
Tambien hay una transicion entre las fases gaseoso-expandido (G−LE) y expandido-condensado
(LE − LC), los cuales son relevantes en la interfase [Ospina, 2011].
Una forma de estudio de las propiedades de las monocapas de un material anfipatico esta
dado por la medicion de la presion superficial en funcion del area de la superficie a tempera-
tura constante y es conocido como isotermas de compresion un ejemplo de esta se representa
en la figura 1-12, que representa una pelıcula fosfolıpidica de DPPC.
Figura 1-12.: Se observa una grafica de una isoterma de compresion de una monocapa de
DPPC a 250C con las indicaciones de los estados dimensionales.
1.4 Ciclos isotermicos 21
En la anterior figura se observa en la parte superior un fenomeno denominando colapso (C),
el cual se debe al punto donde no hay suficiente espacio disponible para acomodar todas
las moleculas en una sola capa debido a la compresion, por tanto se puede generar la for-
macion de multiples capas en la parte superior de la monocapa o algunas moleculas son
“expulsadas”(squeezed-out) debido a la energıa libre de los componentes con menor prefe-
rencia por la interfase [Arthur W. Adamson, 1997].
El paso de una forma ordenada a una desordenada no sucede de manera espontanea, sino
que requiere proporcionar una energıa externa al sistema, que usualmente se transfiere en
forma de calor. Cuando esta energıa ocasiona un aumento en la temperatura, es decir, au-
menta la energıa cinetica promedio, el sistema tiende a desordenarse. El paso de un estado
ordenado a uno desordenado sucede en muchos casos asociado a una transicion de fase, y
esta determinado por la temperatura a la que dicha transicion se produce [Ospina, 2011] .
1.4.2. Histeresis
La tendencia de un sistema a volver a su estado inicial de manera irreversible se denomina
histeresis. Los fenomenos de histeresis en las pelıculas de SP surgen cuando se comprimen y
se expanden de manera no equilibrada implicando una disipacion de energıa [Notter et al.,
1982]. El comportamiento de histeresis en la reduccion de la tension superficial de una pelıcula
interfacial de SP, hace referencia a la diferencia en los ciclos isotermicos de presion o tension
superficial en funcion del area (π −A) o (γ −A), como se observa en la figura 1-13. Varıas
son las variables que influyen en la histeresis de las pelıculas de SP, como es la temperatura,
la velocidad de compresion y la masa.
Area relativa (%)0 20 40 60 80 100
n su
perfi
cial
(mN
/m)
oTe
nsi
0
10
20
30
40
50
60
70
/min)2g - 25cmµC - 25 ormico (25eCiclo isot
Compresión
Expansión
Area relativa (%)0 20 40 60 80 100
n su
perfi
cial
(mN
/m)
oPr
esi
0
10
20
30
40
50
60
70
/min)2g - 25cmµC - 25 ormicos (25eCiclos isot
Compresión
Expansión
Figura 1-13.: A la izquierda se observa un ciclo isotermico (γ − A) a una temperatura de
250C, una masa de 25µg y una velocidad de compresion 25cm2/min con una
marcada histeresis. A la derecha se observa un ciclo isotermico de (π − A)
con las mismas condiciones.
22 1 Introduccion
La histeresis pulmonar esta dada por las propiedades mecanicas de las pelıculas interfaciales,
que permite hacer una relacion entre el trabajo que debe hacer el pulmon durante los ciclos
respiratorios. En espiracion, la reduccion de area para expulsar aire mientras se alcanzan
bajas tensiones superficiales, y durante la inspiracion, el aumento de area superficial para
recambiar el area de los espacios aereos sin que aumente mucho la tension superficial. Este
trabajo se ve reflejado en el area encerrada en los ciclos isotermicos de compresion-expansion,
lo que constituye la histeresis, en el pulmon este debe ser realizado por los musculos invo-
lucrados en la fisiologıa respiratoria [Ospina, 2011, Notter et al., 1982, Escolar and Escolar,
2004].
La forma de la curva que describe la reduccion de tension superficial durante la compresion
de la pelıcula puede presentar en terminos generales dos morfologıas [Ospina, 2011]:
1. Las isotermas pueden, en primer lugar, aparecer como una lınea aproximadamente
recta, en donde a medida que el area superficial disminuye (compresion), la tension su-
perficial disminuye de manera proporcional y a medida que el area superficial aumenta,
durante la expansion, la tension superficial aumenta tambien con una dependencia li-
neal similar, regresando al valor inicial. En este tipo de curvas la histeresis se considera
practicamente nula, lo que quiere decir que el trabajo realizado por el pulmon es ex-
clusivo para la disminucion de la tension superficial [Picardi, 2014].
2. Cuando el trabajo realizado por el pulmon ademas de disminuir la tension superficial
debe reorganizar estructuralmente el material en la interfase, se observa al principio
una disminucion en la tension de forma proporcional con la disminucion de area, y
posteriormente la tension superficial se vuelve aproximadamente constante, lo cual es
denominado mesetas o plateaus, es donde el trabajo realizado por el pulmon se gasta en
reacomodar las moleculas en la interfase en vez de disminuir la tension superficial. Una
vez el material esta en las condiciones estructurales optimas, la compresion continua
reduciendo la tension superficial hasta llegar al squeeze-out.
El squeeze-out se presenta comunmente en pelıculas interfaciales con multicomponentes,
donde no todos tienen la misma energıa libre en la interfase, ni la misma movilidad para
abandonar la superficie durante el ciclo. Las moleculas expulsadas fuera de la interfase du-
rante la compresion no puede regresar o integrarse de nuevo a la pelıcula a un ritmo identico
durante la expansion, lo cual implica un mayor trabajo relacionado con un aumento de la
histeresis.
En la expansion de la pelıcula interfacial ocurre un fenomeno denominado, dinamica de re-
dispersion (dynamics respreading), en el cual las moleculas de SP expulsadas en el squeeze-out
son adsorbidas de nuevo en la pelıcula interfacial. Estas se pueden calcular con el estudio de
los ciclos consecutivos isotermicos (π − A) debido al desplazamiento de las curvas de com-
presion, puesto que esto muestra la materia que se ha perdido desde la interfaz. Pequenos
1.4 Ciclos isotermicos 23
desplazamientos entre las sucesivas compresiones equivale a una mejor redistribucion de la
moleculas [Notter, 2000].
El papel de las propiedades mecanicas de las pelıculas de surfactante esta relacionado direc-
tamente con el trabajo necesario para estabilizar el pulmon en estados de alta compresion.
Entonces entre menos trabajo mecanico el pulmon sera mas eficiente y mas estable a medida
que se realizan los ciclos sucesivos de compresion-expansion, lo que significa una histeresis re-
ducida en las isotermas de los ciclos respiratorios. Adicionalmente las pelıculas de surfactante
deben mantener bajas tensiones superficiales aun cuando sean alteradas por movimientos,
desplazamientos, vibraciones, etc., eventos que pueden ocasionar un colapso de la pelıcula, y
el consiguiente aumento de la tension superficial en los estados de maxima compresion [Os-
pina, 2011].
2. Objetivos
2.1. OBJETIVO GENERAL:
Describir y analizar isotermas de presion superficial en funcion del area, ciclos de
compresion-expansion, de pelıculas interfaciales de surfactante pulmonar, obtenidas
mediante la balanza de tension superficial tipo Langmuir.
2.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS:
Evaluar el comportamiento de la presion superficial en ciclos consecutivos de com-
presion-expansion de pelıculas interfaciales de surfactante pulmonar, en funcion de la
masa, la temperatura y la velocidad de compresion.
Analizar el trabajo de compresion y expansion de los ciclos consecutivos de presion
superficial en funcion del area, en pelıculas interfaciales de surfactante pulmonar.
3. Materiales y Metodos
El material usado es de origen animal y proviene de los pulmones de especie porcina recien
sacrificados en la planta de desposte. Tambien se usaron una serie de soluciones necesaria
para la realizacion de protocolos. La metodologıa empleada incluye metodos de obtencion
del material de partida, ası como el metodo de obtencion y analisis de datos.
3.1. Materiales
3.1.1. Materiales de origen sintetico
Los materiales de origen sintetico se caracterizan por ser sustancias quımicas, necesarias para
la realizacion de los protocolos que permiten la extraccion purificacion y cuantificacion del
surfactante pulmonar.
Entres estos se uso: La sustancia tamponadora, que tienen la propiedad de mantener estable
el pH de una disolucion frente a la adicion de cantidades relativamente pequenas de acidos
o bases fuertes, siendo estas respectivamente el Tris 5mM y el NaCl 150mM . NaBr 0,
13 y 16 %, usadas en el gradiente de densidad para la purificacion del surfactante. Acido
ascorbico (Vitamina C) 10 %p/v; molibdato de amonio 2, 5 %p/v; fosfato de potasio mo-
nobasico KH2PO4 0,04mg/ml; son sustancias usadas para la realizacion de la cuantificacion
de fosfolıpidos. El agua utilizada en los experimentos fue agua destilada.
3.1.2. Surfactante Pulmonar de origen Porcino
El surfactante pulmonar se obtuvo a partir de lavados broncoalveolares de pulmones de cerdo
recien sacrificados, utilizando el metodo de aislamiento descrito por Curstedt y colaboradores
[Curstedt et al., 1987]. Para la escogencia de los pulmones, se visualizo que lucieran sanos,
que no presentaran nodulos y no tuvieran ningun corte en su superficie externa con el objetivo
de reducir los contaminantes de sangre.
26 3 Materiales y Metodos
3.2. Metodo de obtencion del material
3.2.1. Lavado bronco-alveolar
A partir de un lavado bronco-alveolar de pulmones frescos de cerdo se obtienen el tensoactivo
pulmonar, el cual se basa en la instilacion por la traquea de una sustancia tamponadora de
pH basico, Tris 5mM y el NaCl 150mM , hasta una capacidad volumetrica aproximadamente
de 2, 5L en el par de pulmones. Se realizo masajes suaves en los tres lobulos pulmonares, con
el objetivo de permitir la liberacion del surfactante pulmonar. Luego la sustancia obtenida
se recolecto y filtro. La separacion de celulas y tejidos se realizo a partir de una cetrifugacion
a 1000g a 40C durante 5 minutos, se almaceno el sobrenadate y se elimino el sedimento
obtenido. Esta solucion, se denomina Lavado bronco-alveolar (LBA), que finalmente fue
almacenado a −20oC.
3.2.2. Extraccion y purificacion del surfactante pulmonar
Para obtener el surfactante pulmonar se realiza una serie de centrifugaciones consecutivas,
iniciando a 100000g a 40C durante 1 hora. El sedimento que se obtiene esta formado por
los agregados grandes del surfactante pulmonar, donde se encuentran los cuerpos lamelares,
la mielina tubular y otros componentes de tipo membranoso especıficos del surfactante,
responsables de una mayor actividad tensioactiva [Picardi, 2014]. Los sedimentos obtenidos
se recolectan y homogenizan, para continuar con la purificacion.
Luego se realiza una centrifugacion en un gradiente de densidad discontinuo, en la Ultracen-
trifuga Beckman. La preparacion se realizo a partir de soluciones 16 %, 13 % y 0 % de NaBr
en solucion salina de NaCl 0,15M. El material a centrifugar se situa como se muestra en la
figura 3-1. La centrifugacion se realiza a 100,000g a 4oC durante 2 horas y sin freno para no
romper el gradiente.
Figura 3-1.: Esquema del gradiente de densidad discontinuo. a. Comparacion de los gra-
dientes de densidad de Bromuro de sodio. b. Fraccion de surfactante obtenida.
Tomado de [Angela Alvarez, 2014]
3.2 Metodo de obtencion del material 27
El surfactante purificado se recoge de la interfase entre el 0 % y 13 %, segun su densidad, y
se homogeniza en solucion salina. Finalmente de 2L de LBA se obtuvo entre 2 y 3mL de una
suspension blanquecina y densa que es el surfactante pulmonar nativo (SN) que se almacena
en alıcuotas de cantidad variable a −80oC.
3.2.3. Cuantificacion de fosfolıpidos
Se realiza por valoracion de fosforo segun el metodo de Rouser y colaboradores [Rouser et al.,
1966], en el cual se debe preparar una recta patron con una disolucion madre de 1mg/ml de
fosfato di-potasico monobasico, que debe ser diluida 1/20 es decir, 0.05 mg/ml.
Este metodo consiste en un previo secado de las muestras de SN y la curva patron. Luego
se realiza una mineralizacion de fosforo a partir de la adicion de acido perclorico (HClO4)
al 70 % (0, 45mL) en cada tubo donde se seco la muestra. Posteriormente se hace un calen-
tamiento de la muestra en bano de arena a una temperatura entre 250− 260oC durante 30
minutos. Se enfrıan los tubos y se agregan 3, 50mL de agua destilada, 0, 50mL de molibdato
de amonio (2,5 %p/v) y 0, 50mL de acido ascorbico (vitamina C) (10 %p/v) a cada mues-
tra. Despues se agitan los tubos con vortex y se incuban 7 minutos en agua 90oC, luego se
hace una interrupcion de la reaccion por medio de la inmersion de los tubos en agua con hielo.
Se mide la absorbancia de la sustancia coloreada en funcion de una longitud de onda de
820nm en un espectrofotometro de marca Agilent Cary. Este consta de una fuente de luz
“blanca” caracterizada por un espectro de emision continuo en un intervalo amplio de longi-
tudes de onda (en nuestro caso 325− 900nm) y de un monocromador que actua como filtro
optico transmitiendo un haz de luz de longitud de onda fija λ e intensidad I0. Este haz de
luz penetra en la cubeta de analisis donde se encuentra la muestra. Un detector sensible a
la luz mide la intensidad del haz a la salida If (Ver figura 3-2).
Figura 3-2.: Esquema general de funcionamiento del espectrofotometro. Tomado de [Ange-
la Alvarez, 2014]
28 3 Materiales y Metodos
El valor de absorbancia depende de la concentracion de fosforo en la muestra. Para determi-
nar la concentracion de fosfolıpido de las muestras, la absorbancia obtenida se interpola en
una recta patron realizada a partir de una solucion estandar de concentracion conocida de
fosfato inorganico (KH2PO4 0,05 mg/ml).
3.3. Metodo de obtencion y analisis de datos de isotermas
3.3.1. Balanza de Langmuir
Han sido varios los cientıficos involucrados en el estudio de las pelıculas superficiales, entre
ellos se destaca el fısico-quımico Irving Langmuir con el desarrollo de la herramienta de estu-
dio de la presion superficial de las monocapas, denominadas balanza de Langmuir [Ospina,
2011].
El instrumento que se uso para medir la tension o presion superficial de surfactante pulmo-
nar en funcion del area que ocupa la interfase aire-lıquido recibe el nombre de balanzas de
superficie (ver figura 3-3). En el presente trabajo se empleo una balanza de Langmuir fabri-
cada por Nima Technology. Esta balanza se ha empleado para la obtencion de isotermas de
compresion-expansion, tomando dos valores de temperatura controlados por un bano termos-
tatado que se encuentra en contacto con la balanza. Esta tecnica ha servido para establecer
la base de las diferentes hipotesis que han tratado de explicar el mecanismo de accion del
surfactante. Para obtener los ciclos de compresion-expansion se comprime lateralmente de
forma progresiva la pelıcula interfacial de material, lo que refleja de alguna forma un modelo
que pretende acercarse a la dinamica respiratoria, dado que la velocidad de compresion-
expansion en un adulto humano es de 20 ciclos por minuto 20C/min. Se trata por tanto de
analizar procesos dinamicos que ocurren en condiciones fuera del equilibrio [la Serna, 2006].
En estos experimentos el material se deposita una cantidad suficientemente pequena para
que se esparza por toda la superficie interfacial sin que aumente mucho la presion super-
ficial (< 10mN/m). Tras dejar equilibrar la interfase para que los diferentes componentes
se dispongan libremente en todo el area de la balanza de superficies, se comienza el pro-
ceso de reduccion progresiva del area interfacial monitorizando la presion superficial. Este
cambio progresivo de area disponible para las moleculas confinadas en la interfase produce
obligatoriamente una reorganizacion en el empaquetamiento de las moleculas interfaciales
inducido por presion lateral, de manera similar a como debe ocurrir en los pulmones durante
los procesos de compresion alveolar. La diferente reorganizacion del material en la estructura
interfacial genera transiciones de fase bidimensionales y aumentos de la presion superficial
por el mayor grado de empaquetamiento progresivo [la Serna, 2006].
3.3 Metodo de obtencion y analisis de datos de isotermas 29
Area relativa (%)0 20 40 60 80 100
n su
perf
icia
l (m
N/m
)o
Pre
si
0
10
20
30
40
50
60
70
/min2g - 25cmµC - 25 ormicos A 25eCiclos isot
CICLOS
ciclo 1 ciclo 5 ciclo 10
Figura 3-3.: A la izquierda se presenta la balanza de Langmuir del laboratorio de Biofısica
de la Universidad Javeriana, PUJ; empleada para la obtencion de datos de
ciclos isotermicos de compresion-expansion como se observa al lado derecho.
La balanza de superficie se encuentra constituida por una cubeta de teflon, la cual tienen
a su alrededor una barrera movil que permite variar el area de la superficie del lıquido
agregado, solucion tamponadora. En la superficie del lıquido es incorporado el material
de estudio, surfactante pulmonar, por medio de una jeringa de Hamilton, y se procede a
esperar 10 minutos mientras este se distribuye por la superficie. Se debe tener en cuenta
que dentro del lıquido hay una bandera de papel absorbente, Bandera de Wilhelmy; de
geometrıa rectangular de largo 2,37cm, ancho 1,00cm y espesor 0,002cm, el cual al entrar
en contacto con la superficie del lıquido interacciona con las moleculas de la interfase, que
permite a traves de un sensor de fuerza dar los valores de presion superficial al variar el area
de superficie en los ciclos de compresion y expansion.
3.3.2. Analisis de Datos
Las graficas fueron realizadas a partir del uso de los paquetes que proporciona el sistema
ROOT, desarrollado por el CERN, que por ser codigo libre, permitio hacer un perfilamiento
para el analisis de los datos obtenidos por la balanza de Langmuir. Las graficas obtenidas
presentan la variacion de la presion superficial en funcion del area (Ver figura 3-3.derecha).
Este programa es de gran aplicacion para el analisis de datos cientıficos, y se implemento
para hallar el area de histeresis entre los ciclos de compresion-expansion. El anexo A muestra
el codigo que se uso para graficar los datos de presion superficial en funcion del area, mientras
que el anexo B, senala el codigo usado para hallar el trabajo dado por el area de histeresis
de los ciclos de compresion-expansion.
4. Resultados
4.1. Valoracion de fosfolıpido de surfactante pulmonar
La concentracion de fosfolipidos de SP se determino al medir la absorbancia de dos purifica-
ciones de surfactante, SP1 y SP2. Para ello se realizo una interpolacion en una recta patron,
dada a partir de una solucion estandar de concentracion conocida de fosfato inorganico como
se observa en la tabla 4-1. Teniendo en cuenta los valores de la tabla 4-1, se determina la
relacion lineal entre la absorbancia (Ab) en funcion de la cantidad de fosfato (Cf ) presente
en la muestra (Ver figura 4-1).
Volumen Cantidad Absorbancia
(µl) (µmol) (Ab)
00 0
0 -0.0156
100.0037 0.0062
0.0037 0.0063
400.015 0.0663
0.015 0.0695
1000.037 0.1736
0.037 0.1956
25092 0.4973
92 0.4879
400147 0.7780
147 0.7934
Tabla 4-1.: Valores de la cuantificacion de
fosfolıpidos.
mol)µn (oConcentraci0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16
Ads
orba
ncia
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
/ ndf 2χ 0.001384 / 11
p0 0.004091± -0.006816
p1 0.05859± 5.387
/ ndf 2χ 0.001384 / 11
p0 0.004091± -0.006816
p1 0.05859± 5.387
ATLAS
pidosin de fosfoloValoraci
Figura 4-1.: Grafica de la absorbancia en
funcion de la cantidad de moles
de fosfato. Donde p0 hace refe-
rencia al punto de corte y p1 la
pendiente de la recta.
De la grafica anterior se obtiene una ecuacion lineal de la forma:
Ad = 5,39Cf − 0,007 (4-1)
4.2 Ciclos isotermicos de compresion-expansion 31
Despejando la cantidad de fosfato (Cf ), se determina la concentracion de fosfolıpido con la
masa molar de la DPPC mediante la ecuacion:
C = mg/mlfosfolipido =Cf ∗ 734, 04(g/mol)
noµl(4-2)
De esta manera se obtuvo los datos de la Tabla 4-2, con el respectivo valor de concentracion
(C) para los dos muestras de SP.
Muestra SP Ab Cf C(mg/ml) X C(mg/ml) X CTotal(mg/ml)
SP1.1 0,36 0,06 50,79
51,0
49,5
SP1.2 0,37 0,07 52,17
SP1.3 0,36 0,06 50,65
SP2.1 0,16 0,03 47,83
48,0SP2.2 0,16 0,03 47,94
SP2.3 0,16 0,03 48,10
Tabla 4-2.: Valores de absorbancia cantidad de moles de fosfato y concentracion para las
muestras de surfactante pulmonar, para un volumen de 10µl 1/10 la muestra
SP1 y 1/20 la muestra SP2.
De la tabla se concluye que la concentracion del surfactante pulmonar es de 49,5mg/ml, lo
cual es un valor importante para estudiar la cantidad de materia que se aplica a la balanza
antes de realizar los ciclos de compresion-expansion.
4.2. Ciclos isotermicos de compresion-expansion
Los ciclos isotermicos de compresion-expansion realizados en la balanza de Langmuir per-
mite hacer una analogıa in vitro respecto a los ciclos fisiologicos de respiracion, en cuanto
al proceso per se de compresion-expansion. Para obtener los ciclos isotermicos se utilizo la
balanza de Langmuir descrita en la seccion 3.3.1, considerada como uno de los metodos mas
utilizado en el estudio de pelıculas interfaciales. Para ello se deposito el surfactante en la
interfase, por medio de una micro-jeringa, dejando caer pequenas gotas de SP, en diferentes
lugares dentro del area definida por la cinta de teflon que hace de barrera. A continuacion, se
dejo equilibrar la pelıcula permitiendo la reorganizacion del material durante 10 minutos. Al
cabo de este tiempo, se procedio a comprimir la pelıcula interfacial, permitiendo la obtencion
de los ciclos isotermicos de compresion-expansion.
32 4 Resultados
Para este experimento se procedio a realizar diez ciclos consecutivos de compresion-expansion
(Ver figura 4-2) entre dos cotas maximas y mınimas de areas, 155−16cm2, evaluando el efec-
to de la cantidad de SP en la interfase (m), la temperatura (T ) y la velocidad de compresion
(v). La cantidad de surfactante estudiada fue de 10µg, 25µg y 50µg, ademas se considero
la variacion respecto a la razon de cambio del area por minuto, la cual se denomino como
velocidad de compresion de barrera, siendo los valores analizados los siguientes; 25cm2/min,
47cm2/min y 65cm2/min. Estos valores fueron tomados como referencia de experimentos
de la caracterizacion biofısica del surfactante como el planteado en el artıculo [Blanco et al.,
2012]. Las isotermas fueron obtenidas a temperaturas de 25oC ± 1 y 37oC ± 1; siendo la
primera una de las mas estudiadas y la segunda la temperatura fisiologica.
El ciclo isotermico presentado en la figura 4-2, es un experimento representativo donde se
evalua la variacion de la presion superficial en funcion del area (π−A), despues de al menos
tres repeticiones de 10 ciclos sucesivos, en la cual se grafica los ciclos 1, 5 y 10 representa-
dos por una linea densa de color y los ciclos intermedios de color negro tenue. Estos ciclos
presentan como caracterısticas, una temperatura constante de 250C, una masa de 25µg
y una velocidad de compresion de 25cm2/min, que es equivalente a una velocidad lineal
3, 7cm/min; en estas condiciones la pelıcula se comprime y expande a su menor velocidad
efectuando aproximadamente tres ciclos por minuto (3C/min). En el primer ciclo se pueden
determinar los cambios en la estructura interfacial dados por la compresion. A su vez se ob-
serva una maxima presion superficial de 61mN/m, que corresponde a una tension superficial
de 12mN/m, para una compresion de 90 %, pasando de 165cm2 a 16cm2. Se evidencia en el
ciclo 1 una pendiente poco pronunciada entre 45 y 50mN/m, conocida como “squeeze out o
plateau” relacionado con la organizacion de las moleculas sin que se genere un aumento de
la presion superficial. Mientras tanto al inicio de la expansion se observa una caıda drastica
de π desde 61mN/m hasta un valor aproximado de 40mN/m, lo cual implica un camino
diferente de retroceso, relacionado con el re-establecimiento de la pelıcula interfacial.
A medida que continuan los ciclos se observa que es menor la compresion para alcanzar
el valor mas alto de presion superficial, el cual se va reduciendo a medida que transcurren
los ciclos. En el ciclo 5 y 10 se percibe un cambio que permite estudiar la evolucion de las
curvas de histeresis a medida que se comprime y expande consecutivamente la pelıcula. Por
consiguiente, se tiene que el primer ciclo presenta una area de histeresis mayor, y a medida
que se forman los otros se reduce esta area, siendo menor en el ciclo 10, en el que se muestra
casi que un mismo camino tanto para la compresion y expansion de la pelıcula de surfactante,
tendiendo a un proceso reversible en el cual la disipacion de energıa del sistema es mınima.
El hecho de que el ciclo no vuelva sobre la primer curva y que se observe una reduccion del
valor maximo de π esta relacionado con la organizacion de las moleculas en la interfase, las
cuales se van acomodando en la fase de menor energıa.
4.2 Ciclos isotermicos de compresion-expansion 33
Area relativa (%)0 20 40 60 80 100
n su
perf
icia
l (m
N/m
)o
Pre
si
0
10
20
30
40
50
60
70
/min2g - 25cmµC - 25 ormicos A 25eCiclos isot
CICLOS
ciclo 1 ciclo 5 ciclo 10 otros ciclos
Figura 4-2.: La grafica muestra los diez ciclos consecutivos de compresion-expansion a
250C, 25µg y 25cm2/min; donde solamente se remarcan los ciclos 1, 5 y 10.
La figura 4-3 expone una matriz de graficas de isotermas de compresion-expansion a 25oC,
en la cual las columnas indican las masas y las filas las velocidades. En la primer columna
se identifica, la variacion de la presion en funcion del area con respecto a una masa de 10µg
para las tres razones de cambio de area por minuto.
Se observa que la variacion de los ciclos es mınima en relacion al area de histeresis, por tanto
tienden a estar superpuestos, sin embargo a medida que transcurren los ciclos se requiere
una menor compresion para alcanzar los valores de presion superficial. Se puede decir que
el trabajo del sistema se mantiene para alcanzar una presion superficial en promedio, para
los tres ciclos, de 46mN/m equivalente a una tension de 26mN/m, comparando esta pri-
mer columna con las otras se indica que no presenta una meseta que caracterice el squeeze out.
En la columna 2 y 3 se observa que al aumentar la cantidad de surfactante, existe una
marcada meseta en la coordenada vertical entre 45 y 50mN/m, sin embargo el intervalo de
area en el que se presenta es menor para una cantidad de masa de 25µg que para 50µg, esto
debido a una menor transicion tridimensional del material [Schief et al., 2003]. En la columna
3 al efectuarse la expansion de la superficie los valores mınimos de π son aproximadamente
20mN/m y 10mN/m respectivamente para el ciclo 1 y 5 senalados en la grafica, lo cual no
ocurre con las otras masas pues estas llegan a un valor cercano a cero.
34 4 Resultados
Comicos a 25aCiclos termodin
/min225cm
/min247cm
/min265cm
0 20 40 60 80 1000
10
20
30
40
50
60
70
g µ 10
Ciclo 1
Ciclo 5
Ciclo 10
0 20 40 60 80 1000
10
20
30
40
50
60
70
g µ 25
0 20 40 60 80 1000
10
20
30
40
50
60
70
g µ50
0 20 40 60 80 100
n s
up
erf
icia
l (m
N/m
)
o P
resi
0
10
20
30
40
50
60
70
0 20 40 60 80 1000
10
20
30
40
50
60
70
0 20 40 60 80 1000
10
20
30
40
50
60
70
0 20 40 60 80 1000
10
20
30
40
50
60
70
Area relativa 0 20 40 60 80 1000
10
20
30
40
50
60
70
0 20 40 60 80 1000
10
20
30
40
50
60
70
Figura 4-3.: Ciclos isotermicos de compresion-expansion de SP a 25oC en funcion de la
cantidad de materia m; 10µg, 25µg y 50µg ubicado en las columnas y la velo-
cidad de compresion v 25cm2/min, 47cm2/min y 65cm2/min ubicado en las
filas.
4.2 Ciclos isotermicos de compresion-expansion 35
Los valores mınimos de tension superficial, maximos de presion superficial, se observan cuan-
do hay gran masa, llegando a valores aproximados a 0mN/m, incluso a 50µg es alcanzado
con una menor area de compresion 39cm2, que equivale a un porcentaje de compresion de
72 %; mientras que a 25µg requiere una mayor compresion para obtener este valor siendo
aproximadamente 17cm2, es decir un porcentaje de compresion de 90 %. En la columna 3 a
pesar de obtenerse valores tan bajos de γ a una menor compresion, presenta mayor histeresis
en cada ciclo. Cabe destacar que el ciclo 10 a una masa de 50µg, es similar al primer ciclo
para una masa de 25µg, columna 2.
En la matriz al ver los cambios en la velocidad de compresion, se observa como influye la
cantidad de masa permitiendo obtener valores mayores de presion superficial al aumentar la
cantidad de surfactante sobre la pelıcula interfacial. Ası mismo se observan los tres cambios
de fase al momento de la compresion para las masas de 25µg y 50µg. En comparacion con la
masa 10µg se presenta mayor histeresis al aumentar la masa, aunque la columna dos referen-
ciada por una masa de 25µg en el ultimo ciclo, presenta en promedio con las tres velocidades,
una presion superficial 45mN/m y su histeresis es leve y semejante a la que se muestra en
los ciclos a 10µg, primera columna. De manera general para los ciclos isotermicos a 25oC no
se ven cambios significativos a medida que aumenta la velocidad de compresion a diferencia
de los cambios dados por la variacion de la masa.
Al graficar teniendo en cuenta el area relativa, se observa que a medida que se realiza los
sucesivos ciclos, la compresion es menor para alcanzar los mismos resultados de presion su-
perficial, esto se observa al aplicar masas de 10µg, 25µg a temperatura de 25oC. Cuando
se aplica 50µg de SP a la misma temperatura, cambian estos valores donde a medida que
transcurren los ciclos se necesita una mayor compresion para alcanzar valores cercanos a la
presion de equilibrio 45mN/m. Por otro lado el area de histeresis muestra que el trabajo
realizado es mayor cuando mas material se aplica a la interfase y mayor es la meseta que
representa la organizacion del material.
Los ciclos isotermicos de compresion-expansion a 37oC que se observan en la figura 4-4, pre-
sentan una marcada diferencia en la hiteresis en comparacion con los ciclos a 25oC, siendo
esta mayor a una temperatura de 37oC. Tambien se observa que estos no son estables en
cuanto al ordenamiento del material en el proceso de compresion, puesto que a esta tempe-
ratura, implica la necesidad de una mayor compresion para alcanzar valores altos de presion
superficial siendo estos valores en promedio 46,5mN/m, 53mN/m y 60mN/m para las res-
pectivas masas de menor a mayor; los cuales son valores menores a los alcanzados a 25oC.
36 4 Resultados
Comicos a 37aCiclos termodin
/min225cm
/min247cm
/min265cm
0 20 40 60 80 1000
10
20
30
40
50
60
70
g µ 10
Ciclo 1
Ciclo 5
Ciclo 10
0 20 40 60 80 1000
10
20
30
40
50
60
70
g µ 25
0 20 40 60 80 1000
10
20
30
40
50
60
70
g µ50
0 20 40 60 80 100
n s
up
erf
icia
l (m
N/m
)
o P
resi
0
10
20
30
40
50
60
70
0 20 40 60 80 1000
10
20
30
40
50
60
70
0 20 40 60 80 1000
10
20
30
40
50
60
70
0 20 40 60 80 1000
10
20
30
40
50
60
70
Area relativa 0 20 40 60 80 1000
10
20
30
40
50
60
70
0 20 40 60 80 1000
10
20
30
40
50
60
70
Figura 4-4.: Ciclos isotermicos de compresion-expansion de SP a 37oCen funcion de la can-
tidad de materia m; 10µg, 25µg y 50µg ubicado en las columnas y la velocidad
de compresion v 25cm2/min, 47cm2/min y 65cm2/min ubicado en las filas.
4.2 Ciclos isotermicos de compresion-expansion 37
Los ciclos de la primer columna son similares a los de 25oC, alcanzan valores de π semejan-
tes, aunque a 37oC el primer ciclo presenta una mayor histeresis. En la columna 2 el primer
ciclo no coincide con los otros dos, presentando este primero una mayor histeresis y mayores
cambios en la compresion-expansion del material en la monocapa a diferencia de los ciclos a
25oC, desapareciendo estos cambios en los posteriores ciclos y estabilizando el trabajo que
se ejerce para el proceso de compresion-expansion coincidiendo en mayor medida el area de
histeresis a similares porcentajes de compresion. A mayor velocidad en el primer ciclo se
observa un valor mayor de presion superficial, aunque no es mucha la diferencia.
En la columna 3 se observa un aumento de area de histeresis en los tres ciclos. Al depositar el
material de SP en interfase, la presion superficial subio contundentemente a valores mayores
de 15mN/m, lo cual debe estar relacionado con el intervalo de area de la meseta que se
observa a valores de π entre 45mN/m y 50mN/m.
Para la velocidad de 47cm2/min se observa una trayectoria de compresion similar a la de los
ciclos 5 y 10, para un valor de masa de 50µg, sin embargo a una velocidad de 65cm2/min
se observa una gran disminucion del area de histeresis en los dos ultimos ciclos, incluso se
observa que los caminos de compresion y expansion son similares.
Cuando la interfase se re-expande, hay una fuerte caıda en la presion de la superficie causada
por los cambios estructurales en la interfase, relacionada con la re-insercion de material de la
superficie previamente excluido al momento de la compresion de la interfaz, esto se observa
en todas la graficas, sin embargo es mas notable cuando se ha aplicado una mayor cantidad
de SP (50µg). Pero solo a una temperatura de 37oC despues de este decaimiento de π se
presenta una meseta, denominadas mesetas de re-insercion.
Las isotermas a temperatura fisiologica (37oC) presentan un menor porcentaje de area de
compresion para los ciclos con una cantidad de SP de 10µg. En los ciclos a 25µg y 50µg el
primer ciclo alcanza el valor de presion de equilibrio a una menor compresion mientras que el
ciclo 5 y 10 requiere un mayor porcentaje de compresion. A pesar de esa menor compresion
para el ciclo 1 se requiere un mayor trabajo y es el unico ciclo que llega a valores mayores
de presion superficial, sin embargo a diferencia de una temperatura de 25oC los valores no
superan una presion mayor a (60mN/m) ası se aumente la velocidad del ciclo, por tanto se
requiere un mayor trabajo para reducir la tension superficial. Tambien se observa que para
el ciclo 1 la presion superficial en el proceso de expansion de la pelıcula interfacia, cae a un
valor mas bajo que el punto de partida del ciclo, lo que indica una perdida neta de material
de la interfase. De manera general el area de histeresis es mayor para los ciclos a temperatura
fisiologica con correspondiente masa de 25µg y 50µg.
Cabe destacar que los ciclos a 370C presentan un comportamiento distinto a los de a los
38 4 Resultados
ciclos a 250C, por tanto hay que recordar que se trabaja con un sistema abierto que intenta
dar una semejanza in vitro de los procesos cıclicos de los pulmones, haciendo solo 3 ciclos
por minuto cuando en el sistema respiratorio se realizan 20 ciclos por minuto. Este com-
portamiento permite un mejor analisis de pelıculas interfaciales de SP a una temperatura
de 250C que a una fisiologica, puesto que se logra observar el ordenamiento de la pelıcula a
medida que se comprime y analizar la cantidad de trabajo necesaria para ello.
La re-organizacion de las moleculas esta relacionada con el trabajo que realiza el sistema y
ello se ve reflejado en la histeresis presente en los ciclos de compresion-expansion, como se
observa en la figura 4-5. Donde se ve una mayor area en el ciclo 1 y una reduccion signi-
ficativa en los ciclos 5 y 10, en los cuales tambien se observa una marcada reduccion de la
presion superficial.
Figura 4-5.: Area de histeresis para los respectivos ciclos de compresion-expansion a 25oC,
una masa de (25µg) y una razon de cambio de area de 25cm2/min. En color
gris se observa la histeresis del ciclo 1, en rosado el ciclo 5 y en verde el ciclo
10.
4.2 Ciclos isotermicos de compresion-expansion 39
Al aumentar los ciclos se puede hablar de una menor compresion para alcanzar el valor de
la presion de equilibrio del sistema (45mN/m), siendo la compresion inicial de aproximada-
mente de un 85 %, la quinta un 80 % y la decima de 65 %; con la respectiva reduccion de
area de histeresis y por ende menor trabajo de re-organizacion; lo cual esta relacionado con
el comportamiento de la compresion a medida que transcurren los ciclos.
Para hallar los valores de trabajo realizado, se determino la mejor linea de tendencia que
ajusta los datos de compresion y expansion, la cual permitio obtener un ajuste polinomial
de grado 9, al integrar se obtuvo el area bajo la curva y de esa manera al hacer la diferencia
entre el valor hallado de compresion y expansion se consiguio el valor del area de histeresis,
la cual corresponde al trabajo realizado por la pelıcula de surfactante pulmonar para reorga-
nizar el material a medida que varıa el area, este trabajo se mide en Joules J y es del orden
de 1x10−6 como se muestra en la tabla 4-3 y 4-4.
Los resultados de la tabla 4-3 muestran como a medida que aumentan los ciclos el trabajo
se va haciendo menor; pero esto se evidencia solo para las masas de 10µg y 25µg, para una
cantidad de SP de 50µg el trabajo mayor es el del ciclo 1, se reduce en el ciclo 5 y vuelve a
aumentar en el ciclo 10, como se muestra en la tabla.
Histeresis ciclos a 25oC
v (cm2/min)
m (µg) 10 25 50ciclo
1x10−6 J 1x10−6 J 1x10−6 J
25
22,4 104 191 1
22,7 59,4 150 5
14,8 8,50 174 10
47
50,7 133 178 1
30,5 96,7 152 5
24,6 9,10 167 10
65
31,5 144 186 1
18,8 80,0 138 5
13,6 14,9 135 10
Tabla 4-3.: Valores calculados para el trabajo de compresion-expansion, representado por
el area de histeresis para los ciclos 1, 5 y 10; considerando la cantidad de SP
(m) y la velocidad de compresion (v) a una temperatura de 250C .
40 4 Resultados
Considerando los ciclos de la figura 4-3 se observa tres condiciones por las cuales aumenta
el trabajo en el ciclo 10. La primera consiste en que para alcanzar la presion de equilibrio
(45mN/m), se requiere una mayor compresion en este ciclo. La segunda condicion esta rela-
cionada con la presencia de una meseta de re-organizacion de material con un porcentaje de
area relativa de ±25 %, la cual no se observa en los otros ciclos 10 a menor masa, los cuales
no alcanzan al squeezed-out. Por ultimo se destaca que al momento de la expansion el valor
de π se reduce rapidamente pasando de 72mN/m hasta ±28mN/m en un porcentaje de area
de ±5 %, esta diferencia de cambio de presion superficial es menor para el ciclo 1 y 5 de las
isotermas a 50µg para las tres velocidades.
Los valores de trabajo de los ciclos 10 a diferentes velocidades para una masa de 50µg son
aproximadamente iguales a los ciclos 1 para una velocidad de 47cm2/min y 65cm2/min a
una masa de 25µg. Comparando los ciclos 10 segun su masa presentan un mayor trabajo los
ciclos con un cantidad de SP de 10µg a diferencia de los ciclos a una masa de 25µg.
Las medidas de trabajo para los ciclos isotermicos a temperatura de 370C se observan en la
tabla 4-4, comparando con los resultados a 250C se observa que los primeros ciclos presentan
una mayor magnitud de histeresis y al igual que a 250C va disminuyendo al transcurrir los
ciclos; excepto para una masa de 50µg a velocidad de compresion de 25cm2/min. Compa-
rando los resultados de la tabla con la figura 4-4; se observa que a medida que se reduce el
porcentaje de compresion, menor es el trabajo visualizado en el area de histeresis; lo cual
se simplifica en que el porcentaje de compresion es proporcional a el trabajo realizado, en
dependencia de las propiedades de cada ciclo (m, v, T ).
Para una masa de SP de 50µg en las tres velocidades y en los tres ciclos el porcenta-
je de compresion es ±90 %, y unicamente en el ciclo 1 alcanza un valor de presion su-
perficial mayor, siendo estos de 57mN/m para un area de compresion de 25cm2/min,
63mN/m → 47cm2/min y 48mN/m → 65cm2/min. La histeresis para el ciclo 1 a una
masa de 50µg es menor para una velocidad de compresion de 25cm2/min; en la cual al ver
la figura 4-4, se observa dos diferencias en relacion a los otros ciclos 1 a mayor velocidad.
La primera diferencia consiste en que el ciclo inicia a una presion superficial mayor de
25mN/m y finaliza la extension a una presion superficial de ±15mN/m. La segunda esta
dada al momento de la expansion, donde el cambio de la presion superficial es menor en
comparacion a los ciclos a mayor velocidad siendo este un valor maximo de ±57mN/m has-
ta alcanzar un valor mınimo de ±35mN/m, con una diferencia de cambio de ±22mN/m,
mientras que el ciclo 1 a una v de 47cm2/min presenta una diferencia de reduccion de π
de ±31mN/m y para 65cm2/min es ±29mN/m, al ser mayor esta diferencia de cambio de
presion superficial dada fuerte caıda de π debido a la re-expasion de la interface de SP, mayor
es la histeresis en los ciclos.
4.2 Ciclos isotermicos de compresion-expansion 41
Histeresis ciclos a 37oC
v (cm2/min)
m (µg) 10 25 50ciclo
1x10−6 J 1x10−6 J 1x10−6 J
25
85,4 288 204 1
17,5 19,3 238 5
11,0 15,9 271 10
47
30,2 293 342 1
10,5 19,4 243 5
6,60 10,9 271 10
65
45,9 256 291 1
11,5 25,7 103 5
9,30 19,3 100 10
Tabla 4-4.: Valores calculados para el trabajo de compresion-expansion, representado por
el area de histeresis para los ciclos 1, 5 y 10; considerando la cantidad de SP
(m) y la velocidad de compresion (v) a una temperatura de 370C.
La variacion de trabajo para una masa de 25µg es mayor en el primer ciclo, siendo alrededor
de 279 J y de aproximadamente 18 J la histeresis para los ciclo 5 y 10 en las tres velocidades
de compresion; los valores de los ciclos 5 y 10 indican que la pelıcula ha alcanzado un estado
estable y la composicion de la monocapa se mantiene sin cambios durante las compresiones
y expansiones posteriores. Al comparar los ciclos 10 para una masa de 10µg y 25µg los
resultados de la tabla muestran que es mayor el trabajo a mayor masa y a una temperatura
fisiologica, lo cual es contrario a los valores de trabajo a una temperatura de 250C.
5. Discusion de resultados
Los resultados de la caracterizacion del comportamiento de las pelıculas de surfactante pul-
monar se obtuvieron a traves del analisis de ciclos consecutivos de compresion-expansion, a
temperatura constante y considerando los cambios en funcion de la cantidad de materia y
la velocidad de compresion de las pelıculas. De esta manera, fue posible evaluar la capaci-
dad de las pelıculas interfaciales para alcanzar las maximas presiones al final del ciclo de
compresion y alcanzar las mınimas presiones al final de la expansion. Este estudio se realizo
a partir del trabajo mecanico externo que le conferıa la balanza al realizar la compresion
lateral de forma progresiva a la pelıcula interfacial de material, reflejando de alguna manera
el tipo de procesos que deben ocurrir durante la respiracion. Es importante considerar que el
analisis que se presenta a continuacion se hizo a procesos de compresion-expansion in vitro
, que ocurren en condiciones fuera del equilibrio, donde las condiciones de trabajo externo
son importantes para medir el trabajo de la pelıcula interfacial.
De manera general se obtuvo informacion acerca de la maxima presion que las pelıculas pue-
den alcanzar al final de la compresion, el plateau asociado a la reorganizacion tridimensional
de la pelıcula interfacial de SP y la histeresis asociada a la cantidad de energıa disipada a la
hora de aumentar la presion superficial.
El surfactante pulmonar es un tensoactivo natural, que debido a su composicion lipo-proteica,
permite reducir los valores de tension superficial en la interfase aire-lıquido-alveolar, lo cual
esta relacionado con valores maximos de presion superficial. En este estudio in vitro de
pelıculas interfaciales de surfactante pulmonar, se determino valores maximos de presion
superficial a una mayor cantidad de surfactante pulmonar dada por 50µg como se observa en
la tabla 5-1; donde para las tres razones de cambio de area a una masa de 50µg tanto el ciclo
1 como el ciclo 10 a 25oC alcanzan una presion superficial de 72mN/m, indicando valores de
tension superficial cercanos a 0mN/m, para un porcentaje de compresion de ±75 %. A una
masa de 25µg para el ciclo 1 se requiere un mayor porcentaje de compresion y una mayor
velocidad de compresion para alcanzar una presion superficial de 72mN/m. Cuando se aplica
una menor cantidad de SP, como es el caso de 10µg, la presion maxima alcanzada fue de
43mN/m, valor por debajo de la presion de equilibrio.
43
Valores de presion superficial para los ciclos 1 y 10 a 25oC
v (cm2/min)
m (µg) 10 25 50ciclo
πm(mN/m) A( %) πm(mN/m) A( %) πm(mN/m) A( %)
25 43 90 61 90 72 73
147 48 90 72 80 72 75
65 48 90 72 90 72 76
25 42 76 45 68 72 81
1047 47 77 45 70 72 87
65 48 77 46 74 72 78
Tabla 5-1.: Valores de presion superficial maxima (πmax), y el area relativa de compresion
para alcanzar dicho valor (A%), para el primer y decimo ciclo de compresion-
expansion de las isotermas (π − A) a temperatura de 25OC en funcion de la
masa m y la velocidad de compresion v.,
El aumento de la temperatura de la isoterma de compresion-expansion a una temperatura de
37oC, se observa en la tabla 5-2, donde el mayor valor de presion superficial fue de 63mN/m
para una masa de 50µg y un porcentaje de compresion mayor al usado a una temperatura
de 25oC. Es ası que a una temperatura fisiologica in vitro se requiere una mayor compresion
para alcanzar valores altos de presion superficial, lo cual se encuentra relacionado con la
dificultad que presentan las moleculas para poder organizarse, reflejandose en una mayor
histeresis dada por un mayor trabajo que se requiere hacer sobre la pelıcula interfacial de
SP. Al transcurrir los ciclos de compresion-expansion se observa que el valor de la presion
superficial disminuye para el ciclo 10 y requiere un menor valor de porcentaje de compresion
para alcanzar presiones cercanas a la presion de equilibrio.
Los ciclos de compresion-expansion muestran una marcada diferencia en las isotermas de
temperatura, viendose a temperatura fisiologica mayor dificultad para alcanzar menores
valores de tension superficial, es decir mayores valores de presion superficial. Se destaca que
a mayor velocidad se alcanzan mayores valores de presion superficial para los ciclos a 25oC;
sin embargo a 37oC se observan valores mayores de presion superficial a una velocidad menor.
En los ciclos a 50µg, a una temperatura de 25oC se observa que para el ciclo 10 requiere un
mayor porcentaje de compresion a diferencia de el ciclo 1, lo cual diverge con los otros ciclos
de manera general para las dos temperaturas, puesto que es en el primer ciclo donde, por lo
general en estudios in vitro, se requiere una mayor compresion para organizar el material.
44 5 Discusion de resultados
Valores de presion superficial para los ciclos 1 y 10 a 37oC
v (cm2/min)
m (µg) 10 25 50ciclo
πm(mN/m) A( %) πm(mN/m) A( %) πm(mN/m) A( %)
25 48 90 49 83 57 90
147 46 90 55 90 63 90
65 46 90 57 89 48 90
25 46 76 39 69 48 90
1047 44 71 44 66 50 90
65 44 76 46 70 46 82
Tabla 5-2.: Valores de presion superficial maxima (πmax), y el area relativa de compresion
para alcanzar dicho valor (A%), para el primer y decimo ciclo de compresion-
expansion de las isotermas (π − A) a temperatura de 37oC en funcion de la
masa m y la velocidad de compresion v.
Los cambios de temperatura pueden alterar el estado fısico y la densidad de empaqueta-
miento de los lıpidos en la interfase aire-lıquido [Daniels et al., 1999], alterando la actividad
superficial del surfactante. Sabiendo que la temperatura esta relacionada con la energıa
cinetica media de las moleculas [Kikoin, 1971], se debe tener en cuenta la diferencia entre
las dos isotermas, puesto que para una temperatura mayor el desorden aumenta, ası que
entre mas ordenada se encuentre una molecula de fosfolıpido, menor energıa conformacional
tendra [Ospina, 2011]. Por tanto es mayor el desorden molecular en una temperatura de
37oC, lo cual implica un mayor trabajo para ordenar las moleculas en la pelıcula interfa-
cial de SP, implicando una dificultad para aumentar la presion superficial. A continuacion
se detallan las graficas de los ciclos 1 y 10 para las diferentes masas y para los dos va-
lores de isotermas que se tienen, los cuales se observan en la figura 5-1 y 5-2. Donde se
logra diferenciar la cantidad de trabajo a medida que se comprime la pelıcula interfacial, de
acuerdo a la cantidad de material aplicado y la velocidad de compresion para los ciclos 1 y 10.
En la figura 5-1 se observa la grafica de ciclos isotermicos 1 y 10 de compresion-expansion
a una temperatura de 25oC, para las tres variaciones de cantidad de SP. Se detalla que
para el primer ciclo a 10µg y 25µg requiere una mayor compresion para alcanzar valores
altos de presion superficial, mientras que al transcurrir el ciclo 10 se reduce el porcentaje
de compresion reduciendose tambien el valor de la presion superficial. Es importante aclarar
que para una mayor cantidad de material se requiere una menor compresion para alcanzar
la presion de equilibrio ±45mN/m en los ciclos 1. En los ciclos 10 se observa que para
una masa de 10µg y 25µg se alcanza la presion de equilibrio para el mismo porcentaje de
45
compresion, mientras que para una masa de 50µg requiere una menor compresion, la cual
es mayor a la del ciclo 1. A medida que aumenta la cantidad de SP se alcanza con mayor
facilidad valores altos de presion superficial, sin embargo se observa de manera atıpica,
respecto a las otras masas, que para 50µg se requiere una menor compresion en el ciclo 1 y
una mayor compresion en el ciclo 10. Es importante recalcar que para los ciclos 1 a una masa
de 25µg y 50µg despues de llegar a la presion de equilibrio se observa una meseta la cual
esta relacionada con la reorganizacion tridimensional de la pelıcula interfacial de surfactante,
este empaquetamiento molecular de los fosfolıpidos permiten dar un impulso a que aumente
la presion superficial a valores mayores de la presion de equilibrio como se observa en la
grafica. En los ciclos 10 solo se observa la meseta en los ciclos que presentan mayor cantidad
de surfactante.
Ciclos a 25°C
Figura 5-1.: Ciclos 1 y 10 (π − A) a 25oC,
detallados por color segun su
masa y graficados para las tres
velocidades de compresion.
Ciclos a 37°C
Figura 5-2.: Ciclos 1 y 10 (π − A) a 37oC,
detallados por color segun su
masa y graficados para las tres
velocidades de compresion.
En la figura 5-2 se observan los ciclos isotermicos 1 y 10 a una temperatura de 37oC, los
cuales presentan similitudes a las isotermas a 25oC respecto a la diferencia de porcentajes
de compresion en relacion al alcance de la presion superficial de equilibrio. Es notable que
para estos ciclos no se alcanzan valores tan altos de presion superficial y los ciclos donde se
observa la mesetas de organizacion, presenta un mayor porcentaje de area en relacion a la
46 5 Discusion de resultados
temperatura de 25oC.
En la progresiva compresion de la superficie interfacial de SP, las moleculas de la pelıcula
interfacial empiezan a organizarse, esta distribucion se observa en los ciclos isotermicos de
la figuras 5-3 y 5-4, los cuales muestran el ciclo 1 a una masa de 25µg y una tasa de
compresion de 65cm2/min para una temperatura de 25oC y 37oC respectivamente. A medida
que es comprimida la pelıcula de SP, se puede identificar el cambio de fases de la pelıcula de
acuerdo a la variacion de la pendiente ( πA%
), llamado coeficiente de compresibilidad el cual
relaciona la re-organizacion de las moleculas, de acuerdo al trabajo realizado por las cintas
de la balanza de Langmuir. Esto permite identificar unas fases que adopta la membrana a
medida que transcurren los ciclos.
Figura 5-3.: Pendientes de compresion-
expansion del primer ciclo
isotermico para una masa de
25µg, una velocidad de compre-
sion de 65cm2/min para una
temperatura de 25oC
Figura 5-4.: Pendientes de compresion-
expansion del primer ciclo
isotermico para una masa de
25µg, una velocidad de compre-
sion de 65cm2/min para una
temperatura de 37oC
En la figura 5-3 el ciclo 1 a 25oC presenta en el ciclo de compresion cuatro pendientes ca-
racterısticas. La pendiente de color rojo aumenta de 0mN/m a ±17mN/m en un porcentaje
de compresion de 35 %, dado por un valor de pendiente de 0, 5mN/m%, lo que significa una
pelıcula de alta compresibilidad. La pendiente aumenta a medida que se comprime la pelıcula
(color azul), entre 17 y ±45mN/m, que denotan una pelıcula menos compresible siendo el
valor de la pendiente de 1, 5mN/m% para un porcentaje de compresion de aproximadamen-
te 25 %, esta pendiente esta relacionada con un estado o fase denominada lıquido-expandida
47
(LE). Luego aparece una meseta (color verde) entre 45 y ±50mN/m, donde los lıpidos insa-
turados son generalmente incapaces de mantener presiones superficiales altas, y se empujan
hacia fuera de la interfaz hacia un deposito de material situado debajo de la pelıcula [Alonso
et al., 2004], por tanto el trabajo que se realiza esta dado en reorganizar la pelıcula y no en
aumentar el valor de la presion superficial, esta pendiente esta relacionada con el plateau.
La ultima pendiente (Color naranja) corresponde a una pelıcula menos compresible que la
pendiente azul con un valor de 2, 6mN/m% para una compresion menor a un 5 % donde los
valores de presion superficial va de 50mN/m a el valor maximo alcanzado de ±60mN/m;
esta pendiente ilustra el enriquecimiento en lıpidos saturados y acidos grasos que forman las
fases mas condensada de la pelıcula de SP [Alonso et al., 2004]. En el ciclos 10 en las mismas
condiciones no se observa esta ultima pendiente.
En el ciclo de extension se observan dos pendientes de expansion relacionadas con la re-
insercion y des-empaquetamiento de las moleculas hasta llegar a la fase gaseosa donde la
presion superficial es cero, la pendiente rosada es de 8, 6mN/m% donde hay un cambio
grande de presion superficial de 72mN/m a 35mN/m en un porcentaje de expansion de
5 %. La pendiente azul aguamarina presenta un valor de 0, 5mN/m% con un porcentaje de
compresion de 70 %.
Para una temperatura fisiologica se observa en el ciclo de compresion 4 pendientes carac-
terısticas (Ver figura 5-4), en las cuales no se observa una pendiente relacionada con la
fase gaseosa, sino que se observa que al aplicar el material a esta temperatura la presion
superficial aumenta a ±15mN/m y al empezar a comprimir la pelıcula de SP la pendiente
se comporta de manera analoga a una pelıcula en una fase lıquido expandida (LE); siendo
la pendiente de 0, 9mN/m% hasta alcanzar una presion de 42mN/m para un porcentaje
de compresion dado por 30 %. A continuacion se observa La pendiente relacionada con un
marcado plateau, la cual tiene un porcentaje de compresion mayor que a una temperatura
de 25oC, siendo este de aproximadamente 45 % presente entre 42mN/m y 49mN/m; lo que
indica que requiere una mayor compresion para organizar las moleculas de la pelıcula. La
fase condensada dada por la pendiente de color naranja, presenta un valor menor que a 25oC
y esta es de 2, 0mN/m%, a su vez se observa que el valor de la presion superficial tambien
es menor al alcanzado a 25oC siendo este de 55mN/m. Al continuar la compresion, como los
fosfolıpidos y demas moleculas ya se encuentran en su estado de mayor empaquetamiento
ocurre en la pelıcula una especie de ruptura o escape de moleculas de menor energıa libre a
una tercera dimension formandose unos reservorios de material, lo cual es denominado como
colapso y se observa en la grafica como la pendiente horizontal de color amarillo, la cual
tiene un valor muy pequeno de 0, 3mN/m%.
En la expansion se observan tres pendientes relacionadas con la re-insercion del material
expulsado en el momento colapso. La pendiente de color rosado, dada por el inicio de la
48 5 Discusion de resultados
re-extension despues de pasar por el estado de colapso, presenta un valor de 4, 2mN/m%
para un porcentaje de expansion de mas o menos 5 % y un cambio de presion de 56mN/m
a 29mN/m, a continuacion de color aguamarina le sigue una pendiente de 0,7mN/m% con
un porcentaje de compresion de 25 % hasta alcanzar una presion superficial de ±20mN/m
y finaliza con una pendiente de 0,4mN/m% la cual podrıa estar en una fase gaseosa, donde
es evidente la ”perdida de material”puesto que el ciclo de compresion inicio a una presion
superficial de ±15mN/m.
De esta manera se destaca como en ambas temperaturas se observan unos cambios confor-
macionales que presentan ciertas diferencias las cuales se reflejan en los valores de presion
superficial y el trabajo necesario para alcanzar dicha presion.
Este trabajo presenta la caracterizacion biofısica dinamica de pelıculas interfaciales de sur-
factante pulmonar, mediante isotermas de compresion-expansion, que son los ciclos termo-
dinamicos, presentando a la comunidad cientıfica, calculos relacionados directamente con el
trabajo de compresion requeridos para alcanzar mınimas tensiones superficiales. Este tema
es de vital importancia en el estudio del surfactante pulmonar, dado que en el ser vivo se
espera que dicho trabajo sea mınimo, tanto en el momento del nacimiento, como en su pro-
ceso fisiologico de respiracion.
Un mayor costo energetico a menor masa se SP soporta la hipotesis que un ser vivo con un
SP inhibido, debe realizar mayor trabajo en el proceso de la respiracion, lo cual dificulta el
proceso de intercambio gaseoso.
6. Conclusiones y recomendaciones
6.1. Conclusiones
Los estudios de ciclos isotermicos de compresion-expansion de pelıculas interfaciales de sur-
factante pulmonar, segun los cambios de temperatura, cantidad de masa y velocidad de
compresion dio como resultado las siguientes conclusiones:
1. La aplicacion en la interfase de una cantidad de surfactante de 10µg a una temperatura
de 25oC y 37oC, no es suficiente para alcanzar valores de presion mayores a la presion
superficial de equilibrio ±43mN/m, a pesar de que su porcentaje de compresion sea
de 90 % y se aumente la velocidad de compresion.
2. La variacion de los ciclos a 10µg y temperaturas de 25oC y 37oC es mınima y su
histeresis presenta valores pequenos de trabajo de aproximadamente 25, 5x10−6J .
3. Para las temperaturas de 25oC y 37oC se concluye que a medida que se aumenta la
cantidad de material en la pelıcula interfacial, es mas factible que se alcancen valores
de presion superficial cercanos a 72mN/m, aumentando a su vez el trabajo realizado.
4. A 25oC para masas de 25µg y 50µg se evidencia una aumento de la presion superficial
a valores cercanos a 72mN/m en la primer compresion, sin embargo se destaca que
se requiere un porcentaje de compresion mayor para 25µg. Para llegar a estos valores
de presion superficial se requiere un mayor trabajo debido a la organizacion de las
moleculas, siendo para el ciclo 1 con una masa de 25µg aproximadamente para las tres
velocidades de 127x10−6J y para una masa de 50µg el trabajo presenta un valor de
185x10−6J .
5. A medida que transcurren los ciclos se requiere un menor trabajo de compresion y
se alcanzan menores valores de presion superficial, un ejemplo de ello son los ciclos
isotermicos a 25oC con una cantidad de SP de 25µg donde el primer ciclo presenta
una presion superficial de 61mN/m correspondiente a un trabajo de 104x10−6J y el
ciclo 10 presenta una presion de 45mN/m y un menor trabajo dado por un valor de
8, 50x10−6.
6. A 37oC para masas de 25µg y 50µg alcanza valores de presion superficial del orden
de ±60mN/m menores a las de 25oC y con mayor trabajo en los ciclos 1, siendo este
valor en promedio de 279x10−6J para una masa de 25µg; y de 300x10−6J para 50µg.
50 6 Conclusiones y recomendaciones
7. El trabajo realizado esta directamente relacionado con las fases fosfolipıdicas en las cua-
les se encuentra organizado el material surfactante en la interfase. Estas fases transitan
de una fase lıquida a una fase condensada, pasando por mesetas de exclusion-reinsercion
de lıpidos.
6.2. Recomendaciones
Con el objetivo de fomentar la investigacion en las pelıcula de surfactante pulmonar se su-
giere algunos posibles estudios que se pueden realizar para complementar este trabajo. Entre
estos se encuentra un estudio reologico de la pelıcula interfacial de surfactante pulmonar, el
cual podrıa brindar informacion referente a las propiedades de dilatacion de la monocapa,
permitiendo saber la viscosidad y elasticidad de esta sustancia y su influencia en la funcion
del SP, valores que se podrıan relacionar con los datos de compresibilidad mostrados previa-
mente. Tambien es importante realizar estudios que permitan obtener informacion detallada
por separado de la composicion del surfactante pulmonar, es decir de su porcion proteica y
lipıdica, a partir de columnas cromatograficas, para realizar comparaciones con los datos de
literatura publicados.
De esta forma se permitira identificar un surfactante nativo que pueda compararse con prepa-
raciones terapeuticas de surfactante pulmonar, como el Surfacen, Curosurf, Survanta, entre
otras; posibilitando la preparacion de surfactantes nativos y/o mixtos de origen colombiano.
A. Anexo: Codigo de las graficas de
ciclos isotermicos
void ciclos(){
ifstream infile, infile2;
ifstream infile3, infile0;
infile0.open("ciclo4.dat");
infile.open("ciclo1_25_25_37.dat");
infile2.open("ciclo2_25_25_37.dat");
infile3.open("ciclo3_25_25_37.dat");
int i=1;
double area0[1000];
double ps0[1000];
double area[1000];
double ps[1000];
double area2[1000];
double ps2[1000];
double area3[1000];
double ps3[1000];
while(!infile.eof())
{
i++;
infile0 >> area0[i];
infile0 >> ps0[i];
infile >> area[i];
infile >> ps[i];
infile2 >> area2[i];
infile2 >> ps2[i];
infile3 >> area3[i];
infile3 >> ps3[i];
}
TMultiGraph *mg = new TMultiGraph();
mg->SetTitle("CICLOS ISOTERMICOS
(25^{o}C - 25 #mug - 25cm^{2}/min)");
TCanvas *c1 = new TCanvas("c1","ciclo
termodinamico",0,0,900,1000);
c1->SetFillColor(10);
TGraph *gr0=new TGraph(i,area0,ps0);
gr0->SetLineColor(0);
gr0->SetMarkerStyle(0);
gr0->SetMarkerColor(0);
gr0->SetMarkerSize(0.7);
//--------------------------
TGraph *gr1=new TGraph(i,area,ps);
gr1->SetLineColor(20);
gr1->SetMarkerStyle(20);
gr1->SetMarkerColor(1);
gr1->SetMarkerSize(0.7);
//-----------------------------
TGraph *gr2=new TGraph(i,area2,ps2);
gr2->SetLineColor(20);
gr2->SetMarkerStyle(31);
gr2->SetMarkerColor(2);
gr2->SetMarkerSize(0.7);
52 A Anexo: Codigo de las graficas de ciclos isotermicos
//-----------------------------
TGraph *gr=new TGraph(i,area3,ps3);
gr->SetLineColor(20);
gr->SetMarkerStyle(22);
gr->SetMarkerColor(3);
gr->SetMarkerSize(0.7);
//-----------------------------
mg->Add(gr0,"");
mg->Add(gr1,"lp");
mg->Add(gr2,"lp");
mg->Add(gr,"lp");
mg->Draw("a");
mg->GetYaxis()->SetTitle("PRESION
SUPERFICIAL(mN/m)");
mg->GetXaxis()->SetTitle("AREA(cm^{2})");
//-----------------------------
TLegend* leg = new TLegend
(0.1, 0.8, 0.48, 0.9);
leg->SetHeader("CICLOS");
leg-> SetNColumns(3);
leg->AddEntry(gr1,"ciclo 1","lp");
leg->AddEntry(gr2,"ciclo 5","lp");
leg->AddEntry(gr,"ciclo 10","lp");
leg->Draw();
}
B. Programacion Analisis de datos de
las isotermas
#include <iostream>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <math.h>
#include <fstream>
#include "TMath.h"
const int arrMax = 10000;
void integrate() {
ifstream inFileExp, inFileCom;//
double x[arrMax], y[arrMax];
double xx[arrMax], yy[arrMax];
inFileExp.open("expan_org.dat");
inFileCom.open("compre.dat");
int n = 0;
while(!inFileExp.eof()){
n++;
cout << "n: " << n << endl;
inFileExp >> x[n];
inFileExp >> y[n];
cout << x[n] << " " <<
y[n] << " " << n << endl;
}
inFileExp.close();
int nn = 0;
while(!inFileCom.eof()){
nn++;
cout << "nn: " << nn << endl;
inFileCom >> xx[nn];
inFileCom >> yy[nn];
cout << xx[nn] << " " <<
yy[nn] << " " << nn << endl;
}
inFileCom.close();
TGraph *gExp=new TGraph(n,x,y);
gExp->SetMarkerColor(1);
TGraph *gCom=new TGraph(nn,xx,yy);
gCom->SetMarkerColor(2);
gExp->Draw("A*");
gCom->DrawClone("P*");
cout << "integral expan: "
<< gExp->Integral() <<endl;
cout << "integral compr: "
<< gCom->Integral() <<endl;
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