Los hidrogeles: biomateriales del futuro.
¡Hola steemianos!
En este mi primer artículo de aporte a la comunidad de #stem-espanol, les traigo un tema del cual tengo experiencia y conocimientos, ya que fue la base de uno de mis trabajos de investigación en el área de polímeros y biomateriales en general: los hidrogeles. Desarrollaré el presente desde lo más general a lo más específico, comentaré sobre varias de las diversas y potenciales aplicaciones de dichos materiales y finalmente haré una pequeña reseña de una de las investigaciones realizadas por mí, incluyendo unas cortas conclusiones respecto al tema.
Primero que nada se debe definir lo que es un material, lo cual se relaciona con lo que llamamos materia, y siempre nos han dicho desde que estábamos en la escuela, que materia es todo aquello que nos rodea. Según la Real Academia Española, un material es todo aquello esencial o que forma parte de un todo, o un conjunto de características permanentes e invariables que constituyen la naturaleza de algo. Existen diversos tipos de materiales, tanto naturales como sintéticos, están los metálicos, las aleacciones, los cerámicos, madera, textiles, plásticos (compuestos por polímeros), por nombrar los más generales.
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Los materiales han sido la base de cualquier civilización y debido a su disponibilidad, es posible el desarrollo de nuevas tecnologías y la expansión de la ciencia. La demanda continua de nuevos materiales ha crecido a través del tiempo, lo cual ha estimulado un sin número de investigaciones para el desarrollo de más y mejores. Es así, que la tecnología y formulación de los polímeros ha hecho una contribución masiva e importante al diseño y desarrollo materiales nuevos y originales.
Diferentes ramas tecnológicas, tales como la medicina, farmacia, cosmética, telecomunicaciones, ciencias ambientales, higiene, ingeniería y agricultura, por citar algunas, se han provisto del uso de los materiales poliméricos, hecho que ha sido fomentado por la ventaja que ofrecen los polímeros sobre las materias primas convencionales de metales y cerámicos. En líneas generales, los polímeros son fácilmente procesables y químicamente modificables, además poseen propiedades físicas y mecánicas deseables, y en algunos casos son económicamente accesibles.
Y entonces, ¿qué son los polímeros?
Los polímeros son macromoléculas o moléculas de gran tamaño, constituidas por la unión de un gran número de moléculas mucho más pequeñas denominadas monómeros. La reacción por la cual estos monómeros se combinan es llamada polimerización y pueden haber cientos, miles o más moléculas monoméricas unidas entre sí en una molécula polimérica. Cuando se habla de polímeros, se trata de aquellos materiales cuyo peso molecular puede alcanzar cientos de miles e incluso millones de unidades.
Cuando se utilizan dos o más monómeros químicamente diferentes para llevar a cabo una polimerización, el polímero final será denominado copolímero. Estos copolímeros se clasifican según la secuencia de los monómeros, a saber: copolímeros en bloque, de injerto y al azar. Estas estructuras químicas son mucho más complejas que la de los polímeros homopoliméricos, ya que al consistir en más de un monómero, la longitud de su secuencia puede variar así como su composición, hecho que condicionará sus propiedades fisicoquímicas finales.
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Si en una reacción de polimerización no proceden reacciones colaterales, se obtienen polímeros no ramificados o lineales. Al aplicar ciertas condiciones a las reacciones de polimerización, pueden sintetizarse polímeros con ramificaciones cortas o largas. Si un polímero es lineal o ramificado, y dependiendo de la longitud de tales ramificaciones, sus propiedades finales variarán de forma considerable; por lo que los químicos polimeristas juegan con las variables de reacción dependiendo de las aplicaciones requeridas para el nuevo material polimérico.
Cuando las cadenas poliméricas se unen con otras vecinas de igual o diferente naturaleza, se llega a obtener una red tridimensional y el polímero será insoluble y no fundirá. En estos casos se habla de polímeros entrecruzados o reticulados. Para que se forme una red tridimensional, será necesario que cada molécula se una en dos o más puntos a otras moléculas. Las verdaderas redes entrecruzadas se logran cuando existen muchos puntos de unión por cadena primaria, de modo que los polímeros entrecruzados que construyen redes tridimensionales se consideran formados por una sola molécula de tamaño infinito.
![clasificacion de polimeros[6].jpg](https://steemitimages.com/640x0/https://res.cloudinary.com/hpiynhbhq/image/upload/v1518812444/gte1ilifr302dtg9l7zf.jpg)
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Por otra parte, las redes poliméricas interpenetradas (IPN), son el resultado de la combinación de dos redes poliméricas coexistentes químicamente diferentes; se originan cuando dos polímeros que son incompatibles se entrelazan en condiciones de reacción en las que sí serían compatibles de tal forma que un polímero queda atrapado en la red del otro polímero. La combinación de los polímeros puede dar paso efectivamente a un matriz polimérica multicomponente y avanzada con un nuevo perfil, lo que abre paso a la modificación de las propiedades fisicoquímicas finales y de esta forma lograr satisfacer ciertas necesidades específicas requeridas.
Autor: A, Lohani et al.
Los biomateriales poliméricos.
En el título del presente escrito, coloqué la palabra "biomaterial", ya que es clave en el presente tema, sobre todo por el prefijo "bio" que se asocia con la vida, la vida que todos deseamos (o deberíamos) preservar. Un biomaterial será por lo tanto cualquier sustancia diseñada para estar en contacto con sistemas biológicos o sistemas con vida.
Para que un material pueda estar en contacto con un sistema vivo o parte de éste, tenga compatibilidad y no sea rechazado, debe poseer características afines a dicho sistema, de tal modo que el ente biológico sea capaz de asimilarlo. Es en esta oportunidad es donde sale a relucir el concepto de la biomimética; donde se crean nuevas tecnologías simulando los sistemas biológicos,
copiando la forma de ser de la naturaleza
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En la actualidad, la mayor clase de biomateriales incluyen a los polímeros. Presentan un extenso número de aplicaciones en diversas áreas científicas y no científicas, como por ejemplo en la industria agrícola, cosmética, alimenticia, en la medicina y la biotecnología, por solo nombrar algunas. En cuanto a estas dos últimas áreas, su empleo abarca desde la fabricación de implantes de todo tipo, organos artificiales, prótesis y aplicaciones ortopédicas, dispositivos quirúrgicos y suturas, bioahdesivos, sistemas de liberación de fármacos, biosensores, transportadores de enzimas y células, hasta dispositivos oculares, etc.
Algunos biomateriales presentan propiedades que hacen que sean considerados como inteligentes. Para esto, se requiere que respondan ante estímulos exteriores cambiado sus propiedades iniciales. Tales estímulos podrían ser: cambios de pH, de temperatura, aumento o disminución de la luz, presencia de campo eléctrico o campo magnético, estar en contacto con soluciones de alta concentración iónica o con moléculas biológicas, etc.
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Existen muchos polímeros inteligentes, entre los cuales destacan los polímeros de cadena lineal, los copolímeros en bloque, las redes poliméricas interpenetradas, los polímeros con memoria de forma y los polímeros reticulados o geles. Cuando se habla de geles se incluye a los denominados hidrogeles, materiales de los cuales trataré a continuación:
Los Hidrogeles.
Los hidrogeles son materiales poliméricos entrecruzados de origen natural o sintético; estructuralmente son tridimensionales, y se hinchan al entrar en contacto con solución acuosa. Como consecuencia, se forman materiales blandos y elásticos con una cantidad significativa de agua retenida en su estructura pero no llegan a disolverse. Existen hidrogeles superabsorbentes, en los cuales la cantidad de agua absorbida puede llegar a ser miles de veces su propio peso.
Los hidrogeles pueden obtenerse mediante polimerización y entrecruzamiento simultáneo de uno o varios monómeros polifuncionales, es decir, monómeros que posean al menos un grupo funcional, como por ejemplo, grupos hidroxilos (-OH), carboxilos (-COOH), sulfonilos (-SO3H), amidas (-CONH2), entre otros. Estos grupos son los que le aportarán la naturaleza hidrofílica (afín con el agua) al material polimérico resultante.
La capacidad absorción de agua de estos materiales se debe a la flexibilidad de las cadenas poliméricas, lo cual hace posible que puedan deformarse y/o estirarse para permitir la entrada de moléculas de agua dentro de la estructura tridimensional. En ausencia de agua o solución acuosa, los geles se encontrarán en estado sólido, siendo denominados como xerogeles. Una vez que un xerogel entra en contacto con el agua, la absorberá progresivamente y en gran cantidad hasta alcanzar su hinchamiento máximo. De esta forma, las moléculas de agua quedarán retenidas en la malla tridimensional (imagínense una esponja, es tal cual pero a nivel molecular) dando lugar a una infinidad de propiedades características. De igual forma, tambien existen hidrogeles que se hinchan en presencia de otros estímulos físicos o químicos, no en vano están en la categoría de materiales inteligentes.
Aun y cuando los hidrogeles sean hidrofílicos, serán insolubles en agua gracias a la existencia de la red polimérica tridimensional que conforma su estructura molecular, la misma constará de nodos o puntos de unión generados por enlaces covalentes o por interacciones físicas (puentes de hidrógeno, fuerzas de Van der Waals, interacciones electrostáticas, dipolo-dipolo, dipolo-inducido, etc.); adicionalmente, tendrán una consistencia suave y elástica que dependerá en gran parte de los monómeros de partida y de la densidad de entrecruzamiento alcanzada en la reacción de polimerización.
Algunas aplicaciones.
Pañales.
Los materiales poliméricos absorbentes fueron introducidos en la industria de pañales desde hace más de 3 décadas, siendo producidos comercialmente por primera vez en Japón en 1978 para su empleo en toallas femeninas, mediante un gel entrecruzado de almidón-g-poliacrilato. El empleo de hidrogeles superabsorbentes ha hecho que sean posibles pañales cada vez más delgados y ligeros, lo que implica una disminución de costos en los procesos industriales inherentes y un menor impacto ambiental. En este caso, es colocado en el sistema del pañal un gel que al recibir el volumen de orina del infante, lo absorberá; evitando derrames, manteniendo la humedad lejos de la piel, previniendo la pañalitis y proveyendo confortabilidad y salud.
En todas partes alrededor del mundo, así como en la gran mayoría de los hispitales se utilizan pañales desechables, toallas sanitarias, compresas y centros de cama en base de hidrogeles superabsorbentes. Es por tanto, que el desarrollar estos prodcutos y otros productos similares con características biodeagradables y/o reutilizables es uno de las metas principales de la industria moderna.
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Juguetes.
Todo el mundo ha visto alguna vez aquellas figuritas de animales o superhéroes que al sumergirlas en agua crecen. Pues sí, los mismos están hechos de materiales poliméricos, específicamente son hidrogeles.
Reservorios de agua para plantas y cultivos.
En esta aplicación en particular hay que recalcar la importancia que están teniendo estos polímeros entrecruzados a nivel mundial. Actualmente, y debido a la elevada población humana, la técnica de la agricultura debe alimentar a casi 7 millardos de personas. Para llevarlo a cabo, son requeridas anualmente millones de toneladas de fertilizantes y pesticidas, esto con el fin de aumentar el rendimiento de los cultivos, ya que espacialmente hablando, los suelos disponibles están siendo insuficientes y las áreas protegidas no deben prestarse para estos fines, además que muchos suelos son muy pobres, si de nutrientes se habla, para el desarrollo de cultivos. Además de esto, un alto porcentaje de los fertilizantes aplicados a los suelos se pierde por volatilización o filtración sin antes ser aprovechados eficientemente por las plantas; no conforme, estos compuestos, ricos en nitrógeno y fósforo, terminan en los cuerpos de agua, aumentando exageradamente la concentración de nutrientes en estos espacios, generando así eutrofización (proliferación de algas) y contribuyendo al calentamiento global, en el caso de escaparse hacia la atmósfera.
La función de los hidrogeles en los suelos es absorber el agua proveniente de la lluvia o de los riegos, así como a los fertilizantes y liberarlos paulatinamente, de tal forma que las plantas puedan abastecerse de los mismos sin que ocurran pérdidas al ambiente y así satisfacer la necesidad de crecimiento vegetal y el mejorarmiento de la producción agrícola. Existen muchas maneras de emplear estos materiales para este fin, tales como mezclarlos con el suelo junto a las plantas, semillas y los mismos fertilizantes. En contraste a los hidrogeles incorporados en pañales, estos están optimizados por su capacidad de liberar agua, en lugar de retenerla; lo cual es una de las fortalezas de estos materiales, lo que va desde la jardinería, pasando por la liberación de fármacos, hasta la ingeniería genética.
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No solo los hidrogeles se usan para mantener la humedad de la tierra cultivada y como materiales absorbentes (pañales y toallas), sino también para servir como recubrimientos, microcápsulas, membranas, soporte de catalizadores, etc. Además, principalmente se destacan en el área biomédica; lo que implica que estos polímeros cumplan con una serie de requisitos, como la biocompatibilidad, lo cual ya he mencionado. Asimismo, que permanezcan inalterados o no (dependiendo del objetivo) bajo procesos degradativos, tengan resistencia y propiedades mecánicas que sean adecuadas para una finalidad específica. En fin, que ofrezcan un comportamiento biomimético, similar al de los sistemas biológicos. A continuación resumo solo algunas aplicaciones biomédicas que considero resaltantes sin restarle importancia a otras:
Aplicación en ingeniería de tejidos.
Cuando algunos órganos o partes de un conjunto de tejidos en el cuerpo humano fallán o sufren heridas, existen varias opciones para el tratamiento. Esto puede incluir la reparación, reemplazo o la sustitución por algo sintético o natural para que ocurra una regeneración; y es aquí en donde entra a aplicar la ingeniería de tejidos.
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Los hidrogeles pueden actuar como andamios poliméricos tridimensionales para estas aplicaciones. Un caso particular es la denominada regeneración tisular in vivo, en donde las propias células del paciente afectado son combinadas con el polímero mantiéndose in vitro hasta que puedan implantarse. El hidrogel actuará como una matriz extracelular natural (recordemos que una vez hinchado están compuestos por prácticamente agua, lo que les aporta biocompatibilidad), hecho que promoverá posteriormente la proliferación celular y por consiguiente, el crecimiento del tejido. Estos son estudios prometedores para el futuro de la medicina.
Hidrogeles como lentes de contacto.
Una de las razones por la cual los hidrogeles se crearon, fue para la realización de lentes de contacto. Los lentes de contacto blandos y de espesor delgado no solamente sirven para corregir problemas de la visión o para cuestiones estéticas, sino también para mantener la humedad en el ojo. Recordemos que el órgano ocular siempre debería estar hidratado, estos lentes al estar en contacto con la córnea absorberán agua propia del ambiente ocular y por tanto mantendrán la humedad en dicho ambiente, además que ofrecen permeación al oxígeno.
En la liberación controlada de fármacos.
Con los métodos que usualmente se llevan a cabo para la liberación de medicamentos con fines terapéuticos, se obtienen controles deficientes sobre los niveles óptimos del principio activo demandados por la dosificación, lo que provoca que el medicamento no sea administrado ni en la cantidad ni en el tiempo requeridos para que dichos tratamientos sean eficaces. El avance que han tenido los hidrogeles en las últimas décadas por sus habilidades en la liberación de fármacos asoma una nueva alternativa para un mejor control en la administración de los medicamentos.
Existe una gran cantidad de sustancias admitidas oficialmente que se emplean como excipientes para las diferentes formas de transporte de fármacos. Las funciones de los excipientes son muy variadas y de fundamental importancia. Los hidrogeles son buenos candidatos para ser excipientes debido a su alta biocompatibilidad, contenido de agua, métodos de síntesis ajustables, estructura física tridimensional, y capacidad de mejorar la farmacocinética con tiempos de circulación más largos permitiendo su funcionalización dirigida específicamente al tejido u órgano de interés.
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También se han creado una especie de parches para regenerar tejidos dañados por quemaduras, en donde el hidrogel con su humedad ayuda a mantener hidratada la zona y además su matriz polimérica puede tener incorporado una serie de fármacos cuyos principios activos mantengan la zona libre de bacterias, ejemplo parches con el antibiótico vancomicina.
Una de las investigaciones que he realizado respecto al campo de los hidrogeles.
En una pequeña parte de mis investigaciones respecto al tema, se sintetizaron una serie de hidrogeles en base a acrilamida (AC) como monómero principal y anhídrido maleico (AM) como comonómero. A fin de brindarle biodegradabilidad al polímero entrecruzado final, se incorporó a la matriz, una red polimérica interpenetrada de origen natural, como lo es el almidón, específicamente de yuca.
Las formulaciones fueron preparadas variando la proporción de monómeros AC/AM, y las cantidades de agente entrecruzante y de almidón. La síntesis se llevó a cabo en reactores de vidrio (tubos de ensayo) mediante reacción de polimerización por radicales libres en solución acuosa, por espacio de 2 horas a 75 °C.
Los hidrogeles obtenidos fueron lavados, secados y liofilizados para su caracterización mediante espectroscopia infrarroja (FTIR) y microscopia electrónica de barrido (MEB). Los estudios morfológicos por MEB evidenciaron el carácter interpenetrado de estos polímeros, y por FTIR se comprobó el ambiente químico de cada formulación. El estudio de la cinética de absorción en agua destilada evidenció que los hidrogeles alcanzaron porcentajes de hinchamiento de hasta 7500% en unas 600 horas a 25 °C, lo que los cataloga como superabsorbentes.
Los hidrogeles obtenidos fueron evaluados en su capacidad de absorción de Na+, K+, Mg+2, Ca+2, Cl- y urea presentes en una solución de orina sintética, simulando a la orina humana, obteniéndose valores de hasta más de 80 % de absorción del elemento, concluyéndose que los hidrogeles sintetizados son potenciales componentes de materiales absorbentes de uso cotidiano como toallas femeninas y pañales.
En próximas publicaciones para la comunidad de #stem-espanol, traeré a acotación más investigaciones y resultados respecto mis estudios en el campo de los hidrogeles biodegradables y sus potenciales aplicaciones. La función de este artículo más que todo fue el introducir a los lectores al concepto y propiedades de estos materiales.
Conclusiones.
Los hidrogeles son materiales que tienen potenciales prometedores para muchas aplicaciones tanto de la vida cotidiana, en la industria, en la farmacia y biomedicina principalmente, en la agricultura, como en la conservación ambiental. Son polímeros relativamente fáciles de preparar, económicos y con propiedades químicas y mecánicas deseables para un objetivo en particular, las cuales están sujetas a su método de preparación y a los componentes químicos que se seleccionen para su síntesis.
Se sintetizaron hidrogeles interpenetrados en base a acrilamida y almidón por el método de polimerización de radicales libres en solución acuosa, para su estudio en la sorción de elementos presentes en la solución simulada de orina humana. Como resultado, estos materiales tuvieron una capacidad de absorción de agua de hasta 7500% p/p, entrando en la categoría de hidrogeles superabsorbentes. La capacidad de absorción orina simulada fue superior al 80% en la mayoría de los elementos presentes en la solución, resultado que le otorga a estos hidrogeles el ser potenciales componentes a utilizar en la fabricación de sistemas absorbentes de uso cotidiano y de alta demanda como lo son los pañales. Con este potencial, podrían fabricarse pañales mucho más delgados y cómodos a los actuales, disminuyendo así los costos de producción, empleando menos material y contribuyendo con la conservación del ambiente gracias al carácter biodegradable de estos polímeros.
Referencias consultadas:
- Lohani A; Singh G; Bhattacharya S; Verma A; Review Article “Interpenetrating Polymer Networks as Innovative Drug Delivery Systems” Publishing Corporation Journal of Drug Delivery, Volume 2014, ID 583612.
- Zhang Y; Chan HF; Leong KW; “Advanced materials and processing for drug delivery: The past and the future”, Advanced Drug Delivery Reviews. 2013, 65 (1): 104-120.
- Sartore L; Vox G; Schettini E; “Preparation and Performance of Novel Biodegradable
Polymeric Materials Based on Hydrolyzed Proteins for Agricultural Application”, Journal of Polymers and the Environment. 2013, 21 (3): 718-725.
- Laftah W; Hashim S; Ibrahim A; “Polymer Hydrogels: A review”, Polymer-Plastics Technology and Engineering, 2011, 50: 1475–1486.
- Odian G; “Principles of polimerización”, 4ta Ed, 2004, Jonh Wiley & Sons, Inc.
- Cano E; Urbina M; “Polímeros inteligentes y sus aplicaciones”, Informe de vigilancia tecnológica, Parque Científico Universidad Carlos III de Madrid, España, 2009.
- Soto D; Oliva H; “Métodos para preparar hidrogeles químicos y físicos basados en almidón: una revisión”, Rev. LatinAm. Metal. Mat.; 2012, 32: 154-175.
- Hoffman A; “Hydrogels for biomedical applications”, Advanced Drug Delivery Reviews, 2012, 64: 18–23.
- Sabino, M.; Escobar, O. "ESTUDIO DE HIDROGELES INTERPENETRADOS BIODEGRADABLES EN BASE A ACRILAMIDA PARA SU USO EN LA SORCIÓN DE BIOMOLÉCULAS”, Trabajo Especial de grado, Universidad Simón Bolívar, Coordinación de Maestría en Química, 2017.
Las fotografías tienen su respectiva fuente citada debajo de las mismas; los esquemas o fotos de mi propiedad son de igual modo señalados.
Súper interesante Oscar!, es impresionante la cantidad de estudios y aplicaciones en los diferentes campos científicos y médicos en los que se han realizado estos avances..!!
Sí Letty, es muy interesante el tema. Pronto publicaré sobre más temas similares. Un saludo.
Interesante tu post estimado Oscar. Me llamo la atención que mencionaras que sirven como soporte para catalizadores, ¿en qué tipo de sistemas se utilizan con este fin?
Buenos días Emilio, gracias por leer mi artículo. Pueden prepararse hidrogeles para incorporarles en su matriz nanopartículas del catalizador para que las mismas se mantengan dispersas en el medio de la reacción sin aglomerarse y formar clusters, es decir, que haya una mayor digamos area de contacto entre los sitios activos y los componentes de la reacción a transformar. Los poros del hidrogel deberan ser lo suficientemente amplios para que puedan ingresar tanto el solvente como todas las moléculas que sean necesarias que requieran reaccionar. Un ejemplo lo puedes encontrar en el siguiente artículo. Un saludo. https://doi.org/10.1016/j.colcom.2014.12.001
Muy bueno. Gracias Oscar.
Excelente post. Muy completo! Saludos y bendiciones!
Gracias hermanito, bendiciones para ti también. Un saludo. ;)
Que interesante!!! Gracias por tu explicación, me sentí en una clase de química! Que curioso, se pueden usar desde en un simple juguete hasta en fármacos. Gracias por compartirlo y espero que puedas seguir investigando más cosas, la química es tan sorprendente!! Saludos Oscar, un voto más que merecido para ti!
Mil gracias por tu apoyo, de ahora en adelante también publicaré temas científicas. Un gran saludo para ti y éxitos!
Muy informativo, confieso que no sabia nada respecto al tema.
Bueno, yo mientras estudié tampoco, me enteré cuando me tocó hacer mi segunda tesis. Un abrazo para ti y seguiré con temas científicos. Éxitos.
Me gusta aprender nuevas cosas y este post me dio un nuevo conocimiento que siempre es apreciado, muy interesante que compartas esto, un saludo y éxitos hermano @oscardice
Oye, de verdad mil gracias a ti por tomarte el tiempo de leerlo y dejar un comentario. Me agrada mucho haber encontrado a esta comunidad, también estoy aprendiendo y hasta enterándome de temas muy interesantes. Un saludo.
Qué interesante el mundo de los biopolímeros, son muy útiles y versátiles. Espero aprender más sobre ellos con tus publicaciones. Saludos!
Es bastante amplio este campo y va en crecimiento. Super interesante, hay otros temas de esta área en los cuales no me defiendo bien, pero podré hacer un esfuerzo de traerlos a acotación más adelante. Un saludo para ti y gracias por leer.
Buenas amigo, no es mi área de estudio pero es muy interesante tu post, te invito a visitar mi blog y veras un post que recientemente he hecho y que sé que será de tu agrado