408-060

21º CBECIMAT - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais
09 a 13 de Novembro de 2014, Cuiabá, MT, Brasil
Análise das propriedades térmicas e mecânica, de estruturas
tridimensionais de quitosana com a inclusão do fármaco curcumina.
Milena Costa da Silva1*, Suelem Sonaly Lima Oliveira 1, Michele Dayane
Rodrigues Leite1, Thiago Bizerra Fideles1 , Marcus Vinícius Lia Fook1.
[email protected]*
1
Unidade Acadêmica de Engenharia de Materiais – Universidade Federal de Campina Grande
Rua Aprígio Veloso, 882, Bodocongó, CEP 58109-970, Campina Grande – Paraíba
Resumo:
Além de apresentar características como alta hidrofilicidade,
biocompatibilidade, bioadesão, permeabilidade e não toxicidade, a quitosana
tem sido pesquisada como um transportador potencial para administração de
fármacos. Diante disto, este trabalho teve como objetivo avaliar as
propriedades térmicas por Termogravimetria (TG) e Calorimetria Exploratória
Diferencial (DSC) e mecânica por ensaio de compressão dos scaffolds de
quitosana com a introdução do fármaco curcumina. A partir dos resultados de
DSC, observou-se que a introdução da curcumina provocou a perca de
cristalinidade do arcabouço devido à diminuição da entalpia de fusão e pelas
curvas TG verificou-se que as ambas as amostras, com e sem o fármaco,
possuem o mesmo perfil térmico, sendo degradadas em três eventos. Já pelo
teste de compressão, tem-se que a introdução da curcumina diminui
ligeiramente a resistência à compressão, e a deformação em 90%, quando
comparado com o arcabouço de quitosana.
Palavras-chave: quitosana, estruturas tridimensionais, curcumina.
Abstract:
Besides presenting characteristics such as high hydrophilicity,
biocompatibility, bioadhesion, permeability and non-toxicity, chitosan has been
investigated as a potential carrier for drug delivery. Given this, this study aimed
to evaluate the thermal properties, by Thermogravimetry (TG) and Differential
Scanning Calorimetry (DSC), and by mechanical compression test of chitosan
scaffolds with the introduction of curcumin drug. From the DSC results, it was
observed that the introduction of curcumin caused the loss of crystallinity of the
scaffolds due to the reduced melting enthalpy and, from TG curves, it was found
that both samples with and without the drug, have the same thermal profile,
being degraded in three events. From the compression test, the introduction of
curcumin slightly decreases the compressive strength and the deformation by
90%, when compared to the chitosan scaffolds.
Keywords: chitosan, three-dimensional structures, curcumin.
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INTRODUÇÃO
Arcabouços para engenharia de tecidos são, geralmente, feitos de
materiais biocompatíveis, biodegradáveis e bioabsorvíveis com estruturas
porosas e interligadas para transporte de nutrientes e resíduos. A quitosana é
um biopolímero natural, que possui a glucosamina e N - acetilglucosamina,
obtido pela desacetilação da quitina. Devido as suas benéficas propriedades
físico-químicas,
biodegradabilidade,
biocompatibilidade,
não
toxicidade,
funcionalidade e capacidade de processamento, a quitosana tem sido
pesquisada em várias aplicações biomédicas, tais como: na cicatrização de
ferida,
curativos,
administração
de
medicamentos,
na
área
de
nanobiotecnologia, cirurgia cardiovascular e liberação de drogas (LIU et al.,
2007; BALAN & VERESTIUC, 2014; JAYAKUMARA et al., 2010; YUE, 2014).
Formulações à base de nanopartículas de quitosana têm sido utilizados para o
carreamento e entrega de diferentes medicamentos e vacinas. Portanto neste
trabalho utilizou-se a curcumina como fármaco, introduzido nas esferas de
quitosana.
A curcumina é um componente polifenólico da Curcuma longa L., que
pertence à família Zingiberaceae, é uma erva perene que mede até 1 m de
altura com um tronco curto, distribuídos pelas regiões tropicais e subtropicais
do mundo, sendo amplamente cultivado em países asiáticos, principalmente na
Índia e China. Seus rizomas são longos, ovais, piriforme, muitas vezes de
curtas ramificações. O princípio corante de açafrão foi isolado no século 19 e
foi chamado curcumina, a qual foi extraída a partir dos rizomas de C.longa L.,
com cor amarela e é o principal componente desta planta (ARAUJO & LEON,
2001). A curcumina possui características anti-inflamatória, antibacteriana,
antiparasitários, antioxidante, antimalárica e atividades anticancerígenas
(NAKSURIYA et al., 2014).
Portanto o presente estudo tem como objetivo avaliar o comportamento
térmico e mecânico dos arcabouços de quitosana com a introdução do
fármaco, curcumina.
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MATERIAIS E MÉTODOS
Materiais
Quitosana em pó, de médio peso molecular, com grau de desacetilação
entre 75 – 85%; Curcumina Longa; Tampão de Fosfato Salino (PBS); Ácido
Acético P.A., a Gelatina Porcina todos adquiridos pela Sigma-Aldrich. Sulfato
de Sódio; adquirido pela Nuclear (Na2SO) e o Etanol Glacial, adquirido pela
Neon.
Métodos
Preparação dos Arcabouços
Preparou-se a solução de quitosana (2%), com ácido acético (1%) sobre
agitação constante com temperatura ambiente por 24 horas. Para se obter a
solução de quitosana/curcumina, o pó de curcumina, foi dissolvido em metanol
(10mg/mL). Em seguida, a solução de curcumina foi incorporada à solução de
quitosana. Posteriormente obteve-se as esferas a partir do método de
gelificação ionotrópica, por meio de uma seringa com agulha de dimensões
0,45mm x 13mm (26G x ½”), em uma solução coagulante de sulfato de sódio
(5%), em seguida as esferas foram neutralizadas com PBS. Para obtenção das
estruturas tridimensionais, as esferas foram acondicionadas em tubos falcons,
para ocorrer uma maior adesão entre as partículas utilizou-se uma solução de
gelatina (5%), em seguida foram congeladas a aproximadamente -20oC e
liofilizadas por 48 horas.
CARACTERIZAÇÕES
Termogravimetria (TG)
A análise de termogravimetria foi utilizada com o objetivo de avaliar a
estabilidade térmica dos arcabouços, e o comportamento da quitosana quando
adicionado a curcumina. Utilizou-se para a realização das análises o
equipamento TG modelo Q600 (TA – Instruments), com uma taxa de
aquecimento 10 ºC/min, utilizando atmosferas de ar.
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Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC)
Utilizou-se a análise o DSC, modelo Q20 (TA – Instruments), com o
objetivo de observar as transições de fases, e avaliar se ocorreram interações
químicas entre a quitosana e a curcumina.
Propriedades Mecânicas de Compressão
Os arcabouços foram ensaiados por compressão, no equipamento de
ensaio universal INSTRON 3366. As matrizes cilíndricas com dimensões de 20
mm de diâmetro e 10 mm de altura foram submetidas ao ensaio, utilizando uma
célula de carga de 500 N, com velocidade de 1,3 mm/min.
Resultados
Calorimetria Exploratória Diferencial - DSC
A Figura 01 mostra os resultados obtidos pelas análises da curva de
DSC da quitosana pura, do arcabouço de quitosana, da curcumina pura e
arcabouços de quitosana/curcumina. A partir da curva DSC da quitosana pura
verifica-se um pico endotérmico em 120,5°C referente a evaporação de
substâncias voláteis, e um exotérmico em 305,8°C correspondente à
degradação da quitosana. Para os arcabouços de quitosana observa-se os
picos endotérmicos em 146,9°C; 235,5°C; e 285,53°C, sendo o primeiro pico
atribuído à perda de componentes voláteis, o segundo a clivagem das
interações eletrostáticas entre o polímero e os íons do sulfato, e o terceiro
referente a degradação do material, respectivamente. O termograma da
curcumina, apresenta um pico agudo endotérmico a 172,74 oC indicando a
natureza
cristalina
do
fármaco
puro,
e
um
pico
exotérmico
em
aproximadamente 199,5 ºC, indicando o início da sua decomposição térmica,
corroborando com Buzanello, 2013 . Na curva de DSC do arcabouço de
quitosana/curcumina, como no termograma do arcabouço de quitosana tem-se
a presença de três picos endotérmicos, em 138,7°C, 234,4°C e 278,8°C
respectivamente e em 310,44°C tem-se o início da degradação. Verifica-se
também o desaparecimento do pico característico da curcumina. Indicando
assim, que esta foi encapsulada na quitosana no estado amorfo, conforme
relatado por BUZANELLO, 2013).
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Figura 01: Termograma da quitosana pura, do arcabouço de quitosana, da
curcumina pura e arcabouços de quitosana/curcumina.
Fluxo de Calor (mW)
Quitosana Pura
Arcabouço Quitosana
Curcumina Pura
Arcabouço Quitosana/Curcumina
Endotérmico
0
100
200
300
400
0
Temperatura ( C)
Análise Termogravimétrica – TG
Na
Figura
02
estão
apresentadas
as
curvas
de
análise
termogravimétrica da quitosana pura, do arcabouço de quitosana, da
curcumina pura e do arcabouço quitosana/curcumina. Na curva de TG para
quitosana pura, tem-se o primeiro evento de 29,3 a 177,5oC, com perda de
massa de 9,7%, corresponde ao processo de desidratação. Já no segundo
evento observa-se uma perda de massa de 53,2% entre 207,4 a 446,5 oC,
referente a decomposição do polímero. Para a curva TG dos arcabouços de
quitosana, o primeiro evento ocorre de 24 a 148 oC, com perda de massa de
7,7%, característico da perda de moléculas de água. No segundo evento a
perda de massa foi de 22,5% entre 235 a 301,2 oC, corresponde a evaporação
da água ligada internamente. O último evento ocorre entre 301,2 a 598 oC, com
perda de massa de 33,3% sendo referente a decomposição da amostra. Na
curva TG da curcumina pura, verifica-se que toda a decomposição ocorre em
três eventos, o primeiro de 180,8 oC a 197,2 oC onde a perda de massa foi de
1,1% e o segundo com 39,7% de perda de massa de 230,0 oC até 425,4 oC e o
terceiro de 425,4 oC a 588,8 oC, com 59,2% de perda de massa.
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Figura 02: Curva TG da quitosana pura, do arcabouço de quitosana, da
curcumina pura e do arcabouço quitosana/curcumina.
Quitosana pura
Arcabouço de quitosana
Curcumina pura
Arcabouço quitosana/curcumina
Perda de Massa (%)
100
80
60
40
20
0
0
100
200
300
400
500
600
0
Temperatura ( C)
Nas curvas TG dos arcabouços de quitosana e quitosana/curcumina,
observa-se que ambas amostras possuem o mesmo perfil, e que o
processamento diminui a estabilidade térmica dos arcabouços, quando
comparada com a quitosana pura.
A curva TG do arcabouço de
quitosana/curcumina também apresenta três eventos sendo o primeiro em 24,3
a 138,2oC, o segundo de 219,1 a 302,4 oC e o terceiro de 302,4 a 596,1oC com
perda de massa de 7,7; 22,3 e 37,7%, para o primeiro, segundo e terceiro
evento respectivamente. Análogo a descrição das etapas do arcabouço de
quitosana, a primeira etapa refere-se a decomposição da água residual, e o
segundo a água ligada na estrutura interna da amostra, porém o terceiro
evento refere-se a degradação do polímero e do fármaco. Portanto, não houve
alterações térmicas significativas com a adição do fármaco na quitosana,
devido provavelmente ao fármaco esta disperso a nível molecular interagindo
com a quitosana pelas pontes de hidrogênios (PARIZE 2009). Corroborando
com os resultados obtidos pelo DSC.
Ensaios de Compressão
A Figura 03 (a) apresenta o gráfico da tensão máxima dos arcabouços
de
quitosana
que
foi
de
0.37MPa
±
0.017
e
do
arcabouço
de
quitosana/curcumina de 0.33MPa ± 0.045. Observa que a introdução do
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fármaco no arcabouço diminui a resistência a compressão, quando comprado
com o arcabouço de quitosana.
Figura 03: Gráfico da Tensão máxima dos arcabouços da quitosana e
qutosana/curcumina (a), deformação máxima dos arcabouços de quitosana e
quitosana/curcumina (b).
(a)
(b)
0.40
90
0.35
80
70
0.30
60
0.25
50
0.20
40
0.15
30
0.10
20
0.05
10
0.00
Quitosana
0
Quitosana/Curcumina
Quitosana
~ Maxima
´
Tensao
(MPa)
Quitosana/Curcumina
~ Maxima
´
Deformaçao
(%)
O mesmo ocorre para a deformação (Figura 03 (b)), a presença do
fármaco diminui de forma discreta a deformação dos arcabouços, porém se
observamos o desvio, esta diferença torna-se insignificante. Sendo o valor da
deformação máxima para a amostra de quitosana de 0.72% ± 0.117 e para o
arcabouço de quitosana/curcumina de 0.71% ± 0.035. Portanto as boas
propriedades mecânicas, observadas pelo ensaio de compressão dos
arcabouços de quitosana e quitosana/curcumina, pode ser atribuída a boa
ligação entre as esferas, a partir da utilização da solução gelatina.
CONCLUSÃO
A partir da obtenção dos resultados das propriedades térmicas e
mecânica pode-se concluir, para os scaffolds de quitosana com a inclusão do
farmaco, que a presença do fármaco não provocou mudanças significativas nas
estabilidades térmica dos mesmos. E pelo ensaio de compressão tem-se que a
inclusão do fármaco nos scaffolds diminui de forma pouca significativa a tensão
e deformação máxima.
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AGRADECIMENTOS
Os
autores
agradecem,
ao
apoio
financeiro
da
Coordenação
de
Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior/CAPES, Hospital Samaritano de
São Paulo e ao Ministério da Saúde do Brasil.
REFERÊNCIAS
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Memórias do Instituto Oswaldo Cruz, Rio de Janeiro, v. 96, n. 5, p. 723-728,
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BALAN, V.; VERESTIUC, L. Strategies to improve chitosan hemocompatibility:
A review. European Journal Polymer. v. 53 , p. 171-188, 2014.
BUZANELLO, R. A. da S. Nanoencapsulação de curcumina em polímeros
biodegradáveis/biocompatíveis. Dissertação. Universidade Tecnológica Federal
do Paraná. Campo Mourão. 2013.
JAYAKUMAR, R. ; PRABAHARAN, M. ; KUMAR, P.T. S.;
NAIR,
S.V. ;
TAMURA, H. Biomaterials based on chitin and chitosan in wound dressing
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LIU, C.; XIA, Z.; CZERNUSZKA, J. T. Design and development of threedimensional scaffolds for tissue engineering. Chemical Engineering Research
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PARIZE, A. L. Desenvolvimento de Sistemas Microparticulados e de Filmes a
Base de Quitosana e Corante Natural Cúrcuma. Florianópolis – SC. 2009. Tese
(Doutorado). Pós-Graduação em Química da Universidade Federal de Santa
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YUE, W. Prevention of browning of depolymerized chitosan obtained by gamma
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