02-050

9º Congresso Latino-Americano de Orgãos Artificiais e Biomateriais
13º Congresso da Sociedade Latino Americana de Biomateriais, Orgãos Artificiais e Engenharia de Tecidos - SLABO
24 a 27 de Agosto de 2016, Foz do Iguaçu, PR
AVALIAÇÃO DO EFEITO DA HIDROXIAPATITA NA LIBERAÇÃO DO
FÁRMACO CIPROFLONAX EM NANOPARTÍCULAS MAGNÉTICAS DE
Fe3O4
P. M. A. G. Araújo1a, M. G. Lima1b, E. Leal1c, S. B. F. Santos2, I. A. Santos2,
A. C. F. M. Costa1c
1-Departamento de Engenharia de Materiais-Universidade Federal de Campina
Grande, CEP: 58429-140, Campina Grande - PB, Brasil.
2-Departamento de Engenharia Química – Universidade Federal de Campina
Grande, CEP: 58109-970 – Campina Grande- PB – Brasil
* [email protected]
Esse trabalho tem como objetivo avaliar a influência da proporção de hidroxiapatita
nos compósitos híbridos Fe3O4@SiO2 na adsorção e liberação do fármaco
ciproflonax. Inicialmente, a Fe3O4 foi sintetizada por reação de combustão e
revestida com TEOS e APTS de acordo com a metodologia de Stöber após
modificações. Após a obtenção dos híbridos Fe3O4@SiO2 foi adicionado
hidroxiapatita nas proporções mássicas de 70:30, 50:50 e 30:70 e posteriormente
adicionado 10 % do fármaco e agitado por meio da mistura física em uma placa de
agitação magnética formando os compósitos híbridos HFγ1, HFγ2 e HFγ3,
posteriormente estes, foram caracterizados por DRX, FTIR, MEV e liberação de
fármaco. Pode-se observar em todos os difratogramas de DRX, dos sistemas
híbridos a predominância de duas fases: a fase principal constituída por
hidroxiapatita e segunda fase de magnetita. As bandas de FTIR observadas
indicaram a presença de inúmeras bandas reativas capazes de se ligar a
biomoléculas que possam ser utilizadas no tratamento de doenças a exemplo da
osteomielite. Morfologicamente observou-se que os compósitos híbridos são
formados de partículas na forma de placas e aglomerados hexagonais. Quanto aos
resultados de liberação do fármaco observou-se que, quanto maior a proporção de
hidroxiapatita nos compósitos menor a massa de fármaco liberado. Por meio dos
resultados obtidos, pode-se concluir portanto, que todos os compósitos híbridos
apresentam propriedades estruturais e de liberação promissoras para aplicação
como carreador de fármaco no tratamento da osteomielite.
Palavras chave: hidroxiapatita, magnetita, ciproflonax, fármaco.
133
9º Congresso Latino-Americano de Orgãos Artificiais e Biomateriais
13º Congresso da Sociedade Latino Americana de Biomateriais, Orgãos Artificiais e Engenharia de Tecidos - SLABO
24 a 27 de Agosto de 2016, Foz do Iguaçu, PR
INTRODUÇÃO
As
nanopartículas
magnéticas
(NPM’s)
estão
sendo
continuamente
exploradas no campo da medicina e sido amplamente introduzidas para aplicações
biomédicas, incluindo distribuição de medicamentos (carreadores de fármaco) com o
objetivo de maximizar as estratégias terapêuticas atuais e minimizar os efeitos
colaterais de bioativos (1).
Além das NPM’s, outro grupo de materiais cerâmicos que despertam grande
interesse biológico e médico, devido à ocorrência em diferentes espécies animais e
no homem é representado pelas biocerâmicas de fosfato de cálcio, a exemplo da
hidroxiapatita (HAp). Estes materiais são bastante usados na reconstrução do osso,
devido à sua estrutura química semelhante em comparação com a composição
inorgânica do osso humano, apresentando propriedades de biocopatibilidade,
osteointegração e osteocondução (2-4).
A literartura reporta que a hidroxiapatita quando associada com NPM’s de
óxido de ferro tipo a magnetita (Fe3O4) revestidas com aminos silanos formando
híbridos Fe3O4@SiO2, core shell, por exemplo, tem levado a várias pesquisas na
comunidade biomédica devido a estes compósitos híbridos não apresentarem
toxicidade, serem nanoparticulados e fortemente atraídos por um imã, não tendem a
aglomeração e ainda se ligarem com biomoléculas e fármacos.
Diante desse contexto o trabalho tem como objetivo avaliar a influência da
proporção de hidroxiapatita nos compósitos híbridos HFγ1, HFγ2 e HFγ3 na adsorção
e liberação do fármaco ciproflonax (γ) em solução isotônica.
134
9º Congresso Latino-Americano de Orgãos Artificiais e Biomateriais
13º Congresso da Sociedade Latino Americana de Biomateriais, Orgãos Artificiais e Engenharia de Tecidos - SLABO
24 a 27 de Agosto de 2016, Foz do Iguaçu, PR
MATERIAIS E MÉTODOS
As nanopartículas magnéticas de Fe3O4 utilizadas neste trabalho como
adsorvente para a liberação controlada do fármaco ciproflonax foram obtidas por
reação de combustão e revestidas com tetraetil orto silicato (TEOS) e 3aminopropiltrimetoxisilano (APTS), ambos precursores da sílica (SiO2), de acordo
com a metodologia proposta por Stöber et al (1968)(5) com modificações. Para
obtenção dos compósitos híbridos HFγ1, HFγ2 e HFγ3 nas proporções mássicas de
70:30 50:50 e 30:70 inicialmente a HAp foi sintetizada tomando como referência a
metodologia proposta por Saeri et al., (2003)(6) ; Rigo et al., (2007)(7); Barros et al.,
(2012)
(8);
Medvecky et al., (2013)
(9)
e Teixeira, (2013) (10) mediante o método de
precipitação usando a relação de fósforo/cálcio = 1,67, sendo posteriormente
misturada aos híbridos Fe3O4@SiO2 previamente dissolvidos em 60 mL de água
deionizada, sob agitação constante durante 30 minutos usando um agitador
magnético modelo IKA®RH basic KT/C a temperatura ambiente.
Posteriormente, aos compósitos híbridos Fe3O4@SiO2/hidroxiapatita foi
adicionado 10 % do fármaco ciproflonax formando assim, os sistemas HFγ1, HFγ2 e
HFγ3 nas proporções mássicas Fe3O4@SiO2/hidroxiapatita de 70:30, 50:50 e 30:70.
A conjugação do fármaco ao compósito híbrido Fe3O4@SiO2/hidroxiapatita deu-se
de acordo com a metodologia proposta por Sadighian et al., (2014)
(11)
quando
obtiveram um carreador de fármaco formado por NPM’s de Fe 3O4@SiO2Doxorrubicina para tratamento do câncer. Posteriormente os compósitos híbridos
designados por: HFγ1, HFγ2 e HFγ3 foram caracterizados.
A determinação das fases presentes foi determinada a partir dos dados de
difração utilizando um difratômetro de raios-X da BRUKER (modelo D2 Phaser,
radiação Cu K). Os espectros foram obtidos na região do infravermelho médio
obtidos num espectrofotômetro por transformada de Fourier (FTIR), modelo 660-IR
da marca VARIAN, usando o método de transmissão com porta amostra da Pike e
KBr como agente dispersante. A morfologia e a estimativa do tamanho das
partículas, bem como a presença de aglomerados, foram analisadas por microscópio
MEV Philips FEG XL30 do (Laboratório de Caracterizações, LCE/DEMa, UFSCar).
Para a cinética de liberação do fármaco ciproflonax (adsorbato) foi montado
um sistema descontínuo, onde um becker de 1L foi agitado mecanicamente sob uma
agitação de 300-360 rpm. Foi construída uma curva de calibração e a correlação na
135
9º Congresso Latino-Americano de Orgãos Artificiais e Biomateriais
13º Congresso da Sociedade Latino Americana de Biomateriais, Orgãos Artificiais e Engenharia de Tecidos - SLABO
24 a 27 de Agosto de 2016, Foz do Iguaçu, PR
faixa linear da lei de Lambert-Beer, Absorbância X Concentração, foi a utilizada para
quantificar a concentração do fármaco nos experimentos de liberação.
Ao becker foram adicionados 100 mL de solução isotônica com 0,2 g do
compósito
híbrido
HFγ1,
HFγ2
e
HFγ3
nas
proporções
mássicas
Fe3O4@SiO2/hidroxiapatita de 70:30, 50:50 e 30:70 conjugados ao fármaco
ciproflonax (γ) (adsorvente). Foram coletadas sucessivas amostras no tempo de 5
até 110 minutos. Sendo posteriormente construídas curvas cinéticas da massa com
o tempo para avaliar a liberação do fármaco. Os compósitos híbridos HFγ1, HFγ2 e
HFγ3 atendem à lei de Coulomb e podem ser manipuladas pelo gradiente de campo
magnético externo, desta forma, suas propriedades magnéticas permitem o controle
da sua posição em um determinado meio através do posicionamento de um campo
magnético externo, desta forma, com o auxílio de um imã foi possível realizar a
separação das partículas sólidas da solução do fármaco o que auxiliou na coleta.
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
Na Figura 1 encontra-se ilustrados os difratogramas de raios X dos
compósitos
híbridos
HFγ1,
HFγ2
e
HFγ3
nas
proporções
mássicas
Fe3O4@SiO2/hidroxiapatita de 70:30, 50:50 e 30:70. Pode-se observar em todos os
difratogramas dos sistemas híbridos a predominância de duas fases: a fase principal
constituída por hidroxiapatita Ca5(PO4)3OH e segunda fase da magnetita Fe3O4, de
acordo com as fichas JCPDF 09-0432 e JCPDF 88-0315, respectivamente. Não
foram observados picos de segunda fase referente à hematita Fe 2O4 nos compósitos
híbridos. Constatou-se em todos os difratogramas a presença de picos com alta
intensidade e elevada largura basal para todas as reflexões, demonstrando a
cristalinidade das amostras e sua característica nanoestrutural e que a quantidade
de hidroxiapatita não alterou a estrutura das amostras.
136
9º Congresso Latino-Americano de Orgãos Artificiais e Biomateriais
13º Congresso da Sociedade Latino Americana de Biomateriais, Orgãos Artificiais e Engenharia de Tecidos - SLABO
24 a 27 de Agosto de 2016, Foz do Iguaçu, PR
Intensidade (u.a.)
(f)
H H
HH H H H
M H HM H HHHHHH H MH H
H
HFY3
(e)
HFY2
(d)
HFY1
H
JCPDF 090432
(c)
 - Ca5(PO4)3OH
(b)
JCPDF 33-0664
 - Fe2O3
(a)
JCPDF 88-0315
M - Fe3O4
20
30
40
50
60
70
2 (Graus)
Figura 1: DRX: (a), difratograma padrão da fase Ca(PO4)3OH, padrão da fase Fe3O4
(b) padrão da fase Fe2O3 (c), padrão da fase C11H16N3O2 (d), e experimental para os
compósitos híbridos (d) HFγ1, (e) HFγ2 e (f) HFγ3.
A Figura 2 ilustra o espectro de FTIR referente aos compósitos híbridos HFγ1,
HFγ2, HFγ3 nas proporções mássicas de 70:30, 50:50 e 30:70. As bandas de
adsorção, e os respectivos comprimentos de onda obtidos a partir do espectro
encontram-se reportados na Tabela 1
137
9º Congresso Latino-Americano de Orgãos Artificiais e Biomateriais
13º Congresso da Sociedade Latino Americana de Biomateriais, Orgãos Artificiais e Engenharia de Tecidos - SLABO
24 a 27 de Agosto de 2016, Foz do Iguaçu, PR
HFY3
NO
2
1000
1500
2000
CH3
de C–H
C–H
O–H
de alongamento
Combinaçao
alongamento O–H
O–H
NO2
C–F
SO2
-
PO 2
500
C–H
C–H
CH3
de C–H
de alongamento
Combinaçao
C–F
SO2
NO2
C-H
-
C-H
3-
CH2
HFY1
NO
2
PO4
HFY2
O–H
alongamento O–H
3-
PO4
CH2
CH3
de C–H
alongamento O–H
-
PO 2
O–H
NO
2
PO 2
Transmitância (u.a.)
de alongamento
3-
PO4
Combinaçao
SO2
NO2
C–F
C-H
O–H
2500
CH2
3000
3500
4000
-1
Numero de onda (cm )
Figura 2: (a) Espectro de FTIR para os sistemas de compósitos híbridos: (a) HFγ1,
(b) HFγ2 e (c) HFγ3.
As bandas observadas referente aos compósitos híbridos HFγ1, HFγ2 e
HFγ3 indicam que, foi eficaz a modificação da superfície das nanopartículas
magnéticas de Fe3O4 formando assim, híbridos que quando conjugado ao fármaco
apresentam inúmeras bandas reativas capazes de se ligar a biomoléculas que
possam ser utilizadas no tratamento de doenças a exemplo da osteomielite.
Tabela 1: Número de onda e bandas de absorção referente aos compósitos
híbridos HFγ1, HFγ2 e HFγ3.
Número de onda
(cm-1)
451
564
695
973-988
Banda
de
absorção
Fe-Si-O
PO43C-H
C-X (X=F,Cl)
Atribuições
1002
PO2
Alongamento
simétrico PO-2
1061-1132
C-F
Alongamento C–F
1164
SO2
1256-1305
NO2
Alongamento
Simétrico SO2
Alongamento
simétrico NO2
138
Flexão de C-H
-
9º Congresso Latino-Americano de Orgãos Artificiais e Biomateriais
13º Congresso da Sociedade Latino Americana de Biomateriais, Orgãos Artificiais e Engenharia de Tecidos - SLABO
24 a 27 de Agosto de 2016, Foz do Iguaçu, PR
1376
NO2
Alongamento
simétrico NO2
Alongamento
simétrico NO2
Alongamento C=O
1453
NO2
1609-1645-1693
C=O
1778-1863
C-H
1941
O-H
2018-2100
NH e OH
Alongamento N–H e
O–H
2188-2259-24322506-2598- 26262672
C-H
Alongamento C–H
2577-2722
O-H
Alongamento O–H
2852-2944
CH2
Alongamento
assimétrico de CH2
3099-3170-3247-32973360-3459-3575-3791
OH
Alongamento O–H
Alongamento de C–
H
Alongamento O–H
As Figuras 3a, 3b e 3c ilustram a morfologia referentes aos compósitos
híbridos HFγ1, HFγ2 e HFγ3 nas proporções mássicas Fe3O4@SiO2/hidroxiapatita de
70:30, 50:50 e 30:70, conjugados ao fármaco ciproflonax (γ).
(a)
(b)
(c)
139
9º Congresso Latino-Americano de Orgãos Artificiais e Biomateriais
13º Congresso da Sociedade Latino Americana de Biomateriais, Orgãos Artificiais e Engenharia de Tecidos - SLABO
24 a 27 de Agosto de 2016, Foz do Iguaçu, PR
Figura 3: (a) MEV para os compósitos híbridos: (a) HFγ1, (b) HFγ2 e (c) HFγ3.
Pode-se observar mediante a Fig. 3a que o compósito é constituído de
placas finas e de aglomerados de partículas. Possivelmente essa morfologia da
forma de placas é característica do fármaco, enquanto que os aglomerados são da
hidroxiapatita e do híbrido Fe3O4@SiO2. A morfologia do fármaco na forma de placas
também foi observada por Liu et al., (2005)
(12)
quando estudaram a cristalinidade do
cloridrato de ciprofloxacina mono-hidrato. Na Figura 3b verifica-se que os
aglomerados são constituídos por aglomerados de partículas de forma hexagonal do
híbrido Fe3O4@SiO2, bem interconectadas, com presença de poucas partículas na
forma de placas finas provavelmente do fármaco. Na Figura 3c observa-se a
presença de aglomerados do híbrido Fe3O4@SiO2 e de poucas partículas na forma
de placas. As partículas na forma de placas foram representadas por setas e os
aglomerados de hidroxiapatita e do híbrido Fe3O4@SiO2 por meio de círculos.
Na Figura 4 encontra-se o perfil cinético da liberação do fármaco
ciproflonax com as diferentes proporções mássicas Fe3O4@SiO2/hidroxiapatita de
30:70, 50:50 e 70:30 conjugados ao fármaco ciproflonax (γ) a) HFγ1, (b) HFγ2 e (c)
HFγ3.
HFγ1
HFγ2
HFγ3
Figura 4: (a) perfil cinético de liberação do fármaco para os compósitos híbridos: (a)
HFγ1, (b) HFγ2 e (c) HFγ3.
Por meio da Figura 4, observa-se oscilações um pouco mais acentuadas nas
amostras HFγ1 e HFγ2 onde as proporções de Fe3O4@SiO2/hidroxiapatita são,
respectivamente, 70:30 e 50:50 quando comparadas a quantidade de massa
dessorvida da amostras HFγ3. Ou seja, quanto maior a proporção de hidroxiapatita
140
9º Congresso Latino-Americano de Orgãos Artificiais e Biomateriais
13º Congresso da Sociedade Latino Americana de Biomateriais, Orgãos Artificiais e Engenharia de Tecidos - SLABO
24 a 27 de Agosto de 2016, Foz do Iguaçu, PR
nos compósitos híbridos menor a massa de fármaco liberado. O que pode justificar
esse comportamento seria uma possível adsorção e dessorção do fármaco, ou uma
competição no processo de dessorção e adsorção deste com a hidroxiapatita, visto
que a hidroxiapatita pode estar funcionando como adsorvente do fármaco. Segundo
Kleiner et al (2014)(13) e Ginebra et al (2012)(14) a biocompatibilidade da hidroxiapatita
somada com sua capacidade adsorvente possibilita a incorporação de moléculas
biologicamente ativas em sua estrutura. Deste modo, os compósitos híbridos HFγ1,
HFγ2 e HFγ3 são promissores como carreadores para a liberação de fármaco.
CONCLUSÕES
Por meio dos resultados obtidos pode-se concluir que os compósitos híbridos HFγ1,
HFγ2 e HFγ3 foram obtidos com sucesso e são constituídos por duas fases, a
principal constituída por hidroxiapatita Ca5(PO4)3OH e segunda fase da magnetita
Fe3O4. Onde a hidroxiapatita não interferiu nas propriedades estruturais dos
compósitos híbridos.
Os espectros de FTIR evidenciaram a presença de bandas reativas capazes
de se ligar a biomoléculas e morfologicamente concluiu-se que os compósitos
híbridos são formados de partículas na forma de placas e aglomerados hexagonais.
Quanto a cinética da liberação os resultados indicaram que quanto maior a
proporção de hidroxiapatita nos compósitos menor a massa de fármaco liberado,
gerando a hipótese de que a hidroxiapatita é um adorvente. Estas características
permitem auxiliar no entendimento das propriedades dos compósito híbridos de
forma que ele possa ser incorporado com eficiência em sistemas de carreadores
magnéticos visando o tratamento de doenças a exemplo da osteomielite.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem o apoio financeiro dos órgãos de fomento,
CAPES, CNPq, e da parceria com a empresa JHS Biomateriais.
REFERÊNCIAS
[1] JAIN, K.; MEHRA, N. K.; JAIN, N. K. Potentials and emerging trends
innanopharmacology. Current Opinion in Pharmacology, v. 15, p. 97–106, 2014.
141
9º Congresso Latino-Americano de Orgãos Artificiais e Biomateriais
13º Congresso da Sociedade Latino Americana de Biomateriais, Orgãos Artificiais e Engenharia de Tecidos - SLABO
24 a 27 de Agosto de 2016, Foz do Iguaçu, PR
[2] JIANG, H.; LIU. J-K.; WANG. J-D.; LU. YI.; ZHANG. MIN.; YANG. X-H.;
HONG. DAN-JING. The biotoxicity of hydroxyapatite nanoparticles to the plant
growth. Journal of Hazardous Materials, v. 270, p.71–81, 2014.
[3] GIL-ALBAROVA, J.; VILA, M.; BADIOLA-VARGAS, J.; SÁNCHEZSALCEDO, S.; HERRERA, A.; VALLET-REGI, M. In vivo osteointegration of
three-dimensional crosslinked gelatin-coatedhydroxyapatite foams. Acta
Biomaterialia, v. 8, p. 3777–3783, 2012.
[4] HEIMANN, R. B. Structure, properties, and biomedical performance of
osteoconductive bioceramic coatings. Surface and Coatings Technology, v.
233, p. 27–38, 2013.
[5] STÖBER, W.; FINK, A.; BOHN, E. Controlled growth of monodisperse silica.
Spheres in the micron size range. J. Colloid aInterface Sci., v.26, p.62-69, 1968.
[6] SAERI, M. R.; AFSHAR, A.; GHORBANI, M.; EHSANI, N.; SORRELL, C. C.
The wet precipitation process of hydroxyapatite‖. Materials Letters, 57, 4064–
4069, 2003.
[7] RIGO, E. C. S. Síntese e caracterização de hidroxiapatita obtida pelo
método da precipitação. Rev. Dental Press Periodontia Implantol. Maringá, v. 1,
n. 3, p. 39-50, 2007.
[8] BARROS, C. M. B.; OLIVEIRA, S. V.; MARQUES, J. B.; COSTA, A. C. F.
M.; VIANA, K. M. S. Analysis of the hydroxyapatite incorporate MTA dental
application. Materials Science Forum, v. 727-728, p. 1381-1386, 2012.
[9] MEDVECKY, L.; SOPCAK, T.; GIRMAN, V.; BRIANCIN, J. Amorphous
calcium phosphates Synthesized by precipitation from calcium D –gluconate
Solutions. Colloids and Surfaces A: Physicochemical Engineering Aspects, v.
417, p. 191– 200, 2013.
[10] TEIXEIRA, C. M. L. C. Obtenção e caracterização de compósitos
hidrogel/hidroxiapatita para uso dermatológico. 2013. Dissertação (Mestrado
em Ciência e Engenharia de Materiais). Universidade Federal de Campina
Grande, Campina Grande – PB.
[11] SADIGHIAN, S.; ROSTAMIZADEH. K.; HOSSEINI-MONFARED. H.;
HAMIDI. M. Doxorubicin-conjugated core–shell magnetite nanoparticles as
dual-targeting carriers for anticancer drug delivery, Colloids and Surfaces B:
Biointerfaces. v.117, p.406–413, 2014.
[12] LIU, Y.; WANG, J.; YIN, Q. The crystal habit of ciprofloxacin hydrochloride
monohydrate crystal. Journal of Crystal Growth, p.276 237–242, 2005.
[13] KLEINER, L. W.; WRIGHT, J. C.; WANG, Y. Evolution of implantable and
insertable drug delivery systems. Journal of Controlled Release. v. 181, p.1-10, 2014.
142
9º Congresso Latino-Americano de Orgãos Artificiais e Biomateriais
13º Congresso da Sociedade Latino Americana de Biomateriais, Orgãos Artificiais e Engenharia de Tecidos - SLABO
24 a 27 de Agosto de 2016, Foz do Iguaçu, PR
[14] GINEBRA, M.P.; CANAL, C. MONTSERRAT ESPANOL. ET AL. Calcium
phosphate cements as drug delivery materials. Advanced Drug Delivery Reviews. v.
64, p. 1090-1110, 2012.
Abstract
This paper aims to evaluate the influence of the proportion of hydroxyapatite in
composite hybrid Fe3O4@SiO2 on adsorption and release of ciproflonax drug.
Initially, Fe3O4 synthesized was by combustion and coated with TEOS and
APTS of according to Stöber method after modifications. Subsequent to
obtaining the Fe3O4@SiO2/hydroxyapatite hybrid was added in the mass
proportions 70:30, 50:50 and 30:70 and then 10% of the drug added and stirred
by means of physical mixing in a plate of magnetic stirring, forming HFγ 1, HFγ2
HFγ3 composite hybrid and thereafter these were characterized by XRD, FTIR,
SEM and drug delivery. It observed can be in XRD diffractograms all, of hybrid
systems predominance of two phases: a major phase consisting of
hydroxyapatite and second phase magnetite. The bands observed FTIR
indicated the presence of numerous reactive bands capable of binding to
biomolecules that used can be in the treatment of diseases example of
osteomyelitis. Morphologically it concluded was that the hybrid composite
particles formed are in the shape of hexagonal plates and agglomerates.
Regarding the drug release results it observed was that the higher the
proportion of the hydroxyapatite composites of lower drug mass released.
Through the obtained results, it concluded can be therefore that all hybrid
composites exhibit structural properties and release promising for use as drug
carrier in the treatment of osteomyelitis.
Keywords: hydroxyapatite, magnetite, ciproflonax, drug.
143