MEQ14040

UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO
ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA
Davi Éber Sanches de Menezes
Desenvolvimento de filmes poliméricos à base de hidrogel
biocompatível e sensível a estímulos de poli(Nvinilcaprolactama-co-ácido itacônico) e quitosana
Lorena
2014
DAVI ÉBER SANCHES DE MENEZES
Desenvolvimento de filmes poliméricos à base de hidrogel
biocompatível e sensível a estímulos de poli(Nvinilcaprolactama-co-ácido itacônico) e quitosana
Trabalho
de
conclusão
de
curso
apresentado à Escola de Engenharia
de Lorena da Universidade de São
Paulo como requisito para graduação
em Engenharia Química.
Orientadora: Profa. Dra. Simone de
Fátima Medeiros
Lorena
2014
Dedico este trabalho a Deus, à minha
família e aos meus amigos. Agradeço a
eles pela força, incentivo e compreensão
durante a elaboração desse trabalho.
AGRADECIMENTOS
A Deus, pela sua graça.
À Profa. Dra. Simone de Fátima Medeiros pela orientação e ensinamentos
transmitidos durante o desenvolvimento deste trabalho. Ao Prof. Dr. Sergio Paulo
Campana Filho pela co-orientação e disposição de materiais utilizados, e ao seu
aluno de doutorado Danilo Martins pelas informações que foram essenciais para o
desenvolvimento dos filmes.
Aos membros do LabPol, pelo compartilhamento de conhecimentos e
favores prestados. Em especial, à Gizelda e ao Rodrigo pela atenção e sugestões
que valorizaram o trabalho.
Ao Laboratório Associado de Sensores e Materiais (LAS) do Instituto
Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), especialmente ao João Paulo, pelas
análises de difratometria de raios X.
Ao Eduardo, mestrando do DEMAR, pela boa vontade demonstrada
durante as análises de microscopia eletrônica de varredura.
Ao Prof. Dr. Carlos Yujiro Shigue, pelo treinamento e disposição do
equipamento de DSC para análises de calorimetria exploratória diferencial.
Àqueles que me apoiaram e me desejaram sucesso.
“O importante é isso: Estar pronto para, a qualquer momento,
sacrificar o que somos pelo que poderíamos vir a ser”
(Charles Dubois)
RESUMO
MENEZES, D.E.S. Desenvolvimento de filmes poliméricos à base de hidrogel
biocompatível e sensível a estímulos de poli(N-vinilcaprolactama-co-ácido
itacônico) e quitosana. 2014. 81 f. Monografia de Graduação em Engenharia
Química – Escola de Engenharia de Lorena, Universidade de São Paulo, Lorena,
2014.
Existe um crescente interesse pela síntese e caracterização de hidrogéis (micro e
nano) poliméricos, sensíveis a múltiplos estímulos externos, principalmente
aqueles que estão diretamente relacionados com o funcionamento do organismo
vivo, como a temperatura e o pH, na área da biomedicina. Tanto para aplicações
in vitro quanto in vivo, essa propriedade dos hidrogéis sensíveis, também
conhecidos como “materiais inteligentes”, pode viabilizar sua aplicação tanto em
diagnósticos quanto para fins terapêuticos, como na liberação controlada de
fármacos. Os sistemas de liberação controlada visam aumentar o tempo de ação
terapêutica de um fármaco dentro do organismo, sem a necessidade de altas
doses periódicas. Nesse sentido, o estudo de hidrogéis como agentes
encapsulantes vem ganhando destaque, devido à sua alta capacidade de
absorver água, permitindo que tais materiais possam variar consideravelmente em
volume e, assim, reter ou liberar um fármaco encapsulado. Hidrogéis à base de
poli(N-vinilcaprolactama-co-ácido itacônico) (poli(NVCL-co-AI)) se apresentam,
comumente, na forma de nanopartículas esféricas reticuladas, cujo grau de
hidratação e intumescimento dependem da temperatura e pH do meio. Se por um
lado esses hidrogéis adquirem um estado contraído em pH ácido, o
intumescimento pode ser significativo em pH básico. O objetivo principal desse
trabalho consiste, portanto, no desenvolvimento de filmes poliméricos constituídos
de um hidrogel de poli(NVCL-co-AI) e quitosana pelo método de evaporação do
solvente (“casting”). Tais filmes podem representar potenciais ferramentas em
estudos de regeneração de tecidos lesionados e liberação controlada de princípios
terapêuticos por administração transdérmica. Adicionalmente, foram preparados
filmes utilizando agentes de reticulação química e física (glutaraldeído e
tripolifosfato de sódio, respectivamente) e plastificante (glicerina) e suas
propriedades térmicas, grau de intumescimento e perda de massa, foram
comparados com os filmes preparados na ausência desses aditivos. Além de
promissores, os resultados obtidos no estudo desses filmes poliméricos também
indicam a viabilidade de uso de hidrogéis biocompatíveis e sensíveis a estímulos
de poli(NVCL-co-AI) e quitosana em outros sistemas de liberação controlada
como, por exemplo, nanopartículas do tipo “core-shell” para administração oral ou
injetável de princípios ativos.
Palavras-chave: filmes de quitosana, hidrogéis, sensibilidade à estímulos,
liberação controlada.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1.1
Representação esquemática do sistema polimérico à base de
poli(NVCL-co-AI) e quitosana.
Figura 2.1
Estrutura molecular da quitosana: a) unidade com grupo amino livre
(glicosamina) b) unidade com grupo amino acetilado, característico
da quitina (N-acetil-glicosamina) (adaptado de KUMAR, 2000).
Figura 2.2
Esquema de preparação dos filmes: (a) Suspensão aquosa de NPs
de PEG-b-PLA carregadas com insulina (b) Quitosana e glicerol
diluídos em ácido acético (gel) (c) Gel de quitosana com dispersão
de NPs (d) Filme de quitosana impregnado com NPs (adaptado de
GIOVINO et al., 2012).
Figura 4.1
Efeito da temperatura no diâmetro hidrodinâmico do hidrogel à base
de poli(NVCL-co-AI) disperso em pH 10.
Figura 4.2
Efeito do pH no diâmetro hidrodinâmico (A) e potencial zeta (B) do
hidrogel à base de poli(NVCL-co-AI). Todas as medidas foram feitas
a 25°C.
Figura 4.3
Interações preferenciais dos grupos carboxílicos presentes na
estrutura do AI: A) ph abaixo do pka e B) pH acima do pka.
Figura 4.4
Micrografia de TEM das nanopartículas de Poli(NVCL-co-AI).
Figura 4.5
Aspecto dos filmes preparados com diferentes proporções entre a
quitosana e as nanopartículas de poli(NVCL-co-AI).
Figura 4.6
Micrografias obtidas por MEV do filme constituído de quitosana pura:
A) aproximação de 10 KX e B) aproximação de 20KX.
Figura 4.7
Micrografias obtidas por MEV do filme F4, preparado com 25 mg de
quitosana e 1 mL da dispersão de NPs: A) aproximação de 10 KX e
B) aproximação de 20KX.
Figura 4.8
Micrografias obtidas por MEV do filme F5, preparado com 25mg de
quitosana e 3 mL da dispersão de NPs: A) aproximação de 10 KX e
B) aproximação de 20KX.
Figura 4.9
Micrografias obtidas por MEV do filme F6, preparado com 25mg de
quitosana e 5 mL da dispersão de NPs: A) aproximação de 10 KX e
B) aproximação de 20KX.
Figura 4.10 Micrografias obtidas por MEV do filme F10 (com a adição de
glicerina): A) aproximação de 10 KX e B) aproximação de 20KX.
Figura 4.11 Micrografias obtidas por MEV do filme F11 (com a adição de TPP):
A) aproximação de 10 KX e B) aproximação de 20KX.
Figura 4.12 Micrografias obtidas por MEV do filme F12 (com a adição de
glutaraldeído): A) aproximação de 10 KX e B) aproximação de 20KX.
Figura 4.13 Espectros de infra vermelho (FTIR) dos filmes à base de quitosana,
poli(NVCL-co-AI) e aditivos.
Figura 4.14 Curvas de TGA (A) e DTG (B) da quitosana e dos filmes à base de
quitosana e poli(NVCL-co-AI).
Figura 4.15 Diagramas de DSC do filme F4: A) Sem aquecimento prévio e B)
Com aquecimento prévio até 160°C.
Figura 4.16 Diagramas de DSC do hidrogel de poli(NVCL-co-AI), do filmes de
quitosana puro e do filme F4, constituído de quitosana e poli(NVCLco-AI).
Figura 4.17 Representação esquemática da estrutura do hidrogel de poli(NVCLco-AI), de acordo com o grau de reticulação e cristalinidade.
Figura 4.18 Diagramas de DSC dos filmes de quitosana e poli(NVCL-co-AI)
preparados na presença de aditivos.
Figura 4.19 Difratogramas de raios X do hidrogel de poli(NVCL-co-AI) e da
quitosana puros e dos filmes à base de quitosana, poli(NVCL-co-AI),
na presença e ausência de aditivos.
Figura 4.20 Intumescimento das amostras de F4 em função do tempo e do pH.
Figura 4.21 Grau de intumescimento (GI) dos filmes de quitosana-poli(NVCL-coAI), com diferentes proporções de hidrogel, imersos em pH 5,8.
Figura 4.22 Grau de intumescimento (GI) dos filmes de quitosana-poli(NVCL-coAI), com diferentes proporções de hidrogel, imersos em pH 7,4.
Figura 4.23 Grau de intumescimento (GI) dos filmes de quitosana-poli(NVCL-coAI), com diferentes proporções de hidrogel, imersos em pH 9.
Figura 4.24 Grau de intumescimento (GI) dos filmes de quitosana e poli(NVCLco-AI), preparados na presença de aditivos.
Figura 4.25 Perda de massa (PM), em função do pH, dos filmes preparados com
diferentes proporções entre a quitosana e o hidrogel de poli(NVCLco-AI).
Figura 4.26 Perda de Massa (PM), em função do pH, dos filmes de quitosana e
poli(NVCL-co-AI), preparados na presença de aditivos.
LISTA DE TABELAS
Tabela 3.1
Estrutura química dos reagentes utilizados na síntese do hidrogel à
base de poli(NVCL-co-AI) e na preparação dos filmes.
Tabela 3.2
Condições utilizadas no preparo dos filmes à base de quitosana,
poli(NVCL-co-AI) e aditivos.
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
AcOH
Ácido acético
AI
Ácido itacônico
Dh
Diâmetro hidrodinâmico
DLS
Espalhamento dinâmico de luz
(Dinamic Light Scattering)
DMTA
Análise termodinâmico-mecânica
DRX
Difratometria de raios X
DSC
Calorimetria exploratória diferencial
EGDMA
Dimetacrilato de etilenoglicol
FTIR
Espectrometria de infra vermelho por transforma de
fourier
GI
Grau de intumescimento
GD
Grau de desacetilação
KPS
Persulfato de potássio
MBA
N,N’-metileno-bis-acrilamida
MEV
Microscopia Eletrônica de Varredura
MF
Massa final
MO
Massa inicial
MU
Massa úmida
NaHCO3
Bicarbonato de sódio
NPs
Nanopartículas de poli(NVCL-co-AI)
NVCL
N-vinilcaprolactama
PM
Perda de massa
PNVCL
Poli(N-vinilcaprolactama)
Poli(NVCL-co-AI)
Poli(N-vinilcaprolactama-co-ácido itacônico)
SDS
Dodecil sulfato de sódio
TEM
Microscopia eletrônica de transmissão
Tg
Temperatura de transição vítrea
TGA
Análise termo-gravimétrica
Tm
Temperatura de fusão cristalina
TPP
Tripolifosfato de sódio
VPTT
Temperatura de transição de fase volumétrica
(Volumetric Phase Transition Temperature)
SUMÁRIO
1
introdução ....................................................................................................... 1
2
Revisão Bibliográfica ..................................................................................... 6
2.1
Biopolímeros .............................................................................................. 6
2.1.1
Biocompatibilidade .............................................................................. 6
2.1.2
Biodegradabilidade.............................................................................. 7
2.2
Quitosana como biomaterial ...................................................................... 7
2.2.1
2.3
Aplicações da quitosana...................................................................... 9
Membranas e filmes de quitosana ............................................................. 9
2.3.1
Reticulação de filmes de quitosana ................................................... 10
2.3.2
Filmes de quitosana plastificados...................................................... 11
2.3.3
Aplicações de filmes à base de quitosana......................................... 12
2.3.4
Incorporação de hidrogéis nanoparticulados em filmes de quitosana ...
.......................................................................................................... 13
2.4
Hidrogéis biocompatíveis à base de poli(N-vinilcaprolactama-co-ácido
itacônico) (poli(NVCL-co-AI)) ................................................................... 15
3
Materiais e Métodos ..................................................................................... 17
3.1
Materiais .................................................................................................. 17
3.2
Síntese do hidrogel à base de poli(NVCL-co-AI) ..................................... 17
3.3
Preparação de filmes poliméricos constituídos de hidrogel de poli(NVCLco-AI) e quitosana .................................................................................... 19
3.4
Caracterização do hidrogel à base de poli(NVCL-co-AI) e dos filmes à
base de quitosana e poli(NVCL-co-AI)..................................................... 20
3.4.1
Espalhamento dinâmico de luz (DLS) e potencial zeta ..................... 20
3.4.2
Morfologia.......................................................................................... 21
3.4.3
Espectrometria de infra vermelho (FTIR) .......................................... 21
3.4.4
Análise termogravimétrica (TGA) e Termogravimetria derivada (DTG) .
.......................................................................................................... 21
3.4.5
Calorimetria exploratória diferencial (DSC) ....................................... 22
4
3.4.6
Difratometria de raios X..................................................................... 22
3.4.7
Sensibilidade à temperatura e ao pH ................................................ 22
3.4.8
Testes de Perda de Massa................................................................ 23
Resultados e Discussão .............................................................................. 24
4.1
Hidrogel à base de poli(NVCL-co-AI) ....................................................... 24
4.1.1
Diâmetro das nanopartículas e potencial zeta................................... 24
4.1.2
Morfologia das nanopartículas de poli(NVCL-co-AI).......................... 27
4.2
Filmes poliméricos preparados com quitosana e nanopartículas de
poli(NVCL-co-AI) ...................................................................................... 27
4.2.1
Características Morfológicas dos Filmes ........................................... 29
4.2.2
Espectrometria de FTIR .................................................................... 38
4.2.3
Análise termogravimétrica (TGA) e Termogravimetria derivada (DTG) .
.......................................................................................................... 41
4.2.4
Calorimetria Diferencial Exploratória (DSC) ...................................... 42
4.2.5
Difratometria de raios X..................................................................... 47
4.2.6
Intumescimento dos filmes em função do tempo............................... 48
4.2.7
Sensibilidade à temperatura e ao pH em função da concentração de
nanopartículas. ............................................................................................... 50
4.2.8
Grau de intumescimento dos filmes preparados na presença de
aditivos .......................................................................................................... 54
4.2.9
Perda de massa dos filmes ............................................................... 55
5
Conclusões ................................................................................................... 59
6
Sugestões para trabalhos futuros .............................................................. 61
Referências Bibliográficas........................................................................... 63
1
INTRODUÇÃO
Considerações iniciais
A incorporação de um agente ativo em estruturas poliméricas consiste
em uma tarefa de grande interesse para sistemas de liberação controlada de
drogas. A liberação da droga a partir de uma estrutura polimérica se faz de
maneira controlada e mantém a concentração do agente ativo dentro da faixa
de efeito ótimo. Além disso, sistemas de liberação controlada podem levar a
uma redução na frequência de administração do fármaco em cerca de 50 – 80%
(WANG et al., 2006).
Para a elaboração de um sistema polimérico de liberação controlada de
um ativo, o mesmo pode ser uniformemente disperso na matriz polimérica ou
circundado por um revestimento polimérico. Em ambos os casos, a liberação
pode ocorrer, entre outros mecanismos, por difusão do ativo e/ou dissolução da
matriz. A liberação por difusão ocorre quando uma droga incorporada passa
através dos poros poliméricos (no caso de partículas poliméricas porosas) ou
através das cadeias poliméricas (UHRICH et al., 1999).
Outras vantagens dos sistemas de liberação de droga incluem: a redução
dos efeitos colaterais; a prevenção de ultrapassagem dos níveis tóxicos durante a
dosagem;
a
liberação
localizada
e
contínua
do
princípio
ativo
e,
consequentemente, o aumento do conforto do paciente ao realizar um tratamento
médico (DIMITRIU, 1993).
Dentro desse contexto, destacam-se os “materiais inteligentes”, capazes de
variar
uma
ou
mais
de
suas
propriedades físico-químicas,
tais
como
permeabilidade, solubilidade, polaridade, rigidez, volume, etc, em resposta a um
estímulo externo, que pode ser temperatura, pH, luz, campo eletromagnético,
força iônica, ou ainda pela presença de componentes externos, tais como
moléculas biológicas, etc. Dentre esses materiais, os polímeros sensíveis à
temperatura e ao pH vêm ganhando especial atenção nas áreas biomédica e
farmacêutica, como por exemplo, em sistemas para liberação controlada de
fármacos (AGUILAR et al., 2007).
1
Com relação à microestrutura dos polímeros inteligentes, especial destaque
vem sendo dado aos hidrogéis, que constituem redes tridimensionais formadas
por cadeias poliméricas reticuladas através de interações físicas ou químicas e
com apreciável capacidade de absorção de água. Em aplicações biomédicas,
esses materiais são amplamente estudados em liberação controlada de princípios
terapêuticos e na medicina regenerativa (ELISSEEFF, 2008). Hidrogéis sensíveis
a estímulos, principalmente temperatura e pH, podem liberar fármacos não só de
maneira controlada, mas também localizada. Além disso, no corpo humano, os
hidrogéis podem proteger o fármaco de ambientes hostis, como na presença de
enzimas e no pH baixo do estômago (QIU; PARK, 2001). Em relação à medicina
regenerativa e engenharia de tecidos, os hidrogéis normalmente utilizados são
biodegradáveis, processados em condições moderadas, com propriedades
estruturais e mecânicas similares às dos tecidos vivos e com propriedades físicoquímicas e biológicas apropriadas (DRURY; MOONEY, 2003; ASSIS et al., 2005).
Esses biomateriais podem ser aplicados como suportes a fim de fornecer
integridade estrutural para reconstrução de tecidos, na liberação controlada de
proteínas e princípios terapêuticos em tecidos e como adesivos ou barreiras entre
a superfície dos tecidos e materiais (SLAUGHTER et al. 2009).
Os hidrogéis sensíveis à temperatura possuem cadeias poliméricas termosensíveis que sofrem uma transição de fases quando atingem a LCST
(Temperatura Crítica Inferior de Solubilização) ou UCST (Temperatura Crítica
Superior de Solubilização). Esta transição de fases é resultante da modificação
abrupta do balanço entre as interações hidrofílicas (polímero-solvente) e
hidrofóbicas
(polímero-polímero).
Essas
interações
levam
a
diferentes
conformações nas cadeias do polímero, passando de um estado estendido
(“coils”) para compactado (glóbulos). Em soluções aquosas de polímeros termosensíveis que possuem LCST, abaixo deste valor, as interações do tipo pontes de
hidrogênio entre as moléculas de água e as macrocadeias são predominantes
em relação às interações do tipo polímero-polímero. Comportamento contrário é
observado para os polímeros termo-sensíveis que possuem UCST (MACKOVÁ;
HORÁK, 2006). Em se tratando de hidrogéis reticulados, o que se observa é um
deslocamento entre o equilíbrio dessas interações, em função da temperatura.
Com isso, a hidratação do hidrogel vai depender desse equilíbrio e, neste caso, as
2
estruturas reticuladas passarão de um estado intumescido para um estado
contraído, ao invés de uma transição do tipo de “coil” - glóbulo (AGUILAR et al.,
2007).
A incorporação de comonômeros ácidos ou básicos em polímeros termosensíveis resulta na obtenção de macrocadeias que variam sua conformação em
resposta, simultaneamente, tanto às variações de temperatura quanto de pH.
Dentre os comonômeros ácidos, destacam-se o ácido acrílico, o ácido itacônico e
o ácido metacrílico, que apresentam cargas negativas, principalmente em pH
acima dos respectivos pka’s. Nos hidrogéis para liberação controlada de
fármacos, os grupos ionizados conferem repulsão eletrostática entre as cadeias
em meios básicos, desfavorecendo as interações entre as macrocadeias e
levando ao intumescimento do material, com consequente liberação do fármaco
(ZHANG et al., 2007).
Por fim, a incorporação de nanopartículas em filmes de quitosana tem
atraído interesse na área da pesquisa por novos produtos farmacêuticos devido à
possibilidade de formação de filmes e membranas poliméricas com aplicação,
principalmente, na pele e nas mucosas. A quitosana é um biopolímero atóxico,
biodegradável e biocompatível que ocorre em algumas espécies de fungos e
algas, mas que é geralmente produzido a partir de quitina, polissacarídeo
encontrado abundantemente em animais, especialmente insetos, moluscos e
crustáceos. Assim, quitosana é produzida a partir de fonte renovável,
principalmente resíduos da indústria pesqueira, como cascas de camarões,
carapaças de caranguejos e gládios de lulas, que são ricos em quitina. Além de
suas boas propriedades de formação de filmes, a quitosana também apresenta
benefícios na cura de ferimentos, devido aos efeitos bacteriostáticos e à sua
bioaderência (SILVA et al., 2008). Entretanto, hidrogéis constituídos apenas de
quitosana são limitados pelas baixas propriedades mecânicas e elásticas,
facilidade em dissolver e inerente rigidez das cadeias. A quitosana vem sendo
amplamente
usada
em
associação
a
outros
hidrogéis,
devido
sua
biocompatibilidade, biodegradabilidade e baixa toxicidade. O uso desse polímero
natural tem levado a novos sistemas de liberação controlada com resposta a
estímulos (BHATTARAI et al., 2010).
3
Justificativa e objetivo da pesquisa
Os métodos convencionais de administração de fármacos podem provocar
efeitos colaterais, pois os princípios ativos agem tanto nas células doentes quanto
nas células saudáveis do paciente. Além disso, o aumento do número de
dosagens pode superar o nível de toxicidade do medicamento (MEDEIROS,
2006). Os sistemas de liberação controlada visam aumentar o tempo de ação de
um princípio ativo dentro do organismo vivo, diminuindo, assim, o número de
doses requeridas e, consequentemente, os efeitos colaterais causados pelos
medicamentos. Além disso, os sistemas poliméricos sensíveis a estímulos podem
potencializar o efeito terapêutico em uma região específica, por meio da liberação
promovida pela aplicação de um determinado estímulo, comumente temperatura e
pH.
O objetivo principal desse trabalho consiste, portanto, no desenvolvimento
de um sistema constituído de um hidrogel de poli(N-vinilcaprolactama-co-ácido
itacônico)(poli(NVCL-co-AI)) e quitosana, com resposta a estímulos de pH e
temperatura (Figura 1.1). Os hidrogéis de poli(NVCL-co-AI) são comumente
sintetizados via polimerização por precipitação em meio aquoso, utilizando
dimetacrilato de etilenoglicol (EGDMA) como agente reticulante. Em meio ácido,
as nanopartículas de poli(NVCL-co-AI) contraem, dificultando a difusão de um
fármaco possivelmente incorporado entre as macrocadeias. Porém, em meio
básico, a repulsão eletrostática entre os grupos carboxílicos ionizados levam ao
intumescimento das nanopartículas e, consequentemente, à liberação acelerada
do princípio ativo. Partindo desse princípio, é interessante envolver esses
hidrogéis em um material que forneça uma resistência adicional à difusão do
fármaco quando em pH básico.
A quitosana é um polissacarídeo com grupos amino dispostos nas cadeias.
Quando em meio ácido, esses grupos são protonados e provocam repulsão
eletrostática entre essas cadeias. Porém, em meios básicos, prevalecem as
interações hidrofóbicas, e a quitosana permanece insolúvel. Considerando essas
propriedades, a incorporação do hidrogel de poli(NVCL-co-AI) em filmes de
quitosana, via evaporação do solvente (“casting”), é justificada por propiciar um
possível sistema de liberação controlada em uma extensa faixa de pH. Em um
4
primeiro caso, o fármaco deve vencer a estrutura compactada dos hidrogel de
poli(NVCL-co-AI) para ser liberado, e deve difundir mais rapidamente entre a
matriz de quitosana hidratada. Por outro lado, em meio básico, o intumescimento
do hidrogel acelera o processo de difusão das moléculas do fármaco, mas a
quitosana ainda poderá oferecer resistência a essas, por estar insolúvel.
Portanto, os objetivos específicos deste trabalho são:

Desenvolver e caracterizar filmes poliméricos, preparados com diferentes
proporções de quitosana e do hidrogel de poli(NVCL-co-AI);

Estudar a sensibilidade dos filmes à temperatura e ao pH, assim como a
perda de massa em soluções-tampão;

Avaliar os efeitos de aditivos nas propriedades anteriores, sendo eles:
glicerina (plastificante), tripolifosfato de sódio (agente de reticulação física)
e glutaraldeído (agente de reticulação química);

Relacionar as propriedades térmicas à composição dos filmes.
Figura 1.1. Representação esquemática do sistema polimérico à base de poli(NVCL-co-AI) e
quitosana.
Matriz de Quitosana
Nanopartículas de Poli(NVCL-co-AI)
Fonte: o próprio autor.
5
2
2.1
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Biopolímeros
Os biomateriais são produtos de origem animal ou sintética, com potencial
aplicação na área biomédica. Em seres humanos, podem ser aplicados no
tratamento de uma enfermidade ou lesão, na substituição e modificação da
anatomia humana ou ainda de um processo fisiológico (FIDÉLES, 2010).
Abrangem, ainda, os materiais utilizados na instrumentação médica e cirúrgica
que podem ter contato com o organismo (APARECIDA, 2005). Dentre esses
materiais se destacam os biopolímeros, os quais, em sua maioria, são
biocompatíveis e/ou biodegradáveis (FERNANDES, 2009).
Devido à relativa facilidade de modificação estrutural, os biopolímeros
possibilitam a obtenção de uma vasta gama de materiais com diferentes
propriedades químicas, físicas e mecânicas, para diversas aplicações em
sistemas biológicos.
2.1.1 Biocompatibilidade
A biocompatibilidade é um fator essencial nos materiais cuja aplicação
envolve o contato com tecidos e sistemas do corpo humano. Isto implica na
habilidade de coexistir e interagir com o sistema biológico sem afetar suas funções
normais, isto é, sem provocar inflamações ou qualquer comportamento
indesejável no corpo (RATNER et al., 2004). Entretanto, não há uma definição
única ou medidas precisas para caracterizar um material como biocompatível, pois
não se trata de uma propriedade intrínseca do material, mas da sua habilidade em
responder adequadamente a uma aplicação específica (CHEN et al., 2008). Isso
significa que o local de implantação tem papel fundamental na biocompatibilidade,
já que o material pode ser biocompatível em determinada região ou tecido, porém
responder inapropriadamente em outro.
6
2.1.2 Biodegradabilidade
Polímeros biodegradáveis são aqueles que podem ser degradados in vivo
de forma controlada e por tempo predeterminado após a sua implantação ou
administração, contribuindo na liberação de um fármaco ou amortecendo materiais
usados como implantes (MILLER, 1986). Dentre as vantagens desses
biomateriais, destacam-se a eliminação da necessidade de remoção do curativo e
a regeneração tecidual provocada pelo mesmo (FAMBRI et al., 2002). A
degradação acontece por ação de elementos biológicos que desintegram a
estrutura do material, gerando fragmentos absorvidos pelo organismo. No caso de
aplicações na regeneração de tecidos, a degradação acontece simultaneamente
com a formação de um novo tecido sobre a lesão (FISHER et al., 2007). Uma
série de fatores pode ajustar a taxa de degradação do material, entre eles: o grau
de reticulação entre as cadeias poliméricas, a massa molar, o tipo do material e
seu processo de fabricação.
2.2
Quitosana como biomaterial
A quitosana é um polissacarídeo de cadeia linear, composto por unidades
repetitivas de glicosamina e N-acetil-glicosamina, com ligações do tipo  (1→4) 2amino-2-deoxi-D-glucosamina e  (1→4) 2-acetamido-2-deoxi-D-glucosamina
(Figura 2.1). Quando a quantidade da primeira unidade citada supera a
quantidade da segunda (>50%), o biopolímero é denominado de quitosana. Do
contrário, quando a quantidade de unidades de N-acetil-glicosamina é maior,
denomina-se quitina (KHOR e LIM, 2003). Sendo assim, a quitosana é um
polímero derivado da desacetilação da quitina, embora também possa ocorrer de
forma natural. Comercialmente, e desacetilação da quitina é normalmente
realizada na presença de hidróxido de sódio e água (FIDÉLES, 2010).
Dependendo da fonte e do processo de preparação, a quitosana pode
apresentar massa molar entre 50 e 2000 kDa e o grau de desacetilação (GD)
entre 40 e 98%. Esses parâmetros influenciam nas propriedades físicas e
7
químicas da quitosana, e consequentemente, ainda mais nas propriedades
biológicas (HEJAZI e AMIJI, 2003).
Figura 2.1. Estrutura molecular da quitosana: a) unidade com grupo amino livre (glicosamina)
b) unidade com grupo amino acetilado, característico da quitina (N-acetil-glicosamina).
CH2OH
CH2OH
O
O
O
4
1
OH
O
4
OH
NH2 (a)
1
O
NHCOCH3 (b)
Fonte: Adaptado de KUMAR, 2000.
O estudo da quitosana tem sido de grande interesse por vários grupos de
pesquisa, devido às suas propriedades biológicas, disponibilidade e relativa
facilidade de modificação físico-química. É atraente como biomaterial por ser
biodegradável, antibacteriana, com toxicidade relativamente baixa e por exercer
papel relevante em atividades biológicas como na afinidade com proteínas, na
aceleração de formação de fibroblastos e na ação anticoagulante do sangue (KIM
et al. 2008).
Em sua forma cristalina, a quitosana é normalmente insolúvel acima de pH
7. Entretanto, pode se tornar solúvel em ácidos diluídos (pH < 6), condição em
que ocorre a protonação dos grupos amino livres (MADIHALLY; MATTHEW,
1999). Como já citado, a quantidade desses grupos está relacionada com o grau
de desacetilação (GD) e influencia nas interações eletrostáticas repulsivas e
hidratação da molécula (SANTOS et al., 2003).
Devido à constante busca por materiais poliméricos biodegradáveis,
seguros, de baixo custo e impacto ambiental, a quitosana vem sendo uma
alternativa de grande interesse, principalmente em pesquisas nas áreas da
biomedicina e alimentícia. Suas propriedades, adicionadas à sua sensibilidade ao
pH, permitem o uso desse biomaterial nas mais variadas formas, como grânulos,
micro e nanoesferas e filmes.
8
2.2.1 Aplicações da quitosana
Com relação às aplicações da quitosana, Gavhane et al. (2013) descrevem
os
diversos
usos
da
quitosana
em
diferentes
setores
farmacêuticos,
farmacológicos e comerciais. No primeiro, a quitosana se destaca devido à sua
biocompatibilidade e baixa toxicidade. Algumas das aplicações farmacêuticas
citadas por esses autores são:

Como diluente em comprimidos e cápsulas, adicionados ao princípio ativo;

Na síntese de filmes para liberação controlada de fármacos;

Como carregadores de fármacos em sistemas de micro e nanopartículas;

Na preparação de hidrogéis;

Polímeros bioaderentes e biodegradáveis;

Liberação controlada e localizada de fármacos.
Em setores farmacológicos, são estudados os efeitos da quitosana em
microrganismos e na saúde humana, enquanto que, comercialmente, suas
aplicações se estendem às áreas da agricultura, tratamento de água e resíduos e
indústrias de alimentos e bebidas.
Aydm e Pulat (2012) sintetizaram nanopartículas de quitosana a fim de
encapsular 5-fluorouracil, um fármaco utilizado no tratamento de câncer. Além de
controlada, a liberação da droga foi mais significativa em condições similares às
das regiões doentes, devido à sensibilidade da quitosana ao pH.
2.3
Membranas e filmes de quitosana
Em geral, os hidrogéis são redes tridimensionais macromoleculares de
polímeros hidrofílicos, unidas por meio de ligações covalentes ou interações
físicas, sensíveis a estímulos, como temperatura e pH. Esses materiais são
capazes de absorver uma quantidade significativa de água, podendo permanecer
insolúveis dependendo do tipo de reticulação das cadeias poliméricas
(BERGER et al., 2004). Quando se trata de síntese de filmes e membranas
9
para aplicação na pele, essa hidratação do material é relevante, tornando os
hidrogéis uma alternativa interessante aos materiais mais comumente
empregados, como cremes, pomadas e adesivos. Neste cenário, o uso da
quitosana apresenta boas propriedades de formação de filmes, benefícios na
cura de ferimentos, efeitos bacteriostáticos e bioaderência (SILVA et al.,
2008).
Entretanto, hidrogéis constituídos apenas de quitosana são limitados
pelas baixas propriedades mecânicas e elasticidade, facilidade em se
dissolver em meio ácido e inerente rigidez das cadeias. Além disso, eles não
apresentam características que permitam que a liberação do fármaco seja
efetivamente controlada, podendo perder suas propriedades conforme as
alterações físico-químicas do ambiente, como pH e temperatura (BERGER et
al., 2004). Esse problema pode ser resolvido através da adição de agentes de
reticulação e plastificantes, que melhoram as propriedades finais dos filmes
poliméricos.
2.3.1 Reticulação de filmes de quitosana
Agentes reticulantes são moléculas utilizadas a fim de evitar ou retardar a
dissolução das matrizes poliméricas. Em sistemas de liberação controlada de
princípios ativos, eles visam possibilitar um controle adicional da liberação do
principio ativo. Além disso, embora o intumescimento em biomateriais seja um
fator relevante para haver a transferência de nutrientes entre o material e os
fluidos biológicos, este pode se tornar indesejável a taxas elevadas, podendo levar
ao rompimento da estrutura da matriz e ruptura do filme (THEIN-HAN;
KITIYANANT, 2007). A adição de um agente de reticulação pode controlar esse
efeito, desde que em proporção suficiente para não afetar a flexibilidade do filme.
Portanto, as propriedades dos hidrogéis reticulados por esses aditivos, como por
exemplo,
o
intumescimento
e
as
propriedades
mecânicas,
dependem
principalmente da densidade de reticulação (REMUÑAN-LÓPEZ; BODMEIER,
1997).
Alguns tipos de agentes de reticulação empregados nas sínteses de
hidrogéis de quitosana são chamados de ordem química ou física, capazes de
10
formar redes poliméricas tridimensionais através de ligações covalentes e iônicas,
respectivamente (TIWARY; RANA, 2010). No primeiro, a reticulação é realizada
por reações químicas, do tipo ligações covalentes, e podem fornecer boas
propriedades mecânicas e tornar o hidrogel insolúvel, mesmo em condições
extremas de pH, nas quais outros tipos de hidrogéis poderiam se desfazer.
Entretanto, muitos desses agentes são tóxicos ou não biocompatíveis, limitando a
aplicação dos mesmos (HAMIDI et al., 2008) Outra desvantagem, em relação ao
objetivo proposto por este trabalho, é que a quitosana reticulada quimicamente
pode apresentar menor intumescimento também em condições básicas, podendo
afetar a liberação controlada nesses meios. Já o segundo tipo de reticulação é
realizado por interações físicas, tipo iônicas, e permitem controlar a liberação do
fármaco em meio ácido sem comprometer o intumescimento em meio básico.
Entre algumas desvantagens desse tipo de reticulação, pode-se destacar a
possível perda da estabilidade mecânica e risco de dissolução dos hidrogéis,
devido a um alto intumescimento em resposta a um pH extremo ou em caso de
filmes com baixo grau de reticulação (BERGER et al., 2004).
Tiwary e Rana (2010) estudaram o intumescimento de filmes de quitosana
reticulada fisicamente com tripolifosfato de sódio (TPP) e citrato de sódio. Os
resultados reforçam a relação inversamente proporcional entre a capacidade dos
hidrogéis em absorver água e a densidade de reticulação no filme.
2.3.2 Filmes de quitosana plastificados
A adição de plastificantes no processo de formação de filme a partir de
polímeros dissolvidos em solução aquosa pode influenciar a estrutura e superfície
do filme. Esses aditivos não devem diminuir a aderência do filme, mas podem
contribuir, de forma significativa, com a presença de grupos funcionais ou
interações que melhoram a elasticidade e facilitam a manipulação dos mesmos.
Segundo Bajdik et al. (2009), as moléculas de glicerol formam pontes de
hidrogênio com a quitosana e, simultaneamente, impedem que interações físicas
sejam formadas entre as próprias cadeias de quitosana. Essa desintegração intere intramolecular gera filmes plastificados. Esses autores estudaram a influência do
glicerol e do polietilenoglicol 400 em algumas propriedades dos filmes, tais como
11
absorção de água e polaridade. Os resultados indicaram que a molhabilidade,
hidratação e polaridade dos filmes aumentaram quando o glicerol foi adicionado.
Com isso, obtiveram-se filmes mais flexíveis e com maiores espessuras,
facilitando a manipulação dos mesmos sem afetar a estrutura.
Remuñán-López e Bodmeier (1997) estudaram o comportamento físicomecânico de filmes à base de glutamato de quitosana com diferentes quantidades
de tripolifosfato de sódio (TPP), como agente reticulante. Os hidrogéis
demonstraram permeabilidade ao vapor d’água, com taxa linear e inversamente
proporcional à quantidade de agente reticulante adicionada. Em pH ácido, a
dissolução do filme também foi influenciada pelo grau de reticulação, o que indica
um possível controle na liberação de princípios ativos. Segundo os autores, o
aumento do grau de reticulação pode tornar os filmes quebradiços e menos
flexíveis. A fim de melhorar as propriedades físicas, glicerina foi adicionada como
plastificante, resultando em filmes mais flexíveis. Uma possível explicação
sugerida no trabalho está na solubilidade da glicerina em água, que pode ter
levado à extração desse aditivo ao submergirem-se os filmes em meio aquoso,
aumentando a porosidade do filme e a difusão do princípio ativo.
2.3.3 Aplicações de filmes à base de quitosana
Como anteriormente mencionado, as propriedades bioquímicas da
quitosana permitem obter um excelente material bioadesivo, que se destaca na
administração de fármacos via liberação transdérmica, oral, ocular e subcutânea
(MUZZARELLI; MUZZARELLI, 2005). No caso de filmes e membranas à base de
quitosana, as aplicações são voltadas principalmente para sistemas de liberação
transdérmica e cicatrização de feridas. Esses sistemas, além de possibilitar uma
liberação contínua, reduzem a dosagem e facilitam a interrupção terapêutica,
quando necessária, através da remoção do material. Outra vantagem da aplicação
de hidrogéis na administração transdérmica é a capacidade de absorção de água
no interior dessas matrizes poliméricas, fornecendo uma sensação confortável na
pele do paciente, que tende a comprometer-se mais facilmente ao tratamento
(THOMAS; FINNIN, 2004).
12
Filmes à base de quitosana têm mostrado acelerar o processo de
recuperação de ferimentos. Esse material é interessante, especialmente em casos
de tratamento de queimaduras, por aumentar o crescimento gradual do tecido
lesionado. Outra vantagem desse tipo de tratamento é a permeabilidade ideal de
oxigênio nos tecidos e dos líquidos corporais (CÁRDENAS et al., 2008).
2.3.4 Incorporação de hidrogéis nanoparticulados em filmes de quitosana
A encapsulação de princípios ativos em hidrogéis pode ser possível via
reticulação das cadeias poliméricas na presença do fármaco, proteína ou
macromolécula, ou ainda por difusão desses através dos poros do hidrogel já
reticulado (KIM et al., 1992). Por outro lado, o processo de liberação dessas
moléculas pode não ser devidamente controlado. O perfil de liberação típico
mostra um aumento acentuado no inicio da expansão do hidrogel, seguido pela
liberação controlada do restante do fármaco encapsulado (BHATTARAI et al.,
2010). O grau de reticulação pode modelar esse comportamento, todavia também
afeta as características físico-químicas e mecânicas do material.
Dessa forma, caso a reticulação do hidrogel não seja suficiente para
diminuir a taxa de liberação do fármaco em aplicações de longo prazo (casos em
que a liberação deve ser contínua durante semanas, por exemplo), ou ainda, só
seja eficaz em condições específicas (somente em pH básico, por exemplo),
outros sistemas de liberação podem ser incorporados ao hidrogel, tais como micro
e nanopartículas (LEACH; SCHMIDT, 2005).
Giovino et al. (2012) desenvolveram uma nova plataforma com potencial
para liberação de macromoléculas na mucosa e transmucosa bucal. Esses
autores sintetizaram filmes muco-adesivos à base de quitosana, incorporados em
nanopartículas de metil éter polietilenoglicol–b–poli(ácido lático) (PEG-b-PLA)
carregadas com insulina. Os filmes foram produzidos pelo método de evaporação
do
solvente
(Figura
2.2)
e
apresentaram
distribuição
homogênea
das
nanopartículas na matriz de quitosana e excelentes propriedades físicomecânicas. Em um trabalho posterior Giovino et al. (2013) discutem tanto a
liberação da insulina quanto das nanopartículas através da quitosana,
mergulhando o filme em solução tampão (pH 6,8, 37°C). A taxa de liberação das
13
nanopartículas foi controlada por erosão da matriz de quitosana a partir de 6 horas
de incubação e a liberação da insulina mostrou ser controlada em até 15 dias.
Outro sistema de liberação de fármacos através de nanopartículas
incorporadas em filmes de quitosana foi estudado por Tada et al. (2010). Neste
caso, nanopartículas de poli(D,L-lático-co-ácido glicólico) foram carregadas com
Paclitaxel, um fármaco hidrofóbico. Um segundo fármaco, Carboxifluoresceína,
hidrofílico, foi incorporado diretamente na matriz de quitosana. A liberação de
ambos os fármacos mostrou ser um processo bifásico com a cinética controlada
pela difusão das moléculas através do filme e também pela degradação do
mesmo. Neste trabalho, o diâmetro médio das nanopartículas, obtido por
espalhamento de luz, foi próximo a 517 nm, com potencial Zeta de -16 mV.
Figura 2.2. Esquema de preparação dos filmes: (a) Suspensão aquosa de NPs de PEG-b-PLA
carregadas com insulina (b) Quitosana e glicerol diluídos em ácido acético (gel) (c) Gel de
quitosana com dispersão de NPs (d) Filme de quitosana impregnado com NPs.
Sonicador
Estufa
(a)
(b)
(c)
(d)
Fonte: adaptado de GIOVINO et al, 2012.
Vimala et al. (2010) estudaram a síntese de nanopartículas de
polietilenoglicol carregadas com íons de prata e incorporadas em filmes porosos
de quitosana. As propriedades antibacterianas e mecânicas desses filmes se
mostraram superiores àqueles não porosos ou ainda sintetizados na ausência das
nanopartículas. As aplicações sugeridas são em curativos de ferimentos e
purificação de água.
14
2.4
Hidrogéis biocompatíveis à base de poli(N-vinilcaprolactama-co-ácido
itacônico) (poli(NVCL-co-AI))
Os hidrogéis à base de poli(N-vinilcaprolactama-co-ácido itacônico)
(poli(NVCL-co-AI)) consistem em nanopartículas esféricas obtidas, comumente,
por polimerização por precipitação em meio aquoso. Os monômeros utilizados na
síntese dessas nanopartículas permitem obter um material sensível às variações
de temperatura e pH do meio externo. A poli(N-vinilcaprolactama) (PNVCL) é um
polímero termossensível cuja LCST (Temperatura Crítica Inferior de Solubilização)
é próxima à temperatura do corpo (~32 – 37°C) (PICH et al., 2003). Isso significa
que abaixo dessa temperatura as interações do tipo pontes de hidrogênio entre
as moléculas de água e as macrocadeias são predominantes em relação às
interações do
tipo polímero-polímero.
Dessa forma,
as macromoléculas
encontram-se solvatadas no meio aquoso. Acima da LCST, a água é expelida da
matriz polimérica como resultado da ruptura das pontes de hidrogênio e do efeito
dominante das interações hidrofóbicas com as cadeias poliméricas vizinhas
(MACKOVÁ; HORÁK, 2006). Além de possuir uma temperatura de transição
próxima à temperatura fisiológica, o que torna a PNVCL interessante para
sistemas de liberação controlada de princípios ativos, ela também apresenta o
átomo de nitrogênio, presente em sua estrutura, diretamente ligado aos carbonos
subjacentes, impedindo, portanto, a liberação de grupos amino sob hidrólise.
A fim de associar a resposta ao pH à esses polímeros, moléculas que
apresentam
grupos
ionizáveis
são
normalmente
adicionadas
como
co-
monômeros. Neste caso, o ácido itacônico se apresenta como um exemplo de
molécula atóxica, biocompatível e obtida a partir de fontes renováveis (TOMIC et
al., 2009). Além disso, esse monômero apresenta dois grupos carboxílicos,
possuindo, portanto dois pKas (3,85 e 5,45). A sua incapacidade de
homopolimerizar o torna interessante para a distribuição homogênea dessas
unidades através das macrocadeias. Nos hidrogéis a base de poli(NVCL-co-AI), o
ácido itacônico também têm grande importância na estabilidade coloidal das
partículas, dispensando o uso de surfatantes para garantir a sua dispersão em
meio aquoso.
15
Como mencionado anteriormente, os hidrogéis são constituídos de redes
tridimensionais, formadas por macrocadeias hidrofílicas, unidas por um agente de
reticulação. Dessa forma, o reticulante também possui um papel fundamental na
elaboração dos hidrogéis e, no caso de materiais para aplicações biomédicas,
este também deve ser cuidadosamente escolhido e, obviamente, apresentar
biocompatibilidade. A grande maioria dos trabalhos na literatura descreve o uso da
N,N’-metileno-bis-acrilamida (MBA) como agente de reticulação na síntese de
hidrogéis o que se deve principalmente à alta solubilidade em água desta
molécula. No entanto, a presença de grupos amida tóxicos na molécula deste
agente reticulante limita seu uso em aplicações biomédicas. Dessa forma, alguns
trabalhos relatam a substituição deste agente de reticulação pelo dimetacrilato de
etileno glicol (EGDMA), após a descoberta de que esta molécula pode ser
enzimaticamente degradada em soluções aquosas de lípases, proteases e outras
enzimas presentes no organismo humano (TERIN;
ELVAN,
2009). A
biocompatibilidade desse agente de reticulação também foi avaliada e reportada
por Devine et al. (2006).
Por fim, hidrogéis de poli(NVCL-co-AI) são constituídos de nanopartículas
esféricas, reticuladas, que apresentam transição volumétrica em resposta à
variações de temperatura e pH, o que aumenta seu interesse em sistemas de
liberação controlada de princípios ativos. As propriedades desses materiais
“inteligentes” foram mais profundamente analisadas em estudos recentes
realizados pelo autor desse trabalho, através de seu projeto de Iniciação
Científica, orientado pela Profa. Dra. Simone de Fátima Medeiros. A variação da
composição das nanopartículas e o estudo da sensibilidade ao pH e à temperatura
foram avaliados e publicados em forma de pôster no XIV Latin American
Symposium on Polymers/XII Ibero American Congress on Polymers. Estudou-se
também a incorporação de um fármaco hidrofóbico nessas matrizes poliméricas, o
cetoprofeno, e os resultados foram apresentadas no Simpósio Internacional de
Iniciação Científica e Tecnológica da USP – 2014.
16
3
3.1
MATERIAIS E MÉTODOS
Materiais
A N-vinilcaprolactama (NVCL, 99%, gentilmente fornecida pela Basf-Brasil)
foi purificada por destilação a vácuo a 120°C e o ácido itacônico (AI, grau industrial,
cedido gentilmente pela Rhodia-Brasil) foi utilizado como recebido. O agente de
reticulação, dimetacrilato de etilenoglicol (EGDMA, 99%, Aldrich), o iniciador
persulfato de potássio (KPS, 99%, Synth) e o tampão bicarbonato de sódio
(NaHCO3, 99,9%, Synth) também foram utilizados como recebidos. A quitosana
(Mw de 1,2.106 Da e grau de desacetliação de 65%) foi sintetizada no Instituto de
Química de São Carlos (USP) e gentilmente cedida pelo Prof. Dr. Sérgio Paulo
Campana Filho. O ácido acético (AcOH, 99%, Synth), o glutaraldeído (Synth), o
tripolifosfato de sódio (TPP, 99%, Synth) e a glicerina (Synth) também foram
utilizados como recebido. Toda água utilizada foi deionizada. As estruturas dos
reagentes utilizados são apresentadas na Tabela 3.1.
3.2
Síntese do hidrogel à base de poli(NVCL-co-AI)
O
hidrogel
à
base
de
poli(N-vinilcaprolactama-co-ácido
itacônico)
(poli(NVCL-co-AI)) foi sintetizado via polimerização por precipitação em meio
aquoso, em regime semi-contínuo. Primeiramente, 2g de NVCL, 80 mg de AI, 60
mg de EGDMA e 20 mg de KPS foram dissolvidos em 140 ml de H2O deionizada e
a solução foi tamponada com bicarbonato de sódio até pH 4,5. Em seguida, 1/3 da
solução preparada foi transferida para um reator encamisado já com 50 mL de
H2O, sob agitação magnética e atmosfera de N2. O sistema foi aquecido a 70°C e,
logo em seguida, a solução restante foi adicionada ao reator a uma taxa de 1,33
mL/min. A reação prosseguiu por 5 horas e, em seguida, o produto foi purificado
por diálise na temperatura ambiente (SERVAPOR/dialysis tubing, MWCO 12000 –
14000). A dispersão de nanopartículas purificada foi armazenada para a posterior
incorporação desse material na etapa de formação dos filmes poliméricos.
17
Tabela 3.1 Estrutura química dos reagentes utilizados na síntese do hidrogel à base de poli(NVCLco-AI) e na preparação dos filmes.
Preparação dos filmes
Síntese do hidrogel de
Poli(NVCL-co-AI)
Estrutura
Reagentes
Aplicação
N-vinilcaprolactama
(NVCL)
Monômero
Ácido Itacônico
(AI)
Monômero
Dimetacrilato
Etilenoglicol
(EGDMA)
Agente de
reticulação química
Persulfato de
Potássio
(KPS)
Iniciador
Quitosana
Biopolímero
formador de filme
Glicerina
Agente plastificante
Tripolifosfato de
Sódio (TPP)
Agente de
reticulação física
Glutaraldeído
Agente de
reticulação química
Fonte: o próprio autor.
18
3.3
Preparação de filmes poliméricos constituídos de hidrogel de
poli(NVCL-co-AI) e quitosana
Os filmes poliméricos foram preparados pelo método de evaporação do
solvente, variando-se o teor de sólidos e a proporção de quitosana e
nanopartículas (NPs) de poli(NVCL-co-AI), conforme descrito na Tabela 3.2.
Inicialmente, alíquotas da dispersão de NPs (1,3 ou 5 mL, de acordo com a
composição do filme) foram colocadas em béqueres de 10 mL. Adicionou-se água
a esses recipientes, quando necessário, de modo a se obter um volume final de 5
mL em cada béquer. Em seguida, a quitosana em pó foi adicionada (15, 25 ou 35
mg, de acordo com a composição do filme) sob agitação magnética vigorosa. Após
3 minutos de agitação, acrescentou-se lentamente 0,1 mL de ácido acético (99%) e
mantiveram-se as soluções em agitação moderada por 15 minutos, na temperatura
ambiente.
Após
esse
período,
as
soluções-géis
foram
submetidas
à
homogeneização em um ultrassonicador por 15 minutos, a fim de obter uma
dispersão uniforme das nanopartículas. Em seguida, as soluções foram
despejadas em moldes de silicone de 3 cm de diâmetro, e estes foram colocados
em estufa a 37°C por 24 horas. Após esse período, os filmes foram retirados dos
moldes e armazenados em envelopes de alumínio.
A preparação dos filmes na presença de aditivos (F10, F11 e F12) seguiu,
praticamente, a mesma metodologia. No caso dos filmes com glicerina (F10) e
glutaraldeído (F12), o aditivo foi adicionado logo após a quitosana, na proporção
especificada na Tabela 3.1. Já para a reticulação física com TPP (F11), os filmes
de poli(NVCL-co-AI) e quitosana, previamente formados e secos, foram imersos
em uma solução aquosa desse aditivo (10% m/v) em pH ajustado em 5, por 45
minutos. Em seguida, os filmes foram novamente secos em estufa com circulação
de ar a 37°C durante 15 minutos.
19
Tabela 3.2. Condições utilizadas no preparo dos filmes à base de
quitosana, poli(NVCL-co-AI) e aditivos.
Filmes
Proporção
Quitosana (mg) : NPs (mL)
F1
F2
F3
F4
F5
F6
F7
F8
F9
F10
F11
F12
15:1
15:3
15:5
25:1
25:3
25:5
35:1
35:3
35:5
25:1
25:1
25:1
Glicerina
(% m/m)A
-
Aditivos
TPP
(% m/v)B
-
Glutaraldeído
(% m/m)A
-
25
-
10
-
5
A
B
3.4
Em relação à massa de quitosana.
Concentração da solução de TPP em água.
Fonte: o próprio autor.
Caracterização do hidrogel à base de poli(NVCL-co-AI) e dos filmes à
base de quitosana e poli(NVCL-co-AI)
3.4.1 Espalhamento dinâmico de luz (DLS) e potencial zeta
As medidas de diâmetro hidrodinâmico (Dh) do hidrogel de poli(NVCL-co-AI)
foram realizadas por espalhamento de luz em um equipamento da marca Malvern,
modelo Nano ZS – Zen3601, locado no Laboratório de Polímeros da EEL/USP.
Estas medidas foram realizadas após o processo de purificação por diálise.
A sensibilidade à temperatura do hidrogel também foi estudada através de
análises de espalhamento de luz, com medições de Dh em função da temperatura,
que variou entre 25 e 70°C, com intervalos de 2°C. Entre cada medida, o tempo
de estabilização das amostras foi equivalente a 2 minutos.
A sensibilidade ao pH do hidrogel foi estudada de duas formas distintas: por
meio de análises de espalhamento de luz, obtendo-se medidas de Dh em função
do pH, que variou entre 4 e 10; e por meio de medidas de mobilidade
eletroforética para obtenção do potencial zeta das nanopartículas em função do
pH, que também variou entre 4 e 10.
20
3.4.2 Morfologia
A morfologia das nanopartículas de poli(NVCL-co-AI) foi caracterizada por
microscopia eletrônica de transmissão (TEM) em um equipamento da marca
Philips modelo Tecnai 10, operado a 80 KV, locado no Centro de Microscopia do
Hospital das Clínicas (HC) da Faculdade de Medicina da USP, São Paulo. Já a
morfologia dos filmes poliméricos, com e sem aditivos, foi avaliada por
microscopia eletrônica de varredura (MEV) em um equipamento da marca LEO
modelo 1450VP, operado a 20KV, locado no Laboratório de Microscopia
Eletrônica da EEL/USP. A efeito de comparação, também foi preparada e
analisada uma amostra de filme de quitosana sem a incorporação do hidrogel de
poli(NVCL-co-AI). Todas as amostras analisadas por MEV foram metalizadas com
ouro.
3.4.3 Espectrometria de infra vermelho (FTIR)
A avaliação qualitativa da composição química dos filmes poliméricos
constituídos do hidrogel de poli(NVCL-co-AI) e quitosana foi realizada através de
espectrometria no infravermelho (FTIR), em um intervalo de onda de 400 – 4000
cm-1, utilizando um equipamento da marca Perkin Elmer modelo Spectrum GX,
locado no Laboratório de Biotecnologia da EEL-USP.
3.4.4 Análise termogravimétrica (TGA) e Termogravimetria derivada (DTG)
A estabilidade térmica dos filmes foi analisada pela técnica de
termogravimetria, utilizando-se um instrumento TG/DSC – NETZSCH, modelo
STA 449 F3 Jupiter, disponível no Departamento de Engenharia de Materiais
(EEL/USP). O intervalo de temperatura analisado foi de 25 a 900°C, com taxa de
aquecimento de 10°C/min.
21
3.4.5 Calorimetria exploratória diferencial (DSC)
O estudo dos eventos térmicos, tais como as temperaturas de transição
vítrea (Tg) e de fusão (Tm) dos polímeros presentes nos filmes poliméricos, foi
realizado em um equipamento de calorimetria exploratória diferencial (DSC), da
marca TA Instruments, modelo Q10, locado no Laboratório de Análises Térmicas
de Polímeros do Departamento de Engenharia de Materiais (LOM) da Escola de
Engenharia de Lorena EEL/USP. As amostras, com massa entre 5 e 10 mg, foram
resfriadas a -80°C e aquecidas a 300°C, à taxa de 10°C/min. As amostras foram
encapsuladas em cadinhos de alumínio, sob atmosfera de nitrogênio seco a uma
vazão de 50 mL/min.
3.4.6 Difratometria de raios X
As análises por difração de raios X foram realizadas no Laboratório
Associado de Sensores e Materiais (LAS) do Instituto Nacional de Pesquisas
AeroEspaciais (INPE), em um equipamento da marca Panalytical, modelo X’Pert
Powder. O intervalo da varredura foi de 2θ = 5 - 45°C, com tamanho do passo de
0,02° e a velocidade de varredura igual a 0,1 passo por segundo.
3.4.7 Sensibilidade à temperatura e ao pH
A sensibilidade à temperatura e ao pH dos filmes poliméricos foi avaliada
através da sua capacidade de absorção de água em diferentes pHs (1,2, 5,8, 7,4 e
9) e temperaturas (25 e 37°C). Amostras dos filmes secos foram pesadas (M0) e
colocadas em soluções tampão com pH e temperatura ajustados. Após 8 horas,
as amostras úmidas foram retiradas e novamente pesadas (MU). Antes da
pesagem, porém, o excesso de umidade na superfície dos filmes foi removido com
papel filtro. O grau de intumescimento (GI) foi, então, calculado através da
equação 1:
GI (%) =
(
)
100
(1)
22
3.4.8 Testes de Perda de Massa
A perda de massa dos filmes em meio aquoso foi verificada através de
análise gravimétrica. Para tanto, amostras dos filmes secos foram pesadas (Mo) e,
em seguida, imersas em soluções tampão, variando o pH em 1,2, 5,8, 7,4 e 9, e a
temperatura em 25 e 37°C. Após 24 horas, os filmes foram retirados das soluções
e novamente secos em estufa com circulação de ar a 37°C, durante 20 minutos.
Finalmente, os filmes foram pesados (MF), a fim de determinar a perda de massa
(PM), segundo a equação 2:
PM (%) =
(
)
x 100
(2)
23
4
RESULTADOS E DISCUSSÃO
4.1
Hidrogel à base de poli(NVCL-co-AI)
4.1.1 Diâmetro das nanopartículas e potencial zeta
A Figura 4.1 apresenta o efeito da temperatura no diâmetro hidrodinâmico
(Dh) do hidrogel de poli(N-vinilcaprolactama-co-ácido itacônico). O pH da
dispersão foi ajustado em 10 a fim de garantir a ionização dos grupos carboxílicos
do ácido itacônico (COO-). Dessa forma, as partículas intumescem na temperatura
ambiente e a variação de Dh em função do aumento da temperatura é
evidenciada. Em meio ácido, as fortes interações entre unidades de NVCL e AI
dificultam
a
hidratação
das
partículas
na
temperatura
ambiente
e,
consequentemente, a sua termossensibilidade torna-se menos pronunciada
(PULAT; EKSI, 2006).
Figura 4.1. Efeito da temperatura no diâmetro hidrodinâmico do hidrogel à base de
poli(NVCL-co-AI) disperso em pH 10.
420
400
380
360
Dh
340
320
300
280
260
240
220
20
30
40
50
60
70
Temperatura (°C)
Fonte: o próprio autor.
24
Na Figura 4.1 observa-se que o diâmetro das partículas diminuiu
continuamente
com
o
aumento
da
temperatura,
como
esperado.
Este
comportamento é atribuído à termossensibilidade da PNVCL. No caso de
polímeros reticulados e dispostos em redes tridimensionais, a temperatura de
transição de fases é conhecida como VPTT (Volumetric Phase Transition
Temperature). Neste estudo, a temperatura de transição não pôde ser claramente
determinada devido às pontes de hidrogênio entre os grupos carboxílicos do ácido
itacônico e a água. De fato, a diminuição do diâmetro das partículas se deu de
forma progressiva, o que permite assumir que existe um equilíbrio entre as
interações do tipo polímero-polímero entre as cadeias do hidrogel e as interações
polímero-solvente entre as macrocadeias e as moléculas de água. Esse equilíbrio
é deslocado conforme o incremento da temperatura, alterando a conformação e
volume das nanopartículas.
A Figura 4.2 apresenta o efeito do pH no diâmetro hidrodinâmico (Dh) e no
potencial zeta do hidrogel de poli(N-vinilcaprolactama-co-ácido itacônico).
Figura 4.2 Efeito do pH no diâmetro hidrodinâmico (A) e potencial zeta (B) do hidrogel
à base de poli(NVCL-co-AI). Todas as medidas foram feitas a 25°C.
450
0
A
B
Potencial Zeta (mV)
400
Dh
350
300
250
-20
-40
200
-60
150
4
6
8
10
2
4
6
8
10
pH
pH
Fonte: o próprio autor
25
Como anteriormente mencionado, o ácido itacônico possui dois grupos
carboxílicos em sua estrutura, apresentando assim dois pKa’s, (3,85 e 5,45).
Dessa forma, as medidas de diâmetro do hidrogel foram tomadas a partir de pH 4,
considerando que em pH abaixo de 3,85 as nanopartículas perdem estabilidade,
levando à aglomeração do hidrogél. Através da Figura 4.2 (A), percebemos,
primeiramente, um ligeiro aumento de Dh entre pH 4 e 6, que se deve à repulsão
eletrostática criada pela geração de cargas negativas nos grupos carboxílicos
presentes nos segmentos de AI (Figura 4.3). A partir de 6, este aumento foi muito
mais significativo, pois este valor de pH é superior ao segundo pKa do AI,
ocasionando um aumento considerável da ionização dos grupos COOH. A
dissociação da maior parte dos grupos carboxílicos do ácido desfavorece as
interações entre as macrocadeias, levando ao intumescimento da partícula
(ZHANG et al., 2007). A partir de pH 8, observou-se, novamente, uma diminuição
de Dh, que pode estar relacionada com o aumento considerável da força iônica,
levando ao colapso e sedimentação das partículas maiores, fenômeno conhecido
como “charge screening”.
A Figura 4.2 (B) mostra maiores valores de potencial zeta, em módulo,
conforme o aumento do pH, confirmando maiores densidades de cargas aniônicas
geradas pela ionização do ácido itacônico.
Entre o pH 4 e 6, o aumento do
potencial zeta foi significativamente maior, o que é explicado pela dissociação do
segundo grupo carboxílico do ácido itacônico que ocorre nesse intervalo (pka
5,45). Por fim, entre o pH 6 e 10 o aumento é menos expressivo, mas ainda assim
revela um aumento de cargas aniônicas na superfície das partículas.
Figura 4.3. Interações preferenciais dos grupos carboxílicos presentes na estrutura do AI: A) em
ph abaixo do pka e B) em pH acima do pka.
Fonte: o próprio autor.
26
4.1.2 Morfologia das nanopartículas de poli(NVCL-co-AI)
A Figura 4.4 apresenta uma imagem das nanopartículas de poli(NVCL-coAI), obtida por microscopia eletrônica de transmissão (TEM). Através da imagem,
verificamos a morfologia esférica das nanopartículas constituintes do hidrogel à
base de poli(NVCL-co-AI), com diâmetro aproximado de 180 nm, em concordância
com o resultado obtido por espalhamento de luz. A aglomeração de algumas
partículas é consequência, principalmente, do processo de secagem utilizado no
preparo da amostra. Além disso, verifica-se baixa polidispersidade de tamanho de
partículas, confirmando a baixa PDI (0,016) obtida por espalhamento de luz (DLS).
Figura 4.4. Micrografias de TEM das nanopartículas de Poli(NVCL-co-AI)
Fonte: o próprio autor
4.2
Filmes poliméricos preparados com quitosana e nanopartículas de
poli(NVCL-co-AI)
Inicialmente, filmes poliméricos de quitosana e nanopartículas de
poli(NVCL-co-AI) foram preparados sem a adição de qualquer aditivo. A Figura 4.5
apresenta o aspecto dos filmes preparados com diferentes proporções entre
quitosana e nanopartículas de poli(NVCL-co-AI) (filmes F1 – F9).
27
Figura 4.5. Aspecto dos filmes preparados com diferentes proporções
entre a quitosana e as nanopartículas de poli(NVCL-co-AI).
Fonte: o próprio autor.
28
Uma vez que uma das aplicações propostas para os filmes sintetizados
neste estudo consiste na liberação de ativos via transdérmica, procurou-se obter
filmes com baixa espessura (na ordem de 10 μm). Entretanto, os filmes F1, F2 e
F3, constituídos por apenas 15 mg de quitosana, demonstraram fragilidade na
estrutura, indicando que a quantidade de quitosana utilizada nesses três casos
forneceu filmes de espessura muito fina e com baixa resistência mecânica (é
possível observar uma fratura em F1, na Figura 4.5).
Por outro lado, nas sínteses dos filmes F7, F8 e F9, a homogeneização das
soluções de quitosana contendo as NPs dispersas, tornou-se mais difícil, tanto via
agitação magnética quanto ultrasonicação, devido à maior proporção de
quitosana. Nestas sínteses, a alta massa molar da quitosana utilizada gerou
soluções muito viscosas, indicando a inviabilidade de uso de 35 mg de quitosana
para um volume de 5 mL. Estes filmes apresentaram grande quantidade de bolhas
na estrutura, confirmando a baixa eficiência de homogeneização das soluções de
quitosana com as nanopartículas dispersas.
Finalmente, os filmes preparados com 25 mg de quitosana (F4, F5 e F6)
apresentaram aspecto mais homogêneo, sem rupturas e com maior facilidade de
manipulação. Portanto, esses filmes foram selecionados para os estudos
posteriores de caracterização e sensibilidade à temperatura e ao pH. Nestes
filmes, aumentou-se a proporção de NPs em relação à massa de quitosana e
verificou-se que este aumento não influenciou no aspecto visual dos filmes.
4.2.1 Características Morfológicas dos Filmes
A Figura 4.6 apresenta a morfologia superficial, obtida por microscopia
eletrônica de varredura (MEV) de um filme quitosana, preparado na ausência das
nanopartículas. Nas figuras posteriores (4.7, 4.8 e 4.9), observa-se a morfologia
dos filmes F4, F5 e F6, preparados com 25 mg de quitosana e, respectivamente, 1
mL, 3 mL e 5 mL da dispersão de partículas de poli(NVCL-co-AI) (NPs). A coluna
à esquerda apresenta as imagens obtidas a uma magnitute de 10 KX, enquanto à
direita, são apresentadas a imagens obtidas a uma magnitude de 20 KX.
29
Figura 4.6. Micrografias obtidas por MEV do filme constituído de quitosana pura:
A) aproximação de 10 KX
A
B) aproximação de 20KX
B
Fonte: o próprio autor.
30
Figura 4.7. Micrografias obtidas por MEV do filme F4, preparado com 25 mg de quitosana e 1 mL
da dispersão de NPs:
A) aproximação de 10 KX
A
B) aproximação de 20KX
B
Fonte: o próprio autor.
31
Figura 4.8. Micrografias obtidas por MEV do filme F5, preparado com 25mg de quitosana e 3 mL
da dispersão de NPs:
A) aproximação de 10 KX
A
B) aproximação de 20KX
B
Fonte: o próprio autor.
32
Figura 4.9. Micrografias obtidas por MEV do filme F6, preparado com 25mg de quitosana e 5 mL
da dispersão de NPs:
A) aproximação de 10 KX
A
B) aproximação de 20KX
B
Fonte: o próprio autor.
33
As imagens da Figura 4.7, referentes ao filme preparado com 1 mL de NPs,
revelam um boa dispersão das nanopartículas de poli(NVCL-co-AI) na matriz de
quitosana. Os filmes sintetizados com 3 mL da dispersão de nanopartículas
(Figura 4.8) apresentam indícios de aglomerados, embora as imagens não sejam
tão nítidas quando comparadas àquelas contidas na figura anterior. Por fim, a
Figura 4.9 revela claramente a presença de aglomerados no filme, neste caso,
preparado com 5 mL da dispersão de NPs. Com a adição do ácido acético, as
nanopartículas deixam de estar ionizadas, pois o pH da solução se torna inferior
aos pKa’s do ácido itacônico. Dessa forma, as nanopartículas perdem estabilidade
coloidal e, dependendo da concentração, podem formar aglomerados. Como em
F6 (5mL de NPs) a concentração de nanopartículas é muito alta (cinco vezes a de
F4), provavelmente, houve a perda da estabilidade da dispersão, levando à
formação de grandes aglomerados. Ainda que o processo de agitação seguida de
ultrasonicação tenha sido capaz de dispersar efetivamente as nanopartículas em
F6, a aglomeração pode ter ocorrido durante a secagem.
Portanto, comparando os resultados obtidos por MEV, conclui-se que o
produto da síntese F4, onde se utilizou 1 mL da dispersão de nanopartículas de
poli(NVCL-co-AI), apresentou o melhor resultado em termos de homogeneidade
de distribuição das nanopartículas na matriz de quitosana. Sendo assim, essa
composição foi selecionada para prosseguir o estudo dos filmes, agora com a
avaliação do efeito da adição de aditivos nas sínteses. A seguir, são
apresentadas, então, as imagens obtidas por MEV para os filmes preparados na
presença dos aditivos: glicerina (Figura 4.10), tripolifosfato de sódio (TPP) (Figura
4.11) e glutaraldeído (Figura 4.12).
34
Figura 4.10. Micrografias obtidas por MEV do filme F10 (com a adição de glicerina).
A) aproximação de 10 KX
A
B) aproximação de 20KX
B
Fonte: o próprio autor.
35
Figura 4.11. Micrografias obtidas por MEV do filme F11 (com a adição de TPP):
A) aproximação de 10 KX
A
B) aproximação
de 20KX
B
Fonte: o próprio autor
36
Figura 4.12. Micrografias obtidas por MEV do filme F12 (com a adição de glutaraldeído).
A) aproximação de 10 KX
A
B) aproximação de 20KX
B
Fonte: o próprio autor
37
Os filmes preparados com glicerina (Figura 4.10) apresentaram ondulações
e algumas fraturas na superfície. Os grupos OH presentes na estrutura da
glicerina são capazes de promover interações do tipo pontes de hidrogênio com a
matriz de quitosana. Além disso, a glicerina aumenta a porosidade do filme,
contribuindo, assim, na flexibilidade do material (LIANG et al., 2009). Entretanto,
essa mobilidade das cadeias provoca a diminuição da sua tensão de ruptura. Essa
última propriedade, associada à baixa espessura dos filmes, pode explicar as
fraturas observadas. Philip e Pathak (2008) desenvolveram membranas de
etilcelulose e reportaram que a concentração de plastificante (glicerol) interferiu
proporcionalmente na fragilidade das membranas, ocasionando, em alguns casos,
a ruptura do material. Por outro lado, os filmes com glicerina mostraram melhor
maleabilidade. Portanto, faz-se necessário um estudo aprofundando do efeito da
glicerina nos filmes constituídos de quitosana e hidrogel à base poli(NVCL-co-AI),
a fim de otimizar a sua flexibilidade sem comprometer as propriedades mecânicas.
Os filmes reticulados com TPP revelaram algumas saliências não esféricas,
conforme mostrado na Figura 4.11, indicando um possível acúmulo de sais de
TPP durante o processo de secagem. Finalmente, a adição de glutaraldeído
parece ter mascarado a presença das nanopartículas na superfície do filme (ver
Figura 4.12) se comparado com F4, preparado com a mesma composição de
quitosana e NPs sem a presença de aditivos. Esse efeito pode ter sido provocado
pelo aumento da rigidez da matriz de quitosana. Como anteriormente mencionado,
na revisão bibliográfica deste trabalho, os agentes de reticulação restringem a
mobilidade das cadeias, principalmente aqueles que promovem interações
covalentes. Sendo assim, durante a secagem do filme, as nanopartículas
presentes na interface da solução possivelmente foram impelidas para o interior
do filme, inibindo a evidência das nanopartículas na superfície, quando comparado
com o relevo apresentado nas micrografias da Figura 4.7, referente ao filme F4.
4.2.2 Espectrometria de FTIR
A investigação qualitativa da composição química dos filmes foi realizada
através de espectrometria no infravermelho. Nos espectros de FTIR (Figura 4.13),
avaliou-se, primeiramente, a presença dos picos característicos dos estiramentos
38
presentes na quitosana pura e na amostra das NPs de poli(NVCL-co-AI) pura. Em
seguida, estes picos foram comparados com aqueles presentes nas amostras dos
filmes preparados na ausência e presença dos aditivos, conforme a composição
do filme.
A banda com pico próximo a 3400 corresponde à sobreposição dos
estiramentos de OH e N-H, presentes nos filmes de quitosana. Essa banda
também é observada, embora com menor intensidade, no espectro das
nanopartículas, proveniente da sobreposição dos grupos carboxílicos do AI (O-H)
e C-N da NVCL (ÇAVUS; ÇAKAL, 2012). As bandas em 2858 cm-1 e 2929 cm-1
são referentes às vibrações das sequências –CH2 e –CH, respectivamente, e são
evidenciadas nos espectros do hidrogel de poli(NVCL-co-AI) puro e nos filmes
incorporados com esses hidrogel. Os estiramentos dos grupos C=O e amida I são
observados em 1635 e 1556 cm-1, e estão presentes tanto na estrutura da
quitosana quanto do poli(NVCL-co-AI). O picos próximos a 1415, 1380 e 1315 cm 1
, correspondem à deformação axial de –CN da amida, deformação angular
simétrica de CH3 e axial de –CN de grupos amino, respectivamente, sendo que
este último não está presente na estrutura das nanopartículas. No espectro do
hidrogel de poli(NVCL-co-AI) existe, ainda, um pico em 1273 cm -1 que,
possivelmente, está relacionado ao estiramento C-O-C do agente reticulante
(EGDMA) (SANTOS et al., 2003; ZAKARIA et al., 2012). As demais bandas nos
filmes de quitosana, entre 900 e 1150 cm -1, pertencem às estruturas
polissacarídicas.
O espectro do filme F10, com glicerina, é muito semelhante ao do filme F4,
uma vez que esse aditivo não apresenta grupos funcionais distintos aos da blenda
quitosana-poli(NVCL-co-AI).
Entretanto,
observa-se
uma
diminuição
na
intensidade das bandas com picos em 1635 e 1556 cm -1, possivelmente devido às
interações por ponte de hidrogênio entre a glicerina e os grupos carbonila e
amida, diminuindo assim as vibrações dos estiramentos C=O e CONH.
As bandas características do TPP foram realçadas no espectro do filme
F11, sendo elas presentes em: 1157 cm-1 (vibração do estiramento P=O), 1076
cm-1 (estiramentos simétricos e assimétricos do grupo PO 2) e 1033 cm-1
(estiramentos simétricos e assimétricos do grupo PO 3) (GIERSZEWSKADRUŻYŃSKA; OSTROWSKA-CZUBENKO, 2010). Já a presença do glutaraldeído
39
no filme F12 pôde ser confirmada com o aumento da intensidade dos picos em
2929 e 1562 cm-1, referentes à vibração de C-H e à ligação etilênica C=C,
respectivamente (MONTEIRO; AIROLDI, 1999).
Figura 4.13. Espectros de infravermelho (FTIR) dos filmes à
base de quitosana, poli(NVCL-co-AI) e aditivos.
4000
3000
2000
1000
3400
0
Filme de
Quitosana
1415
1380
Nanopartìculas de
P(NVCL-co-AI)
1315
2929
1273
2858
1635
F10 (Glicerina)
F4
1556
F11 (TPP)
1076
1033
F12 (Glutaraldeído)
1157
1562
2929
4000
3000
2000
1000
0
-1
Número de onda (cm )
Fonte: o próprio autor.
40
4.2.3 Análise termogravimétrica (TGA) e Termogravimetria derivada (DTG)
A Figura 4.14 apresenta os resultados de TGA/DTG do filme de quitosana
puro, do filme de quitosana e poli(NVCL-co-AI) (F4) e dos filmes de quitosana e
poli(NVCL-co-AI), preparados na presença de aditivos: glicerina (F10), TPP (F11)
e glutaraldeído (F12). Em todos os casos, dois principais eventos de perda de
massa foram observados. O primeiro, com pico a 80°C, é atribuído à vaporização
da água, presente na estrutura polimérica através de interações com os grupos
amino e hidroxila. A temperatura de vaporização da água, nesse caso, é
relativamente baixa (menor que 100°C), indicando que a água está fisicamente
adsorvida às moléculas de quitosana e/ou interage por meio de ligações fracas de
hidrogênio (ZAWADZKI; KACZMAREK, 2010). O segundo evento é referente à
decomposição da quitosana, que acontece em duas etapas: a primeira, com pico
a 250°C, é relacionada à despolimerização da quitosana, enquanto que a segunda
é observada através de uma banda que se estende a partir da primeira, a uma
temperatura de 270°C. Essa segunda etapa de decomposição pode estar
relacionada à degradação de materiais reticulados, formados por reticulação
térmica durante o primeiro estágio de decomposição, em que ocorre a degradação
dos grupos amino (PEREIRA et al., 2013).
Outros eventos podem ser observados nos filmes F10 e F11, com máximos
em 195 e 170°C, podendo estar relacionados à decomposição dos aditivos:
glicerina e TPP, respectivamente. No caso do filme com glutaraldeído, a
decomposição do aditivo não é observada de forma isolada, possivelmente devido
à interação entre o aditivo e as cadeias poliméricas, neste caso, ser do tipo
covalente.
41
Figura 4.14. Curvas de TGA (A) e DTG (B) da quitosana e dos filmes à base de quitosana e
poli(NVCL-co-AI).
B) DTG
A) TGA
9.9
100
Quitosana
75
6.6
50
3.3
25
0.0
80°C
Quitosana
250°C
100
0
DTG (mg. min-1)
Perda de Massa (%)
11.4
F4
75
50
25
100
0
F10
75
50
25
F4
270°C
7.6
3.8
0.0
6.9
4.6
195°C
F10
170°C
F11
2.3
0.0
100
0
F11
75
6.3
4.2
50
2.1
25
0.0
7.8
100
0
F12
75
F12
5.2
50
2.6
25
0.0
0
0
200
400
600
800
1000
0
Temperatura (°C)
200
400
600
800
1000
Temperatura (°C)
Fonte: o próprio autor.
4.2.4 Calorimetria Diferencial Exploratória (DSC)
As análises de DSC foram realizadas a fim de determinar os principais
eventos térmicos presentes nos filmes constituídos de quitosana e poli(NVCL-coAI). Em um primeiro momento, as análises foram realizadas sem nenhum
tratamento térmico prévio, variando-se a temperatura entre -80 a 300°C, com taxa
de aquecimento de 10°C/min. Posteriormente, um primeiro aquecimento a 160°C
foi realizado antes das análises, a fim de detectar possíveis eventos relacionados
à evaporação da água retida entre as cadeias poliméricas. Como se pode
observar na Figura 4.15, esse aquecimento prévio permitiu amenizar o pico
endotérmico entre 100 e 150°C, confirmando o efeito da presença de umidade nos
resultados, provocada pela grande capacidade dos hidrogéis em absorver água.
42
Figura 4.15. Diagramas de DSC do filme F4: A) Sem aquecimento prévio e B) Com aquecimento
prévio até 160°C
Exo
Fluxo de Calor (W/g)
B
Desidratação
-100
-50
0
50
100
150
200
250
300
350
200
250
300
350
A
Desidratação
-100
-50
0
50
100
150
Temperatura (°C)
Fonte: o próprio autor
Figura 4.16. Diagramas de DSC do hidrogel de poli(NVCL-co-AI), do filme de quitosana puro e do
filme F4, constituído de quitosana e poli(NVCL-co-AI).
3,6°C
10°C
Nanopartículas de Poli(NVCL-co-AI)
Filme de Quitosana
Filme de Quitosana e Poli(NVCL-co-AI) - F4
Exo
241°C
Fluxo de Calor (W/g)
242,6°C
174,8°C
-0,9°C
-100
-50
0
4,4°C
50
100
150
200
250
300
Temperatura (°C)
Fonte: o próprio autor
43
Dessa forma, o processo de desidratação foi eliminado no primeiro
aquecimento e as análises a seguir foram realizadas durante o segundo
aquecimento das amostras.
Na Figura 4.16 são apresentados os diagramas de DSC do hidrogel de
poli(NVCL-co-AI), do filme de quitosana puro, e, por último, do filme F4,
constituído de quitosana e poli(NVCL-co-AI). Na rampa de aquecimento referente
às nanopartículas de poli(NVCL-co-AI) é possível observar uma inflexão, a 3,6°C e
outra, logo em seguida, a 10°C, referentes às transições vítreas (Tg) das
macrocadeias de poli(NVCL-co-AI). Como citado, esse hidrogel foi sintetizado via
processo semi-contínuo, com 1/3 dos reagentes colocados no reator antes do
início da reação (“pé de reação”). Acredita-se que esse procedimento tenha
levado à formação de partículas com um núcleo rico em EGDMA, devido à sua
alta reatividade (comparada com a NVCL e o AI), e uma camada externa menos
reticulada, como representado na Figura 4.17. Imaz e Forcada (2008) verificaram
resultado semelhante ao sintetizar partículas à base de PNVCL, utilizando N,N’metileno-bis-acrilamida (MBA), como agente reticulante, o qual também possui
reatividade superior à da NVCL. Os autores estudaram, de forma separada, a
influência da alimentação semi-contínua da NVCL, do MBA e do iniciador (KPS)
na estrutura das partículas. Verificou-se que quando o iniciador (KPS) foi
adicionado
ao
longo
da
polimerização,
os
radicais
formados
reagiram
preferencialmente com o agente reticulante (MBA) e formaram núcleos com alta
densidade de reticulação, envolvidos por uma camada externa mais rica em
cadeias termossensíveis, provenientes da PNVCL. Embora o grupo não tenha
publicado resultados referentes à transição vítrea do material, acredita-se que as
nanopartículas de poli(NVCL-co-AI) sintetizadas no presente trabalho também
apresentem esse tipo configuração, representado na Figura 4.17, podendo
justificar as duas transições vítreas (Tg) encontradas. A primeira Tg pode estar
relacionada às macrocadeias localizadas no núcleo da nanopartícula e a segunda,
àquelas presentes na região externa menos reticulada e, portanto, possivelmente
mais cristalina. McGrath (2007), por exemplo, descreveu a síntese de
nanopartículas à base de poli(estireno-co-N-ispropilacrilamida) (poli(pS-coNIPAm)) e verificou a presença de duas transições vítreas no material. Segundo o
autor, essas transições sugerem que a partícula foi composta por duas regiões
44
poliméricas distintas, sendo uma rica de copolímero, cuja Tg é intermediária aos
valores do poliestireno e do PNIPAm puros, e a outra região rica em PNIPAm,
com Tg semelhante à deste polímero. Por fim, o pico exotérmico observado em
241°C representa a temperatura de fusão cristalina (Tm) do poli(NVCL-co-AI).
Figura 4.17. Representação esquemática da estrutura do hidrogel de poli(NVCL-co-AI), de acordo
com o grau de reticulação e cristalinidade.
Cadeias mais ordenadas
(maior cristalinidade)
Fonte: o próprio autor
Em relação à quitosana observa-se uma inflexão em 174,8°C, porém, não é
possível afirmar que esse fenômeno retrate a transição vítrea do filme de
quitosana. Dong et al. (2004) encontraram eventos térmicos entre 140-150°C e
próximo a 200°C, e consideraram o primeiro sendo relativo a Tg da quitosana.
Outros trabalhos descrevem um evento endotérmico próximo a 180°C e o
relacionam com o processo de dissociação das ligações de hidrogênio entre as
cadeias da quitosana (EL-HEFIAN et al., 2010). Por outro lado, Skurai et al. (2000)
estimaram a Tg da quitosana como sendo próxima a 203°C. Santos et al. (2003)
analisaram diferentes quitosanas comerciais e apontaram a dificuldade de
visualizar a Tg por DSC, uma vez que o evento é fortemente dependente do teor
de água presente na amostra. Portanto, outros tipos de análises complementares,
como por exemplo, DMTA, devem ser realizados para ajudar na interpretação dos
resultados obtidos por DSC. Além disso, alguns parâmetros podem ser otimizados
a fim de evidenciar os eventos térmicos, como a massa das amostras, a taxa de
aquecimento ou um tratamento físico de envelhecimento, capazes de aumentar a
sensibilidade das medidas por DSC (DONG et al., 2004). Por fim, o pico
exotérmico em 242°C está relacionado com a decomposição da quitosana, o que
45
pode ser confirmado pelos resultados das análises de TGA, mostrados no item
4.2.3.
Finalmente, a Figura 4.16 mostra, ainda, a diminuição das Tg’s referentes
ao poli(NVCL-co-AI) no filme F4. As interações entre as macrocadeias contida no
hidrogel e a quitosana pode ter dificultado o empacotamento das cadeias. Vale
lembrar, porém, que essa transição não reflete o comportamento do filme em si,
mas das cadeias de poli(NVCL-co-AI).
Figura 4.18. Diagramas de DSC dos filmes de quitosana e poli(NVCL-co-AI) preparados na
presença de aditivo.
F4
F10 (Glicerina)
F11 (TPP)
F12 (Glutaraldeído)
Fluxo de Calor (W/g)
Exo
132°C
218,1°C
104,5°C
-100
-50
0
50
100
150
200
250
300
Temperatura (°C)
Fonte: o próprio autor
A Figura 4.18, apresenta os diagramas de DSC dos filmes de quitosana e
poli(NVCL-co-AI), preparados na presença de aditivos. No filme F10, assim como
em F4, não foi possível identificar inflexão que pudesse ser atribuída à Tg das
cadeias de quitosana, mas somente àquelas referentes às de poli(NVCL-co-AI).
Para os filmes F11 e F12, preparados na presença de TPP e glutaraldeído,
respectivamente, observaram-se inflexões a 132 e 104,5°C. Assumindo que esses
eventos estejam relacionados à Tg da quitosana e comparando com os valores
encontrados na literatura para filmes de quitosana, citados anteriormente, esses
resultados indicam que os agentes de reticulação diminuíram a transição vítrea do
46
material. Gierszewska-Drużyńska e Ostrowska-Czubenko (2010) reportaram que
os filmes reticulados são mais amorfos devido às mudanças na estrutura
molecular da quitosana, provocadas tanto pelas interações com o agente de
reticulação como pela quebra de ligações de hidrogênio intramoleculares.
Por último, o pico em 218°C no filme F11, com TPP, pode representar a
sobreposição de dois efeitos: a decomposição da quitosana e a Tm do poli(NVCLco-AI), sendo que a última pode ter diminuído devido às interações físicas entre o
TPP e o ácido itacônico, presente nas nanopartículas.
4.2.5 Difratometria de raios X
A Figura 4.19 apresenta os difratogramas de raios X obtidos para o hidrogel
de poli(NVCL-co-AI) e para o filme de quitosana puros, bem como para os filmes
constituídos de quitosana e poli(NVCL-co-AI), preparados na ausência (F4) e
presença dos aditivos glicerina (F10), TPP (F11) e glutaraldeído (F12).
Figura 4.19. Difratogramas de raios X do hidrogel de poli(NVCL-co-AI) e da quitosana puros e dos
filmes à base de quitosana, poli(NVCL-co-AI), na presença e ausência de aditivos
9,5°
19,5°
12,5°
Poli(NVCL-co-AI)
23,6°
Intensidade (u.a.)
39,2°
Quitosana
F4
F10 (Glicerina)
F11 (TPP)
F12 (Glutaraldeído)
5
10
15
20
25
30
35
40
45
2θ
Fonte: o próprio autor
47
O difratograma de raios X do hidrogel de poli(NVCL-co-AI) revela uma
estrutura predominantemente amorfa, como esperado. Já o difratograma do filme
de quitosana apresenta picos característicos em 9,5° e 19,5°, os quais são
atribuídos, respectivamente, aos cristais hidratados devido à integração de
moléculas de água na rede cristalina e às estruturas cristalinas regulares da
quitosana (EPURE et al., 2011). Entretanto, nota-se, ainda, a presença de picos,
com intensidades menores, em 12,5°, 23,6° e 39,2°. Vongchan et al. (2003)
também encontraram picos semelhantes no difratograma da quitina. Considerando
que a quitosana utilizada possui um grau de acetilação próximo a 35%, esses
picos podem estar relacionados aos cristais característicos da quitina.
No difratograma do filme F4, constituído de quitosana e poli(NVCL-co-AI),
na ausência de aditivos, a intensidade do pico em 9,5° diminuiu, apontando uma
menor hidratação dos cristais de quitosana devido a presença das nanopartículas
de poli(NVCL-co-AI). Esse resultado condiz com o apresentado no item 4.2.7, que
revela menor quantidade de água absorvida por esses filmes.
O difratograma do filme F10, preparado na presença de glicerina, mostra
um indício do aumento da cristalinidade. EPURE et al. (2011) indicam que a
presença de glicerina promove maior mobilidade entre as cadeias durante a
secagem do filme e favorece o processo de cristalização. Dessa forma, a adição
da glicerina pode ter favorecido a cristalização durante o processo de secagem,
embora isso não tenha sido possível confirmar por DSC, uma vez que a Tg da
quitosana não foi identificada em F10. Já os agentes de reticulação, TPP e
glutaraldeído, diminuíram a cristalinidade dos filmes (comparados com F4), uma
vez que esses aditivos alteram a estrutura da rede de quitosana, dificultando o
empacotamento das cadeias.
4.2.6 Intumescimento dos filmes em função do tempo.
O
grau
de
intumescimento
(GI)
é,
comumente,
determinado
gravimetricamente, quando as massas das amostras úmidas (MU) passam a ser
constantes, isto é, quando atingem um estado de equilíbrio. A fim de avaliar o
intervalo de tempo necessário para se alcançar esse equilíbrio e prosseguir com o
estudo de intumescimento dos filmes nesse intervalo pré-determinado, realizou-se
48
uma análise prévia do GI em função do tempo (Figura 4.20). Para tanto, amostras
de filme constituído de quitosana e poli(NVCL-co-AI), preparado em F4, foram
imersas em soluções tampão (pH 1,2, 5,8, 7,4 e 9) e a MU foi quantificada através
de análise gravimétrica, com medidas tomadas em duplicata.
Figura 4.20. Intumescimento das amostras de F4 em função do tempo e do pH.
450
400
GI (%)
350
pH 5,8
pH 7,4
pH 9
300
250
200
150
1h
3h
5h
8h
24h
Tempo (h)
Fonte: o próprio autor
Conforme esperado, não foi possível medir a MU da amostra imersa em pH
1,2, devido à alta solubilidade da quitosana em meio ácido, levando à dissolução
do filme em um intervalo de tempo inferior a 1 hora.
A Figura 4.20 também mostra que, em todos os pHs estudados, não foi
possível determinar claramente o intervalo de tempo necessário para o equilíbrio
no intumescimento dos filmes, ou seja, não foram obtidos valores constantes para
as medidas de MU no intervalo de 24 horas. Supõem-se, portanto, que há a
coexistência de dois fenômenos antagônicos que interferem na M U dos filmes: 1) o
ganho de massa pela absorção de água na matriz de quitosana e nas
nanopartículas; 2) a perda de massa pela dissolução da quitosana em pH ácido ou
pelo desprendimento das nanopartículas de poli(NVCL-co-AI) da matriz de
quitosana, em meio básico.
Em pH 5,8, nota-se um intumescimento crescente e progressivo, indicando
que esse pH contribuiu para as interações físicas entre a matriz de quitosana e as
49
nanopartículas de poli(NVCL-co-AI) e, possivelmente, diminuiu a perda de massa
dos filmes. Os processos de intumescimento e perda de massa são discutidos nos
itens 4.2.7 e 4.2.9., respectivamente.
Em pH 7,4 e 9, o intumescimento dos filmes tendeu a diminuir com o
tempo, possivelmente devido à perda de massa provocada pelo desprendimento
das nanopartículas para o meio, já que o poli(NVCL-co-AI) passa a ter maior
afinidade com as moléculas de água quando em pH básico, em consequência da
ionização dos grupos carboxílicos do ácido itacônico.
4.2.7 Sensibilidade à temperatura e ao pH em função da concentração de
nanopartículas.
As sensibilidades à temperatura e ao pH foram avaliadas pela capacidade
dos filmes em absorver água quando imersos em diferentes situações de
temperatura e pH. Essa capacidade está relacionada ao grau de intumescimento
(GI) dos filmes. Para um melhor entendimento do efeito da concentração de
nanopartículas no GI, avaliaram-se os filmes F4, F5 e F6 (preparados com 1, 3 e 5
mL, respectivamente, da dispersão de nanopartículas). Nos três gráficos seguintes
(Figuras 4.21, 4.22 e 4.23), são apresentados os valores de GI obtidos para esses
filmes, bem como para o filme de quitosana puro. Para estas medidas, os filmes
foram imersos e mantidos em soluções com diferentes temperaturas (25° e 37°C)
e pHs (5,8, 7,4 e 9).
No primeiro caso, em que as amostras foram imersas em solução tampão
com pH igual a 5,8, (Figura 4.21) observa-se nitidamente o efeito da concentração
das nanopartículas de poli(NVCL-co-AI) no intumescimento dos filmes. À medida
que essa concentração aumentou, o GI dos filmes diminuiu, indicando que houve
um aumento da interação entre as nanopartículas e a matriz de quitosana. Neste
pH, a maior parte dos grupos carboxílicos do poli(NVCL-co-AI) se encontra
ionizada (COO-). Por outro lado, os grupos amino da quitosana (pka ~6,5) se
encontram protonados (NH3+). Sendo assim, a interação física entre esses dois
grupos é preferencial em relação à interação hidrofílica entre a matriz de
quitosana ou o hidrogel e as moléculas de água, tendo como consequência um
menor intumescimento dos filmes.
50
Figura 4.21. Grau de intumescimento (GI) dos filmes de quitosana-poli(NVCL-co-AI), com
diferentes proporções de hidrogel, imersos em pH 5,8.
700
600
GI (%)
500
400
25°C - 8h
300
37°C - 8h
200
100
0
Quitosana (25:0)
F4 (25:1)
F5 (25:3)
F6 (25:5)
mg (quitosana) : mL (NPs)
Fonte: o próprio autor
Em relação ao efeito da temperatura, os filmes imersos em solução tampão
com pH igual a 5,8 demonstraram um comportamento particular. A Figura 4.21
mostra que o aumento da temperatura favoreceu o intumescimento do filme de
quitosana pura e do filme F4 (preparado com 1 mL da dispersão de nanopartículas
de poli(NVCL-co-AI)). Entretanto, um efeito inverso foi observado para os filmes
F5 e F6 (preparados com 3 e 5 mL da dispersão de nanopartículas de poli(NVCLco-AI). Em relação ao filme de quitosana pura, sabe-se que a temperatura
também influencia na associação/dissociação de pontes de hidrogênio entre as
cadeias de quitosana. Em pH 5,8, o aumento da temperatura leva ao relaxamento
das cadeias e à dissociação dessas forças secundárias, permitindo maior difusão
de moléculas de água no interior da rede de quitosana (ROHINDRA et al., 2004).
Em vista disso, GI foi maior a 37°C, para os filmes preparados somente com
quitosana. Em relação ao hidrogel, o aumento da temperatura deve favorecer as
interações do tipo polímero-polímero entre as cadeias de poli(NVCL-co-AI),
levando à compactação das nanopartículas. Dessa forma, observa-se que o efeito
da temperatura no grau de intumescimento dos filmes altera à medida que a
concentração de poli(NVCL-co-AI) aumenta. Pode-se dizer, portanto, que nos
51
filmes preparados com quitosana e poli(NVCL-co-AI) há uma competição de
efeitos térmicos no grau de intumescimento dos filmes, quando em pH 5,8.
Em F4, com 1 ml de NPs, o efeito provocado pela temperatura nas cadeias
de quitosana ainda supera àquele nas cadeias de poli(NVCL-co-AI), levando a um
aumento no GI a 37°C. Em F5 (3 mL de NPs), assume-se que os dois efeitos
praticamente se anulam. Por fim, a elevada concentração de nanopartículas em
F6 (5 mL de NPs) fez com que o efeito do aumento da temperatura na
compactação das nanopartículas passasse a ser mais expressivo do que no
relaxamento das cadeias de quitosana, levando a uma menor absorção de água.
Essa competição de efeitos térmicos nos filmes só é observado em pH 5,8.
Conforme discutido no item 4.1.1, o hidrogel de poli(NVCL-co-AI) disperso em
meio ácido demonstra baixa sensibilidade ao aumento da temperatura, devido ao
grau de intumescimento reduzido das nanopartículas na temperatura ambiente,
provocado pelo domínio das interações polímero-polímero . A sensibilidade
térmica, portanto, só é evidenciada em pH básico, em que a maioria das
carboxilas estão ionizadas e a rede polimérica expandida, por efeito da repulsão
eletrostática. Isso significa que, em pH 5,8, os efeitos térmicos do hidrogel e da
quitosana puderam ser comparados. Por outro lado, enquanto o efeito do hidrogel
aumenta em pH 7,4 e 9, a quitosana se torna menos solúvel em pH básico e o
efeito da temperatura nas suas cadeias se torna irrelevante. Sendo assim, a
competição de efeitos térmicos não é observada em meios mais básicos.
As Figuras 4.22 e 4.23 revelam que o grau de intumescimento dos filmes
preparados
com
diferentes
proporções
de
poli(NVCL-co-AI)
apresentam
comportamento semelhante tanto em pH 7,4 quanto em pH 9. A influência da
proporção de hidrogel no intumescimento dos filmes ainda pode ser observada
nesses pHs, embora menos pronunciada se comparada com os resultados obtidos
em pH 5,8. Este resultado pode ser atribuído ao fato de que, em valores de pH
mais básicos, ainda que a grande maioria dos grupos carboxílicos da poli(NVCLco-AI) estejam ionizados, os grupos amino da quitosana não estão protonados.
Dessa forma, o aumento da concentração de poli(NVCL-co-AI) resulta em maiores
sítios de interação polímero-polímero, diminuindo assim o grau de intumescimento
dos filmes. Além disso, outro fator, não menos importante, que contribui para a
diminuição do GI é a perda de massa dos filmes conforme o aumento da
52
concentração de nanopartículas. Esse fenômeno é comentado no item 4.2.9 e
acontece nas três situações de pH, principalmente em F5 e F6.
Figura 4.22. Grau de intumescimento (GI) dos filmes de quitosana-poli(NVCL-co-AI), com
diferentes proporções de hidrogel, imersos em pH 7,4.
300
250
GI (%)
200
150
25°C - 8h
100
37°C - 8h
50
0
Quitosana (25:0)
F4 (25:1)
F5 (25:3)
F6 (25:5)
mg (quitosana) : mL (NPs)
Fonte: o próprio autor
Figura 4.23. Grau de intumescimento (GI) dos filmes de quitosana-poli(NVCL-co-AI), com
diferentes proporções de hidrogel, imersos em pH 9.
200
GI (%)
160
120
25°C - 8h
80
37°C - 8h
40
0
Quitosana (25:0)
F4 (25:1)
F5 (25:3)
F6 (25:5)
mg (quitosana) : mL (NPs)
Fonte: o próprio autor
Ainda nessas duas últimas figuras, é possível observar uma pequena
diminuição no GI, resultante do aumento da temperatura para todos os filmes
analisados. Em relação ao filme de quitosana pura, GI diminuiu com o aumento da
temperatura, em oposição ao resultado observado em pH 5,8. Com o aumento do
53
pH, os grupos amina deixam de estar protonados, promovendo menor
espaçamento e mobilidade entre as cadeias e o aumento da temperatura favorece
as interações entre macrocadeias, diminuindo, assim, o grau de intumescimento.
Dessa forma, nos filmes constituídos de quitosana e poli(NVCL-co-AI) assume-se
que, em pH 7,4 e 9, prevalecem os efeitos termo-sensíveis do hidrogel de
poli(NVCL-co-AI).
4.2.8 Grau de intumescimento dos filmes preparados na presença de aditivos
Sabe-se que a presença de aditivos normalmente altera o comportamento
do filme, uma vez que modifica sua estrutura química. A Figura 4.24 mostra a
influência da glicerina, do TPP e do glutaraldeído no intumescimento dos filmes
F10, F11e F12 em função do pH, a 37°C. Para comparação, uma curva com os
resultados obtidos para o filme F4 também é apresentada nesta figura.
Figura 4.24. Grau de intumescimento (GI) dos filmes de quitosana e poli(NVCL-co-AI), preparados
na presença de aditivos
800
700
600
GI (%)
500
F4: Sem aditivos
400
F10: Glicerina
300
F11: TPP
200
F12: Glutaraldeído
100
0
1,2
5,8
7,4
9
pH
Fonte: o próprio autor
Era esperado que a glicerina aumentasse o GI, tendo em vista a
capacidade desta molécula de interagir com a água, através das hidroxilas livres.
54
Contudo, os valores de GI encontrados para o filme F10, em função do pH, foram
muito semelhantes àqueles encontrados para o filme F4. Provavelmente, esse
efeito não foi evidenciado devido à elevada perda de massa a ser discutida em
4.2.9, provocada pelo enfraquecimento mecânico do filme.
Por outro lado, a reticulação física provocada pela adição de TPP (F11)
evitou a dissolução da quitosana em pH 1,2 e diminuiu, consideravelmente, o grau
de intumescimento em pH 5,8. No entanto, com o aumento do pH para 7,4 e 9, o
efeito da reticulação diminuiu, quando comparado ao obtido em pH 5,8, devido à
menor disponibilidade de grupos NH3+ da quitosana, diminuindo a densidade das
interações físicas entre esses grupos e –PO3- do TPP. Como resultado, o grau de
intumescimento aumentou novamente em pH 7,4 e 9. Resultados semelhantes
foram reportados por Pieróg et al. (2009). Observa-se, ainda, menor GI para o
filme F11 quando comparado com F4, tanto em pH 5,8 quanto em 7,4 e 9, uma
vez que as interações entre a matriz polimérica e o TPP desfavoreceram as
interações do tipo polímero-solvente.
Por último, a reticulação promovida pelo glutaraldeído, do tipo covalente,
diminuiu o intumescimento dos filmes em todos os valores de pH. Neste caso, os
grupos amino e hidroxilas foram consumidos na reação com o glutaraldeído,
formando acetais e bases de Schiff (ALY, 1998). Dessa forma, as interações
hidrofílicas foram desfavorecidas, diminuindo o grau de intumescimento dos
filmes.
4.2.9 Perda de massa dos filmes
A perda de massa de cada filme (PM) foi calculada por análise gravimétrica
das amostras secas (MF), após 24 horas imersas nas respectivas soluçõestampão a 37°C. A Figura 4.25 apresenta os resultados obtidos para cada
proporção estudada de quitosana e poli(NVCL-co-AI).
55
Figura 4.25. Perda de massa (PM), em função do pH, dos filmes preparados com diferentes
proporções entre a quitosana e o hidrogel de poli(NVCL-co-AI)
40
35
PM (%)
30
25
20
5,8
15
7,4
10
9
5
0
Quitosana (25:0)
F4 (25:1)
F5 (25:3)
F6 (25:5)
mg (quitosana) : mL (NPs)
Fonte: o próprio autor
Os resultados apresentados revelaram que a PM aumentou em função do
aumento da proporção de poli(NVCL-co-AI) nos filmes. Conforme citado no item
4.2.1, as micrografias das amostras F5 e F6 revelaram possíveis aglomerados de
poli(NVCL-co-AI). Portanto, a perda de massa mais acentuada em F5 e F6 pode
estar relacionada ao desprendimento desses aglomerados presentes na matriz de
quitosana.
Observa-se ainda um ligeiro aumento da perda de massa em pH 7,4 e 9.
Considerando que o hidrogel de poli(NVCL-co-AI) é sensível ao pH, a repulsão
eletrostática dos grupos carboxílicos ionizados leva ao aumento do diâmetro das
nanopartículas. Porém, uma vez que as nanopartículas constituintes do hidrogel
estão aprisionadas na matriz de quitosana, é gerada uma força contrária à de
expansão, podendo levar à “expulsão” das nanopartículas dessa matriz. Dessa
forma, a perda de massa em pH básico pode ser consequência não só do
desprendimento de aglomerados de poli(NVCL-co-AI) como também de
nanopartículas isoladas.
56
A Figura 4.26, a seguir, mostra a perda de massa, em função do pH, dos
filmes preparados na presença de glicerina, TPP e glutaraldeído. Para
comparação, os resultados obtidos para o filme F4 também são apresentados
nesta figura.
Figura 4.26. Perda de massa (PM), em função do pH, dos filmes de quitosana e poli(NVCL-co-AI),
preparados na presença de aditivos.
35
30
PM (%)
25
1,2
20
5,8
15
7,4
10
9
5
0
F4
F10 (Glicerina)
F11 (TPP)
F12 (Glutaraldeído)
Fonte: o próprio autor
Em geral, os filmes preparados na presença de aditivos apresentaram
maior perda de massa do que F4, preparado sem a adição de qualquer aditivo.
Em relação a F10, a elevada PM condiz com o resultado obtido na microscopia
eletrônica de varredura, que revelou fraturas na superfície. A estrutura do filme foi
demasiadamente enfraquecida pela adição da glicerina, confirmando que a
proporção desse aditivo precisa ser ajustada. Nota-se que em pH 5,8 a PM foi
menos acentuada, o que é justificado pelo maior grau de interação entre os
grupos NH3+ da quitosana e COO- do poli(NVCL-co-AI). A maior densidade dessas
interações pode ter diminuído a dissolução do filme. Um segundo fator que explica
a maior perda de massa com a adição de glicerina é a solubilidade desse aditivo
em água. A imersão do filme em solução aquosa por 24 horas pode ter levado à
lixiviação da glicerina, isto é, a extração da glicerina presente no filme através da
dissolução desta no meio aquoso (REMUÑÁN-LÓPEZ; BODMEIER, 2009).
57
A adição de TPP também aumentou a PM dos filmes, quando comparados
ao filme F4. Mais uma vez, conforme revelado pela análise microscópica,
possíveis resíduos de TPP formaram aglomerados durante a secagem. Dessa
forma, assim como a glicerina, esses sais podem ter sido dissolvidos nas soluções
aquosas, acentuando a perda de massa. Observa-se ainda que, em pH 1,2 e 5,8,
a PM foi menor que em pH 7,4 e 9, devido à eficiência de reticulação do TPP em
pH ácido, promovida por interações físicas entre o grupo NH3+ da quitosana e –
PO3- do TPP (PIERÓG et al., 2009). Nestes valores de pH (acima do pKa da
quitosana, ou seja, acima de 6,5) o grupo amino da quitosana deixa de estar na
forma protonada e, portanto, essas interações diminuem consideravelmente. A
menor perda de massa em pH 5,8 se deve, portanto, à existência dessas
interações (quitosana-TPP) somada à elevada densidade de interações entre os
grupos amino da quitosana e os carboxílicos das nanopartículas, ionizados nesse
pH.
Por último, o glutaraldeído apresentou PM mais elevada do que esperado,
considerando
que
a
reticulação
química
deve
evitar
a
dissolução
e
desprendimento das cadeias poliméricas. Entretanto, os filmes preparados com
esse aditivo apresentaram fragilidade mecânica devido à elevada densidade de
reticulação, o que levou ao desprendimento de pequenos fragmentos durante a
manipulação e, consequentemente, influenciou no cálculo da perda de massa.
58
5
CONCLUSÕES
Esse trabalho teve como objetivo principal a síntese de filmes poliméricos a partir
de materiais biocompatíveis com potencial aplicação na liberação controlada de
fármacos e regeneração de tecidos lesionados. A partir dos resultados obtidos,
pode-se concluir que:

Hidrogel constituído de nanopartículas sensíveis à temperatura e ao pH, à
base de poli(NVCL-co-AI), foi sintetizado com êxito, via polimerização por
precipitação. Imagens de TEM revelaram a morfologia esférica do hidrogel e
confirmaram o tamanho e polidispersidade obtidos por espalhamento de luz;

As nanopartículas de poli(NVCL-co-AI) foram incorporadas com sucesso em
filmes de quitosana, formados por extração de solvente (“casting”);

A concentração de quitosana nas soluções iniciais, utilizadas na preparação
dos filmes, foi ajustada experimentalmente. Soluções muito concentradas
afetaram a viscosidade e, consequentemente, a eficiência da homogeneização
dessas soluções, devido à alta massa molar e baixo grau de desacetilação da
quitosana utilizada. Por outro lado, concentrações baixas de quitosana levaram
a filmes com baixa resistência mecânica, apontada por fraturas na estrutura;

A proporção entre a massa de quitosana e o volume da dispersão de
poli(NVCL-co-AI)
influenciou
a
homogeneidade
de
distribuição
das
nanopartículas nos filmes e, consequentemente, o grau de intumescimento e a
perda de massa dos mesmos. Entre os filmes estudados, os resultados obtidos
para F4 indicam que esse filme apresenta a melhor proporção entre esses
materiais;

Os filmes apresentaram sensibilidade à temperatura e, principalmente, ao pH,
confirmando a possibilidade de seu uso em sistemas de liberação controlada e
localizada de fármacos;
59

A adição de glicerina aumentou a maleabilidade dos filmes, mas prejudicou a
sua resistência mecânica, indicando a necessidade de otimização da
proporção deste aditivo em sínteses futuras;

A adição de agentes de reticulação demonstrou ser essencial para sistemas de
liberação em condições de pH muito baixo. Tanto o tripolifosfato de sódio
(TPP) quanto o glutaraldeído evitaram a dissolução da quitosana em pH 1,2;

As propriedades térmicas dos filmes foram pouco influenciadas pela
composição, demonstrando que a quitosana, sendo o principal constituinte, é a
maior responsável pela decomposição dos filmes. Entretanto, a cristalinidade
pôde ser amenizada com a adição do hidrogel de poli(NVCL-co-AI) e agentes
de reticulação, o que é interessante em se tratando de sistemas de liberação
de princípios ativos.
60
6
SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
Os resultados obtidos nesse trabalho permitem sugerir os seguintes estudos
posteriores:

Da purificação dos filmes, que é um procedimento essencial na preparação de
qualquer material em desenvolvimento. Esse procedimento não foi realizado
neste trabalho de modo a verificar a ocorrência de possíveis aglomerados de
nanopartículas. Além disso, os resultados dos filmes não purificados são dados
prévios para um estudo futuro sobre a influência da purificação na perda de
massa dos filmes. Vale lembrar que a rede polimérica de quitosana e os
hidrogel de poli(NVCL-co-AI) interagem entre si somente por meio de
interações físicas. Portanto, o processo de purificação deve ser estudado
cautelosamente, uma vez que o trabalho envolve filmes solúveis em ácido e
nanopartículas incorporadas que podem ser liberadas, de forma precoce e
expressiva, durante uma purificação neutra ou básica. De qualquer modo, os
resultados de intumescimento obtidos neste trabalho são essenciais para
efeitos comparativos com filmes purificados e para a seleção de uma
metodologia mais viável de purificação;

Do
desenvolvimento
de
filmes
com
um
fármaco
encapsulado
nas
nanopartículas de poli(NVCL-co-AI), assim como o estudo cinético da liberação
in vitro desse princípio ativo em diferentes condições de temperatura e pH;

Da biodegradabilidade dos filmes, uma vez que é um fenômeno que pode
colaborar na eficiência do processo de liberação do fármaco. Isso pode
significar que as moléculas do princípio ativo que ficam retidas na rede
polimérica, também poderão ser liberadas através da biodegradação das
macrocadeias. Além disso, esse fenômeno aumenta o conforto dos pacientes,
facilitando ou mesmo evitando a necessidade de remoção dos filmes. Por outro
lado, a biodegradação pode afetar a liberação controlada do fármaco, o que
prejudicaria na eficiência do tratamento. Portanto, é essencial estudar o
61
comportamento dos filmes em soluções fisiológicas contendo as enzimas
responsáveis pela biodegradação das moléculas de quitosana e EGDMA;

Das propriedades mecânicas dos filmes. É fundamental em estudos
posteriores correlacionar os resultados deste trabalho com parâmetros
mecânicos tais como: alongamento e tensão na ruptura. Isso possibilitará uma
melhor compreensão dos efeitos do hidrogel de poli(NVCL-co-AI) e dos
aditivos na estrutura dos filmes de quitosana e permitirá ajustar a composição
segundo a aplicação;

Do teor do agente de reticulação adequado para diferentes faixas de pH, de
acordo com a taxa desejada de liberação do principio ativo. O efeito desses
aditivos, que é positivo em meios ácidos, pode se tornar prejudicial à liberação
em meios básicos, dependendo da densidade de reticulação. Portanto, uma
vez estipulada a taxa de liberação desejada, deve-se estudar o teor do agente
de reticulação mais apropriado para determinados intervalos de pH.
62
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