Lista de tabelas
4.1. Estudo do comportamento de fases dos surfactantes DDAB e DODAB em solução aquosa
A primeira parte do trabalho foi voltada para o levantamento de informações sobre o comportamento de fases dos surfactantes estudados em solução aquosa. Para tal, foram preparadas e caracterizadas amostras formuladas com ambos os anfifílicos na faixa de concentração de 1,0 a 85,0% em massa, onde os resultados obtidos serão apresentados a seguir.
4.1.1. DDAB em água
As micrografias sob luz polarizada obtidas para as amostras preparadas com o surfactante DDAB, apresentadas na Figura 10, mostram que, com o aumento da concentração de surfactante, há uma transição de uma fase isotrópica (não birrefringente) para uma fase altamente birrefringente apresentando, nas amostras mais concentradas, a presença de cruzes de malta, características de fase lamelar24,41-43. Pelas micrografias é possível observar também que mesmo as
amostras com menor concentração de surfactante apresentam birrefringência, indicando a presença de pequenos domínios cristalinos imersos em solução isotrópica (Figura 10b)).
Figura 10 – Micrografias sob luz polarizada de amostras formuladas com DDAB nas
21
Para avaliar as estruturas de associação formadas pelos surfactantes em solução e como estas variam com a concentração, foram utilizadas as técnicas de espalhamento e difração de raios - X. As curvas de SAXS obtidas para as amostras formuladas com baixa concentração de DDAB (3,0%-40,0%) são apresentadas na Figura 11a. Pela análise dessas curvas de SAXS, é possível observar, a partir da concentração de 3,0% de DDAB em água, um padrão de espalhamento típico de fase lamelar, com 𝑛 (razão entre os picos de espalhamento) igual a 1, 2, 3, etc., conforme calculado pela equação 10.
Ainda observando as curvas de SAXS, é possível notar que aumentando a concentração de surfactante nas amostras, o primeiro pico de espalhamento (indicado pelas setas na Figura 11) é deslocado para faixas de 𝑞 maiores. Isso pode ser explicado analisando-se a equação 10, apresentada na página 18, que mostra uma relação inversamente proporcional entre distância de repetição das bicamadas (𝑑) e vetor de espalhamento (𝑞). Aumentando a concentração de surfactante nas amostras leva à retirada de água dentre as bicamadas, o que diminui a distância entre as lamelas e desloca o primeiro pico de espalhamento referente à fase lamelar para faixas de 𝑞 maiores.
Figura 11 – Curvas de SAXS a 25º C obtidas para amostras formuladas com DDAB
na faixa de concentração de a) 1,0% a 5,0% e b) 8,0% a 40,0% de surfactante em água. O primeiro pico de espalhamento para cada amostra é indicado por uma seta.
0,01 0,1 10-4 10-3 10-2 10-1 a) lo g I ( q ) / u .a . log q / nm-1 1,0% 3,0% 3,5% 4,0% 4,5% 5,0% 0,1 1 10-4 10-3 10-2 10-1 b) lo g I (q ) / u .a . log q / nm-1 8,0% 10,0% 20,0% 30,0% 40,0%
22
Nas amostras com concentração de DDAB variando entre 40,0 e 85,0%, as curvas de SAXS indicaram presença de duas fases lamelares distintas, como exemplificado pela Figura 12, obtida para uma amostra com 50,0% de DDAB em água, que mostra duas sequências de picos de espalhamento. Analisando-se essa curva de SAXS ainda é possível notar maior ordem nos picos de espalhamento, se comparando aquelas referentes às amostras mais diluídas (Figura 11), o que é um indicativo de um sistema mais organizado, composto por bicamadas mais rígidas, conforme interpretado levando-se em consideração o fator estrutura.
Figura 12 – Curva de SAXS obtida a 25º C para uma amostra formulada com 50,0%
de DDAB em água. Os picos referentes as duas fases lamelares estão indexados.
Para fases lamelares, a intensidade da radiação espalhada (𝐼(𝑞)) em função do vetor de espalhamento (𝑞) é dada pela convolução do fator de forma (𝐹(𝑞)) e do fator de estrutura (𝑆(𝑞)), como mostra a equação 12. O fator de forma descreve cada subunidade espalhadora, nesse caso, as bicamadas, enquanto que o fator estrutura está relacionado à organização das mesmas no sistema44.
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 10-3 10-2 1a fase lamelar 2a fase lamelar lo g I (q ) / u .a . q / nm-1
23 𝐼(𝑞) = 𝑆(𝑞) 𝐹(𝑞)2
𝑞2 (12)
O fator estrutura é uma função matemática que relaciona, dentre outros termos, o Parâmetro de Caillé (ɳ), que está ligado aos módulos de compressibilidade da fase lamelar (𝐵) e de rigidez das bicamadas (𝐾) como mostra a equação 13:
ɳ = 𝜋 𝐾𝐵 𝑇
8 𝜋 √𝐾𝐵 (13)
onde 𝐾𝐵 é a constante de Boltzman e 𝑇 a temperatura34,44.
O Parâmetro de Caillé pode ser entendido como uma medida da flexibilidade das bicamadas. Aumentar esse parâmetro leva ao decaimento e alargamento dos picos de espalhamento, e difração, de fases lamelares34. Considerando essa
interpretação qualitativa com base no fator estrutura, chegou-se à conclusão de que as curvas de SAXS das amostras de 3,0% a 40,0% de DDAB em água indicam a presença de uma fase lamelar desordenada, como a fase Lα, enquanto que àquelas
referentes as concentrações acima de 40,0% se referem à uma fase lamelar mais ordenada, formada por bicamadas mais rígidas, como a fase Lβ.
Para avaliar a hipótese, foram realizados experimentos de difração de raios – X de amostras diluídas e concentradas com a finalidade de se identificar as diferentes fases lamelares indicadas pelos dados de SAXS. Os difratogramas apresentados na Figura 13 indicam, para a amostra com concentração de 50,0% de DDAB em água, a presença de um pico de difração cuja distância calculada pela lei de Bragg é de 0,42 nm. Essa é a distância de correlação média entre as cadeias carbônicas característica da fase gel (Lβ)33,45, confirmando a presença dessa fase
nas amostras mais concentradas. A presença de um pico nos difratogramas com distância de 2,70 nm foi atribuído a presença da fase Lα, conforme trabalho anterior do grupo28.
24
Figura 13 – Difratogramas de raios – X, obtido a 25º C, para duas amostras
formuladas com DDAB em solução aquosa. Os picos referentes as duas fases lamelares estão indexados.
Como mencionado na introdução, alguns diagramas de fases para o DDAB em água são encontrados na literatura. Dubois e Zemb14,16 sugerem, para esse
sistema, a presença de três fases lamelares diferentes. A fase [Lα], composta por
pequenos domínios de bicamadas desordenadas imersas em solução isotrópica, a fase Lα, que consiste num sistema bifásico composto por uma fase lamelar fluida
colapsada e excesso de água, e a fase Lβ, também conhecida como fase gel. O
diagrama de fases proposto pelos autores é apresentado na Figura 14. Uma sequência semelhante de fases lamelares também foi proposta por Caboi e Monduzzi24, que utilizaram os termos Lα1, Lα2 e Lβ para nomear as mesmas fases
descritas anteriormente, e por Marques e colaboradores26.
Com bases nessas informações e nos dados obtidos, sugere-se para o surfactante DDAB em água a presença de três fases lamelares em diferentes faixas de concentração. De 1,0% a 3,0% de surfactante foi verificado a presença de pequenos domínios de fases lamelares em solução isotrópica. Isso pode ser constatado pela observação das amostras sob luz polarizada (Figura 15b)) que
5 10 15 20 25 30 35 0 L L In te n s id a d e / u .a .
2
/
o 5,0% 50,0%25
indicam algumas estruturas líquido-cristalinas birrefringentes em água. A presença dessa fase também foi atribuída pela falta de picos no DRX, o que indica ausência de alguma ordem estrutural em curtas distâncias.
Figura 14 – Adaptação do diagrama de fases para o DDAB em água proposto por
Dubois e Zemb14,16. A área hachurada corresponde a região de existência de
pequenos domínios de fase lamelar imersos em solução isotrópica ([Lα]).
Na concentração de 3,0% a 40,0% de surfactante em água, sugere-se a presença da fase Lα coexistindo com solução isotrópica. A atribuição da fase Lα foi feita com bases nos dados de SAXS, DRX e MLP, como discutido, e a presença de solução isotrópica foi feita pela observação das amostras quando expostas à luz polarizada (Figura 15c)). As imagens indicam um sistema bifásico, formado por uma fase birrefringente mais densa (os cristais líquidos lamelares) e uma fase isotrópica no topo (excesso de solvente), conforme descrito na literatura para o DDAB nessa faixa de concentração14,16,43.
26
Figura 15 – Amostras observadas sob luz polarizada: a) água; b) 1,0% DDAB; c)
10,0% DDAB e d) 50,0% de DDAB em água.
Por fim, nas amostras com concentração variando entre 40,0% e 85,0% de DDAB em água foi atribuída a presença das duas fases lamelares, coexistindo mutuamente, Lα e Lβ pelo padrão de espalhamento observado nas curvas de SAXS
(Figura 12) e pela presença dos picos de difração característicos dessas fases (Figura 13). A coexistência dessas duas fases também foi atribuída pelo padrão de birrefringência das amostras (Figura 15d)), que indica a presença de uma fase gel no topo e uma fase líquido-cristalina mais rica em água e, portanto, mais densa, embaixo.
As amostras formuladas com o surfactante DDAB também foram caracterizadas por espectroscopia de RMN de 2H. Os espectros obtidos para
algumas amostras selecionadas são apresentados na Figura 16. É possível observar a presença de um pico desdobrado, ou dubleto, nos espectros das amostras que apresentam fase lamelar (conforme constatado por experimentos de SAXS), onde o desdobramento desse pico é proporcional à concentração de surfactante nas amostras, o que já é descrito na literatura38-40.
Isso pode ser explicado levando-se em consideração que o desdobramento desse pico está relacionado com a amplitude de interação das moléculas de água com as cabeças polares dos surfactantes, como representado na equação a seguir46:
∆𝑣 = 𝑛. 𝑣𝑞. 𝑆(𝑋𝑠
27
onde ∆𝑣 é o desdobramento do pico, 𝑛 o grau de interação das moléculas de água com os grupos polares do surfactante, 𝑣𝑞 é a constante de acoplamento quadrupolar
do deutério, S é o grau de ordenamento das moléculas de água que interagem com as cabeças polares do surfactante e 𝑋𝑠 e 𝑋𝑤 representam as frações molares do
surfactante e da água, respectivamente.
Figura 16 – Espectros de RMN de 2H obtidos a 25º C para amostras formuladas
com DDAB.
À medida que se aumenta a concentração de surfactante nas amostras, mais cabeças polares estão disponíveis para que as moléculas de água, livres no meio, possam interagir via ligações de hidrogênio, o que justifica o aumento no desdobramento do pico. Além disso, a organização dos sistemas, devido à formação de fases anisotrópicas, também contribui para o alargamento do dubleto, conforme análise da equação 11.
Ainda observando os espectros, é possível notar a presença de um único pico isotrópico nas amostras com concentração inferior a 3,0% de surfactante em água, corroborando a atribuição da presença de pequenos domínios de fase lamelar imersos em solução isotrópica nessa faixa de concentração. Nas amostras com
-200 0 200 400 600 800 1000 1200 In te n s id a d e / u .a . v / Khz 3,0% 6,0% 9,0% 12,0% 15,0% 30,0%
28
concentração inferior à 30,0%, nota-se um pico de baixa intensidade entre os dubletos, o que é indicativo de água isotrópica (sem ordenamento estrutural ao redor dos grupos polares dos surfactantes). Essa informação também confirma a presença de um sistema bifásico (fase lamelar Lα mais excesso de água) em
concentrações intermediárias, conforme atribuído anteriormente.
Com o aumento da temperatura, transformações entre essas fases líquido- cristalinas são acompanhadas por mudanças na conformação molecular e empacotamento das cadeias carbônicas nas bicamadas13,19-23. Abaixo da
temperatura de transição de fase gel (Lβ) para fase fluida (Lα), Tm, as moléculas de
surfactante apresentam um maior empacotamento das cadeias alquílicas, que ficam com movimentos moleculares restringidos, na conformação trans. Acima da Tm, as
moléculas do surfactante permanecem na fase fluida, onde as cadeias carbônicas apresentam configuração gauche, predominando a desordem conformacional, conforme ilustrado na Figura 17.
Figura 17 – Ilustração dos diferentes movimentos moleculares para uma molécula
de DDAB ou DODAB na fase fluida. Wagging representa um movimento em leque abanando. Adaptado da referência 47.
Após o mapeamento do comportamento de fases do DDAB em função da concentração, foi estudada a influência da temperatura nesse processo e para tal foi utilizada a calorimetria diferencial de varredura (DSC). Os termogramas obtidos para as amostras analisadas mostram um pico referente a uma transição endotérmica na temperatura de Tm = 31º C, como mostra a Figura 18, para uma
29
A variação de entalpia referente a essa transição foi de 180 ± 2 J.g-1, o que
equivale a energia estimada para a fusão de uma cadeia alquílica de 12 átomos de carbono48. De acordo, com a literatura, tal valor de variação de entalpia se refere à
transição de fase gel para fase líquido-cristalina (transição Lβ- Lα)49-50, mediante
desorganização (similar à fusão) das cadeias carbônicas.
Figura 18 – Termograma para uma amostra formulada com DDAB a 50,0% em
água, indicando a transição de fase Lβ para fase Lα. Pico para cima se refere a um
evento endotérmico.
Essa transição foi confirmada por experimentos de SAXS, obtendo-se curvas de espalhamento de raios – X, para uma mesma amostra, abaixo e acima da temperatura de transição (Tm) vista nos termogramas (25 e 45º C, respectivamente).
Nessas curvas de SAXS (Figuras 12 e 19, com picos indexados) foram observados picos de espalhamento referentes a duas e uma fase lamelar, respectivamente, sendo esta última fase identificada como Lα, pela ausência de picos no DRX.
Observando a curva de SAXS obtida a 45º C ainda é possível notar menor ordem dos picos de espalhamento, o que também indica uma fase lamelar desordenada, conforme interpretação qualitativa do fator estrutura. O aumento da
15 20 25 30 35 40 45 50 0 C p / k c a l. m o l -1 . o C -1 Temperatura / oC
30
concentração de surfactante nas amostras não alterou a temperatura de transição e também não influenciou significativamente na energia da mesma. É importante ressaltar que essa transição de fases só ocorreu nas amostras que apresentam a fase Lβ (40,0%-85,0% de DDAB em água), nesse caso, coexistindo com a fase Lα.
Figura 19 – Curva de SAXS obtida a 45º C para uma amostra formulada com DDAB
a 50% em água, com os picos de espalhamento indexados.
Na literatura já é descrita a transição de fase gel para fase fluida em vesículas formadas por diferentes anfifílicos13,19-23,26, sendo essa transição altamente
cooperativa. Pela análise dos termogramas obtidos, é possível notar que essa mesma transição para as bicamadas que compõem o cristal líquido formado pelo anfifílico DDAB também apresentou cooperatividade o que pode ser evidenciado pelo pico mais estreito no perfil da curva de DSC.
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 10-3 10-2 10-1 lo g I (q ) / u .a . q / nm-1
31 4.1.2. DODAB em água
Os resultados de caracterização das amostras formuladas com o surfactante DODAB (com dezoito átomos de carbono em cada cauda), mostraram que esse surfactante também se associa em bicamadas, formando duas fases lamelares. De 5,0% a 40,0% de surfactante em água foi verificado um sistema bifásico formado por fase Lα coexistindo com solução isotrópica e nas amostras mais concentradas
notou-se a fase Lβ, conforme experimentos de SAXS, DRX e RMN.
A fim de ilustração, duas curvas de SAXS para uma amostra diluída e concentrada em DODAB são apresentadas na Figura 20, com os picos indexados. Observando essas curvas é possível notar mais uma vez a diferença na rigidez e ordenamento das bicamadas que compõem a fase Lα e Lβ, pela comparação da ordem dos picos de espalhamento. Para a fase gel, esses são mais ordenados, de maior amplitude e menos alargados.
Figura 20 – Curvas de SAXS obtidas a 25º C para amostra formulada com a) 10,0%
e b) 50,0% de DODAB em água, com os picos de espalhamento indexados.
Na literatura19 é encontrado um único diagrama de fases para o DODAB em
água, que mostra a presença de duas fases lamelares diferentes, intituladas de L1
e L2. Porém, nesse trabalho a correta identificação das fases lamelares obtidas não
foi possível devido à ausência de estudos estruturais das bicamadas por técnicas
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 10-3 10-2 a) lo g I (q ) / u .a . q / nm-1 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 10-3 10-2 10-1 100 b) lo g I (q ) / u .a . q / nm-1
32
de espalhamento e difração de raios – X. Laughlin e colaboradores27 apresentaram
o diagrama de fases para o DODAC em água (Figura 21) que também indica a presença de duas fases lamelares, uma desordenada coexistindo com solução isotrópica e uma ordenada, conforme atribuído nesse trabalho.
Figura 21 – Diagrama de fases para o surfactante DODAC em água. Com relação
às fases de interesse nesse trabalho, tem-se que L representa solução isotrópica e D fase lamelar. Diagrama adaptado da referência 27.
Nas amostras com concentração acima de 40,0% de surfactante DODAB também foi verificada a transição de fase Lβ para Lα mediante fusão das cadeias
carbônicas. Essa transição verificada por DSC (Figura 22), já bem descrita na literatura para vesículas de DODAB20,23, ocorreu em T
m = 42º C, com variação de
entalpia referente a energia necessária para fusão de cadeias de 18 átomos de carbono (∆H = 270 ± 2 J.g-1).
Como observado para o DDAB, a cooperatividade da transição de fase gel para fase fluida das bicamadas formadas pelo anfifílico DODAB também se mostrou altamente cooperativa. Nas amostras mais diluídas, compostas apenas pela fase Lα, não foi verificada nenhuma transição.
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Figura 22 – Termograma obtido para uma amostra formulada com DODAB a 50,0%
em água, indicando a transição de fase Lβ para fase Lα. Pico para cima se refere a
um evento endotérmico.
A tabela a seguir apresenta os resultados comparativos obtidos pela caracterização do comportamento de fases de ambos os surfactantes em solução aquosa em função da concentração e da temperatura.
Tabela 2 – Resultados obtidos na caracterização do comportamento de fases dos
surfactantes DDAB e DODAB em solução aquosa.
Surfactante Fases lamelares obtidas Transição Lβ-Lα
Tm / oC ∆𝐇 / J.g-1
DDAB [Lα]*, Lα + iso e Lβ 31 180 ± 2
DODAB Lα + iso e Lβ 42 270 ± 2
* [Lα] = pequenos domínios de fase lamelar imersos em solução isotrópica, iso = solução isotrópica.
30 35 40 45 50 55 0 C p / k c a l. m o l -1 . o C -1 Temperatura / oC
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