MICROGÉIS EM DISPOSITIVOS DE MICROFLUÍDICA

A produção de microgéis em dispositivos de microfluídica pode ser feita de diferentes modos. A gelificação química é um método explorado para a preparação de microgéis em microcanais usando polimerização por fotoiniciação ou via redox. As gotas da emulsão de polímeros ou monômeros são formadas e expostas à radiação ultra-violeta (UV) para desencadear as reações químicas e assim, promover a gelificação das gotas. O inconveniente da técnica está na encapsulação de compostos bioativos sensíveis à radiação UV (TUMARKIN; KUMACHEVA, 2009).

A gelificação física é geralmente utilizada para a preparação de microgéis de biopolímeros, tais como agarose, alginato, carragena, quitosana, gelatina ou pectina. A gelificação dos biopolímeros é normalmente induzida por interações hidrofóbicas, ligações de hidrogênio ou interações eletrostáticas (TUMARKIN; KUMACHEVA, 2009). As diferentes maneiras de se realizar a gelificação física estão apresentadas na Figura 2.4.

Figura 2.4. Produção de microgéis por gelificação física em dispositivos de microfluídica Gelificação Física Gelificação Iônica Coalescência de gotas Mistura in-situ Gelificação Interna Gelificação Externa Gelificação térmica

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Os alginatos têm sido um dos materiais mais populares na produção de microgéis devido às suas excelentes propriedades gelificantes, não toxicidade, excelente biocompatibilidade e biodegradabilidade (YOO et al., 2006). Ainda não há relatos da utilização da goma gelana na obtenção de microgéis em dispositivos de microfluídica, mas de forma similar ao alginato, trata-se de um polissacarídeo biodegradável, não tóxico e de amplo uso na indústria de alimentos e em aplicações biotecnológicas. Forma géis transparentes que são resistentes ao aquecimento e à acidificação (FUJII et al., 2005, YAMAMOTO; CUNHA, 2007)

Como o foco do estudo será produzir microgéis de goma gelana, a seguir serão descritos os métodos classificados como gelificação iônica, que são os mais utilizados na produção de microgéis de alginato de cálcio.

3.4.1 Gelificação iônica

O mecanismo de gelificação iônica depende do tipo de polímero utilizado e do agente reticulante/gelificante adicionado. Os métodos mais utilizados estão descritos abaixo.

3.4.1.1 Coalescência das gotas

Inicialmente as emulsões de solução polimérica e solução gelificante são geradas em microcanais independentes através dos mecanismos de produção de gotas. As gotas da solução biopolimérica e a solução contendo o agente reticulante/gelificante são dispersas na fase contínua em comum, constituída pelo óleo e o agente emulsificante. Ambas se encontram em um canal principal denominado canal de síntese. É no canal de síntese, após a colisão das gotas, que ocorre a gelificação (ZHANG et al., 2007). A desvantagem do

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método está na probabilidade de colisão, além da ampla distribuição do tamanho das gotas durante a coalescência fazendo com que, possivelmente, haja a necessidade do aumento da dimensão do canal para não haver adesão da gota nas paredes do canal de síntese (Figura 2.5).

Figura 2.5. Esquema de formação de microgéis pelo método de coalescência das gotas. Insere-se em A) a solução contendo o agente reticulante, em B) solução do biopolímero e em C) fase contínua. Adaptado de Tumarkin; Kumacheva (2009)

3.4.1.2 Gelificação interna

Neste processo, a fase aquosa é formada pelo biopolímero e o agente reticulante na forma inativa. As gotas formadas na fase contínua começam a gelificar pela ação do ácido liberado, presente na fase óleo, que ativa o agente reticulante (Figura 2.6). A dificuldade deste processo é alcançar o tempo espacial necessário para a gelificação das gotas (pequeno comprimento do microcanal). Além disso, a fase aquosa contém o polímero e o agente gelificante, podendo mostrar rápido aumento da viscosidade, dificultando a ruptura em gotas (TUMARKIN; KUMACHEVA, 2009, LIU et al., 2013).

Canal de Síntese C C A B C C

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Figura 2.6. Esquema de formação de microgéis pelo método de gelificação interna. Insere-se em A) a fase aquosa contendo o polímero e o agente reticulante/gelificante (na forma inativa) e em B) solução ácida na fase contínua que irá desencadear a formação do microgel. Adaptado de Zhang et al. (2007)

3.4.1.3 Gelificação externa

Existem duas abordagens dependendo da forma de introdução do agente reticulante/gelificante. Na primeira, o agente reticulante é dissolvido na fase óleo, constituída também pelo agente emulsificante (Figura 2.7), para difundir-se para a fase aquosa, após as gotas serem geradas (ZHANG et al., 2006). A outra abordagem é que o agente reticulante é dissolvido em um banho que se localiza fora do dispositivo microfluídico. Neste caso, as gotas geradas são recolhidas e gelificadas neste banho contendo o agente reticulante (HUANG et al., 2007, YEH et al., 2009, REN et al., 2010). Zhang et al. (2007) produziram e compararam os métodos de gelificação interna e externa para a produção de microgéis de alginato de cálcio. Estes autores concluiram que a gelificação interna não permite controle sobre a morfologia do microgel, além de produzir microgéis com baixos valores de módulo de elasticidade. Em contraste, a gelificação externa produziu microgéis estáveis nas fases oleosa e aquosa, com morfologia controlada e

B B

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módulo de elasticidade próximo aos valores encontrados para microgéis de alginato preparados por métodos convencionais.

Figura 2.7. Esquema de formação de microgéis pelo método de gelificação externa. Insere-se em A) a fase aquosa contendo o polímero e em B) a fase oleosa com o agente reticulante que ao ionizar irá desencadear a formação do microgel. Adaptado de Zhang et al. (2007)

3.4.1.4 Mistura in-situ

Esta técnica pode ser tratada como uma modificação da gelificação interna. O polímero e agente reticulante/gelificante (na forma ativa) são inseridos no dispositivo microfluídico em dois microcanais distintos e a mistura dos fluidos ocorrerá na junção dos canais, seguida pela formação das gotas no canal principal através do mecanismo de focalização hidrodinâmica. Este tipo de método permite maior controle do processo de gelificação e aumento da viscosidade da fase dispersa. Outra abordagem é a introdução de um canal que contém o composto ativo a ser encapsulado entre os microcanais do polímero e do agente reticulante. No encontro dos canais ocorrerá a geração das gotas e posterior gelificação da macromolécula com o composto ativo encapsulado (LIU et al., 2013). A gelificação por mistura in-situ também pode ser utilizada como uma modificação da técnica de gelificação externa, onde o composto ativo a ser encapsulado e o polímero são

B

A

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introduzidos em canais distintos e o agente gelificante presente na fase contínua se difunde para a interface das gotas formadas a partir do mecanismo de focalização hidrodinâmica, permitindo a gelificação do polímero (Figura 2.8).

Figura 2. 8. Esquema de formação de microgéis pelo método de mistura in-situ. Insere-se em A) a fase aquosa contendo o polímero, em B) o composto ativo, em C) o agente gelificante (na forma ativa) e em D) fase oleosa (modificação da gelificação interna) ou em A) e C) a fase aquosa contendo o polímero, em B) composto ativo e em D) a fase oleosa contendo o agente gelificante (modificação da gelificação externa)