Nanotubos de titânio como plataforma para liberação de fármacos

as infecções tanto relacionadas à microbiota do organismo quanto às relacionadas aos cuida- dos de saúde (IRAS), conhecidas popularmente como infecções hospitalares, são consideradas uma ameaça grave a segurança e saúde de pacientes no pós-operatórios hospitalizados, sendo classificadas ainda hoje como graves problemas de saúde pública no mundo.

As IRAS representam elevação do custo de hospitalização, aumentando a quantidade de medicamentos, procedimentos e tempo de hospitalização, bem como aumenta as taxas de mor- talidade (OLIVEIRA; BRAZ; RIBEIRO, 2007), sendo originadas principalmente em centros cirúrgicos nos mais diversos procedimentos operatórios.

Segundo Junior (2009), as infecção de sítio cirúrgico (ISC) são definidas como as in- fecções que acometem tecidos, órgãos incisados e cavidades em decorrência da exposição e manipulação durante o ato operatório. As ISCs representam 14 a 16 % das infecções encontra- das em pacientes hospitalizados no Brasil, ocupando a terceira posição entre todas as infecções em serviços de saúde.

Essas taxas de infecções bacteriana também são apontadas como uma das complicações mais graves após a cirurgia de implante ortopédico (POPAT et al., 2007), sendo a inibição da adesão bacteriana inicial é frequentemente considerada como o passo mais crítico para prevenir a infecção associada à implantes (POELSTRA et al., 2002). Estima-se que apenas 100 UFC (Unidades Formadoras de Colônia) de S. aureus são suficientes para infectar implantes subcutâ- neos em 95% dos casos (ZIMMERLI et al., 1982), sendo as primeiras 6 horas de pós-implante apontadas como o “período decisivo” de suscetibilidade para a colonização da superfícies por bactérias (POELSTRA et al., 2002).

Em busca de conter estas infecções, uma das metodologia adotadas é a prescrição ade- quadas em tempo e doses de antibióticos pré (profilaxia) e pós-operatória, visando diminuir a incidência de contaminação bacteriana. As limitações associadas com a prática de administra- ção via oral ou venosa de antibióticos nestes contextos é a baixa concentração dos antibióticos no local onde o implante foi alocado, risco do desenvolvimento de resistência bacteriana, far- macocinética não controlada e efeitos secundários à tecidos não visados (SMITH, 2019), se fazendo necessário estudos de outras formas de aplicações, como a liberação in situ.

Segundo Walsh (2003), os antibióticos são compostos naturais ou sintéticos capazes causar a morte ou de inibir o crescimento de microrganismos, como bactérias (PANKEY; SA- BATH, 2004) (WALSH, 2003) e podem ser classificados como bactericidas ou bacteriostáticos, quando causam a morte da bactéria ou quando promovem a inibição do crescimento microbi- ano, respectivamente Pankey e Sabath (2004). A ação tanto bacteriostática quanto bactericida pode ser caracterizada pelo ensaio de Concentração Inibitória Mínima (do inglês, Minimal Inhi- bitory Concentration - MIC) irá depender da concentração do fármaco, da fase de crescimento que as bactérias se encontram e assim por diante.

Pelos mecanismos de atuação, os antibióticos podem ser classificados por: atuarem na parede celular, na síntese proteica da membrana plasmática e na síntese de ácidos nucleicos (DNA e RNA). Dentre o amplo espectro de antibióticos disponibilizados atualmente, a CS é um dos mais utilizados em procedimentos de profilaxia e pós-operatórios, demonstrando ser efetiva na maioria dos procedimentos cirúrgicos ortopédicos. A CS, mais conhecido sob o nome do medicamento Kefazol (ABL - Antibióticos do Brasil), é um antibiótico do grupo das Cefalosporinas da primeira geração.

As Cefalosporinas, assim como os grupos das penicilinas, são definidos como antimi- crobianos β-lactâmicos de amplo espectro. Segundo Suárez e Gudiol (2009) e Walsh (2003), estes antibióticos são caracterizados pela presença do anel β-lactâmico, o qual confere atividade bactericida, inibindo a ação da enzima transpeptidase, que possui como função a transpepti- dação entre as cadeias de peptideoglicana da parede celular bacteriana, conferindo rigidez e proteção contra as variações osmóticas do meio.

3.2.5.1 Associação do fármaco Cefazolina Sódica e cobertura polimérica

A associação de fármacos com dispositivos de TiNTs pode ser realizada como estratégia de diminuição de infecções bacterianas, utilizando-o como dispositivo para liberação de fárma- cos (LF). Um dispositivo de LF pode ser descrito como um sistema ou formulação que retarda ou controla a liberação de substâncias de uso terápico no organismo vivo em locais específi- cos, ampliando possibilidades e propriedades do tratamento de doenças (FOLKMAN; LONG, 1964).

O estudo de dispositivos que permitam a LF demonstram grande vantagem em pro- cedimentos operatórios, onde pode ser citados o controle e liberação progressiva do fármaco através da degradação in situ da matriz. Esta liberação permite o tratamento localizado de do- enças, evitando a alta toxicidade do efeito de liberação Burst (tipo de liberação onde há a rápida liberação do fármaco), aumenta o tempo de tratamento de uma única dose bem como diminui a quantidade de fármaco utilizado pois age localmente, diminui também o risco de reações infla- matórias, tem a vantagem de ser direcionada em alvos específicos como infecções ou tumores, dentre outros, segundo as referências Gulati et al. (2016) e Higuchi (1963).

Neste cenário, polímeros biodegradáveis têm recebido um interesse significativo nas úl- timas décadas, principalmente em aplicações na liberação de fármacos, atuando como barreiras difusionais, e no ramo da engenharia de tecidos (IQBAL et al., 2018) (YE et al., 2014). Os bi- opolímeros se tornaram populares pela alta disponibilidade e seu bom histórico nestes tipos de aplicação, sendo estes aprovados para uso clínico (LAO; VENKATRAMAN; PEPPAS, 2008), podendo ser destacados os biopolímeros CH ((GULATI et al., 2016)), CM (AMLIZAN; WUI, 2011) e poli(ácido láctico-co-glicólico) (PLGA) (YOSHIMOTO; SASAKI; TSUBOI, 2017).

O CH é um biopolímero derivado da desacetilação da quitina, cuja estrutura é muito se- melhante à da celulose, porém formado com monômeros de 2-acetamido-2-desoxi-β-D-glicose (ELIEH-ALI-KOMI; HAMBLIN, 2016), é um polissacarídeo catiônico composto de N-acetil glicosamina (grupos amino livres) e glucosamina unidas por ligações β−1,4−glicosídicas (LIU et al., 2018). Devido à protonação destes grupos amino livres acima de pH 7, estes compostos são apenas solúveis em soluções ácidas diluídas (UNAGOLLA; JAYASURIYA, 2018).

Já o CM é um biopolímero derivado de celulose, é um polissacarídeo aniônico acima de pH 4 que contém grupos carboximetil (-CH2-COOH) ligados a grupos hidroxila dos monômeros de glucopiranose (LAM et al., 2018).

Ambos os biopolímeros são candidatos ideais para a síntese de dispositivos médicos por apresentar alta porosidade; não toxicidade; biodegradabilidade; taxa de degradação previsível; integridade estrutural; biocompatibilidade e assim por diante (LAM et al., 2018) (ELIEH-ALI- KOMI; HAMBLIN, 2016).

Dentro do contexto do desenvolvimento de sistemas para liberação de fármacos, o es- tudo do perfil cinético de dissolução e mecanismo através da modelagem matemática da li- beração do fármaco desempenha um papel fundamental na compreensão dos mecanismos de liberação, prevenindo efeitos tóxicos e pode ser igualmente aliada na indústria farmaceutica na elaboração de formulações e parâmetros de processamento (SIEPMANN; SIEPMANN, 2012). Dentre estes modelos, a grande maioria das teorias são baseadas no fenômeno da difu- são. Para tanto, os modelos são desenvolvidos resolvendo-se a equação de Fick para a geometria do dispositivo em questão (CRANK, 1975) (HUANG; BRAZEL, 2001). Como o fenômeno de difusão está intimamente ligado ao ambiente químico e à estrutura em que o transporte mássico ocorre, a adição de materiais poliméricos deve ser levada em consideração para a melhor des- crição do fenômeno. Sobre este aspecto, na literatura pode ser encontrada um vasto número de publicações, classificando estes sistemas em: transporte controlado por difusão (SIEPMANN; SIEPMANN, 2012); por inchaço e erosão da matriz decorrente de hidratação (CRANK, 1975) (KORSMEYER; PEPPAS, 1981a) e difusão quimicamente controlada (LAI et al., 2003).

Segundo Sinn, Kurian e Losic (2013), os modelos mais comuns para a descrição da cinética de liberação do fármaco e a transferência de massa em nanoestruturas não degradáveis, como as plataformas de T iO2erodidas podem ser listadas abaixo:

Ordem zero: Qt = Qo+ kot (3.17) Primeira ordem: lnQt = lnQo− k1t (3.18) Higuchi: Qt = kHt0.5 (3.19) Korsmeyer–Peppas: Mt M∞ = kKPtn (3.20)

Os parâmetros que governam as equações são: t, tempo; D, coeficiente de difusão; Qt, quantidade de droga liberada no tempo t; Qo, quantidade inicial de droga nos implantes; Mt/M∞, fração de droga liberada no tempo t; n, o expoente de liberação usado para caracterizar dife- rentes liberações para matrizes de formato cilíndrico e ko; k1; ko; kH; kKP, constantes cinéticas de liberação.

Dentre os modelos usados para a descrição cinética da liberação de fármacos mostra- dos acima, destaca-se o mecanismo de Korsmeyer–Peppas (KP). Este modelo foi publicado inicialmente por Crank (1975), sendo generalizado e amplamente discutido nos trabalhos de Korsmeyer e Peppas (1981a). Neste modelo, a taxa de liberação de massa varia linearmente

com a constante cinética kKPe o tempo elevado ao expoente n (Tab. 4). Segundo Crank (1975), a constante cinética tem significado físico e pode ser definida como kKP = 4D/πL

0

, em que D é o coeficiente de difusão da droga e L’ é a meia espessura do dispositivo.

Tabela 4 – Expoente de difusão e mecanismo de liberação de soluto de acordo com a geometria do dispositivo.

Expoente de difusão (n) Mecanismo de liberação do soluto

Filme Cilindro Esfera

0,50 0,45 0,43 Difusão Fickiana

0,50< n < 1,00 0,45< n < 0,89 0,43 < n < 0,85 Transporte Anômalo

1,00 0,89 0,85 Caso II de transporte

Fonte: Retirado de Peppas e Sahlin (1989)

Segundo Lopes et al. (2005), esta tabela relaciona o expoente de difusão com o me- canismo de liberação do fármaco. Assim, para filmes, expoentes com n até 0,50 apresentam a liberação do soluto por difusão livre do fármaco, como em dispositivos que só apresem o fármaco (transporte fickiano). A cobertura polimérica dos filmes de TiNTs carregados com an- tibióticos se faz necessária para diminuir a difusão do fármaco, assim o n esperado é n≥1 sendo classificado como transporte caso II (não fickiano, controlado pelo relaxamento das cadeias po- liméricas). Há ainda outra condição de n (0,50 < n <1,00) que indica cinética de transporte anômalo, descrita como a combinação dos mecanismos de difusão e de transporte de caso II.

4 METODOLOGIA