NPH30-SiO-50PEG 10

A nanopartícula contendo grupos fenil (30% mol-Si) internos bem como grupos PEG10 50% mol-Si funcionalizados externamente foi denominada NPH30-

SiO-50PEG10. Suas respectivas caracterizações estruturais mostraram resultados

satisfatórios de acordo com as expectativas pré-estabelecidas para a construção do referido veículo molecular. As legendas P-C-SiOH, P-C-50PEG10 e P-50PEG10

referem-se à NPH30-SiOH, NHPH30-CTAB-SiO-50PEG10 e NPH30-SiO-50PEG10.

Iniciando-se tais estudos pela espectroscopia vibracional no infravermelho cujo espectro é observado na Figura 32, foram observadas as principais bandas da sílica em todas as etapas sintéticas apresentadas. Nesse contexto, têm-se bandas em 1082 cm-1 (estiramento Si-O-Si assimétrico), 800 cm-1 (estiramento Si-O-Si simétrico), 962 cm-1 (estiramento Si-OH) e 462 cm-1 (deformação angular Si-O-Si) confirmando a presença da matriz inorgânica73,74. O controle de extração do CTAB pode ser monitorado notando-se suas respectivas bandas em 2924 cm-1

68

(estiramento C-H assimétrico) e 2852 cm-1 (estiramento C-H simétrico) oriundas da cadeia carbônica do referido surfactante, bem como aquelas presentes em 1483 cm-1 (estiramento C-H assimétrico do grupo CH3 do grupo H3C-N+) e 1232

cm-1 (estiramento C-N)75 em todas as situações apresentadas na Figura 32, exceto para a P-50PEG10 na qual estão ausentes e, portanto, indicando a remoção

do molde orgânico. Tratando-se dos grupos fenilas, suas respectivas bandas são confirmadas em 1596 cm-1 (estiramento C=C), 740 cm-1 (deformação angular C-H) e 698 cm-1 (deformação angular C=C)78.

A confirmação do polietilenoglicol através da espectroscopia por infravermelho na nanopartícula é dificultada principalmente devido à sobreposição de suas principais bandas com aquelas provenientes da sílica. De acordo com a Figura 32, após a funcionalização observa-se um pequeno alargamento da banda presente em 1100 cm-1, indicando parcialmente a presença de uma das principais bandas do PEG em 1080 cm-1 associada ao estiramento assimétrico C-O-C77. A referida entidade polimérica foi analisada por análise térmica e RMN visando sua confirmação na nanopartícula.

Figura 32: Espectros Vibracionais no infravermelho (FTIR) referentes à NPH30-SiO-50PEG10.

69

A Figura 33 mostra as curvas TG e DTA da NPH30-SiO-50PEG10. A análise

térmica diferencial registra um evento exotérmico em 267ºC para a NPH30-CTAB- SiO-50PEG10, indicando a decomposição térmica do surfactante e do

polietilenoglicol. Após a remoção do molde orgânico, o evento é deslocado para 221,7 ºC, associado unicamente à presença da espécie polimérica na ausência do soft template, nessa situação. Partindo-se de tais considerações, a observação da curva termogravimétrica da NPH30-CTAB-SiOH permite visualizar a perda de massa do CTAB iniciando-se em 135ºC e finalizando-se em 381ºC (22,2% de massa). Durante esse processo é notório o início da decomposição do PEG ocorrendo no intervalo de temperatura entre 216ºC e 378ºC (observado na curva da NPH30-SiO-50PEG10). A estimativa do teor de funcionalização do silano PEG

na nanopartícula pode ser obtida comparando-se as curvas da NPH30-SiOH e NPH30-SiO-50PEG10 na temperatura de 900°C, na qual todos os componentes

orgânicos estão ausentes. Nessa situação a massa final para cada uma delas é de 73% e 67%, respectivamente, isto é, a diferença de 6% de massa entre ambas está vinculada à massa de polietilenoglicol. Através de cálculos estequiométricos foi possível confirmar a funcionalização no teor de 1,17.10-7 mol de Si-PEG/mg de nanopartícula ou 1,06% mol-Si. Na região entre 324ºC e 716ºC ocorre a liberação do grupo fenila cuja quantidade de massa é 22,7% ou 2,95.10-6 mol de Si- fenila/mg de nanopartícula, correspondente a 28,7% mol-Si. Note que a quantidade teórica de funcionalização dos referidos grupos aromáticos é 30% mol- Si, corroborando com os resultados experimentais.

As taxas de funcionalização dos grupos fenila e PEG são coerentes com os valores esperados. O enxerto de 28,7% mol de Si-fenila é consideravelmente próximo ao resultado teórico, o que não ocorre com a entidade polimérica cujo valor de 1,06% de funcionalização, discrepante do valor teórico (50%), vinculado a possíveis efeitos estéricos entre as cadeias carbônicas do polímero que, nesse sistema, interferem para o baixo rendimento na reação. Por outro lado, o referido teor de funcionalização foi suficiente para gerar novas propriedades químicas à

70

nanopartícula, tal como a melhoria na estabilidade coloidal e influência na hemólise, tópicos discutidos mais adiante.

Figura 33: Curvas TG e DTA da NPH30-SiO-50PEG10

A NPH30-SiO-50PEG10foi submetida à análise de adsorção-dessorção de

nitrogênio cuja isoterma está representada na Figura 34. Analisando-se o padrão, tem-se que seu perfil de isoterma de nitrogênio assemelha-se àquele denominado como do tipo IV com ligeira histerese do tipo H39, conforme a classificação da IUPAC no contexto dos materiais porosos. O padrão observado reflete um material mesoporoso de porosidade complexa indicando acentuado nível de irregularidades superficiais conforme a proposta de síntese de veículos moleculares detendo superfícies irregulares. É notória a formação de uma ligeira histerese em P/P0 = 0,40, típica de isotermas do tipo IV referentes aos materiais

mesoporos. Comparando-se o carreador de partida com a nanopartícula final funcionalizada externamente, observa-se diminuição de área superficial (método BET) de 898 m2/g para 771 m2/g, respectivamente. Tal resultado sugere o possível impedimento estérico nos poros pelos silanos condensados externamente e, portanto, impedindo ligeiramente a adsorção dos gases de nitrogênio de maneira integral. Tal fenômeno é mais evidente ao comparamos o volume total de poros de ambas as nanopartículas cujos valores calculados foram 2,2 mL/g e 1,3 mL/g para a NPH30-SiOH e NPH30-SiO-50PEG10, respectivamente. Sabendo-se que as

análises térmicas e os espectros de infravermelho confirmaram a extração do CTAB, o resultado esperado seria área superficial e volume de poros relativamente semelhantes entre ambas as nanopartículas, o que não ocorre.

71

Felizmente, tal resultado complementa a confirmação de funcionalização externa. De acordo com o gráfico de distribuição de poros, também na Figura 34, observa- se a predominância de poros entre 2 nm e 10 nm para a NPH30-SiO-50PEG10

caracterizando-a como material mesoporoso.

Figura 34: Isotermas de adsorção-dessorção de N2 na NPH30-SiO-50PEG10

As técnicas de Ressonância Magnética Nuclear apresentam-se como ferramentas essenciais na elucidação estrutural dos compostos orgânicos e inorgânicos. Nesse sentido, a mesma torna-se necessária para complementação das informações obtidas através das técnicas de infravermelho e análise térmica, conforme analisado acima. Partindo-se do RMN 13C da NPH30-SiO-50PEG10

(Figura 35), notam-se os principais picos dos núcleos oriundos do anel aromático denominados de 1 a 4 em deslocamentos químicos de 130 ppm, 128,9 ppm, 127,4 ppm e 134,0 ppm78, respectivamente, presentes em todas as etapas conforme esperado. A presença do PEG após a funcionalização pode ser confirmada observando-se seus principais picos em 28,0 ppm (carbono 6), 29,8 ppm (carbono 5), 59,8 ppm (carbonos 8 e 9) e 70,4 ppm (carbono 7)79. Este último está relacionado ao principal núcleo de carbono em virtude de sua característica mais evidente e seu valor de deslocamento químico significativamente distinto de qualquer outro núcleo no espectro, facilitando sua visualização e interpretação.

72

Figura 35: Espectro de RMN de carbono da NPH30-SiO-50PEG10.

O espectro de RMN 13C permite concluir a presença do polietilenoglicol no veículo molecular. No entanto, a confirmação da condensação dos silanos fenila e PEG demandam a técnica de 29Si RMN. A Figura 36 mostra os resultados da referida técnica no contexto da NPH30-SiOH e NPH30-SiO-50PEG10 (antes e

após a modificação superficial externa). Em ambos os casos são observados os principais sítios do silício em -109 ppm (Q4), -100 ppm (Q3), -92 ppm (Q2), -77 ppm (T3) e -68 ppm (T2)80. Tratando-se da NPH30-SiOH, a condensação dos silanos fenila na superfície interna da nanopartícula pode ser confirmada visualizando-se os picos T3 e T2, relacionados às espécies de silício (Si-O)3-Si-R e (Si-O)2-Si(OH)-

R, respectivamente, atribuídas exclusivamente ao único grupo funcional na referida situação. A soma das áreas T3 e T2, de 21,7%, correlaciona-se com a porcentagem de mol de silício do silano fenila, diferindo-se em 7% daquele valor encontrado através do TG. No entanto, a precisão da técnica de RMN torna seu resultado muito próximo da realidade.

73

Após a funcionalização, torna-se evidente a diminuição das áreas Q3 e Q2 somadas bem como o ligeiro aumento das áreas T3 e T2, confirmando a condensação do silano PEG na superfície externa. Analisando-se o comportamento dos sítios antes e depois da a funcionalização, tem-se que a relação (Q4+Q3+Q2)/(T3+T2)SiOH = 3,61 sofre ligeira diminuição dada por

(Q4+Q3+Q2)/(T3+T2)50PEG10 = 3,39. A estimativa do número de mol de silício de

silano PEG condensado não é eficiente via RMN, uma vez que o teor de funcionalização calculado através da termogravimetria (1,06%) enquadra-se no erro experimental da técnica de ressonância (1%).

Figura 36: Espectro de RMN de silício da NPH30-SiO-50PEG10.

A microscopia eletrônica de transmissão da NPH30-SiO-50PEG10 cuja

imagem pode ser observada na Figura 37 exibe a morfologia obtida após a funcionalização com polietilenoglicol. Conforme esperado, observam-se coloides uniformemente esféricos e porosos cujo diâmetro médio é de aproximadamente 63 nm, similar ao valor encontrado para os veículos moleculares anteriormente à modificação superficial. Tal resultado indica que a presença do polímero enxertado

74

na superfície não interfere em suas dimensões espaciais possivelmente devido ao curto tamanho da cadeia polimérica e à baixa taxa de funcionalização (1%), mantendo dessa maneira os aspectos estruturais originais da nanopartícula de partida. Esse resultado é interessante sob o ponto de vista da interação de nanoestruturas com biossistemas em conjunto com a interface de estabilidade coloidal, isto é, após o processo de modificação superficial é importante manter-se a integridade estrutural do objeto nanotecnológico.

Figura 37: Micrografia (TEM) das nanopartículas de sílica funcionalizadas internamente com grupos fenil e externamente com polietilenoglicol

4.3.

Nanopartículas

modificadas

superficialmente

com

polietilenoglicol de cadeia longa

Nesse tópico serão discutidos os resultados obtidos na obtenção da nanopartícula modificada superficialmente com polietilenoglicol de cadeia longa. Iniciando-se as caracterizações estruturais tem-se inicialmente o espectro vibracional no infravermelho da NPH30-SiO-10GPS-PEG40 exibido na Figura 38.

Observa-se que, em todas as etapas o CTAB foi extraído, característica evidente ao observar-se a ausência de suas bandas típicas conforme comentado nos

75

tópicos anteriores. Os espectros mostram que as bandas provenientes da sílica e dos grupos fenilas estão presentes em todas as situações de acordo com o esperado. No nanocarreador contendo polietilenoglicol de cadeia longa atenção deve ser focada inicialmente ao grupo glicidoxi. Seu espectro apresentado no topo da figura registra as seguintes bandas que, a princípio deveriam ser notadas após sua funcionalização externa: 2943 cm-1 (estiramento assimétrico C-H dos grupos CH2), 2839 cm-1 (estiramento simétrico C-H dos grupos CH2), 1076 cm-1

(estiramento assimétrico C-O-C), 815 cm-1 (estiramento simétrico C-O-C), 1253 cm-1 (estiramentos assimétricos no anel epóxi) e 910 cm-1 (estiramentos simétricos no anel epóxi)76,77,74.

A nanopartícula funcionalizada com o grupo GPS mostrou mudanças pouco perceptíveis no perfil de seu espetro. Nota-se um alargamento das bandas próximas a 1250 cm-1 e 1070 cm-1, típicas dos estiramentos assimétricos no anel epóxi e estiramentos assimétricos C-O-C, respectivamente. As mudanças são mais claras comparadas com o espectro da NPH30-SiO-10PEG10, no qual a

largura das bandas sofreram variações pouco pronunciadas. Após o acoplamento do PEG no anel de três membros nota-se aumento da largura da banda na região de 1100-1070 cm-1 onde observamos o estiramento assimétrico C-O-C do polietilenoglicol76. Embora haja evidências da funcionalização do grupo glicidoxi e do acoplamento do PEG no veículo molecular, faz-se necessário a utilização de técnicas como análise térmica e ressonância magnética nuclear para alcançar conclusões mais robustas.

76

Figura 38: Espectros Vibracionais no infravermelho (FTIR) referentes à NPH30-SiO-10GPS-PEG40

Figura 39 mostra as curvas TG e DTA da NPH30-SiO-10GPS-PEG40

evidenciando a complexidade de eventos em virtude da presença de um componente intermediário, o grupo glicidoxi, cuja função é condensar-se na superfície externa da sílica e atuar como suporte para inserir o polietilenoglicol nessa região. As curvas TG e DTA das nanopartículas de partida apresentam os eventos de liberação dos surfactantes e grupos fenilas nessa ordem de ocorrência, conforme discutido no item 3.1. Os picos do DTA da NPH30-CTAB- SiO-10GPS mostram um evento significativo em 300 °C, referente à liberação simultânea do CTAB e GPS. Nas respectivas curvas TG o início e fim da

77

decomposição da função glicidoxi são observados em 281 °C e 329 °C, respectivamente. Após o acoplamento do PEG no sistema, é observada mudança no perfil da curva TG do veículo molecular, indicando o início de decomposição do polímero em 216°C e término em 460 °C. Removendo-se o molde orgânico, observa-se a curva TG da NPH30-SiO-10GPS-PEG40 cujo perfil é quase

semelhante à NPH30-CTAB-SiO-10GPS-PEG40 e a diferença de massa entre

ambos após 900°C é de apenas 1%, referindo-se apenas ao surfactante. Pode-se afirmar então que, no processo de funcionalização do grupo glicidoxi, acoplamento do PEG e remoção do molde orgânico, - compreendendo 3 etapas em solução -, moléculas de CTAB escaparam aleatoriamente dos poros da nanopartícula de modo que na etapa de extração a quantidade de molde a ser eliminado, via tratamento com solução etanólica de HCl, já era pequena, gerando um perfil semelhante entre ambas as curvas comentadas. No DTA o referido fenômeno é evidente, visto que a relação de altura entre os picos presentes em 300°C e 577°C, e 256°C e 577°C, provenientes dos nanoacarreadores antes e após a eliminação, respectivamente, é a mesma.

Levando-se em consideração as alterações nos padrões de comportamento das curvas ao acompanhar-se a síntese em cada etapa, torna-se possível confirmar a presença do PEG de cadeia longa no veículo molecular, fato que ainda não era precisamente evidente apenas com o uso da técnica de espectroscopia infravermelho. No entanto, não é possível concluir ainda a ocorrência de ligação covalente entre o grupo glicidoxi e PEG, sendo necessária a avaliação através do RMN.

78

Figura 39: Curvas TG e DTA da NPH30-SiO-10GPS-PEG40.

A NPH30-SiO-10GPS-PEG40 foi submetida à análise de adsorção-

dessorção de nitrogênio e seus resultados encontram-se na Figura 40. É notória uma significativa semelhança entre o perfil da isoterma da referida nanopartícula com a NPH30-SiOH, ambas referentes ao tipo IV com ligeira histerese do tipo H3 segundo a classificação da IUPAC9. Tal resultado propõe uma estrutura mesoporosa complexa mantida antes e após a funcionalização.

As áreas superficiais da NPH30-SiOH e NPH30-SiO-10GPS-PEG40

calculadas pelo método BET são 898 m2/g e 760 m2/g, respectivamente. Os valores de volume total de poros calculados pelo método BJH são, respectivamente, 2,2 cm3/g e 1,5 cm3/g. Estes últimos resultados sugerem a possível oclusão dos poros em virtude da funcionalização com o silano GPS seguida do acoplamento do PEG, contribuindo para a diminuição do volume total de poros – vale salientar que poros ocluídos impedem fisicamente a adsorção do nitrogênio nas cavidades mais internas da nanopartícula contribuindo para a sorção de menores quantidades de gás e, consequentemente, menor volume vinculado. A diminuição da área superficial em função da pós-modificação reflete a mesma conclusão em relação ao resultado do volume total de poros.

Analisando-se o gráfico de distribuição de poros da nanopartícula, observa- se a predominância espacial de cavidades entre 2 nm e 10 nm corroborando para a conclusão da complexidade do veículo molecular no contexto da química de superfície.

79

Figura 40: Isotermas de adsorção-dessorção de N2 na NPH30-SiO-10GPS-

PEG40

A Figura 41 apresenta o RMN de carbono da NPH30-SiO-10GPS-PEG40,

bem como os veículos moleculares intermediário e de partida. No espectro da NPH30-SiOH os 4 picos já comentados são proveniente dos anéis aromáticos como sendo a única entidade orgânica presente antes da funcionalização. Condensando-se o grupo glicidoxi, alterações no espectro tornam-se evidentes. Analisando-se a NPH30-SiO-10GPS, tem-se os 4 picos do grupo fenila já estudados; três núcleos referentes ao carbono 11 (8,2 ppm), 12 (22,7 ppm) e 13 (71,9 ppm) provenientes do grupo propil da função glicidoxi81; dois núcleos referentes ao carbono 16 do grupo epoxi (44,7 ppm) e ao carbono 14 adjacente ao referido anel de três membros (70,8 ppm). Teoricamente o pico do carbono 15, presente no grupo epóxi, deveria aparecer em 51,4 ppm, o que não é facilmente observável. Tal informação gera discussões no que diz respeito à possibilidade de abertura do anel anteriormente ao acoplamento do PEG, o que é confirmado observando-se no mesmo espectro o pico do carbono 16’81

. Na abertura do anel, forma-se um diol (observe o grupo GPS Aberto no Esquema 6) que altera os deslocamentos químicos dos carbonos 15 e 16, agora denominados 15’ e 16’ para diferenciá-los e identificá-los no espectro. Sabendo-se que o pico do carbono 16 em 44,7 ppm é pouco evidente, aquele referente ao núcleo 15 praticamente não aparece, em 63,7 ppm e 70,7 ppm, têm-se picos referentes aos átomos 16’ e 15’, respectivamente, e os dois últimos citados não deveriam estar presentes em tal espectro. Pode-se, portanto, concluir que a NPH30-SiO-10GPS possui em sua estrutura poucos grupos glicidoxi fechados e razoáveis quantidades dessa função apresentando o anel de 3 membros aberto, impossibilitando-o de acoplar ao PEG40. No espectro da NPH30-SiO-10GPS-PEG40 ocorre a diminuição do pico do

carbono 16 que, nesse espectro, passa a ser designado pelo número 17 em virtude da sua mudança de deslocamento químico para 71,2 ppm. Nessa região, sua identificação é dificultada em virtude da sobreposição com o pico do átomo 14. Entretanto, é evidente o aumento da intensidade do pico presente em 60,1 ppm, provenientes dos núcleos de carbono da cadeia do polietilenoglicol,

80

confirmando sua presença. O acoplamento do PEG engendrado após a reação química superficial entre o anel epóxi e o ácido carboxílico do polímero pode ser confirmado, salvo melhor juízo, pela presença de um pico 226 ppm (núcleo 18) referente ao carbono éster gerado após a referida transformação química76.

Figura 41: Espectros de RMN 13C da NPH30-SiO-10GPS-PEG40.

Na Figura 42 estão apresentados os espectros de RMN de silício na NPH30-SiOH e NPH30-SiO-10GPS. Deve ser destacado que a estrutura da sílica antes e após o acoplamento do PEG40 não abrange variações de áreas entre os

sítios de silício vigentes, uma vez que a reação química ocorre entre o ácido carboxílico do polímero e o grupo epóxi da função GPS, isto é: os grupos silanóis não são envolvidos, dispensando a necessidade de caracterização da NPH30- SiO-10GPS-PEG40 por RMN 29Si, que apresentaria o mesmo perfil da NPH30-SiO-

10GPS. Analisando-se a figura, são típicos os sítios do silício em seus respectivos deslocamentos químicos, conforme comentando anteriormente. Analisando-se as relações ΣQn_/ΣTn

81

(Q4+Q3+Q2)/(T3+T2)PEG40 = 3,26, indicando diminuição da relação e, portanto,

aumento das áreas referentes aos sítios do silano condensado.

Figura 42: Espectro de RMN de silício da NPH30-SiO-10GPS

A Tabela 2 exibe os tamanhos de partícula e potencial zeta de cada veículo molecular abrangido na presente dissertação. Os índices de polidispersividade (IPD) aceitáveis para um sistema satisfatoriamente monodisperso devem abranger valores menores do que 0,4, o que ocorreu em todas as situações apresentadas. Observa-se que a modificação superficial não altera significativamente o tamanho médio dos colóides (conforme comentado anteriormente). As cargas superficiais apresentaram diferenças interessantes do ponto de vista de modificação superficial. Sabendo-se que a superfície da NPH30-SiOH, assim como qualquer nanoestruturua de sílica em meio básico apresenta cargas negativas, espera-se que após a funcionalização com PEG (neutro) haja uma tendência à neutralidade na superfície muito embora tais parâmetros não sejam confiáveis para prever o referido fenômeno de superfície, visto que nesse processo tem-se uma distribuição gaussiana de cargas e tamanhos. Após a funcionalização da NPH30- SiOH com PEG10 em quantidades equivalente a 10%, 25% e 50% mol-Si sua

82

carga superficial baixou de -20,5 ± 5,80 mV para -13,5 ± 5,6 mV, -5,4 ± 5,6 mV e - 8,81 ± 5,41 mV, respectivamente, um indicativo qualitativo, porém, essencial para complementaridade das caracterizações estruturais. Tratando-se da modificação superficial com PEG40, a carga inicial sofreu diminuição para para -5,98 ± 4,66 mV.

Tabela 2: Tamanho de partícula e potencial zeta das nanopartículas Nanopartícula Dimensão (nm) Carga Superficial (mV)

Tamanho Médio IPD Potencial Zeta Desvio Padrão NPH30-SiOH 104,6 0,136 -20,5 5,8 NPH30-SiO-10PEG10 116,1 0,240 -13,5 5,6 NPH30-SiO-25PEG10 109,3 0,104 -5,4 7,3 NPH30-SiO-50PEG10 126,6 0,240 -8,8 5,4 NPH30-SiO-10GPS-PEG40 146,5 0,263 -6,0 4,7