Polímeros

Os polímeros caraterizam-se por serem materiais bastante versáteis e têm vido a mudar o quotidiano do Homem, fazendo parte da sua rotina, sem que muitas vezes se aperceba disso. Possuem diversas aplicações na área da medicina, da agricultura e da engenharia. Os polímeros, devido às suas variadas funcionalidades são usados como suportes para dispersão/dissolução de substâncias ativas em terapias de libertação controlada de fármacos, para obtenção de formulações farmacêuticas.

1.5.1.

Polímeros Naturais

Polímeros naturais são polímeros que podem ser encontrados na natureza e fazem parte da estrutura de organismos vivos, como plantas e animais.

A este grupo de polímeros, pertencem os polissacarídeos (Figura 8), as proteínas, os ácidos ribonucleicos (ARN) e ácidos desoxirribonucleicos (ADN), e outros polímeros como poliésteres e a borracha natural. Estes polímeros oferecem usualmente uma excelente biocompatibilidade, no entanto, sofrem variação de lote para lote devido às dificuldades de purificação.

Figura 8 - Estruturas de polissacarídeos (Rustgi, et al., 1998)

1.5.2.

Polímeros Sintéticos

Os polímeros sintéticos são obtidos por reação química (polimerização) de monómeros. Os polímeros sintéticos são muito úteis e estão presentes no dia-a-dia, como por exemplo, nos plásticos, nas borrachas e nos materiais fibrosos.

Estes materiais sintéticos podem ser obtidos de uma forma barata e as suas propriedades podem ser manipuladas e otimizadas a um nível que as tornam superiores às observadas nos polímeros naturais.

Polímeros sintéticos e naturais possuem uma vasta gama de aplicação, uma vez que existem numa grande variedade de composições e apresentam a possibilidade de sofrerem modificações (Matsui, et al., 2007).

Na Tabela 3, encontra-se uma lista de polímeros, naturais e sintéticos, que têm sido investigados com o intuito de avaliar o seu potencial na libertação de fármacos (Pillai, et al., 2001).

Tabela 3 - Lista dos polímeros mais usados em sistemas de libertação de fármacos (adaptado de (Pillai, et al., 2001)

Classificação Polímero

Polímeros Naturais

Polímeros à base de proteínas Colagénio, albumina, gelatina Polissacarídeos

Agarose, alginato, carragenina, ácido hialurónico, dextrano, quitosano,

ciclodextrinas Polímeros Sintéticos

Biodegradáveis

Poliésteres

Poli(ácido lático), poli(ácido glicólico), poli(hidroxibutirato), poli(Ɛ-caprolactona),

poli(ácido β-málico), poli(dioxanonas) Polianidridos Poli (ácido sebácico), poli(ácido adípico),

poli(ácido terftálico) e vários copolímeros Poliamidas Poli(imino carbonatos), poliaminoácidos Polímeros fosforosos Polisfosfatos, polifosfonatos,

polifosfazemos

Outros Poli(ciano acrilatos), poliuretanos, éster poliorfo, Polidihifropirans, poliacetais Não biodegradáveis

Derivados de celulose

Carboximetil celulose, etilcelulose, celulose acetato, celulose acetato propionato,

hidroxilpropil metilcelulose Silicones Polidimetilsiloxano, sílica coloidal Polímeros acrílicos Polimetracrilatos, poli(metilmetacrilato), poli

hidro(etilmetacrilato) Outros Povinilpirrolidona, etilvinilacetato,

poloxameros, poloxaminas

Um polissacarídeo de potencial interesse é o quitosano e foi este o polímero que serviu de base aos filmes poliméricos que foram preparados no âmbito desta dissertação. De seguida, apresenta-se alguma informação relevante à cerca do biopolímero quitosano.

1.6. Quitosano

O quitosano, ou poli(1,4)-2-amido-2-desoxi-β-D-glucose, é um copolímero natural semi- cristalino e é obtido a partir da desacetilação parcial da quitina. O grau de desacetilação do quitosano utilizado na atividade experimental nesta dissertação era maior que 75% (Apêndice B). Este polímero natural tem recebido especial atenção devido às suas

características de biocompatibilidade e biodegradabilidade e é obtido a partir de um recurso natural abundante, a quitina.

A quitina é o segundo polímero mais abundante na natureza e encontra-se no exosqueleto dos crustáceos, nas paredes celulares de fungos e outros materiais biológicos (Arvanitoyannis, et al., 1999; Kołodziejska, et al., 2006; McCloskey, et al., 2010; Monteiro, et al., 1999; Sinha, et al., 2004). O quitosano não pode ser considerado uma entidade química uniforme, mas sim um copolímero, uma vez que a sua cadeia é constituída por monómeros acetilados e desacetilados (Paterson, 1990; Pillai, et al., 2009; Thein-Han, et al., 2008).

1.6.1.

História

A história do quitosano remonta ao século XIX. Foi em 1958, que Rouget descreveu e apresentou as formas desacetiladas da quitina (Rouget, 1859). Ao longo dos últimos anos têm sido feitas numerosas investigações sobre o quitosano e o seu potencial em aplicações biomédicas.

O quitosano é obtido da desacetilação alcalina da quitina. A quitina é um polissacarídeo semelhante à celulose, com o grupo hidroxilo substituído por um grupo acetamida na posição C-2. É bastante insolúvel, apresenta também baixa reatividade química e é um polissacarídeo com função estrutural. A quitina caracteriza-se por ser um polissacarídeo branco, duro, inelástico e azotado (Meyers, et al., 2008; Kumar, 2000; Dutta, et al., 2004). A produção de quitina e quitosano restringe-se, sobretudo, às cascas de camarão e caranguejo que são rejeitadas pelas indústrias pesqueiras, contribuindo assim para a diminuição do impacto ambiental causado pela acumulação destes excedentes. A produção de quitosano através de desperdícios da indústria alimentar é economicamente vantajosa e bastante acessível (Kumar, 2000; Dash, et al., 2011).

São apresentadas de seguida as principais características físico-químicas do quitosano.

1.6.2.

Características físico-químicas

O quitosano apresenta características físico-químicas interessantes, como por exemplo, ser um eletrólito e ser mais facilmente solubilizado em determinados solventes do que outros polímeros. A fórmula molecular do quitosano é [C8H13NO5]n e está representada na Figura 9.

Este é constituído por unidades de 2-acetamido-2-deoxi-Dglicopiranose e, em maior proporção, por 2-amino-2-deoxi-_{Dglucopiranose unidas por ligações glicosídicas β(1→4).}

Figura 9 - Estrutura química do quitosano (Borgognoni, et al., 2006).

Tal como foi já referido, o quitosano é obtido da quitina por desacetilação. Esta reação confere ao quitosano as suas principais características, como o peso molecular médio do biopolímero e o seu grau de desacetilação. O quitosano é um polissacarídeo com um mínimo de 50% de desacetilação, sendo que o mais comum possui um grau de desacetilação de 70-90% (Rinaudo, 2006).

O quitosano caracteriza-se por ser uma base fraca, insolúvel em água e solventes orgânicos, mas solúvel em soluções aquosas diluídas de ácidos orgânicos ou inorgânicos com um pH<6 (Sinha, et al., 2004; Azevedo, et al., 2007). Quando o pH é baixo, os grupos amina ficam na sua forma protonada, carregados positivamente, tornando o quitosano solúvel. Assim que o pH aumenta acima dos 6, os grupos amina ficam desprotonados e o polímero perde a capacidade de se dissolver.

São muitas e diversificadas as aplicações com elevado interesse deste polímero de origem natural. De seguida, enumeram-se algumas dessas aplicações.

1.6.3.

Aplicações do quitosano

O quitosano é um biopolímero com características bastante versáteis que o tornam atrativo, sendo, por isso, requisitado em diversas áreas, nomeadamente na indústria alimentar, biomédica, química, farmacêutica, cosmética, têxtil, tratamento de águas e até mesmo na agricultura.

Inicialmente, as aplicações do quitosano estavam praticamente restringidas à sua utilização no tratamento de águas, como agente complexante e no processamento de alimentos. Com o decorrer do tempo, descobriram-se novas aplicações para o quitosano, que ainda nos dias de hoje prosseguem com excelentes resultados. Devido à biocompatibilidade do quitosano e às suas características funcionais, hoje em dia, o quitosano é utilizado pela indústria em produtos de valor acrescentado, como nos cosméticos, na indústria farmacêutica, como em suplementos alimentares e membranas semipermeáveis, bem como em dispositivos para libertação de medicamentos (Fernandes, 2009).

Na área alimentar, a aplicação do quitosano é diversificada e bastante útil, pois permite o melhoramento das características nutricionais, higiénicas e sensoriais. Tem sido utilizado

como agente antimicrobiano (bactericida e fungicida) e é utilizado, também, na conceção de filmes alimentares para controlar a transferência de solutos, a libertação de substâncias antimicrobianas, antioxidantes e nutrientes e controlar o escurecimento enzimático de frutos. É, ainda, utilizado como conservante e emulsionante de molhos e como aditivo para prolongamento do prazo de validade de produtos alimentares e frutas frescas (Agulló, 2004; Schulz, 1998; Azevedo, et al., 2007). Contribui para uma boa qualidade nutricional uma vez que baixa os níveis de colesterol e diminui a absorção de lípidos.

Tem um papel importante na purificação de águas residuais, na medida em que permite diminuir a turbidez da água, bem como os sólidos suspensos e contribui para a eliminação de microalgas (Bergamasco, 2009; Guibal, 2006). É devido à sua forma catiónica a pH inferior a 6, que o quitosano é utilizado como agente floculante e complexante no tratamento de águas contaminadas com metais pesados (Chung, 2005; Bratskaya, 2009).

Na área da cosmética o quitosano tem sido utilizado em pastas de dentes, em champôs para hidratação capilar, cremes de mãos e rosto para tratamentos de acne e para esfoliação, protetores solares, entre outros (Majeti, et al., 2000).

Na indústria farmacêutica é usado como antitumoral, hemostático e anticoagulante.

Na agricultura é aplicado como protetor de sementes, potenciador na germinação de sementes e na libertação lenta de adubos e nutrientes (Yamada , et al., 1993).

Contudo, a maior aplicação do quitosano é na área da biomédica. Devido à sua baixa toxicidade para o organismo e a sua biocompatibilidade, é utilizado num vasto leque de aplicações biomédicas, que vão desde a criação de tecidos artificiais, coagulantes, fármacos, células artificiais, pensos, membranas de hemodiálise, lentes de contacto, suturas cirúrgicas e até mesmo em sistemas de libertação controlada de substâncias (antimicrobianas, antioxidantes, nutrientes, aromas) (Eugene, 2002; Dutta, et al., 2004). O processo de obtenção do quitosano é descrito sumariamente em seguida.

1.6.4.

Obtenção do quitosano

A desacetilação da quitina (Figura 10) para obter o quitosano ocorre por hidrólise dos grupos acetilamida a temperaturas elevadas. A hidrólise poderá ocorrer em meio ácido ou básico, no entanto, exclui-se a hidrólise ácida uma vez que é suscetível de proporcionar a degradação da quitina (hidrólise das ligações glicosídicas).

A reação de desacetilação ocorre em fase heterogénea, recorrendo a soluções alcalinas concentradas, como soluções de NaOH ou KOH (40-50%), e aplicando temperaturas acima dos 100°C para que a extensão da reação de desacetilação seja adequada. As soluções alcalinas devem ser fortes para compensar a baixa reatividade da quitina devido à configuração trans dos substituintes acetamida, à presença de ligações de hidrogénio entres os grupos carbonilo e amidas das cadeias adjacentes e devido, ainda, ao empacotamento

das cadeias na estrutura cristalina da quitina, que dificulta o acesso aos iões HO- _(Covas,

2006).

O tipo de matéria-prima inicial da quitina, o tratamento a que foi previamente submetida e o grau de desacetilação desejado condicionam a reação de desacetilação (Methacanon, 2003; Tsaih, 2003).

Figura 10 - Reação de desacetilação da quitina originando o quitosano.