Após o estudo cinético, a identificação do tipo de estrutura encontrada e do mecanismo de separação de fases, a quantificação de cada componente foi realizada conforme os procedimentos já mencionados. Os pontos em que houve formação de gel não foram quantificados.
A curva de calibração para quantificação da fibroína de seda a partir do método de
Bradford teve equação da reta igual a y = 0,0026*x + 0,0056 com coeficiente de correlação
A partir da curva de calibração, foi possível determinar a fração mássica de fibroína de seda na fase líquida, os valores estão mostrados na Tabela 7, bem como os valores de fração mássica de água e alginato para a mesma fase. Já na Tabela 8, estão mostradas os valores de fração mássica de cada componente na fase sólida.
Tabela 7: Fração mássica dos componentes do sistema ternário na fase líquida.
Blenda Fibroína de seda Água Alginato de sódio
SF0,5/SA0,5/WA99 1,2605 x 10-4 0,9961 0,0049 SF1,5/SA0,5/WA98 7,7997 x 10-4 0,9942 0,0050 SF1,0/SA1,0/WA98 6,8717 x 10-4 0,9929 0,0093 SF0,5/SA1,5/WA98 4,3548 x 10-4 0,9881 0,0157 SF1,5/SA1,5/WA97 6,5442 x 10-4 0,9830 0,0163 SF1,0/SA2,0/WA97 5,6628 x 10-4 0,9770 0,0225 SF0,5/SA2,5/WA97 8,9714 x 10-4 0,9730 0,0268
Tabela 8: Fração mássica dos componentes do sistema ternário na fase sólida.
Blenda Fibroína de seda Água Alginato de sódio
SF0,5/SA0,5/WA99 0,0245 0,9700 0,0055 SF1,5/SA0,5/WA98 0,0366 0,9584 0,0050 SF1,0/SA1,0/WA98 0,0289 0,9597 0,0114 SF0,5/SA1,5/WA98 0,0276 0,9606 0,0118 SF1,5/SA1,5/WA97 0,0289 0,9574 0,0137 SF1,0/SA2,0/WA97 0,0359 0,9501 0,0140 SF0,5/SA2,5/WA97 0,0170 0,9616 0,0214
As massas de cada componente em cada fase estão mostradas nas Tabela A1.1 do Anexo 1. Com os dados das tabelas foi possível construir o diagrama ternário mostrado na Figura 40.
Figura 40 – Diagrama de fases do sistema fibroína de seda-alginato de sódio-água. Fase líquida ( ), fase sólida ( ) e pontos iniciais ( ) e linhas de amaração ( ).
Nota-se que após a separação de fases têm-se uma fase rica em alginato de sódio, que chamaremos de “fase líquida” e uma rica em fibroína de seda, a qual chamaremos de “fase sólida”. A água está presente em grandes proporções em ambas as fases. Uma hipótese é que a água fique presa nas cadeias poliméricas da fibroína de seda e do alginato de sódio formando um gel na fase sólida.
As linhas de amarração obtidas se encontram bem próximas umas das outras, chegando a se sobrepor em duas blendas. A região estudada representa uma pequena parte do diagrama de fases completo. Dessa forma, os pontos iniciais se encontram próximos e, por isso, as linhas de amarração também se encontram todas em regiões próximas.
Nas blendas SF0,5/SA0,5/WA99 e SF1,5/SA0,5/WA98, os pontos iniciais se encontram
equilíbrio de fases, as linhas de amarração se sobrepõem, e as blendas possuem composição da fase líquida bastante semelhantes. Na fase sólida, as frações mássicas de alginato de sódio tem valores próximos, mas, a blenda SF1,5/SA0,5/WA98 tem maior quantidade de fibroína de
seda, o que já era esperado, pois inicialmente essa blenda possui três vezes mais desse polímero em sua composição. Todavia, a morfologia das membranas dessas blendas é bastante diferente, a blenda SF1,5/SA0,5/WA98 possui estruturas globulares maiores e fibrilas
de fibroína de seda.
As linhas de amarração do sistema ternário possuem um grau de variabilidade, pois as dispersões de fibroína de seda e alginato de sódio não são uniformes. Portanto, outra quantificação foi feita a fim de determinar as possíveis regiões em que a linha de amarração poderia estar. Os dados do experimento, da média e do desvio padrão estão mostrados nas Tabelas A1.2 e A1.3, já o diagrama ternário mostrando as regiões de variabilidade está mostrado na Figura A1.4 do Anexo 1.
Se fosse possível separar completamente as duas fases, a fase sólida seria composta por 100% por fibroína de seda e a fase líquida não teria a presença da proteína. Esse precipitado poderia ser denominado de precipitado verdadeiro (WATANABE, 2007) Sua composição deve estar sobre as linhas de amarração e pode ser obtida extrapolando as linhas de amarração. Realizando esse procedimento, encontram-se alguns pontos, de composições diferentes, mostrado na Figura 41. No entanto, talvez a abordagem mais correta seja dizer que há uma região correspondente às composições do precipitado verdadeiro, pois estes são muito próximos no diagrama.
Figura 41 - Diagrama de fases do sistema fibroína de seda-alginato de sódio-água com a possível região do precipitado verdadeiro, onde se incluem os pontos indicados pelos círculos pretos.
A região de precipitado verdadeiro poderia ocorrer em uma região de alta concentração de fibroína de seda e quase ausência de alginato de sódio, desde a região de composição em fração mássica de, aproximadamente, 0,033 g de fibroína de seda/g de fase, 0,955 g de água/ g de fase e 0,012 g de alginato/g de fase. até concentrações ainda maiores de fibroína de seda, com composição em fração mássica de, aproximadamente, 0,046 g de fibroína de seda/ g de fase, 0,941 g de água/ g de fase e 0,013 g de alginato/ g de fase. Na Figura 41, esses limites são mostrados.
Tomando-se por base os pontos experimentais feitos nesse trabalho, é provável que um gel se formasseao se misturar as proporções de fibroína de seda e alginato de sódio indicadas para se alcançar o precipitado verdadeiro. Pois ainda haveria grande proporção de água na blenda, favorecendo as interações hidrofóbicas fibroína-fibroína e a formação de gel.
7 DISCUSSÃO FINAL
O sistema fibroína de seda-alginato de sódio-água foi estudado nesse trabalho com o objetivo de elucidar melhor como os dois polímeros naturais interagem tanto na presença de água, quanto em membranas produzidas a partir dos pontos iniciais das blendas.
Trata-se de um sistema complexo, pois além de representarem sistemas macromoleculares, ou seja, que naturalmente contêm barreiras de transferência de massa e cinética lenta, o presente trabalho teve que adaptar um diagrama ternário, quando, na verdade, pode haver outros componentes minoritários na solução que ainda estivessem presentes no momento da análise (etanol da solução trenária de sissolução da fibroína de seda e sal). Além disso, a separação de fase de um “sólido”(nomeado aqui como um “precipitado verdadeiro”) ainda vai conter água. Entretanto, este trabalho, mesmo com todas as dificuldades das adaptações realizadas, pôde ainda verificar uma linha de comportamento majoritária que sobressai a esses sistemas complexos, e esses dados são de crucial importância para os que farão uso desta mistura em processos de maior escala ou de produção. A transformação súbita de uma mistura em gel, ou ainda, de uma separação de fases que resulte em morfologia final da membrana indesejável são situações que devem ser sabidas e controladas durante o manuseio destas fases.
As membranas das blendas estudadas apresentaram miscibilidade parcial, identificada pelo deslocamento da temperatura de transição vítrea. De Moraes (2010) avaliou o deslocamento de Tg através na análise dinâmico-mecânica e também verificou que as blendas de fibroína de seda e alginato de sódio possuem miscibilidade parcial. Os valores do parâmetro de Flory-Huggins, calculados para as blendas através das equações de Couchman e Kim e Burns, foram todos positivos e próximos a zero, o que também sugere a miscibilidade parcial das mesmas.
Nas micrografias das membranas das blendas, foi verificado que todas apresentavam a presença de estruturas globulares e em muitas também foi possível ver quantidade considerável de fibrilas de fibroína de seda. As membranas das blendas obtidas apresentaram morfologia parecida com a descrita por De Moraes (2010). A blenda SF0,5/SA0,5/WA99 foi a
única que não apresentou fibrilas de fibroína de seda na sua estrutura e tem glóbulos interpenetrados. Na análise de espalhamento de luz, as membranas das blendas apresentaram picos de intensidade de luz, característicos da separação de fases por decomposição spinodal, o que sugere que as estruturas encontradas são redes interpenetradas de fibroína de seda e
alginato de sódio. A análise da morfologia com o espalhamento de luz é um resultado inédito para essas blendas, e mostra que os glóbulos se encontram bastante conectados com a matriz da membrana.
As análises de FTIR-ATR e DRX confirmaram que a fibroína de seda e o alginato de sódio interagem quimicamente, pois houve deslocamento dos picos de absorção e mudanças na estrutura cristalina. O alginato de sódio se mostrou amorfo, já na membrana de fibroína de seda foi possível identificar estruturas amorfas e cristalinas. As membranas das blendas formadas apresentaram estrutura amorfa, indicando que a interação do alginato de sódio com a fibroína de seda altera a estrutura cristalina da mesma.
As soluções de fibroína de seda e alginato de sódio apresentaram distribuição de tamanho de partícula distintas. A fibroína de seda apresentou diâmetro médio das partículas menor do que o alginato de sódio, indicando que a cadeia polimérica do alginato de sódio está mais estendida do que a da fibroína de seda. A fibroína de seda em solução aquosa forma pseudo-micelas de 100-200 nm, devido à sua característica hidrofóbica. Esse fenômeno foi descrito por Kaplan e Jin (2003), e pode ser visualizado na Figura 42.
Figura 42 - Esquema da formação de pseudo-micelas de fibroína de seda.
O valor do potencial zeta para as soluções foi significativamente diferente. Enquanto a solução de alginato de sódio é estável (zeta=-59,2 mV), a de fibroína de seda é instável (zeta=-5,97 mV) e isso influencia na estabilidade da blenda em solução, visto que a fibroína de seda tem tendência a formar aglomerados e precipitar formando uma fase sólida.
No sistema ternário, as blendas que separaram fases “sólido-líquido”, apresentaram perfil de espalhamento de luz típico de morfologias cuja separação de fases ocorreu por decomposição spinodal. Algumas blendas apresentaram grande variabilidade na distância entre os domínios das fases, o que dificultou o cálculo das mesmas (bandas mais largas). Logo após o preparo dessas blendas, o perfil de espalhamento se assemelhava a uma separação por decomposição spinodal, com picos intensidade de luz, no entanto, após a formação da fase sólida, o perfil se modificou. Uma hipótese seria que o “sólido” formado após o primeiro dia seja um gel e este interfira na avaliação do mecanismo de separação de fases..
As blendas SF2,5/SA0,5/WA97, SF2,0/SA1,0/WA97, SF3,0/SA1,0/WA96, SF2,0/SA2,0/WA96 e
SF1,0/SA3,0/WA96 formaram hidrogéis de fibroína de seda e alginato de sódio após um dia de
preparo da blenda. A fibroína de seda, como já discutido, tem tendência de formar gel em solução aquosa, e foi verificado que a presença do alginato de sódio acelera o processo de gelificação em cerca de três vezes. Isso acontece pois a presença de um polímero hidrofílico, como o alginato de sódio, acelera o processo de auto-organização da fibroína de seda. .
Nas membranas das blendas, os perfis de espalhamento de luz sugerem que a morfologia das blendas seja do tipo IPN e que o mecanismo de separação de fases seja por decomposição spinodal. A membrana da blenda SF2,0/SA1,0/WA97 não apresentou picos de
intensidade bem definidos, indicando que essa blenda possui maior variabilidade na distância entre os domínios das fases. Ao se quantificar os componentes das fases e traçar o diagrama de fases, foi possível identificar uma região rica em alginato de sódio, fase líquida, e uma região rica em fibroína de seda, fase sólida. Por ser um polímero hidrofílico e ser estável em água, era esperado que a fase líquida fosse rica em alginato de sódio. Já a fibroína de seda é instável em água, portanto, é termodinamicamente favorável que este polímero forme pseudo- micelas e estas se agreguem formando glóbulos, os quais precipitam. Ao formar o precipitado, uma parte do alginato de sódio fica retido no gel formado, visto que esses dois polímeros são parcialmente miscíveis e interagem quimicamente.
As linhas de amarração foram prolongadas a fim de encontrar o “precipitado verdadeiro”, que seria a fase sólida se não houvesse a presença da fase líquida nela. Dois pontos distintos foram identificados neste trabalho, mas provavelmente mostram uma região que delimita a fase, com alta concentração de fibroína de seda e água, e baixa concentração de alginato de sódio. É provável, visto o comportamento das outras blendas estudadas, que nos pontos de precipitado verdadeiro houvesse formação de hidrogel de fibroína, dada a alta concentração da proteína e de água.
Sistemas proteína-polissacarídeo são complexos, e assim também se mostrou o sistema fibroína de seda-alginato de sódio-água. As blendas de fibroína de seda e alginato de sódio tem grande potencial de aplicação como biomaterial, e por isso, despertam interesse da ciência em estudá-las. Ainda há muito a esclarecer sobre esse sistema e esse trabalho é um dos primeiros passos para se compreender as interações entre esses dois polímeros naturais.
8 CONCLUSÕES
Sistemas ternários compostos por fibroína de seda, alginato de sódio e água não são estáveis e tendem a separar fase formando um sistema sólido-líquido. Esse fenômeno pode ocorrer de formas distintas, influenciando nas morfologias finais da blendas que podem modificar as propriedades de um produto. Os dois mecanismos de separação de fases foram observados no sistema ternário estudado, e também nas membranas das blendas.
A quantificação dos componentes deu origem a um diagramas de fases inédito na literatura. Foi possível identificar uma região onde haveria um “precipitado verdadeiro”, ou seja, a fase mais rica em fibroína de seda. Com os dados de equilíbrio termodinâmico, é possível analisá-los e propor um modelo termodinâmico de modo a prever as proporções mássicas dos componentes no sistema ternário após a separação de fases. Isso é necessário para confecção dessas blendas em escala industrial, bem como para avaliar como essas proporções influenciam no produto final desejado.
As membranas das blendas obtidas apresentaram interação entre os polímeros, identificadas pelo deslocamento das bandas de absorção do infravermelho e também pela modificação da estrutura cristalina da fibroína de seda. Além disso, apresentaram semi- miscibilidade, identificada pelo deslocamento da temperatura de transição vítrea e pelo valor do parâmetro de interação binário de Flory-Huggins para fibroína de seda e alginato de sódio.
Tanto a identificação do mecanismo de separação de fases do sistema ternário e das membranas, como o diagrama ternário de equilíbrio obtidos são inéditos na literatura. Com os dados obtidos, espera-se ampliar os conhecimentos sobre as blendas de fibroína de seda e alginato de sódio, que são dois polímeros naturais com grande potencial de aplicação como biomaterial.
9 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
1. Estudar a influência da temperatura no sistema ternário e no preparo das membranas das blendas de fibroína de seda e alginato de sódio. Verificar se o aumento ou decréscimo da temperatura afeta a morfologia das membranas das blendas e o mecanismo de separação de fases;
2. Utilizando os dados de equilíbrio, propor um modelo termodinâmico para o sistema de solução estudado;
3. Estudar a influência do pH no sistema ternário, verificando se isso altera a interação fibroína de seda-alginato de sódio e os dados de equilíbrio termodinâmico.
4. Determinar a Tg das blendas utilizando uma técnica mais sensível como a análise dinâmico-mecânica.
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