A reação de PVA e AMS em meio ácido resulta na formação de ligações éster entre os grupos carboxílicos do AMS e hidroxilas das cadeias de PVA. Após a reação entre AMS e PVA, as cadeias de polímero ficam parcialmente reticuladas através de ligações covalentes. O AMS age, portanto, como um agente reticulante, além de funcionalizar o polímero através da inserção de grupos sulfidrilas (-SH) passíveis de serem posteriormente nitrosados.
Utilizando-se a técnica de espectroscopia no infravermelho por refletância total atenuada buscou-se confirmar a reação de esterificação entre o PVA e o AMS por meio da comparação entre os espectros obtidos da membrana de PVA, do AMS e da membrana de PVA-SH (Figura 12). No espectro do MAS, observa-se uma banda em 1680 cm-1 atribuída ao estiramento C=O de ácidos carboxílicos, que está ausente nos espectros das duas membranas. No espectro da membrana de PVA-SH, nota-se o aparecimento de uma banda em 1720 cm-1, atribuída ao estiramento C=O de
ésteres, ausente no espectro da membrana de PVA puro. O aparecimento desta banda de estiramento C=O de ésteres permite a confirmação da esterificação entre PVA e AMS. A banda referente ao estiramento da ligação S-H situa-se entre 2600 e 2550 cm-1, porém normalmente esta é uma banda fraca. No
espectro do AMS ela aparece com intensidade fraca, porém no espectro da membrana de PVA-SH ela não pôde ser observada.
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Figura 12. Espectros na região do infravermelho da membrana de PVA, do ácido mercaptosuccínico (AMS) e da membrana de PVA-SH. O aparecimento da banda em 1720 cm-1 referente ao estiramento C=O de ésteres confirma a
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O processo de inversão de fases leva à formação de membranas com morfologia porosa, que é preservada após secagem por liofilização. Além disso, a liofilização aumenta a reticulação física do material que se dá através da formação de cristalitos entre os grupos hidroxila não-esterificados do PVA que interagem por ligações de hidrogênio20. Como a cristalização é
dependente da proximidade e empacotamento das cadeias, o afastamento que ocorre devido à inserção de AMS entre cadeias a uma distância superior à necessária para que os grupos OH interajam por ligações de hidrogênio, prejudica este processo e altera as propriedades físico-químicas da membrana de PVA-SH em relação ao PVA puro, conforme representado esquematicamente na Figura 13.
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Figura 13. Esquema representando (A) as interações de hidrogênio no PVA puro e (B) a diminuição das interações de hidrogênio do PVA-SH nas proximidades dos pontos de reticulação, devido ao afastamento entre as cadeias de PVA causado pela esterificação com AMS.
A morfologia das membranas de PVA e PVA-SH foi avaliada através da técnica de microscopia eletrônica de varredura. Visualmente, verifica-se que a membrana de PVA apresenta a estrutura típica de membranas assimétricas, sendo composta por duas camadas: uma camada superior fina e
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transparente e uma camada inferior mais espessa e opaca. Esta camada superior pôde ser descolada mecanicamente da camada inferior, conforme ilustrado no esquema da Figura 14, sem comprometer a integridade destas duas camadas. Para estas membranas foram obtidas micrografias, apresentadas na Figura 15 em ampliações diferentes, das regiões apontadas pelas setas na Figura 14, que indicam as faces de cima das camadas superior e inferior, a seção transversal obtida por fratura criogênica da camada inferior e a face de baixo da camada inferior.
Figura 14. Esquema representando a vista lateral da membrana de PVA mostrando as camadas superior e inferior e as regiões onde foram obtidas as imagens de MEV.
Nas Figuras 15A e B estão apresentadas as micrografias da face de cima da camada superior, fina e transparente. A morfologia desta camada se
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assemelha à de um filme de PVA preparado por casting, denso e totalmente sem poros. As Figuras 15C e D apresentam as micrografias da face de cima da camada inferior da membrana de PVA contendo poros circulares interconectados em toda sua superfície. As Figuras 15E e F apresentam a morfologia da face de baixo desta mesma camada, apresentando uma superfície irregular e sem poros. Nas Figuras 15G a 15 J, estão apresentadas as micrografias da seção transversal da camada inferior em diferentes ampliações, mostrando um interior contendo poros circulares interconectados em toda sua extensão.
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Figura 15. Micrografias das membranas de PVA mostrando (A, B) a face de cima da camada superior em duas ampliações diferentes, evidenciando a inexistência de poros nesta camada, (C, D) a face de cima da camada inferior em duas ampliações diferentes, mostrando poros circulares interconectados em toda superfície, (E, F) a face de baixo da camada inferior em duas ampliações diferentes, mostrando uma superfície irregular e sem poros e (G - J) a seção transversal em quatro ampliações diferentes, mostrando toda a extensão da membrana, inclusive com a camada superior, contendo poros circulares interconectados. As dimensões indicadas na parte superior das imagens se referem às dimensões das barras de escala.
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A membrana de PVA-SH, entretanto, não apresenta nenhuma evidência de formação de uma camada superior densa nem de descolamento desta, sendo formada por uma estrutura única contínua, como representado no esquema da Figura 16. A Figura 17 mostra as micrografias das faces de cima e de baixo e da seção transversal por fratura criogênica da membrana de PVA-SH, apontadas pelas setas da Figura 16.
Figura 16. Esquema representando a vista lateral da membrana de PVA-SH mostrando uma única camada e as regiões onde foram obtidas as imagens de MEV.
As Figuras 17A e B mostram duas micrografias de regiões distintas da face de cima de uma mesma membrana, ambas na mesma ampliação. Nota-se que esta face da membrana é composta por um mosaico de regiões fechadas e sem poros, e regiões abertas, com aspecto de fios interconectados. As mesmas morfologias são observadas na face de baixo, como mostrado nas Figuras 17C e D. As Figuras 17E e F, em ampliações diferentes, mostram um panorama
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geral da fratura, onde se observa poros macroscópicos alongados com eixos principais orientados horizontalmente, de paredes não porosas e superfícies rugosas. Deve-se considerar que a morfologia de poros horizontais pode ser o resultado do colapso da estrutura porosa durante a secagem da amostra. Nas Figuras 17G e H, é possível observar a superfície interna dos poros com maior clareza através de duas micrografias de uma mesma região em ampliações diferentes. Além disso, nas membranas de PVA-SH não se observa a formação e descolamento de uma camada superior, o que provavelmente se deve à reticulação intra e intermolecular que ocorre em toda a extensão deste material, que reticula covalentemente as cadeias poliméricas, impedindo que haja esta separação.
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Figura 17. Micrografias das membranas de PVA-SH mostrando (A, B) a face de cima em duas regiões distintas na mesma ampliação, mostrando regiões fechadas sem poros e regiões abertas com aspectos de fios, (C, D) a face de baixo em duas regiões distintas na mesma ampliação, mostrando uma morfologia semelhante à da face de cima e (E - F) a seção transversal em quatro ampliações diferentes, mostrando poros alongados com eixos principais orientados horizontalmente de paredes não porosas e superfícies rugosas. A Figura 17F mostra um zoom de uma região da Figura 17E, e a Figura 17H mostra um zoom de uma região da Figura 17G. As dimensões indicadas na parte superior das imagens se referem às dimensões das barras de escala.
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A porosidade do material está relacionada com a quantidade de água que a membrana consegue absorver. A absorção de água e PBS (pH 7,4), ambos a 37°C, das membranas de PVA e PVA-SH foi acompanhada por cerca de 15 dias e as curvas de coeficiente de intumescimento versus tempo estão mostradas na Figura 18. Não foram observadas diferenças significativas na comparação entre o coeficiente e o tempo de intumescimento em água e PBS, tanto no caso das membranas de PVA, como no caso das membranas de PVA- SH. As diferenças observadas entre os dois materiais foram no tempo necessário para atingir o equilíbrio de intumescimento e na quantidade de água absorvida. A membrana de PVA alcançou o equilíbrio de intumescimento após 1 h, apresentando um ganho de massa de cerca de 450% em relação à sua massa seca, enquanto que para membrana de PVA-SH o equilíbrio se deu em aproximadamente 5 h, apresentando um ganho de massa de cerca de 650%. O menor tempo para alcance do equilíbrio da membrana de PVA pode ser atribuído ao seu interior completamente poroso, o que facilita a difusão de água para o interior da membrana. Na membrana de PVA-SH, as paredes não porosas retardam a difusão de água para o interior da membrana, levando ao maior tempo observado.
Ambos os materiais apresentam alto coeficiente de intumescimento devido às suas estruturas porosas e à hidrofilicidade do PVA, entretanto, a membrana de PVA-SH apresenta coeficiente de intumescimento maior que a membrana de PVA. Esta propriedade do PVA reticulado quimicamente já foi observada anteriormente na literatura57, e pode ser atribuída à diminuição da
reticulação física do PVA como consequência da reticulação química, que afasta as cadeias poliméricas a uma distância maior que a necessária para que haja interações de hidrogênio intermoleculares. As cadeias do polímero das regiões amorfas possuem maior mobilidade, o que permite maior expansão da
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rede polimérica, facilitando a absorção de água. Um alto coeficiente de intumescimento é uma propriedade interessante para um biomaterial em determinadas aplicações, como, por exemplo, no uso como curativos de lesões crônicas. Nestas lesões são produzidas quantidades excessivas de exsudato, que podem acarretar em complicações e prejudicar o processo de cicatrização. Exsudato é o líquido produzido em uma lesão e é um componente essencial em vários estágios do processo, pois mantém o ambiente úmido. Porém, quando em grande quantidade, o exsudato pode inibir a cicatrização, de modo que se faz necessário o uso de um curativo capaz de absorvê-lo e, ao mesmo tempo, preservar o ambiente úmido ideal para a cicatrização58.
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Figura 18. Coeficiente de intumescimento das membranas de PVA e PVA- SH em H2O e PBS a 37°C. A membrana de PVA atingiu o platô em 450%
após 1 h e a membrana de PVA-SH atingiu o platô em 650% após 5 h. Não houve diferença significativa no intumescimento das duas membranas variando-se o meio de H2O para PBS.
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O comportamento de degradação térmica das membranas foi examinado por análise termogravimétrica. Na Figura 19 estão apresentadas as curvas termogravimétricas, TG, (Figura 19A), e as curvas termogravimétricas derivadas, DrTG, (Figura 19B), das membranas de PVA e PVA-SH. Observa- se que a degradação do PVA se dá por meio de dois processos de degradação diferentes, o primeiro na faixa de 365 - 380°C e o segundo em aproximadamente 435 - 455°C. A primeira etapa da degradação do PVA é decorrente da reação de eliminação de água e formação de polienos conjugados e não conjugados, correspondentes ao primeiro pico da curva de DrTG. Conforme aumenta-se a temperatura, outro processo de degradação torna-se predominante e um segundo pico aparece na curva de DrTG. Os mecanismos propostos para este segundo processo de degradação são os de reações de cisões de cadeia, formando principalmente polienos de baixa massa molar, acetaldeído e acetona. É possível ainda a ocorrência de reações de ciclização intra e intermoleculares dos polienos de baixa massa molar, formando derivados benzenóicos e furano em pequenas quantidades. Para amostras de PVA com baixo grau de hidrólise podem ocorrer ainda reações de eliminação de grupos acetatos e formação de ácido acético59.
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Figura 19. (A) Curvas termogravimétricas (TG) e (B) Curvas termogravimétricas derivadas, DrTG, das membranas de PVA e PVA-SH. Observam-se dois processos de degradação diferentes em ambas as membranas que ocorrem na faixa de 365 - 380°C e 435 - 455°C
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A Figura 20 mostra os termogramas de DSC para as membranas de PVA e PVA-SH e para o PVA nativo na região de transição vítrea (Tg) e fusão
(Tf). É possível notar que a transição vítrea começa em temperaturas mais
baixas, em aproximadamente 70°C e 64°C na membrana de PVA e PVA nativo, respectivamente, e em aproximadamente 84°C na membrana de PVA- SH. Este aumento da Tg é uma evidência do efeito da esterificação com AMS,
uma vez que os pontos de reticulação restringem o movimento dos segmentos de cadeias poliméricas associados com a Tg60. Além da alteração da Tg,
observa-se que houve uma redução na temperatura e na entalpia de fusão da membrana de PVA-SH em relação a membrana de PVA puro e ao PVA nativo. Esta diminuição da temperatura de fusão pode ser explicada em termos de uma diminuição no tamanho dos cristais formandos na membrana de PVA- SH também como consequência da funcionalização com AMS. Já a diminuição da entalpia de fusão dos cristais está relacionada com a diminuição do grau de cristalinidade da membrana de PVA-SH em relação à membrana de PVA puro, como esperado devido à funcionalização com AMS e indicado também pelo aumento observado no coeficiente de intumescimento. As curvas de resfriamento estão apresentadas na Figura S-1 do material suplementar.
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Figura 20. Termogramas de DSC das membranas de PVA e PVA-SH e do PVA nativo. Gráfico de barras à direita mostra o grau de cristalinidade calculado das membranas de PVA e PVA-SH e do PVA nativo.
Tabela 1. Temperatura de transição vítrea (Tg), temperatura de fusão (Tf),
entalpia de fusão (H) e grau de cristalinidade (c) das membranas de PVA e
PVA-SH e PVA nativo.
Tg (°C) Tf (°C) H (J g–1) C (%)
PVA nativo 78 226 73 53
Membrana de PVA 83 232 89 64
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A Figura 21 mostra os difratogramas das membranas de PVA e PVA- SH e de PVAs nativos com graus de hidrólise de 80 e 99%. O PVA comercial em geral é atático. Propõem-se na literatura que o PVA cristaliza nas formas monoclínica e ortorrômbica. Entretanto, devido à aleatoriedade da orientação dos cristalitos não se pode distinguir entre uma célula e outra. A célula unitária monoclínica tem dimensões iguais a a = 7,82 Å, b = 2,52 Å e c = 5,60 Å, na qual, por convenção, o eixo b corresponde ao eixo da cadeia carbônica. Cada célula unitária contém duas unidades de cadeia, sendo o espaçamento entre as hidroxilas vicinais ao longo do eixo da cadeia carbônica igual a 2,52 Å. Esta periodicidade é uma evidência de que os átomos estão em uma configuração zigzag planar, cuja distância entre as hidroxilas ligadas aos carbonos na posição 1,3 é de 2,52 Å 61,62.
Figura 21. Difratogramas de Raios-X das membranas de PVA-SH e de PVA puro, e de amostras de PVA nativo com graus de hidrólise de 99 e 80%.
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Observa-se que o principal pico de difração da membrana de PVA-SH aparece deslocado de 2θ = 19,7° para 2θ = 21,9° em relação ao PVA puro. Para verificar se este deslocamento era devido à menor quantidade de grupos hidroxila disponíveis, o que também ocorre no PVA nativo com menor grau de hidrólise, fez-se uma análise de um PVA 80%. Comparando-se os difratogramas da membrana de PVA com os do PVA 80 e 99%, nota-se que não houve diferenças no padrão de difração destas amostras, o que permite concluir que a diferença observada na membrana de PVA-SH está relacionada à funcionalização do polímero com AMS.
Através da lei de Bragg (nλ = 2d senθ) calculou-se as distâncias entre os planos de difração correspondentes aos picos que aparecem nos difratogramas. A atribuição dos picos com seus respectivos índices de Müller57,61,62,63 e planos
correspondentes aparecem na Tabela 2. Os picos que aparecem em 2θ = 11,3° e 16° se referem às dimensões dos eixos a e c da célula unitária, respectivamente. O pico em 2θ = 32,5° corresponde à dimensão do eixo b da célula unitária. O pico em 2θ = 19,7°, que aparece deslocado na membrana de PVA-SH, pode ser atribuído à distância entre os planos dos grupos hidroxilas de cadeias adjacentes. A distância interplanar calculada para este pico na membrana de PVA é igual a 4,5 Å, enquanto que na membrana de PVA-SH esta distância foi reduzida para 4,05 Å. Relacionando-se este resultado com os resultados de grau de cristalinidade obtidos no DSC, pode-se inferir que a reticulação química com AMS leva à uma diminuição da cristalinidade do material, mas não à sua supressão. Entretanto, nas regiões onde a reticulação química não impossibilita a formação de cristalitos, os cristais formados apresentam uma menor distância interplanar entre-OH de cadeias adjacentes do que o a observada nos cristalitos do PVA puro. A razão para esta redução de distância interplanar não pôde ser interpretada até o momento.
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Tabela 2. Atribuição dos picos de difração do PVA observados nos difratogramas da Figura 21.
2θ (°) Índice de
Müller Distância (Å) Plano
11,3 100 7,82 Eixo a
16 001 5,50 Eixo c
19,7 / 20 101 4,52 Entre –OH de cadeias
adjacentes
21,9 101 4,05 Entre –OH de cadeias
adjacentes
22,9 200 3,85 -
28 201 3,20 -
32,5 002 2,74 Eixo b (entre –OH vicinais)
40,9 111 2,20 Entre metilenos vicinais
Após terem sido caracterizadas quanto à sua morfologia, propriedades térmicas, cristalográficas e de intumescimento, as membranas foram S- nitrosadas via reação com ácido nitroso (Eq. 4)64 e posteriormente submetidas à desnitrosação, conforme ilustrado no esquema da Figura 22.
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Figura 22. Representação das cadeias poliméricas do PVA-SH antes e depois da nitrosação do grupos sulfidrila com ácido nitroso e após a desnitrosação térmica ou fotoquímica, formando-se ligações de dissulfeto e liberando NO.
A ruptura da ligação S-NO pode ocorrer por diversas vias, tais como induzidas pelo calor, radiação, íons metálicos e agentes redutores54. Neste trabalho estudaram-se as cinéticas de liberação térmica e fotoquímica de NO a partir das membranas de PVA-SNO. A liberação térmica ocorre por um processo de duas etapas, que consistem na clivagem homolítica da ligação S- NO, formando NO. e radical tiíla (RS.), seguido pela formação de dissulfetos (RSSR) após dimerização de radicais RS.54 (Eq. 5-7).
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RSNO RSNO* (5) RSNO* RS. + .NO (6)
RS. + RS. RS-SR (7)
A liberação fotoquímica se dá devido a absorção de radiação pelos grupos S-NO presentes na molécula. S-nitrosotióis em geral absorvem na região de 330-350 nm, referente à transição π π*, e também na região de 550-600 nm referente à transição nN π*. Deste modo, a irradiação de S-
nitrosotióis com luz visível leva à promoção de elétrons de orbitais ligantes a orbitais antiligantes, causando o enfraquecimento e a consequente ruptura da ligação S-NO, formando NO. e RS.. Na ausência de oxigênio, este radical tiíla
pode reagir com outro grupo S-NO e formar dissulfeto e NO. 40,54. Assim, por
via fotoquímica, NO pode ser liberado não somente devido a clivagem homolítica, mas também devido a reação entre RS. e S-NO (Eq. 8).
RS. + RSNO RS-SR + .NO (8)
A Figura 23 mostra curvas cinéticas representativas de liberação térmica, na qual o frasco de reação foi protegido da luz durante todo tempo da liberação. As curvas da esquerda mostram o aumento brusco inicial do sinal de NO que se dá no início da reação, seguido por um decaimento exponencial. A área sob estas curvas representa a quantidade total de NO que chega ao detector. Integrando-se estas curvas e plotando área em função do tempo, tem- se curvas que representam a quantidade de NO que chegou ao detector em cada intervalo de tempo. Estas curvas estão apresentadas na coluna da direita da Figura 23.
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Figura 23. Curvas cinéticas representativas de liberação térmica. As curvas da esquerda mostram o aumento brusco inicial no sinal de NO que se dá no início da reação, seguido por um decaimento exponencial. As curvas da direita representam a quantidade total de NO que chega ao detector em função tempo.
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O mesmo se fez para os dados de liberação fotoquímica. A Figura 24 mostra curvas cinéticas representativas de liberação fotoquímica, na qual o frasco de reação foi irradiado com luz visível continuamente durante todo tempo da liberação. Observa-se que o sinal cai a zero (momento em que a quantidade de NO atinge um platô nas curvas da direita, ou seja, todo NO já foi liberado da amostra) mais rapidamente para a amostra que foi irradiada, indicando que a liberação fotoquímica se dá a uma velocidade maior que a liberação térmica.
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Figura 24. Curvas cinéticas representativas durante a liberação fotoquímica. As curvas da esquerda mostram o aumento brusco inicial no sinal de NO que se dá no início da reação, seguido por um decaimento exponencial. As curvas da direita representam a quantidade total de NO que chega ao detector em função tempo.
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Para observar o aumento instantâneo da taxa de liberação de NO com a irradiação de luz visível, fez-se um experimento em que uma amostra de PVA-SNO foi submetida a pulsos de luz (Figura 25). Durante a liberação térmica ligou-se (indicado pelas setas “ON”) e desligou-se (indicado pelas setas “OFF”) a lâmpada em diferentes intervalos de tempo. Vê-se claramente