Tipos de Hidrogéis Sensíveis ao pH

Os hidrogéis sensíveis ao pH são produzidos com base em polímeros que possuem grupos iónicos livres. A presença destes grupos, que em solução aquosa estão ionizados, origina forças de repulsão eletrostática, induzindo alterações na rede do polímero (expansão do polímero). São exemplos de polímeros iónicos sensíveis ao pH as poliacrilamidas, o poli (ácido acrílico), o poli (ácido metacrílico), polidietilaminoetilmetacrilato e o polidimetilaminoetilmetacrilato. O inchamento induzido pelo pH é observado também em polímeros naturais, tais como, albuninas, gelatinas e quitosano. O quitosano, foi usado na libertação dos antibióticos amoxixilina e metronidasol, atuando como um transportador de fármacos sensível às alterações de pH. Devido à presença de grupos amino que estão protonados em ambiente ácido, em fluido gástrico (pH=1.2) a razão de inchamento é muito maior que em fluido intestinal (pH=7.5/8). Este facto, conduziu a uma libertação mais rápida do antibiótico em fluido gástrico, devido à elevada porosidade da matriz do hidrogel. Desta forma, hidrogéis com esta capacidade de inchamento e consequente libertação do fármaco podem ser utilizados no tratamento de doenças gástricas aquando da administração local de antibióticos [5].

2.2.1.1. Hidrogéis Iónicos

Hidrogéis iónicos, conhecidos como polieletrólitos, são preparados a partir de monómeros com cargas iónicas. As cargas podem ser positivas ou negativas, permitindo classificar os hidrogéis em catiónicos ou aniónicos respetivamente. Por outro lado, uma combinação de cargas positivas e negativas remete-nos para macromoléculas anfotéricas [12-15]. A teoria dos fenómenos de transição de fase de polieletrólitos foi desenvolvida por Dusek e Patterson [16]. As potencialidades da resposta a estímulos são aumentadas devido à inclusão de espécies carregadas na espinha dorsal do polímero, podendo estas ser controladas, dependendo da natureza dos grupos pendentes, alargando assim a diversidade de aplicações dos hidrogéis [13-18].

2.2.1.1.1. Hidrogéis Aniónicos

Redes de hidrogéis aniónicos são geralmente referidas como homopolímeros de ácidos carregados negativamente, monómeros aniónicos ou copolímeros de monómeros aniónicos e neutros. No entanto, hidrogéis aniónicos podem também ser preparados a partir de modificações de hidrogéis não iónicos já existentes [12]. Os polímeros aniónicos vulgarmente utilizados na composição de hidrogéis aniónicos (redes tridimensionais desses polímeros) são apresentados na Figura 1.

Figura 1: Exemplos de estruturas químicas de base de hidrogéis aniónicos (representam-se aqui apenas

os análogos lineares).

Os hidrogéis aniónicos são conhecidos pela sua capacidade de apresentar uma elevada razão de inchamento com o aumento do pH do meio envolvente [17,18].

Vários investigadores têm estudado os comportamentos de inchamento dinâmico de hidrogéis aniónicos sensíveis ao pH. Geralmente, estes contêm grupos carboxílicos. Exemplos típicos de tais polímeros incluem AA e MAA. A presença de um segmento

carboxílico faz com que copolímeros de PAA, PMAA com PEG, PVA e poli (metacrilato de hidroxietileno) também apresentem sensibilidade ao pH.

Figura 2: Representação esquemática do comportamento esperado para um hidrogel aniónico em meio

ácido (contração da rede de polímero).

Figura 3: Representação esquemática do comportamento esperado para um hidrogel aniónico em meio

alcalino (inchamento da rede de polímero).

Figura 4: Esquema ilustrativo do comportamento esperado para um hidrogel aniónico sensível ao pH, no

estômago (meio ácido) e no intestino (meio alcalino) [adaptado de 19].

Nas figuras 2 a 4 são ilustrados os comportamentos esperados para hidrogéis aniónicos em função do pH do meio circundante.

2.2.1.1.2. Hidrogéis Catiónicos

Homopolímeros básicos carregados positivamente, monómeros catiónicos ou copolímeros de monómeros catiónicos e naturais são geralmente referidos como redes de hidrogéis catiónicos. Redes de polímero catiónico podem derivar de modificações, tais como, hidrólise parcial de redes de polímero não iónicas já existentes. Também é possível sintetizar hidrogéis catiónicos através de reação de complexação de polieletrólitos, por adição de excesso de policatiões [12].

Redes de polímeros com grupos pendentes catiónicos funcionam contrariamente a redes de polímeros com grupos pendentes aniónicos, uma vez que permanecem colapsados em meio básico e inchados em meio ácido devido à repulsão eletrostática entre os grupos carregados positivamente [17, 18].

Figura 5: Representação esquemática do comportamento esperado para um hidrogel catiónico em meio

alcalino (contração da rede de polímero).

Figura 6: Representação esquemática do comportamento esperado para um hidrogel catiónico em meio

ácido (inchamento da rede de polímero).

Nas Figuras 5 a 8 são apresentadas ilustrações relativas ao comportamento esperado de hidrogéis catiónicos colocados em soluções aquosas com diferentes valores de pH.

Figura 7: Exemplos de estruturas químicas de base de hidrogéis catiónicos (representam-se aqui apenas

os análogos lineares). a) PDMAEMA. b) PVPI.

Figura 8: Esquema comparativo do comportamento de hidrogéis aniónicos e catiónicos em soluções

aquosas ácidas e alcalinas [20].

2.2.1.1.3. Hidrogéis Anfotéricos

Redes de hidrogéis anfotéricos são macromoléculas que possuem tanto cargas positivas como negativas em toda a sua rede de polímero [13,21,22] (ver também exemplo na Figura 9). A presença de espécies iónicas ao longo da cadeia polimérica tem efeitos distintos nas propriedades dos hidrogéis anfotéricos se em solução ou no estado sólido [21].

Figura 9: Estrutura química do polímero anfotérico resultante da copolimerização de MAA com

Estes hidrogéis têm um vasto leque de aplicações biomédicas incluindo sistemas de libertação de fármacos [13-15, 23-25].

2.2.1.2. Hidrogéis Não Iónicos

Hidrogéis não iónicos, frequentemente chamados de hidrogéis neutros, são redes de homopolímeros ou copolímeros, desprovidos de quaisquer cargas na sua estrutura (ver exemplos nas Figuras 10 e 11). Estes hidrogéis podem resultar de várias técnicas de polimerização ou por conversão de polímeros já existentes.

O colapso ou inchamento de redes de um hidrogel neutro está intimamente ligado à temperatura do meio envolvente [26].

Figura 10:Estrutura química do polímero não iónico (neutro) resultante da polimerização de NVP.

Figura 11: Estrutura química do polímero não iónico (neutro) resultante da polimerização de VCL.