undergo surface erosion or bulk erosion

(1)

Why degradable polymers

undergo surface erosion

g

f

or bulk erosion

Ana Carapeto, Ângela Chan, Tânia Vaz

Biomateriais II

MEBM – 5ºAno 1ºSemestre

MEBM 5ºAno 1ºSemestre

Instituto Superior Técnico

Outubro 2008

Objectivo

• Desenvolver uma base de entendimento acerca da

erosão de PLA (ácido poli‐láctico) e PLGA (ácido poli‐

láctico‐glicólico), que servem de modelo para os

polímeros em geral

polímeros em geral.

• Depois de esclarecidos estes mecanismos, os

lí

d ã

d

i

fi iê i

(2)

Introdução

• 1ºs poli‐ésteres sintéticos biodegradáveis aplicados à medicina ‐ ácido glicólico.

• Polímeros:

o poli‐anidridos;

o poli‐hidroxiésteres (α,β); o poli‐ortoésteres.

• Aplicações médicas e farmacêuticas:

o sistemas de libertação controlada de fármacos;ç

o materiais de suporte usados em engenharia de tecidos; o parafusos em cirurgias ortopédicas;

o outros.

Introdução

• Mecanismos de erosão dos polímeros:

o erosão superficial o erosão em massa

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Introdução

• Erosão superficial:

o Velocidade de erosão constante durante todo o processo e a penetração no

interior do material é fraca.

• Erosão em massa:

o Velocidade de erosão não é constante, existe penetração no interior do material

e a degradação produz‐se em todo o volume, simultaneamente.

o e.g. ácido poli‐láctico (PLA) e ácido poli‐láctico‐glicólico (PLGA).

Introdução

• Processo de degradação:

o Processo irreversível de alteração da estrutura do material

‐ perda de propriedades físico‐químicas (massa molar, composição química, micro‐estrutura, resistência mecânica);

‐ perda de integridade (fragmentação).

• Parâmetros que afectam a velocidade de degradação:

o Composição dos copolímeros;

o Autocatálise devido ao meio envolvente em pH ácido (produtos de degradação)

dentro da matriz;

(4)

Introdução

Ainda não é possível prever como o processo de erosão é alterado quando a taxa de degradação varia...

Desenvolvimento de um modelo teoricamente simples que permitisse predizer se p q p p uma matriz polimérica sofre erosão superficial ou em massa.

Estudos de erosão para investigar experimentalmente o impacto das condições de degradação nos mecanismos de erosão.g ç

Introdução

• Polímeros modelo: PLA e PLGA(biocompatibilidade e vasta bibliografia)

• Estudos de erosão:

o Matrizes ‐ 12,5 mm de diâmetro e 1,4 mm de altura.

o Alteração sistemática do pH do meio de erosão ‐ variar a taxa de degradação dos

poli(α‐hidroxiésteres).

• Monitorização da degradação e erosão:

o Perda de massa;

o Inchamento do polímero;

o Alterações no peso molecular e morfologia do polímero;

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Materiais

• PLGA com pesos moleculares de: 8,000 (PLA25GA508h), 14,000 (PLA25GA5014),

47,000 (PLA25GA5047h).

• PLA com pesos moleculares de: 2000 (PLA502), 11,000 (PLA5011h), 17,000

(PLA5017).

• Simbologia:

o acrónimos ‐ razões molares das unidades do ácido láctico (D‐ a L‐) e ácido

glicólico; g

o pesos moleculares;

o estado do terminal COOH (com “h” sem terminações; sem o “h” com

terminações de ácido láctico etil‐éster). ç )

Métodos

1. Produção de matrizes de polímeros

2 Erosão de matrizes de polímeros

2. Erosão de matrizes de polímeros

3. Determinação do peso molecular mediante cromatografia por

permeação em gel (GPC – gel permeation chromatography)

4 Microscopia electrónica de varrimento (SEM scanning electron

4. Microscopia electrónica de varrimento (SEM ‐ scanning electron

(6)

Resultados

O

d l d

ã d

iti

O modelo de erosão deve permitir:

f

í

f

(7)

Erosão em massa:

• Se a difusão da água no polímero for mais rápida do que a

degradação das ligações do polímero.

g

ç

g ç

p

Erosão superficial:

• Se a degradação das ligações do polímero for mais rápida do

que a difusão da água. Os processos de degradação são só na

matriz superficial.

Estratégia:

Encontrar uma forma de medir a velocidade dos processos de:

• Difusão da água na matriz do polímero

(8)

Difusão da água

Onde:

• <x> ‐ distância média percorrida pela água

p

g

• D

_eff

‐ coeficiente de difusão efectiva da água no interior do

polímero

Velocidade de degradação:

Onde:

• λ ‐ constante que se relaciona com as diferenças de reactividade

dos grupos funcionais dos polímeros

édi d

l

• ‐ média do peso molecular

• N ‐ número de monómeros por cadeia

(9)

Número de erosão

• λ>>1: reacção entre a água e o polímero mais rápida do que a

difusão da água => erosão de superfície.

• λ<<1: difusão da água mais rápida do que o processo de erosão

=> erosão em massa.

• λ=1:o mecanismo de erosão não é previsível.

Dependência do número de erosão

Dependência do número de erosão em função da difusão da água no interior do polímero das dimensões da matriz polimérica

(10)

Dimensão crítica (L crítico)

• Determina‐se substituindo L por <x> na equação do número de

erosão e assumindo ε=1.

erosão e assumindo ε 1.

• Dimensão para para a qual um polímero habitualmente erodido

fí

em superfície passa a ser erodido em massa e vive‐versa.

• Característica individual de um polímero

Característica individual de um polímero.

Desenvolvimento do modelo:

• Objectivo: Provar que todos os polímeros se podem degradar

de ambas as formas.

• Usam‐se 2 parâmetros para mudar o mecanismo de erosão:

λ/

o

Quociente λ/D

_eff

o

Dimensão L da matriz

(11)

Degradação e erosão a pH 7 4

Degradação e erosão a pH 7.4

oPLA₅₀11h □ PLA5017 PL25GA508h y PL25GA5014 PL25GA5047h

¾ Composição do Copolímero • Após um período sem erosão, as matrizes começam a erodir num instante de tempo definido Comportamento semelhante para as diferentes matrizes_{¾ Composição do Copolímero} ¾ Peso molecular ¾ Grupos terminais definido p • No geral, polímeros PLGA sofrem erosão mais depressa que polímeros PLA Instante de tempo a que a erosão se inicia é ligeiramente diferente

Processos identificados que alteram o perfil geral da erosão

q

p

g

• Absorção de água pelos polímeros

• Crescente quantidade de grupos terminais de ácido

Autocatálise

• Crescente quantidade de grupos terminais de ácido

carboxílico são criados devido à degradação do polímero

Fenómeno de

oPLA₅₀11h □ PLA5017 PL25GA508h y PL25GA5014 PL25GA5047h

• Após um nível crítico de degradação ser alcançado,

os polímeros formam uma rede de poros que permite a libertação de monómeros e oligómeros

(12)

Degradação e erosão a pH 2

oPLA₅₀11h □ PLA5017 PLA502 PL25GA508h y PL25GA5014 PL25GA5047h

•Atraso no início da erosão permanece

A degradação a pH neutro já comportou catálise ácida sob •Erosão não foi acelerada p o impacto de autocatálise

d ã

ã

Degradação e erosão a pH 2

PL GA 8h y PL GA 14 PL GA 47h oPLA 11h □ PLA 17 PLA 2 PL₂₅GA₅₀8h y PL₂₅GA₅₀14 PL₂₅GA₅₀47h

Peso molhado máximo das matrizes coincide com o início da erosão, momento em que a matriz contêm a quantidade máxima de produtos de degradação

oPLA₅₀11h □ PLA5017 PLA502

q q p g ç

(13)

Degradação e erosão a pH>13

□ PL5017 y PL25GA5014 PL25GA5047h •Perda de massa sem qualquer atraso logo no início da experiência de erosão •Polímeros demonstram perfis de erosão lineares: típico de polímeros de p p p erosão superficial •Erosão completa após algumas horas

D

d ã

ã

H 13

Degradação e erosão a pH>13

Tempo necessário para perda de 50% de massa numa erosão a pH 2 (barras brancas) e pH>13 (barras pretas)

•Grande diferença na duração da erosão

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d ã

ã

Degradação e erosão a pH>13

□ PL5017 y PL25GA5014 PL25GA5047h

•Matrizes não adquirem significativas quantidades de água

•As pequenas diferenças entre o peso molhado e seco podem ser devidas

•As pequenas diferenças entre o peso molhado e seco podem ser devidas à água que aderiu ou foi adsorvida à superfície