AVALIAÇÃO DA INFLUÊNCIA DO MÉTODO DE SECAGEM NAS PROPRIEDADES DE PARTÍCULAS POLIMÉRICAS DE POLI(ÁCIDO LÁTICO)

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AVALIAÇÃO DA INFLUÊNCIA DO MÉTODO DE SECAGEM NAS PROPRIEDADES

DE PARTÍCULAS POLIMÉRICAS DE POLI(ÁCIDO LÁTICO)

EVALUATION OF THE INFLUENCE OF DRYING METHOD OF POLY(LACTIC ACID) POLYMERIC PARTICULES PROPERTIES

Flora Ferreira Duarte de Oliveira* Mestre em Ciência e Tecnologia de Polímeros pela Universidade Federal do Rio de Janeiro, UFRJ. Instituto de Macromoléculas Profa. Eloisa Mano, IMA/UFRJ, Centro de Tecnologia, Bloco J, Ilha do Fundão, CP 68525, CEP: 21945-970, Rio de Janeiro, RJ, Brasil. E-mail: florafdoliveira@gmail.com Mariana Sato de S. B. Monteiro Professora Adjunta da Faculdade de Farmácia, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, RJ, Brasil. E-mail: marianasato@pharma.ufrj.br Lívia Rodrigues de Menezes Doutora em Ciência e Tecnologia de Polímeros pela Universidade Federal do Rio de Janeiro, UFRJ. Instituto de Macromoléculas Profa. Eloisa Mano, IMA/UFRJ, Centro de Tecnologia, Bloco J, Ilha do Fundão, CP 68525, CEP: 21945-970, Rio de Janeiro, RJ, Brasil. E-mail: liviarmenezes@hotmail.com

Isabel de Feitas Graduanda do Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais, Universidade Federal do Rio de Janeiro, UFRJ, Rio de Janeiro, RJ, Brasil. E-mail: isabeldefreitas@poli.ufrj.br Maria Inês Bruno Tavares Doutora em Ciência e Tecnologia de Polímeros pela Universidade Federal do Rio de Janeiro, UFRJ. Instituto de Macromoléculas Profa. Eloisa Mano, IMA/UFRJ, Centro de Tecnologia, Bloco J, Ilha do Fundão, CP 68525, CEP: 21945-970, Rio de Janeiro, RJ, Brasil. E-mail: mibt@ima.ufrj.br

*Autor para correspondência

RESUMO

As partículas poliméricas são estruturas complexas, que podem ser produzidas a partir de diversos tipos de polímeros, e as suas propriedades físico-químicas podem ser modificadas a fim de alterar o perfil de liberação de ativos. Neste estudo foram obtidas partículas poliméricas de poli(ácido lático) (PLA), pela técnica de emulsão/difusão, com a utilização de poloxamer (PF68) como tensoativo do sistema. Depois de preparadas as partículas, a suspensão resultante foi seca por dois métodos: Spray Dryer ou secagem por aspersão e

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SEMIOSES: Inovação, Desenvolvimento e Sustentabilidade | Rio de Janeiro | ISSN 1981-996X | v. 13. | n. 3. | jul./set. 2019 2 Liofilização, e caracterizados por Espalhamento Dinâmico de Luz (DLS) Análise Termogravimétrica (TGA), Calorimetria Diferencial de Varredura (DSC). No TGA, observou-se dois eventos de degradação, os quais podem ser relacionados aos componentes da formulação (PLA e PF68). Quando as amostras foram analisadas por DLS, a amostra seca por spray dryer teve menor tamanho de partícula do que a amostra liofilizada. Na análise de TGA, ambas as amostras mostraram que a temperatura de degradação inicial foi menor do que as dos polímeros puros (PLA e PF68) e esse resultado está correlacionado com o tamanho da partícula. A amostra liofilizada apresentou a maior temperatura (Tonset), devido a um colapso

das partículas oriundo da falta de crioprotetor. Por meio da técnica de calorimetria diferencial de varredura (DSC) tem-se que, a amostra obtida por spray dryer possui 2 populações de cristais, que são apresentados por um pico alargado, em temperaturas mais baixas, resultante de cristais menores ou mais imperfeitos e um pico de cristais mais perfeitos ou maiores, em temperaturas mais elevadas. Já a amostra liofilizada há apenas uma população de cristais. O grau de cristalinidade das partículas obtidas por liofilização e por spray dryer foi de 28% e 61%, respectivamente. Dessa forma, as partículas desenvolvidas por spray dryer apresentaram uma maior organização. A utilização de diferentes técnicas de secagem de partículas representa uma estratégia para produzir sistemas poliméricos com diferentes características.

Palavras-chave: Polímeros. Partículas Poliméricas. Técnicas de Secagem.

ABSTRACT

Polymeric particles are complex structures that can be produced from various types of polymers, and their physicochemical properties can be modified to alter the release profile of assets. In this study polymeric particles of poly (lactic acid) (PLA) were obtained by emulsion / diffusion technique, using poloxamer (PF68) as surfactant system. After the particles were prepared, the resulting suspension was dried by two methods: Spray Drying and Lyophilization and characterized by Dynamic Light Scattering (DLS) Thermogravimetric Analysis (TGA), Differential Scanning Calorimetry (DSC). In TGA, two degradation events were observed, which may be related to the formulation components (PLA and PF 68). When the samples were analyzed by DLS, the spray-dried sample had a smaller particle size than the lyophilized sample. In TGA analysis, both samples showed that the initial degradation temperature was lower than pure polymers (PLA and PF68) and this result correlates with particle size. The lyophilized sample presented the highest temperature (Tonset), due to a particle collapse due to lack of cryoprotectant. The differential scanning calorimetry (DSC) technique shows that the sample obtained by spray dryer has 2 crystal populations, which are presented by an extended peak at lower temperatures, resulting from smaller or more imperfect crystals. a peak of more perfect or larger crystals at higher temperatures. Already the lyophilized sample there is only a population of crystals. The crystallinity degree of the particles obtained by lyophilization and spray dryer was 28% and 61%, respectively. Thus, the particles developed by spray dryer presented a greater organization. The use of different particle drying techniques represents a strategy for producing polymeric systems with different characteristics.

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As partículas poliméricas vêm recebendo atenção diferenciada devido a sua versatilidade. Esses sistemas são estruturas complexas, produzidas a partir de diversos tipos de polímeros ou copolímeros, por ligações cruzadas ou revestimento superficial. As suas propriedades físico-químicas podem ser modificadas, aumentando sua estabilidade, alterando a cristalinidade polimérica, e alterando o perfil de liberação de ativos encapsulados, modulando a cinética de liberação na área farmacêutica (PAPAKOSTAS; RANCAN, 2011).

Os polímeros biodegradáveis são muito utilizados no desenvolvimento das partículas poliméricas, principalmente por conta da preocupação com a citotoxicidade e acúmulo desses sistemas no organismo e no meio ambiente. Neste contexto, destaca-se o poli(ácido lático) (PLA) que é muito utilizado para aplicações biomédicas, devido a sua biocompatibilidade e capacidade de biodegradação in vivo, gerando como resíduo o ácido lático, substância intermediária no ciclo metabólico natural dos carboidratos no organismo humano (PAPAKOSTAS; RANCAN, 2011; ELSABAHY; L. WOOLEY, 2012).

Existem vários métodos de preparação de partículas poliméricas, como por exemplo, o método de polimerização, emulsificação-evaporação, deslocamento do solvente,

salting-out, e difusão do solvente. A produção de partículas a partir da polimerização de monômeros,

com a utilização de polímeros pré-formados, é vantajosa, uma vez que, os parâmetros são fáceis de controlar e costuma ter maior rendimento (SOUTO et al., 2012).

Já as técnicas de emulsificação-evaporação, deslocamento do solvente, salting-out, e difusão do solvente seguem um padrão de desenvolvimento parecido, porém cada uma apresenta suas particularidades. Contudo, o desenvolvimento das partículas, por essas metodologias, pode ser dividido em duas etapas: a primeira consiste na preparação de um sistema emulsionado, onde as gotículas da fase interna são os precursores para a formação

das partículas, e a segunda etapa consiste na evaporação do solvente das gotículas, e a

precipitação do polímero, que estava dissolvido, ocasionando a formação das partículas em suspensão (ANTON et al., 2008; VAUTHIER; BOUCHEMAL, 2009; GIRAUD et al., 2013).

Todavia, um dos maiores desafios do uso das partículas em suspensão é a sua instabilidade física ou química, por exemplo: a agregação e fusão de partículas, hidrólise dos seus componentes, vazamento dos ativos encapsulados, os quais são possíveis de ocorrer no sistema aquoso, quando armazenado por tempo prolongado (ABDELWAHED et al., 2006). Por

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SEMIOSES: Inovação, Desenvolvimento e Sustentabilidade | Rio de Janeiro | ISSN 1981-996X | v. 13. | n. 3. | jul./set. 2019 4 isso, é interessante que as partículas sejam secas e se apresentem na forma de sólida, para garantir uma maior estabilidade, por maior tempo (SCHAFFAZICK et al., 2003). Para a obtenção das partículas na forma de pó é necessário que elas passem por uma etapa de secagem.

Nesse estudo, os métodos escolhidos para a secagem das partículas foram: Spray Dryer (ou secagem por aspersão) e a liofilização. Com o intuito de avaliar, como o método de secagem, pode influenciar nas propriedades e características das partículas poliméricas desenvolvidas, pelo método de emulsificação-evaporação.

A liofilização é uma técnica, na qual remove-se a água da amostra congelada, por sublimação e desorção, sob vácuo (ABDELWAHED et al., 2006). Durante o congelamento, a porção líquida da suspensão é resfriada, e cristais de água vão se formando. À medida que o processo continua mais água vai sendo congelada, causando um aumento de concentração do líquido restante, acarretando um aumento de viscosidade, que inibe a cristalização da água remanescente. Essa porção viscosa se solidifica, formando uma fase amorfa e/ou cristalina (ABDELWAHED et al., 2006).

A alta concentração de partículas pode induzir agregação, e em alguns casos, a fusão irreversível de partículas. Além disso, o congelamento também pode gerar um stress mecânico das partículas, desestabilizando o sistema (ABDELWAHED et al., 2006). Dessa forma, o processo de liofilização pode gerar diferentes tipos de estresse no material, durante as etapas de congelamento e secagem, sendo necessária a utilização do agente crioprotetor. Os agentes crioprotetores são capazes de proteger, estabilizar, e impedir a agregação das partículas durante o processo de congelamento e liofilização. Os crioprotetores: podem formar uma camada ao redor das partículas, através de ligações hidrogênio, causando sua imobilização, impedindo a sua agregação; e protegendo as partículas durante o processo de liofilização (SCHAFFAZICK et al., 2003; ABDELWAHED et al., 2006; WANG et al., 2013; FONTE et al., 2016).

Apesar dos agentes crioprotetores apresentarem inúmeras vantagens, também deve-se citar as suas desvantagens. A formulação com crioprotetores possuem um maior valor agregado, pois essas substâncias possuem um custo maior. Além disso, podem aumentar o tamanho da partícula, uma vez que, podem criar uma camada adicional ao redor da partícula polimérica (TAVARES, 2016).

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SEMIOSES: Inovação, Desenvolvimento e Sustentabilidade | Rio de Janeiro | ISSN 1981-996X | v. 13. | n. 3. | jul./set. 2019 5 A técnica de secagem por aspersão ou spray dryer consiste na transformação de amostras no estado fluido em sólido, pela sua aspersão em um meio quente de secagem. Essa técnica possui como vantagens: (i) é um método contínuo, adaptável para o controle completamente automatizado e, portanto, reprodutível; (ii) pode ser usado tanto para produtos resistentes quanto sensíveis ao calor; (iii) não necessitar da utilização de crioprotetores. Entretanto, também existem suas limitações, que inclui a dificuldade de se criar partículas com estruturas complexas (PATEL et al., 2009).

Baseado no que foi exposto, o objetivo desse estudo foi comparar a influência dos dois métodos de secagem utilizados, nas características das partículas desenvolvidas, por emulsão-difusão. Para tal, as partículas secas foram caracterizadas por espalhamento dinâmico de luz (DLS), análise termogravimétrica (TGA) e calorimetria diferencial de varredura (DSC).

2 METODOLOGIA

2.1 Obtenção das partículas:

Nesse estudo, partículas de PLA foram obtidas pelo método emulsão-difusão. Para tal, primeiramente, foram preparadas as fases componentes da emulsão: (i) a fase aquosa foi preparada com água destilada, e poloxamer (PF-68 - Pluronic®), como tensoativo; (ii) a fase orgânica, foi composta pela mistura de diclorometano/etanol, na proporção de 4:1, na qual foi solubilizado o PLA na concentração de 15 mg/mL.

A fase orgânica foi vertida na fase aquosa, sob agitação de 11.000 rpm em Ultra Turrax®_(IKA® _{T-18 basic), e a emulsão resultante foi submetida ao ultrassom de ponteira}

(Ultronique, Eco-sonics DESRUPTOR, 500W), com amplitude de 60%, por 3 minutos. Em seguida, adicionou-se quatro vezes a quantidade inicial de fase aquosa, para a fase de difusão e evaporação do solvente. Após 24h, as amostras foram centrifugadas, ressuspensas em água destilada, e secas por dois métodos distintos: Spray Dryer e Liofilização.

No processo de secagem por aspersão, ou Spray Dryer, foram utilizados como parâmetros de secagem: temperatura de 130 °C, fluxo de 0,2 mL/min e bico aspersor de 0,7 mm. No processo de liofilização, iniciou-se o congelamento da solução em ultra freezer, com temperatura variando de -68o_{C a -72°C, durante 1 hora. Posteriormente, as soluções foram}

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O diâmetro hidrodinâmico médio das partículas e o índice de polidispersão relacionado com a distribuição do tamanho foram determinados por espalhamento dinâmico de luz, utilizando o equipamento Nicomp Z3000. Foram analisadas secas por spray dryer e liofolização. A redispersão foi feita em água destilada e todas as amostras foram analisadas em uma temperatura de 25°C.

2.3 Análise Termogravimétrica (TGA):

A análise termogravimétrica foi utilizada para analisar o perfil de degradação do PLA, das partículas de PLA e das partículas de PLA e vitamina E. As medidas de TGA foram obtidas com a utilização de um equipamento Analisador Termogravimétrico TGA Q-500 da marca TA Instruments, no intervalo de aquecimento de 40 a 700°C, com taxa de aquecimento de 10°C/min.

2.4 Calorimetria Diferencial de Varredura (DSC):

As amostras de PLA, do PF-68, das partículas de PLA e PLA/vitamina E foram analisadas sob o fluxo de N2 de 50 ml/min, com a taxa de aquecimento de 10ºC/min e na faixa de -80ºC

até 250ºC.

Os valores das entalpias e das temperaturas de fusão e cristalização (∆Hf e ∆Hc, Tm e Tc) foram obtidos por DSC e utilizados no cálculo do grau de cristalinidade de cada material (Xc). O Xc foi calculado segundo a equação abaixo:

X_c% = Hf

Hf100%∙ 100

O ∆Hf é a entalpia de fusão da amostra e ∆Hf100% é a entalpia de fusão do PLA

hipoteticamente 100% cristalino. Para calcular a cristalinidade dos materiais, o calor de fusão do polímero 100% cristalino foi extraído da literatura (93J/g) (PEREIRA; MORALES, 2014).

3 RESULTADOS E DISCUSSÃO

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SEMIOSES: Inovação, Desenvolvimento e Sustentabilidade | Rio de Janeiro | ISSN 1981-996X | v. 13. | n. 3. | jul./set. 2019 7 Na análise por DLS, como mostra a Figura 1, pode-se determinar que o tamanho médio das partículas secas por liofilização foi de 5118 nm. Enquanto, as partículas secas por spray dryer apresentaram tamanho médio de 3640 nm. Dessa forma, a técnica de liofilização causou um aumento no tamanho médio das partículas.

Figura 1 - Tamanho médio das partículas desenvolvidas por liofilização e spray dryer

Fonte: Elaborada pelos autores.

O aumento do tamanho das partículas secas, por liofilização, pode ser justificado pela ausência do crioprotetor. Isto pode ter ocasionado um estresse nas partículas em suspensão, tanto na fase do congelamento, quanto na fase da retirada da água da amostra, culminando na agregação e aumentando seu tamanho médio das partículas. Outro fato importante, é a existência de trabalhos que relatam que nanopartículas contendo PF-68, como agente tensoativo, são mais suscetíveis a colapsar durante a liofilização, causando agregação das partículas, e apresentando maior tamanho médio (ABDELWAHED et al., 2006).

Já as partículas secas por spray dryer apresentaram um tamanho médio inferior ao das partículas liofilizadas. Isso pode ser explicado, pelo processo de atomização, no qual as partículas passam pelo estreito bico aspersor, reduzindo seu tamanho ao serem aspergidas, na câmara de secagem do equipamento. Além disso, não precisam passar pelo estresse de congelamento prévio. É importante ressaltar que a amostra obtida por spray dryer apresentou uma menor polidispersão, ou seja, a amostra possui uma população de partícula mais homogênea, indicando sistemas mais estáveis.

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Nos gráficos de TGA, mostrados na Figura 2, foi visualizado que ambas as amostras possuem dois eventos de degradação: (i) a primeira perda de massa, mais substancial; (ii) uma perda de massa menos acentuada. Esses dois eventos podem ser relacionados com a composição das amostras, nas quais estão presentes PLA e PF-68, por isso, a primeira perda de massa pode ser correlacionada com o PLA, e a segunda perda de massa pode ser correlacionada com o PF-68, pela similaridade das temperaturas de degradação.

Figura 2 - Análise termogravimétrica da amostra liofilizada e aspergida por spray dryer

Legenda: A: termograma da perda de massa; B: derivada da perda de massa Fonte: Elaborada pelos autores.

Na tabela 1 é possível avaliar dois parâmetros: a Tonset (temperatura em que se inicia o

processo de degradação) e a Tpeak (temperatura na qual a maioria das cadeias do sistema estão

degradando).

Quando se compara a Tpeak das partículas formadas com a dos polímeros puros,

observa-se que nestas ocorrem dois eventos de perda. Isso ocorre possivelmente por conta de uma reorganização estrutural das cadeias poliméricas, que pode ter sido modificada quando os polímeros se apresentaram no formato de partículas, já que as temperaturas deste parâmetro não possuem valores aproximados às dos polímeros puros.

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MATERIAL TONSET (°C) TPEAK (°C)

PLA 330 374

PF-68 355 395

PARTÍCULA LIOFILIZADA 279 328

387

PARTÍCULA SPRAY DRYER 253 280

378

No caso da Tonset, vê-se que o PLA puro começa a degradar em 330oC, o PF-68 em 355°C,

das partículas liofilizada em 279o_{C, e das partículas secas por spray dryer em 253}o_{C. Portanto,}

há uma diminuição nesse parâmetro térmico quando se compara os polímeros puros com as amostras em forma de partícula. Isso pode ser explicado pelo PLA e o PF-68 estar na forma de pellet, e as amostras na forma de pós finos. Com isso, as amostras apresentam maior área superficial, favorecendo uma melhor difusão do calor, durante a análise, tornando os sistemas mais vulneráveis a degradação.

Além disso, a amostra seca por Spray Dryer apresentou uma menor temperatura de degradação inicial, que a amostra seca por liofilização. Essa redução da resistência térmica pode ser um reflexo da redução do tamanho de partícula, o qual foi observado na análise de DLS. Como mencionado anteriormente, as partículas desenvolvidas com PF-68 tendem a colapsar durante a liofilização, causando sua agregação e apresentando maior tamanho médio (ABDELWAHED et al., 2006). Com o maior tamanho das partículas há uma redução da área superficial dos sistemas, com o calor aplicado durante a análise de TGA, gerando uma maior temperatura de degradação inicial.

3.3 Calorimetria diferencial de varredura (DSC):

Quando se compara o DSC dos polímeros puros com os das amostras obtidas (Figura 3), é possível constatar que os sistemas particulados possuem ambos os polímeros em sua estrutura, já que os picos de fusão se apresentam em temperaturas aproximadas àquelas mostradas nas curvas de DSC dos polímeros puros. Outra importante comparação a ser observada é o perfil destes picos, os quais são razoavelmente diferentes, o que indica que

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Figura 3 - Curvas de DSC: (A) PLA puro; (B) PF-68; (C) sistemas particulados

Na análise das amostras foram observados comportamentos distintos nas curvas e nas taxas de cristalização. Na partícula obtida por spray dryer, a curva de calorimetria mostra um pico alargado, o qual pode corresponder a cristais de PLA menores ou menos perfeitos e, também, apresenta um pico mais intenso e definido, que pode corresponder a cristais de PLA maiores ou mais perfeitos. Portanto, as partículas desenvolvidas por spray dryer apresentam dois tipos de cristais de PLA, representando cristais mais heterogêneos. As partículas obtidas por liofilização apresentam um pico bem estreito e definido, na curva de calorimetria, o qual pode ser atribuído a apenas uma população de cristais de PLA.

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Material Temperatura do pico ΔH (J/g) Grau de Cristalinidade (Xc) PLA 1) 146°C 2) 154°C 1) 3,824 J/g 2) 25,23 J/g 31% Partícula Liofilizada 155°C 26,57 J/g 28%

Partícula Spray Dryer 1) 121°C 2) 153°C

1) 17,73 J/g 2) 26,77 J/g

46%

Na análise do grau de cristalinidade, foram levados em consideração os picos correspondentes ao PLA. As partículas obtidas por spray dryer apresentaram um grau de cristalinidade de 46%, enquanto as partículas desenvolvidas por liofilização apresentaram um grau de cristalinidade de 28%. Esse resultado pode ser explicado pelo fato das partículas secas, por spray dryer, sofrerem um processo de reorganização, durante o breve aquecimento da amostra em suspensão, no momento de entrada no equipamento até sua secagem. Com isso, esse breve aquecimento pode ter sido suficiente para ocasionar um rearranjo de algumas cadeias de PLA, aumentando sua organização e cristalinidade, quando comparada com o PLA puro e a partícula Liofilizada.

4 CONCLUSÃO

Foi possível obter partículas de PLA, pelo método de emulsificação-difusão, e secagem por liofilização e spray dryer. Além disso, verificou-se que os métodos de secagem influenciaram as propriedades e características das partículas, o que é interessante na área de desenvolvimento de materiais, pois é possível obter sistemas diferentes com os mesmos componentes. As técnicas de DLS, DSC e TGA mostraram que ocorreu uma diferença em relação ao tamanho médio das partículas, a temperatura de inicial de degradação, ao tipo de cristais de PLA formados e quanto ao grau de cristalinidade. Assim, os sistemas propostos apontam o uso do spray dryer para a secagem de partícula como uma opção promissora, uma vez que, não há a necessidade de criprotetores.

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