Desenvolvimento de Micropartículas de Quitosana contendo
Cúrcuma pelo método de Spray Drying e Reticuladas com
Tripolifostato de Sódio
Alexandre L. Parize1* (PG), Hellen K. Stulzer1,2 (PQ), Mauro C. M. Laranjeira1 (PQ), Inês M. C. Brighente1 (PQ), Tereza C. R. de Souza1(PQ).
1
QUITECH - Departamento de Química da UFSC, 88040-900 , Trindade – Florianópolis/SC .
2
Laboratório de Controle de Qualidade, Departamento de Ciências Farmacêuticas, Universidade Estadual de Ponta Grossa, Ponta Grossa, PR, Brasil.
alexandreluisparize@hotmail.com
Neste estudo, o corante cúrcuma foi microencapsulado com quitosana através do método de spray drying, observando a influência do reticulante iônico tripolifosfato de sódio, nas propriedades das micropartículas desenvolvidas. O rendimento obtido foi variou de 41,5 a 44,2%, sendo influenciado pelas condições do equipamento. As micropartículas apresentaram morfologia esférica (0,9 a 22 µm) sem porosidade aparente ou fissuras. As análises indicam a formação de uma nova rede polimérica, que garante a efetiva proteção e encapsulação do corante. Através de estudos de liberação observa-se que o corante é liberado através do mecanismo de super caso II de transporte em pH 1,2 e pelo mecanismo Fickiano em pH 6,8
Palavras-chave: quitosana, cúrcuma, spray drying, reticulação iônica, microencapsulação.
Development of Chitosan Microparticles containing Curcumin by Spray Drying method and crosslinked with Sodium Tripolyphosphate
In this study, the curcumin was microencapsulated with chitosan by spray drying method, the influence of the Sodium Tripolyphosphate ionic crosslinking in the properties of the final product, was observed. The yield obtained by the achieved between range of 41.5 – 44.2 %, being influenced by operational conditions of the equipment. The microspheres presented spherical morphology (0.9 – 22 µm) and didn’t show apparent porosity or cracks. The analysis indicates a new polymeric network formation, which ensures an effective protection and encapsulation of the dye. For controlled release studies, was achieved that the curcumin was released for super case II of transport mechanism in pH 1.2 and for Fickian mechanism in pH 6.8.
Keywords: chitosan, curcumin, spray drying, ionic cross-linking, microencapsulation.
Introdução
A técnica de spray drying é utilizada em diversos setores para os mais diversos fins. Na área farmacêutica é utilizada na obtenção de amostras estáveis, para melhorar a solubilidade de fármacos poucos solúveis em meio aquoso, nas formulações de liberação nasal, na mudança de mecanismo na liberação de minerais e vitaminas em fortificantes, no desenvolvimento de sistemas com características mucoadesivas e na obtenção de sistemas reticulados produzidos em uma única etapa. Na indústria alimentícia é utilizada na encapsulação de aromas, vitaminas, enzimas, corantes naturais e ácidas graxos, por aumentar a estabilidade de estocagem devido a redução na atividade de água nas amostras [1-3].
Atualmente, a técnica tem sido amplamente utilizada no desenvolvimento de formulações de corantes naturais para uso alimentício, pelo fato de serem mais saudáveis e por não possuírem os efeitos adversos apresentados pelos corantes sintéticos [3].
A Cúrcuma (1,7-bis(4-hidroxi-3-metoxifenl)-1,6-heptadieno-3,5-diona) é o principal componente obtido das rizomas de Curcuma Longa L., amplamente utilizado na indústria alimentícia. Possui pouca solubilidade em água e soluções ácidas, mas tem boa solubilidade em meio básico e em solventes como etanol, acetona, dimetilsulfóxido e clorofórmio. Nas três ultimas décadas, a cúrcuma foi o alvo de inúmeras pesquisas as quais focam suas propriedades, tais como: antioxidante, anti-inflamatório, cardiovascular e doenças reumáticas, propriedades quimioterápicas e quimiopreventivas no tratamento de câncer, anti-séptico, cicatrização de pele e proteção de tecidos, e atividade anti microbiológica [4,5].
Em alguns casos, as micropartículas obtidas por spray drying são extremamente solúveis, e desta forma torna-se viável modular a sua solubilidade de acordo com a aplicação. Com intuito de modular a liberação de cúrcuma a partir de micropartículas de quitosana, este estudo tem como objetivo a sua microencapsulação em quitosana, através da secagem por atomização, observando a presença do reticulante iônico tripolifosfato de sódio.
Experimental
O biopolímero quitosana foi fornecido pela Purifarma, Brasil, com grau de desacetilação de 86%. O corante Curcuma WS, líquido contendo 8% de cúrcuma foi fornecido pela Christen – Hansen Ind. & Com. Ltda, e o padrão cúrcuma com 97% de curcumina, obtido da Merck. Todos os outros reagentes utilizados são de grau analítico.
Preparação das microesferas de quitosana contendo curcuma pela técnica de spray drying.
Foram preparadas soluções de quitosana 2% (m/v), pela dissolução em solução de ácido acético 5% (v/v), com a adição de 25 mg do corante cúrcuma. A estas soluções, foi adicionado o reticulante iônico tripolifosfato de sódio 2% (m/v), com adições de 0,5 mL, 1,0 mL e 2,0 mL, respecitivamente. As dispersões resultantes foram homogeneizadas, e a atomização foi realizada usando um mini spray drier Buchi 191, contendo um atomizador de 0,7 mm dentro de uma câmara de 44 cm de altura e 10,5 cm de diâmetro. As amostras foram atomizadas nas seguintes condições de secgem: temperatura do ar de entrada em 180 ± 5°C; temperatura de saída do ar em 80 ± 5°C, aspiração em 95%, velocidade de atomização 5 – 7% (1,5 mL de amostra por min) e fluxo de ar de
500 NL/h.O tempo de secagem variou de 30 a 50 minutos. Após a secagem, o produto foi recolhido na forma de pó, armazenado por 10 dias em dessecador para posterior caracterização.
Espectroscopia no Infravermelho (IV)
Amostras atomizadas foram analisadas através da espectroscopia no infravermelho. O espectro no infravermelho foi obtido na região de 4000 – 400 cm-1 com um espectrofotômetro FT Perkin Elmer – modelo 16 PC, utilizando-se pastilhas de KBr.
Morfologia e Tamanho das Microesferas
A morfologia interna e externa, porosidade e tamanho médio das microesferas atomizadas, foram determinadas empregando-se a técnica de Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV). As amostras foram colocadas sobre estabes e recobertas com uma camada de ouro, usando um Cool Sputter Coater da Bal-tec, SDC 005, sendo micrografadas usando microscópio eletrônico de varredura (Philips, Model XL 30) em uma intensidade de 10kv, usando varias magnificâncias.
Determinação da eficiência de encapsulação (% EE)
Nesta análise, 5 mg das miucropartículas, foram pesadas e dissolvidas em 30 mL de solução tampão acetato pH 4,0, durante 60 min protegidas da luz. Após o contato, uma alíquota de cada solução foi coletada e analisada utilizando-se um espectrofotômetro UV-Vis Shimadzu UV 1201 (429 nm). Para a quantificação da porcentagem de corante presente nas amostras foi utilizada uma curva de calibração do padrão do corante. Os experimentos foram realizados em duplicata (n = 2) e a eficiência de encapsulação foi calculada usando a Equação 1:
onde, mcm é a massa de cúrcuma presente nas amostras e mct é a massa inicial de cúrcuma.
Análise Termogravimétrica (TG)
As análises termogravimétricas (TG) e termogravimétrica diferencial (DrTG) foram realizadas em um Analisador Termogravimétrico Shimadzu TGA 50 sob atmosfera dinâmica de N2
(50 cm3.min-1). Experimentos não isotérmicos foram realizados da temperatura ambiente (25°C) até 600°C, utilizando uma massa de 3 a 10 mg da amostra a ser analisada, com taxa de aquecimento de 10 °C.min-1, usando cadinhos de platina.
100
x
m
m
EE
%
ct cm=
(Equação 1)Instumescimento das microesferas atomizadas
Para o intumescimento das microesferas, 15 mg de cada uma das amostras foram colocadas em contato com solução tampão fosfato 0,1 mol.L-1 (pH = 7,0), em erlenmeyers. Os frascos foram transferidos a uma Incubadora Mini Shaker Marconi, modelo MA 832, por 24 h sob agitação de 150 rpm a 25°C. Após o contato as microesferas foram retiradas da solução por filtração, secas com papel adsorvente e pesadas. O grau de intumescimento foi determinado pela equação 2:
Onde Wt e Wo, referem-se as microesferas pesadas no tempo t e as microesferas secas, respectivamente.
Estudos de Liberação do Corante Cúrcuma
A liberação do corante, a partir das micropartículas contendo TPF, foi realizada em pH 1,2 (HCl 0,1 mol.L-1) e 6,8 (NaH2PO4 0,1 mol.L-1). Neste estudo, 15 mg das diferentes micropartículas
preparadas com TPF foram suspensas nas soluções tampão, em intervalos de tempo pré-determinados, alíquotas de 3 mL foram retiradas das soluções e analisadas em um espectrofotômetro UV-Vis, em 429 nm. Após a leitura, a alíquota analisada foi devolvida a solução e a quantidade de corante liberada foi determinada através do uso de uma curva de calibração.
Resultados e Discussão
A eficiência de encapsulação, o rendimento e o tamanho das micropartículas de quitosana contendoo corante e reticuladas com TPF, são apresentados na Tabela 1.
Tabela 1 – Características gerais para as micropartículas contendo o corante cúrcuma reticuladas
com TPF Amostra com TPF 2% EE% ±±±± DP a Rendimento (%) Faixa de tamanho (µµµµm) Não reticulada 72,99 ± 1,37 43,0 0,9 – 20 0,5 mL TPF 70,60 ± 1,60 44,2 1,2 – 22 1,0 mL TPF 69,31 ± 1,88 41,5 1,1 – 19 2,0 mL TPF 62,36 ± 1,36 43,5 1,0 – 20 a
eficiência de encapsulação ± desvio padrão, n =3.
100 x W W W GI o o t − = (Equação 2)
Na Tabela 1, pode-se verificar que a eficiência de encapsulação variou de 62,36 a 72,99 %. Com o aumento do volume de agente reticulante adicionado na amostra, observou-se que a eficiência de encapsulação diminui devido à formação de partículas com superfície irregular, o que pode ocasionar perdas durante o processo de spray drying. Outro ponto importante que cabe ser ressaltado, é o fato de que, com a adição de quantidades crescentes de TPF, ocorre a formação de uma rede polimérica mais efetiva, o que poderá não oferecer proteção ao ativo encapsulado.
O rendimento do processo de atomização depende das condições de secagem utilizadas. Observou-se que a adição de quantidades crescentes do TPF não altera significativamente o rendimento, Tabela 1.
A partir de análises das micrografias obtidas por MEV (Figura 1), observa-se que as micropartículas obtidas por spray drying contendo TPF, apresentam-se esféricas com superfície rugosa, como resultado do processo de reticulação, e estrutura densa, sem poros e fissuras. Na análise geral das micrografias observa-se que as amostras tendem a se apresentarem aglomeradas. O tamanho das micropartículas variou de 0,9 a 22 µm (Tabela 1).
Figura 1 – Microscopia eletrônica de varredura para micropartículas de quitosana, contendo
corante cúrcuma, obtidas por spray drying e reticuladas com tripolifosfato de sódio 2% (m/v): (a) 0,5 mL, (b) 1,0 mL e (c) 2,0 mL.
c
Desai e Park (2005a) descrevem que o aumento do volume de TPF empregado para a reticulação iônica de micropartículas ou o aumento na sua concentração, faz com que a esfericidade das micropartículas seja diminuída, observando-se superfícies rugosas e, às vezes, com concavidades, tendendo as mesmas a se aglomerarem.
Espectroscopia no Infravermelho (IV)
A Figura 2 apresenta os espectros de IV para as micropartículas de quitosana reticuladas com TPF contendo cúrcuma. Observa-se nos espectros das micropartículas contendo o TPF, que a interação do tripolifosfato ocorre com os grupos amino protonados (NH3+) da quitosana, portanto,
uma interação iônica pode ser evidenciada na região próxima a 1560 cm-1. As bandas em 1228 e 908 cm-1 estão relacionadas às vibrações de estiramento do grupo P=O do grupo fosfato. Outra evidencia da presença do TPF nas micropartículas é o aparecimento da banda em torno de 1150 cm
-1
. [6-8] Desta forma, a partir das evidências apontadas pela análise de IV, pode-se sugerir que o TPF
encontra-se ligado a quitosana a partir de interações inter e intramoleculares dos grupos fosfato e amino, sugerindo assim, que as micropartículas obtidas possuem estrutura reticulada.
Figura 2 – Espectros de IV para as micropartículas de quitosana contendo o corante cúrcuma não
reticuladas (a) e para as micropartículas contendo o reticulante iônico (tripolifosfato de sódio 2% (m/v)): (b) 0,5 mL, (c) 1,0 mL e (d) 2,0 mL, obtidas por spray drying.
Comprimento de onda, cm-1 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 a b c d T ra n s m it â n c ia , % T
Análise termogravimétrica (TG)
A Figura 3, apresenta o perfil para a análise termogravimétrica para as micropartículas de quitosana reticuladas com TPF contendo o corante cúrcuma. Os dados referentes a análise termogravimétrica diferencial encontram-se na Tabela 2.
Figura 3 – Análise termogravimétrica (a) e termogravimétrica diferencial (b) para as amostras
obtidas pelo método de spray drying contendo TPF.
A partir da análise dos perfis da análise de TG, observa-se que as amostras apresentam um perfil de degradação com três estágios de perda de massa, o primeiro e o segundo em 50,70 e 151 °C, referem-se a evaporação de água residual de secagem e de água internamente ligada à estrutura das micropartículas, respectivamente, e o terceiro, refere-se à decomposição do polímero, 311 °C. Para as micropartículas, foi observado que a adição de quantidades crescentes de TPF provocou uma diminuição da estabilidade térmica da amostra, devido à formação de uma nova rede polimérica.
Tabela 2 – Dados Termogravimétricos obtidos a partir da análise termogravimétrica diferencial
para as micropartículas contendo TPF.
Estágio 1 Estágio 2 Estágio 3 Amostra T1a P1b T2a P2b T3a P3b Massa residual (%)c Não reticulada 50,70 9,4 151 11,6 311 47 23 0,5 mL TPF 40 13 157 9 289 57 21 1,0 mL TPF 66 5 142 10 285 61 24 2,0 mL TPF 58 10 160 9 283 60 21 a
Temperatura de máxima velocidade de degradação, °C
b Porcentagem de perda de massa em cada estágio de degradação c Massa residual a 600°C 100 200 300 400 500 600 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 Não reticulada 0,5 mL de TPF 1,0 mL de TPF 2,0 mL de TPF P e rd a d e m a s s a , % Temperatura, °C
Liberação controlada do corante cúrcuma a partir de micropartículas de quitosana contendo TPF
A partir das micropartículas de quitosana, com diferentes graus de reticulação iônica, foi observada a liberação do corante em soluções tampão pH 1,2 e 6,8, Figuras 37a e 37b, respectivamente.
Observa-se, a partir da Figura 4, maior velocidade de liberação do corante em pH 1,2. Para as micropartículas não reticuladas, observou-se em pH 1,2 que as mesmas intumescem perdendo a forma rapidamente, liberando o seu conteúdo. Em pH 6,8 apresentam uma razão lenta de liberação mostrando que o intumescimento das micropartículas, neste pH, é um estágio importante na liberação do corante. Para as amostras contendo TPF, verifica-se que à medida que a quantidade de reticulante é aumentada, ocorre uma menor velocidade de liberação do corante em ambos os pH.
A Tabela 3 mostra os dados de intumescimento para as amostras contendo o reticulante, onde se observa valores menores de intumescimento para as amostras com maior grau de reticulação.
A relação semi-empírica descrita por Korsmeyer et al. (1983) é, geralmente, usada para analisar o processo de liberação de solutos, a fim de caracterizar o mecanismo predominante durante a liberação:
onde Mt/M∞∞∞∞representa a fração do soluto liberado no tempo t, k é uma constante que incorpora
características da matriz polimérica e do soluto e n é o coeficiente difusional, cujo valor depende da geometria da partícula e fornece informações sobre o mecanismo de liberação de agentes ativos a partir de matriz polimérica, Tabela 3.
Avaliando o mecanismo de liberação para o corante cúrcuma a partir das micropartículas de quitosana/TPF, observa-se que o corante é liberado a partir das micropartículas em pH 1,2, segundo o mecanismo Caso II de Transporte, no qual a simultânea contribuição dos mecanismos de dissolução, relaxação da cadeia polimérica, erosão e intumescimento atuam sobre a estrutura das micropartículas promovendo a liberação do corante (Tabela 3). Entretanto, em pH 6,8, observa-se que as amostras, apresentam um mecanismo de liberação Fickiano, no qual o corante é liberado via difusão pela matriz intumescida das micropartículas.
n t
k
t.
M
M
=
∞ (Equação 3)Figura 3– Perfis de liberação para as micropartículas produzidas em spray drying contendo TPF em
diferentes concentrações em pH 1,2 (a) e pH 6,8 (b)
Tabela 3 – Intumescimento e Mecanismo de liberação para as micropartículas de quitosana
reticuladas com TPF contendo o corante cúrcuma a 25 °C.
a tempo necessário para obter microesferas de massa constante em tampão pH 7,0; 24 h, n = 2.
Conclusões
Neste estudo, micropartículas de quitosana contendo o corante cúrcuma foram eficientemente desenvolvidas. Observa-se que o sistema quitosana/TPF é uma alternativa na liberação de solutos, uma vez que o mesmo modula a liberação do corante cúrcuma sendo estas formulações uma alternativa de uso da curcumina na indústria farmacêutica.
Agradecimentos
Os autores agradecem ao CNPq pelo auxílio financeiro e ao Departamento de Química da UFSC.
I Innttuummeesscciimmeennttoo FFiicckk pH 1,2 pH 6,8 Amostra G GIIaa n R2 n R2 Não reticulada 35,5 ± 2,5 0,85 0,9908 0,31 0,9910 0,5 mL TPF 30,4 ± 1,2 0,89 0,9939 0,43 0,9954 1,0 mL TPF 21,5 ± 1,7 0,92 0,9978 0,37 0,9917 2,0 mL TPF 15,2 ± 0,7 1,39 0,9987 0,41 0,9965 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 0 20 40 60 80 100 Não Reticulada 0,5 mL de TPF 1,0 mL de TPF 2,0 mL de TPF M t/ M ∞ x 1 0 0 Tempo, min a 0 50 100 150 200 250 300 350 0 20 40 60 80 100 b Não Reticulada 0,5 mL de TPF 1,0 mL de TPF 2,0 mL de TPF M t/ M ∞ x 1 0 0 Tempo, min
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