ELETROSSÍNTESE DE POLI (N-ISOPROPILACRILAMIDA) POR VOLTAMETRIA CÍCLICA.
Charlene A. Ribeiro, Maria E. Leyva
Departamento de Físico-Química, Instituto de Ciências Exatas, Universidade Federal de Itajubá, Minas Gerais (MG), Brasil
Email: charlene_ribeiro@yahoo.com.br
Resumo: Redes poliméricas tridimensionais de poli(N-isopropilacrilamida) (Pnipam) são amplamente utilizadas em biomedicina devido à natureza responsiva deste hidrogel termossensível. Este trabalho tem como objetivo o estudo da polimerização eletroquímica de redes de Pnipam com diferentes concentrações do agente reticulante N,N’-metileno(bis)acrilamida (MBAAm), utilizando a técnica de Voltametria Cíclica (VC); a caracterização físico-química e o estudo de intumescimento em diferentes concentrações de sulfato de condroitina (SC). Demonstrou-se que a técnica de polimerização é efetiva, obtendo altas conversões do polímero. A espectroscopia de absorção na região do infravermelho (FTIR) confirma a obtenção do polímero. A temperatura LCST foi determinada por VC, sendo em torno de 320C. O estudo de desintumescimento demonstrou que o aumento da concentração de MBAAm aumenta a retenção de água na estrutura do hidrogel. Maiores concentrações de SC correspondem com maiores graus de intumescimento em todos os sistemas estudados. Também é confirmado que com o aumento da concentração de MBAAm diminui o grau de intumescimento. O estudo cinético do intumescimento demonstrou que todos os sistemas ajustam a uma cinética de segunda ordem.
Palavras-chave: hidrogéis termossensíveis, poli (N-isopropilacrilamida), voltametria cíclica, sulfato de condroitina.
INTRODUÇÂO
Redes poliméricas tridimensionais, ou hidrogéis, podem absorver e reter grandes quantidades de água em sua estrutura. Os hidrogéis são extremamente
utilizados em aplicações biomédicas e farmacêuticas principalmente devido ao alto conteúdo de água, biocompatibilidade e elasticidade semelhante aos tecidos humanos [1]. Hidrogéis de Pnipam têm sido utilizados como sistemas de liberação controlada de fármacos. O Pnipam é um polímero termosensível com transição de fases tipo LCST, Lower Critical Solution Temperature, em torno de 32°C. Abaixo da temperatura de transição de fases, LCST, o Pnipam é extremamente solúvel em água, contudo com o aumento da temperatura acima da LCST ele torna-se hidrofóbico e precipita-se [2]. Por consequência, hidrogéis reticulados obtidos a partir deste polímero incham sob esta temperatura e colapsam acima dela.
A voltametria cíclica (VC) é uma técnica eletroanalítica importante e amplamente utilizada no estudo de reações redox e no acompanhamento de reações. A eletrossíntese por VC tem se tornado um caminho na produção de hidrogéis. A polimerização é desencadeada pela eletrólise do iniciador no cátodo [3].
Neste trabalho realizamos o estudo da polimerização eletroquímica de redes de Pnipam e agente reticulante MBAAm, utilizando a técnica de Voltametria Cíclica. As redes foram caracterizadas por Espectroscopia de Infravermelho com Transformada de Fourier (FTIR), Análise Termogravimétrica (TGA). A LCST foi determinada por VC. Ainda foi realizado o estudo cinético de intumescimento em solução do fármaco Sulfato de Condroitina (SC), em diferentes concentrações.
MATERIAIS E MÉTODOS
O monômero Nipam, o Persulfato de amônio (APS) e o agente reticulante N,N’-metileno(bis)acrilamida (MBAAm) foram obtidos da Sigma-Aldrich. A polimerização eletroquímica foi realizada utilizando soluções aquosas Nipam 1 M, APS 0,25 M e MBAAm 0,04 M com varreduras de Voltametria Cíclica a 10mV s-1 entre 0,1 e -1,3V, usando prata como eletrodo de trabalho, platina como contra-eletrodo e contra-eletrodo de Ag/AgCl como referência, por 50 ciclos. Posteriormente, os hidrogéis foram lavados para remoção de monômeros e impurezas residuais e secos em estufa a 40°C. Os hidrogéis foram preparados mudando a razão molar monômero/reticulante, MBAAm/Nipam, 0,03; 0,05; 0,1 e as amostras nomeadas Pnipam VC2, Pnipam VC4 e Pnipam VC5, respectivamente.
A análise Espectroscópica na Região do Infravermelho com Transformada de Fourier–FTIR, foi feita em Espectrômetro Perkin Elmer, modelo Spectrum 100, de 650–4000 cm-1
termogramas foram obtidos em um analisador termogravimétrico TGA/DSC1 Star System Mettler, no modo dinâmico, a uma taxa de aquecimento de 200C/min, de 20ºC à 600ºC, utilizando-se atmosfera de Nitrogênio.
O estudo da temperatura de transição de fases, LCST, foi determinada por Voltametria Cíclica (VC): o hidrogel foi intumescido em solução de Ferricianeto de Potássio 1,8*10-2 mol L-1 e a temperatura variada de 15 a 45°C.
Para a análise da retenção de água nos hidrogéis, as amostras foram deixadas em solução fisiológica a 20°C por 48h até atingir o equilíbrio, em seguida, os hidrogéis inchados, ainda em solução, foram aquecidos a 450C. Medidas de massa no tempo foram realizadas durante 130 minutos. A retenção de solvente nas amostras foi calculada através da equação:
onde Wt representa o peso do hidrogel no tempo t e W0 o peso do hidrogel seco e
We o peso do hidrogel expandido.
O estudo de intumescimento foi realizado em solução do fármaco Sulfato de Condroitina nas concentrações de 5, 10 e 20% (em massa) do hidrogel. As análises da cinética de intumescimento foram feitas por método gravimétrico. Em intervalos de tempo pré determinados o hidrogel foi retirado da solução, retirado o excesso de solvente com papel filtro e determinada a massa em balança analítica. O Grau de intumescimento foi determinado a 200C através da equação:
onde Wt representa o peso do hidrogel no tempo t e W0 o peso do hidrogel
seco.
RESULTADOS
O espectro FTIR foi semelhante para todas as amostras, a Figura 1(a) mostra
o espectro FTIR da amostra Pnipam VC2. No espectro FTIR se observa a ausência da banda de vibração olefínica (C=C) em 1620 cm-1, confirmando, portanto, a polimerização por VC. A banda em 1629 cm-1, Amida I, corresponde ao estiramento do grupo carbonila, e a banda em 1535 cm-1, Amida II, corresponde ao estiramento simétrico de ligações N-H de amidas. Também são notadas bandas típicas de vibrações C-H a 1385 e 1367 cm-1, referentes a deformação no plano de isopropilas,
-CH (CH)3 [4]. Bandas de estiramento de N-H de amidas secundárias mostram-se na região 3170-3370cm-1. 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 T ( % ) Número de onda (cm-1 ) Pnipam VC4 3286 3078 1629 1535 1385 1367 (a) 100 200 300 400 500 600 0 20 40 60 80 100 Pe rd a d e Ma ssa (% ) Temperatura (°C) Pnipam VC2 Pnipam VC4 Pnipam VC5 (b)
Figura 1: (a) Espectro FTIR do Pnipam VC4.(b) Curvas TGA para os hidrogéis Pnipam.
A análise termogravimétrica dos hidrogéis de Pnipam é mostrada na Figura 1(b). Não se observam mudanças significativas no comportamento térmico das amostras. Podemos observar que ocorre uma pequena perda de massa, em torno de 13% da massa total, possivelmente devido a presença de água na estrutura do hidrogel. A temperatura de degradação acontece em torno de 4230C, estando em correspondência com os valores da literatura [5]. A 4500C ocorre a completa degradação dos hidrogéis.
-0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 -1.0x10-3 -8.0x10-4 -6.0x10-4 -4.0x10-4 -2.0x10-4 0.0 2.0x10-4 4.0x10-4 6.0x10-4 C o rr e n te ( A ) Voltagem (V) 25°C 32°C 34°C 35°C 36°C 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0,0 1,0x10-4 2,0x10-4 3,0x10-4 4,0x10-4 5,0x10-4 6,0x10-4 7,0x10-4 C o rr e n te ( A ) Temperatura (°C) Pnipam VC 5 - 32,50C Pnipam VC 4 - 32,20C Pnipam VC 2 - 32,50C
Figura 2: Determinação da temperatura de transição LCST a) VC de resposta dos hidrogéis em
ferricianeto de potássio, a 0,05V s-1 em diferentes temperaturas; b) Influência da temperatura no valor
da corrente de pico de oxidação (Ipc) do Ferricianeto de Potássio.
A VC de resposta do Ferricianeto de Potássio (FP) presente nos hidrogéis, Fig.2a, mostra-se sensível a variação de temperatura. Quando a temperatura está abaixo da LCST, o FP mostra um par oxidação-redução bem definido em cerca de 0,27V. Contudo, quando a temperatura é maior de 32°C, o sinal de VC é
gradativamente suprimido. A temperatura de transição de fases pode ser detectada na curva de corrente de pico de oxidação em função da temperatura, Fig.2b, o qual consiste no valor da LCST dos hidrogéis. O valor da temperatura LCST obtida por VC coincide nas 3 amostras, em torno de 320C.
O estudo de desintumescimento dos hidrogéis foi realizado em solução fisiológica. Quando colocados em solução fisiológica a 45°C, temperatura acima da LCST, os hidrogéis tornam-se hidrofóbicos, expulsando o solvente do interior da estrutura. De acordo com a literatura os hidrogéis com maior grau de intumescimento são também aqueles que retém menos solvente durante o processo de intumescimento. A Fig.3 mostra a cinética de desintumescimento dos hidrogéis. Podemos observar que o equilíbrio é atingido rapidamente, em cerca de 30 minutos. A amostra que menos solvente retém no equilíbrio é Pnipam VC2, com menor concentração de reticulante. Este resultado está de acordo com a literatura, pois a densidade de reticulação é inversamente proporcional ao grau de intumescimento e, portanto ao grau de desintumescimento. Observa-se que na medida em que aumenta a concentração de reticulante Pnipam VC2 < VC4 < VC5 a porcentagem de perda de solvente é menor, ou seja, mais solvente fica retido na estrutura do hidrogel. 0 20 40 60 80 100 120 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 P er da d e so lv en te ( % ) Tempo (min) Pnipam VC 2 Pnipam VC 4 Pnipam VC 5 Temperatura 45°C
Figura 3: Gráfico de desintumescimento a 45°C para os hidrogéis em solução fisiológica.
A Figura 4(a-c) mostra o intumescimento em solução de SC. Observamos que soluções com maior proporção de SC têm maiores valores de intumescimento, o que pode ser atribuído aos grupos funcionais com carga negativa do SC, como -COO- e –SO3-, que permitem ao gel inchar largamente, conferindo uma alta concentração de
carga negativa. A presença de grupos de ionização na cadeia do SC causa forte repulsão das cargas negativas e grupos polares da rede polimérica, atraindo, assim,
maior quantidade de solvente para o hidrogel [6]. Na Fig.4d observamos que a amostra Pnipam VC2 é a que atinge maior grau de intumescimento, em correspondência com o estudo de desintumescimento mostrado na Fig.3.
0 1000 2000 3000 4000 0 500 1000 1500 2000 2500 5% SC 10% SC 20% SC W (% ) Tempo (min) Pnipam VC2 (a) 0 1000 2000 3000 4000 -200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 5% SC 10% SC 20% SC W (% ) Tempo (min) Pnipam VC 4 (b) 0 1000 2000 3000 4000 -200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 5 % SC 10% SC 20% SC W (% ) Tempo (min) Pnipam VC5 (c) 5 10 15 20 1200 1600 2000 2400 Pnipam VC2 Pnipam VC4 Pnipam VC5 W (% )
Concetração de Sulfato de Condroitina (%)
(d)
Figura 4: Influência do Sulfato de Condroitina (SC) no grau de intumescimento dos hidrogéis no tempo: a) Pnipam VC2; b) Pnipam VC4, c) Pnipam VC5 e d) comparação do grau de intumescimento com a concentração de SC nos diferentes hidrogéis.
Katime e colaboradores mostraram que o processo de intumescimento de hidrogéis pode ser controlado por cinética de primeira (Eq.1) ou segunda ordem (Eq.2), conforme [7]:
Equação 1
Equação 2
Onde W é o intumescimento, W o intumescimento no equilíbrio (t= ) e k é a
constante de velocidade da reação. Na cinética de segunda ordem (Eq.2), K∞ é a
constante de velocidade aparente de intumescimento no equilíbrio, onde K∞ =k(W∞)2.
foram ajustados pelas equações 1 e 2. Os resultados do ajuste são reportados na Tab.(1).
Tabela 1: Valores do ajuste às cinéticas de Primeira e Segunda Ordem e Valores das constantes de velocidade da cinética de Segunda Ordem.
Cinética Pnipam VC2 Pnipam VC4 Pnipam VC5 1ª Ordem vs. t (Eq.1) r=0,889 r=0,968 r=0,985 2ª Ordem t/W vs. t (Eq.2) r=0,983 K∞=17,918 k=10,95E-6 r=0,991 K∞=28,425 k=9,787E-6 r=0,993 K∞=24,845 k=11,05E-6
Dos resultados mostrados na Tab.(1) podemos concluir que o processo de intumescimento segue uma cinética de segunda ordem. A constante de velocidade k, não muda significativamente entre os hidrogéis. Porém, a constante de velocidade aparente muda, o Pnipam VC2 apresenta valores mais baixos de K. Nos gráficos
mostrados nas Fig.4 e 5 podemos conferir que a amostra Pnipam VC2 é a que atinge maior grau de desintumescimento e intumescimento, respectivamente, porém a velocidade com que a amostra atinge o equilíbrio é menor.
CONCLUSÃO
A técnica de polimerização iniciada por voltametria cíclica foi efetiva, obtendo-se altas conversões do polímero em solução. Os sistemas obtidos com diferentes concentrações de MBAAm foram caracterizados por voltametria cíclica (VC) mostrando todos uma LCST em torno de 320C. O estudo de desintumescimento demonstrou que com o aumento da concentração de MBAAm aumenta a retenção de solvente na estrutura do hidrogel. O estudo de intumescimento dos hidrogéis em diferentes concentrações de sulfato de condroitina demonstrou que para maiores concentrações de SC os hidrogéis mostraram maiores graus de intumescimento. Também foi confirmado que com o aumento da concentração de MBAAm nos hidrogéis diminui o grau de intumescimento. O estudo cinético do intumescimento demonstrou que todos os sistemas se ajustam a uma cinética de segunda ordem.
AGRADECIMENTOS
Agradecemos a CAPES e FAPEMIG pelo apoio financeiro.
BIBLIOGRAFIA
1. ZHANG, J.-T. et al. Micro-structured smart hydrogels with enhanced protein loading and release efficiency. Acta Biomaterialia, v. 6, p. 1297-1306, 2010.
2. GEEVER, L. M. et al. Lower critical solution temperature control and swelling behavior of physically crosslinked thermosensitive copolymers based on N-isopropylacrylamide. European Polymer Journal, v. 42, p. 2540-2548, julho 2006. 3. BUNSOW, J.; JOHANNSMANN, D. Electrochemically produced responsive hydrogel films: Influence of added salt on thickness and morphology. Journal of
Colloid and Interface Science, v. 326, p. 61-65, 2008.
4. KURECIC, M.; SFILIGOJ-SMOLE, M.; STANA-KLEINSCHEK, K. UV polymerization of Poly(N-isopropylacrylamide) hydrogel. Materials and tchnology,
v. 46, n. 1, p. 87-91, 2012.
5. ALLI, A.; HAZER, B. Poly(N-isopropylacrylamide) thermoresponsive cross-linked conjugates containing polymeric soybean oil and/or polypropylene glycol. European
Polymer Journal, v. 44, p. 1701–1713, 2008.
6. OPREA, A.-M. et al. Synthesis and characterization of some cellulose/chondroitin sulphate hydrogels and their evaluation as carriers for drug delivery. Carbohydrate
Polymers, v. 87, p. 721-729, 2012.
7. KATIME, I. A.; KATIME, O.; KATIME, D. Materiales inteligentes: hidrogeles macromoleculares. Algunas aplicaciones biomédicas. Anales de la Real Sociedad
ELECTROSYNTHESIS OF POLY(N-ISOPROPYLACRYLAMIDE) FOR CYCLIC VOLTAMMETRY
Abstract: Three-dimensional polymeric networks of poly (N-isopropilacrilamida)
(PNIPAm) are widely used in biomedicine due to their nature of thermosensitive hydrogels. The goal of this work was to study the electrochemical polymerization of N-isopropylacrilamide with different concentrations of the crosslinking agent (N,N'-methylene(bis)acrylamide (MBAAm)) using cyclic voltammetry (CV); physico-chemical characterization and a swelling study in different concentrations of chondroitin sulfate (CS). The effectiveness of the polymerization technique was demonstrated by FTIR spectroscopy and high conversion values were achieved. The LCST temperature was determined by CV to be around 32ºC. The swelling study showed that an increase in concentration of MBAAm rises water retention in the structure of the hydrogel. Also, higher concentrations of CS correspond with higher degrees of swelling in all systems studied. It was also confirmed that the increase in concentration of MBAAm decreases the degree of swelling. The swelling process followed a second order kinetics for all systems.
Key-words: Thermosensitive hydrogels, Poly(N-isopropylacrylamide), Cyclic Voltammetric, Chondroitin Sulfate.
