CAPÍTULO 2 AMOSTRAS GRANULOSAS

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CAPÍTULO 2

AMOSTRAS GRANULOSAS

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DESENVOLVIMENTO EXPERIMENTAL

2.1 DESENVOLVIMENTO EXPERIMENTAL

2.1-1 Materiais e Equipamento

Materiais

Na elaboração deste trabalho foi utilizado quitosano (Aldrich) de peso molecular médio (1,9x105-3,1x105 Da), com um grau de desacetilação compreendido entre 75 e 85% e densidade 0,15-0,30 g⋅cm-3.

De modo a uniformizar a dimensão das partículas de quitosano, previamente à sua utilização este foi sujeito a um proceso de trituração seguido de secagem sob vácuo a 40 ºC.

A moagem do quitosano foi efectuada num triturador

Figura 2.1: Quitosano

(500 µm <φ < 800 µm).

de lâminas metálicas da MOULINEX, e a seriação das partículas com granulometria compreendida entre 500 e 800 µm foi feita com dois crivos, um com uma malha de 500 µm (construído em vidro acrílico com uma rede em polietileno de malha calibrada), e outro da RETSCH com malha calibrada de 800 µm, em aço-inox.

Relativamente ao estudo da reacção de copolimerização de enxerto sobre o quitosano foram utilizadas duas unidades enxertantes, ácido acrílico e metacrilato de 2-hidroxietilo (HEMA).

As soluções de ácido acrílico foram preparadas a partir de ácido acrílico anidro p.a. (estabilizado com 0,02% de éter metílico de hidroquinona), Fluka, M=72,06 g⋅mol-1_{, grau de} pureza superior a 99%, 1L=1,050 kg.

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CAPÍTULO 2-AMOSTRAS GRANULOSAS

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As soluções de HEMA foram preparadas a partir de metacrilato de 2-hidroxietilo p.a. estabilizado, Merck/Acros Organic, M=130,14 g⋅mol-1_{, grau de pureza 98%, 1L=1,073 kg.}

Para a realização da modificação química do quitosano recorreu-se ao uso de: anidrido maleico, Carlo Erba, M=98,06 g⋅mol-1, pureza mínima 99,8%; fenilisocianato, Fluka, M=119,12 g⋅mol-1, pureza mínima 99,8%, 1L=1,09 kg.

No que diz respeito à polimerização química o iniciador utilizado foi nitrato de cério (IV) - amónio, BDH, M=548,23 g⋅mol-1, pureza mínima 98%.

Relativamente à foto-polimerização utilizou-se como foto-sensibilizador isopropil-tioxantona, Aldrich, M=254,35 g⋅mol-1.

No decorrer do trabalho e dependendo do procedimento experimental a desenvolver foram ainda utilizados diversos solventes: dimetilsulfóxido p.a. (DMSO), LabScan, M=78,12 g⋅mol-1, pureza mínima 99,5%, 1L=1,100 kg; ácido nítrico p.a., Merck, M=63,16 g⋅mol-1, pureza 65%, 1L=1,40 kg; acetona p.a., Riedel-deHaën, M=58,08 g⋅mol-1, pureza mínima 99,5%, 1L=0,791 kg; metanol p.a., Panreac, M=32,04 g⋅mol-1, pureza mínima 99,8%, 1L=0,792 kg; ácido acético p.a., Riedel-deHaën, M=60,05 g⋅mol-1_{, pureza 99,8%,} 1L=1,05 kg; ácido fórmico p.a., Panreac, M=46,03 g⋅mol-1_{, pureza 98%, 1L=0,22 kg; ácido} sulfúrico p.a., Merck, M=98,08 g⋅mol-1, pureza 95-97%,1L=1,84 kg; tetrahidrofurano p.a., Riedel-deHaën, M=72,11 g⋅mol-1, pureza 99,9%, 1L=0,88 kg.

Os solventes utilizados em lavagens e precipitações eram todos de uso técnico fornecidos por José M. G. Santos Lda e por José M. Vaz Pereira Lda.

Todas as substâncias anteriormente referidas foram usadas sem qualquer tipo de manipulação prévia, incluindo as unidades a enxertar. Relativamente a estas últimas, a opção por este procedimento teve como objectivo diminuir a possibilidade de homopolimerização visto tratarem-se de substâncias muito reactivas.

Nos ensaios microbiológicos, para preparação do meio de cultura sólido utilizou-se Tryptic Soy Agar (TSA) da Oxoid.

Após reacção/irradiação o isolamento das amostras foi efectuado por filtração em cadinhos de placa filtrante de porosidade G4.

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No caso das amostras irradiadas, para controlo da dose de radiação gama absorvida foram utilizados diferentes tipos de dosímetros em poli(metacrilato de metilo), (dosímetros de rotina), em função da dose de trabalho pretendida:

i) Red Perspex 4034: intervalo de leitura [5-50 kGy]; espessura nominal=3 mm;

λ(leitura)= 640 nm; incerteza= ±2% (1σ).

ii) Amber Perspex 3042: intervalo de leitura [1-30 kGy]; espessura nominal=3 mm; λ(leitura)= 651 nm; incerteza= ±2,5% (1σ).

iii) Gammachrome YR: intervalo de leitura [0,1-3 kGy]; espessura nominal=1,7 mm;

λ(leitura)= 640 nm; incerteza= ±3% (1σ) [1].

Para desarejamento das soluções e selagem de amostras, foi utilizado azoto comprimido puro da Alphagaz, com pureza superior a 99,999%.

Equipamento

Todas as pesagens de reagentes foram efectuadas em balanças analíticas de precisão 10-5 g, SARTORIUS R160P e METTLER AE100.

A secagem do quitosano e das amostras copoliméricas obtidas foi efectuada em estufa de secagem por vácuo HERAUS VT5042 EX/N2, acoplada a uma bomba rotatória ALCATEL 2004A (T=40 ºC, P=10-3 mbar).

Os ensaios de foto-polimerização foram realizados utilizando uma lâmpada de UV arrefecida a água com um output de 80 W⋅cm-1.

A irradiação gama das amostras foi realizada na instalação semi-industrial de irradiação contínua situada no Campus de Sacavém do Instituto Tecnológico e Nuclear, a Unidade de Tecnologias de Radiação (UTR) (vd. Figura 2.2).

Esta instalação está equipada com uma fonte radioactiva de Cobalto 60 que, à data de início de laboração, 30 de Novembro de 1988, tinha uma actividade de 10,95x1015 Bq (295,65 kCi) [2, 3]. Após novo carregamento de Cobalto 60 em Novembro de 2003 a sua actividade de operação passou a ser de 10,91x1015 Bq (294,92 kCi)a.

As amostras irradiadadas foram acondicionadas em tubos de pyrex com as seguintes dimensões: φint=27 mm, φext=30 mm, e=1,5 mm, h=125 mm. Estes tubos foram colocados

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paralelamente ao irradiador em suportes de madeira (24 x 12 x 7 cm3)b, em locais fixos e reprodutíveis previamente seleccionados de acordo com estudos dosimétricos realizados preliminarmente e durante o desenvolvimento do trabalhoc_.

Figura 2.2: Fotografia exterior e diagrama da Unidade de Tecnologias de Radiação:

1- Câmara de irradiação (no centro situa-se o irradiador, a vermelho); 2- Sala de comando; 3- Armazém de produtos a irradiar; 4- Armazém de produtos irradiados; 5- Recepção.

A leitura da absorção óptica dos dosímetros de rotina nos respectivos comprimentos de onda de leitura foi feita recorrendo a um espectrofotómetro UV-Visível da marca SHIMADZU, modelo UV-260; λ ∈ [190, 900 nm]; resolução: 0,1 nm; SN: 1231721.

b_{As estruturas suporte para irradiação das amostras são em madeira por forma a minimizar os efeitos}

secundários da radiação reflectida (efeito usual em estruturas metálicas - Efeito de backscattering).

c_{Para uma descrição mais detalhada da dosimetria (de um dos locais de irradiação estudados) utilizando um}

dosímetro padrão de referência, por favor ver Anexo II.

1 2 3

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A espessura dos dosímetros foi medida com um micrómetro MITUTOYO, modelo 2046L; precisão: 0,01 mm; SN: 814286.

2.1-2 Modificação química do quitosano em meio heterogéneo

Uma das etapas iniciais do trabalho consistiu na modificação química do quitosano em meio heterogéneo por forma a possibilitar a introdução de novas funcionalidades no polímero.

Nesta fase, e em consonância com o mencionado no capítulo anterior (secção 1.1-2), fez-se reagir o polissacarídeo em estudo com anidrido maleico e com fenilisocianato (ensaios em separado).

Na derivatização do quitosano em meio heterogéneo adicionou-se 0,2 g de anidrido maleico (10% m/mquitosano) a 2 g de quitosano em 50 cm3 de DMSO. A reacção ocorreu sob refluxo e agitação magnética a 90 ºC durante 5h. Após este período a suspensão foi filtrada, lavada com acetona e seca ao ar. Por fim, os grânulos obtidos foram analisados por FTIR.

Em termos experimentais, o procedimento da reacção do quitosano com o fenilisocianato foi semelhante ao que se descreveu para a reacção com o anidrido maleico, tendo-se adequado no entanto o solvente e a temperatura de reacção. Assim, adicionou-se 2 cm3 de fenilisocianato (10% V/mquitosano) a 2 g de quitosano em 50 cm3 de DMSO, seguido de reacção sob refluxo e agitação magnética a 120 ºC. Após as 5h de reacção a suspensão foi filtrada e colocada em acetona para averiguar a sua solubilidade. Os grânulos depois de secos ao ar foram finalmente sujeitos a análise por FTIR.

2.1-3 Reacção de copolimerização de enxerto

Numa segunda fase do trabalho procedeu-se à modificação de quitosano, ainda em meio heterogéneo, mas por reacção de copolimerização de enxerto induzida por radiação gama.

À data de início da realização deste trabalho não existia na literatura informação detalhada, em termos de procedimento experimental, com vista à obtenção de copolímeros de base quitosano por esta técnica. Deste modo, tendo por base o trabalho de Ferreira [4]

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com polietileno, optou-se por se realizar estudos preliminares para estabelecimento de um protocolo e domínio da técnica laboratorial, utilizando taxas de dose bastante distintas (0,8 e 8 kGy⋅h-1). Os resultados obtidos embora não tenham sido objecto de publicação, forneceram informações importantes referentes ao comportamento/manuseamento dos sistemas reaccionais em estudo.

A pensar em aplicações que pudessem exigir diferentes requisitos estruturais, foram estabelecidos dois sistemas reaccionais de base quitosano mas utilizando diferentes unidades enxertantes: Quitosano/Ácido Acrílico e Quitosano/HEMA.

No que diz respeito ao sistema Quitosano/HEMA, este foi ainda sujeito a outros métodos de copolimerização (iniciação química e foto-polimerização com UV), com vista à avaliação do rendimento de enxerto conseguido pelos diferentes métodos. Assim, por forma a garantir a realização das reacções em meio heterogéneo, mas assegurando simultaneamente a não dissolução do quitosano e a completa homogeneização do monómero e de outros aditivos quando necessário, recorreu-se a diferentes solventes.

O rendimento de enxerto dos copolímeros resultantes das diversas reacções foi determinado pelo incremento percentual mássico relativamente ao polímero de partida (quitosano), de acordo com a relação:

Rendimento de enxerto (%) 100 ) ( ) ( ) ( ∗ − = inicial inicilal final polímero m polímero m copolímero m (2.1)

Na Tabela 2.1 é possível encontrar um resumo dos sistemas reaccionais estudados com os respectivos métodos de copolimerização. O procedimento experimental adoptado para cada um deles encontra-se descrito em detalhe nas secções que se seguem.

2.1-3.1 Preparação de copolímeros de enxerto de poli(ácido acrílico) em

quitosano

Para obtenção de copolímeros de enxerto de poli(ácido acrílico) em quitosano (Quitosano-g-pAAc) via copolimerização de enxerto induzida por radiação gama, foram adicionados 0,6 g de quitosano a 20 cm3 de soluções aquosas de ácido acrílico 0,1%, 0,3%

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Tabela 2.1: Sistemas reaccionais definidos e respectivos métodos de copolimerização.

BASE POLIMÉRICA

MONÓMERO SOLVENTE [MONÓMERO] (V/V)

MÉTODO 0,1%

0,3% Ác. Acrílico Água Millipored

0,5%

Irradiação γ

Acetona 10% Iniciação Química Acetona/Água (1/1) 10% Foto-polimerização (UV) 5% 10% Quitosano HEMA Metanol 15% Irradiação γ ou 0,5% V/V (respectivamente 1,46x10-3M, 4,37x10-3M ou 7,29x10-3M)e. As suspensões foram acondicionadas em tubos de pyrex fechados não hermeticamente, purgadas com azoto e expostas à radiação gama (débito de dose, DD, de 0,9 kGy⋅h-1), por diferentes períodos de tempo, à temperatura ambiente. Terminado o tempo de irradiação cada amostra foi mantida em repouso durante 24h num local afastado da luz, de forma a possibilitar a estabilização dos radicais formados durante a irradiação. Após o período de repouso as suspensões foram transferidas para um excesso de água, lavadas e filtradas. Finalmente secaram-se os produtos obtidos a 40 ºC sob vazio (10-3 mbar).

Para melhor compreensão do sistema efectuaram-se ainda ensaios sem adição de monómero.

2.1-3.2 Preparação de copolímeros de enxerto de poli(metacrilato de

2-hidroxietilo) em quitosano

Tal como já anteriormente referido, o sistema reaccional constituido por quitosano e HEMA foi sujeito a vários métodos de copolimerização. Estes métodos incluiram:

d_{A água Millipore utilizada apresenta um grau de purea equivalente a água tridestilada.}

e_{Optou-se pela utilização de soluções de ác. acrílico de tão baixas concentrações porque os primeiros ensaios}

realizados com solução de monómero a 5% conduziram à gelificação do meio (consequência da exposição à radiação), imposibilitando a determinação do grau de enxerto. Por este motivo, foi também utilizado um débito de dose relativamente baixo.

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- Iniciação química, com nitrato de cério e amónio,

- Foto-polimerização induzida por radiação UV, utilizando isopropil tioxantona como foto-iniciador,

- Polimerização induzida por radiação gama.

2.1-3.2.1 Copolimerização por via química

O procedimento experimental relativo à copolimerização por via química encontra-se resumido de forma esquemática na Figura 2.3 e teve como base a realização experimental descrita por Alves da Silva et al [5].

Figura 2.3: Esquema do procedimento experimental utilizado na preparação de copolímeros de

enxerto de poli(HEMA) em quitosano (Quitosano-g-pHEMA), por iniciação química.

A uma quantidade de quitosano rigorosamente conhecida (0,5 g; 500 µm <φ< 800 µm) foi adicionada 30 cm3 de uma solução em acetona contendo metacrilato de 2-hidroxietilo 10% V/V (0,82 M), ácido nítrico 1% m/V (0,16 M) e diferentes concentrações de iniciador químico (nitrato de cério amónio 0,05%, 0,25% ou 1% m/V, respectivamente 9,12x10-4 M, 4,56x10-3_{M ou 1,80x10}-2_M).

Cada um dos sistemas reaccionais atrás referidos foi colocado a 50 ºC, em presença de ar (utilizaram-se rolhas de cortiça para este efeito), durante diferentes intervalos de tempo.

Filtrar/Lavar c/ Metanol 50º C _{0,5 g Quitosano} + 30 cm3_{solução em Acetona} (NH4)2[Ce(NO3)6] HEMA 10% V/V HNO3 1% m/V 200 cm3 Metanol (Deixar em repouso durante a noite) Transferência após 5’, 10’, 15’,20’,25’, 30’, 1h, 2h, 3,5h, 5h e 8h

Secar a 40 ºC sob vazio (10-3

mbar) até peso constante

[Iniciador químico]: 0,05% m/V 0,25% m/V 1% m/V

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Finda a reacção, transferiram-se as suspensões para metanol (200 cm3) e, após repouso durante a noite para dissolver eventual homopolímero, filtraram-se e lavaram-se os sólidos em metanol abundante. Finalmente os produtos obtidos foram secos a 40 ºC sob vazio (10-3 mbar) até peso constante.

De salientar que para cada amostra, cada intervalo de tempo foi estudado em triplicado e realizado um ensaio em branco (sem monómero). Foi ainda realizado um ensaio sem quitosano (concentração de iniciador químico 1% m/V), para obtenção de poli(HEMA).

2.1-3.2.2 Copolimerização induzida por radiação UV

No caso da copolimerização induzida por radiação UV, o procedimento experimental encontra-se esquematizado na Figura 2.4, tendo sido adaptado de Alves da Silva et al [6].

Figura 2.4: Esquema do procedimento experimental utilizado na preparação de copolímeros

Quitosano-g-pHEMA por foto-polimerização.

Utilizou-se como solvente uma solução de acetona/água (1:1), e como foto-activador a isopropil tioxantona, ITX, (10% mfoto-iniciador/mquitosano). Para que a solução contendo o foto- -activador permanecesse física e quimicamente estável até ser foto-excitada, foi necessário dissolver previamente o foto-activador apenas em acetona, e em seguida adicionada a água. O quitosano (0,5 g) foi então tratado com 100 cm3 de solução de composição 10% (V/V) em HEMA numa solução de foto-activador.

0,5 g Quitosano + 100 cm3_{solução em água/Acetona}

ITX 10% m/mquitosano HEMA 10% V/V Transferência após 5’, 10’, 15’,20’,25’, 30’, 1h, 2h, 3,5h, 5h e 8h 200 cm3 Metanol (Deixar em repouso durante a noite) Filtrar/Lavar c/ Metanol Secar a 40 ºC sob vazio (10-3

mbar) até peso constante

l â m p a d a U V H2O

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Após vários tempos de irradiação em presença de ar, as suspensões foram transferidas para metanol (200 cm3_{), onde permaneceram por algumas horas. Por fim os copolímeros} obtidos foram filtrados e lavados (com metanol), e secos a 40 ºC sob vazio (10-3_mbar).

2.1-3.2.3 Copolimerização induzida por radiação gama

Na copolimerização induzida por radiação gama, as amostras de quitosano (0,6 g) foram tratadas com 20 cm3 de uma solução contendo metacrilato de 2-hidroxietilo em metanol (5%, 10% ou 15% V/V, respectivamente 0,41M, 0,82M ou 1,23M) e acondicionadas em tubos de pyrex, fechados não hermeticamente. Seguidamente cada sistema reacional atrás referido foi purgado com azoto e exposto à radiação gama (débito de dose de 3,8 kGy⋅h-1 ou 7,4 kGy⋅h-1) por diferentes períodos de tempo, à temperatura ambiente.

Terminado o tempo de irradiação cada amostra foi mantida em repouso durante 24h num local afastado da luz, de forma a possibilitar a estabilização dos radicais formados durante a irradiação. Após o período de repouso, as suspensões foram transferidas para um excesso de metanol. Para assegurar a remoção de homopolímero das amostras copoliméricas obtidas procedeu-se ainda à extracção sólido-líquido em soxhlet, com metanol, durante 6 horas. Finalmente secaram-se os produtos obtidos a 40 ºC sob vazio (10-3 mbar) até peso constante. Cada intervalo de tempo foi estudado em triplicado.

Relativamente a estas irradiações, optou-se por se desprezar o gradiente de dose entre a parte da frente da amostra, voltada directamente para o irradiador, e a parte de trás, mais afastada do irradiador.

Este procedimento teve como base o facto de a reacção decorrer em metanol (bom solvente do monómero utlizado, HEMA, o que possibilita uma boa mobilidade dos radicais livres formados através de toda a massa do polímero base, quitosano), e de terem sido utilizados tempos de exposição relativamente baixos (12 horas no máximo)f.

Para avaliar o comportamento do quitosano face à radiação γ nas condições acima descritas e para o débito de dose mais elevado (situação mais desfavorável uma vez que o quitosano é um polímero do tipo degradativo), para cada intervalo de tempo de exposição à

f_{Ensaios preliminares com 30 e 40h de irradiação, evidenciaram um ligeiro aumento da viscosidade das}

soluções e, consequentemente, a necessidade de rodar as amostras a metade do tempo total de exposição à radiação por forma a assegurar uma distribuição de dose mais uniforme por toda a amostra.

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radiação realizado com monómero, foi realizado um ensaio em branco (sem adição de HEMA) em triplicado. Após irradiação cada amostra foi simplesmente filtrada e seca a 40 ºC sob vazio (10-3_mbar).

2.1-4 Espectroscopia de infravermelho

A espectroscopia de infravermelho é uma técnica que pode ser utilizada para identificar um composto ou investigar a composição de uma amostra de uma forma relativamente fácil e rápida, e que se baseia no facto de que as ligações químicas das substâncias possuirem frequências de vibração específicas [7]. Deste modo, amostras dos sistemas poliméricos em estudo, desde o polímero base, passando pelo quitosano modificado e até mesmo por soluções de lavagem, foram analisadas por Espectroscopia de Infravermelho com Transformada de Fourier (FTIR).

Os referidos espectros foram obtidos num espectrofotómetro da PERKIN ELMER Série 1600, em discos de KBr. Todos os espectros representam a acumulação de 16 varrimentos à temperatura ambiente e com uma resolução de 4 cm-1.

2.1-5 Análise térmica

2.1-5.1 Calorimetria diferencial de varrimento

Os ensaios de Calorimetria Diferencial de Varrimento (DSC), para estudo do comportamento térmico dos sistemas poliméricos em estudo, foram realizados num equipamento da TA INSTRUMENTS (910 DSC). As amostras, de peso compreendido entre 3 e 4 mg, foram sujeitas a um regime de aquecimento de 10 ºC⋅min-1 em atmosfera de azoto (50 cm3⋅min-1), para determinação da temperatura de fusão e respectiva entalpia específica.

2.1-5.2 Termogravimetria

As propriedades térmicas dos sistemas poliméricos em estudo foram ainda avaliadas por Análise Termogravimétrica (TGA). Estes ensaios foram realizados numa balança termogravimétrica, a 951 TGA da TA INSTRUMENTS, em atmosfera de azoto

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(50 cm3_⋅min-1_{) sob um regime de aquecimento de 10 ºC⋅min}-1_{na região de temperaturas de} 30 até 500 ºC.

2.1-6 Testes de solubilidade

Relativamente ao sistema reaccional Quitosano/HEMA foram efectuados testes de solubilidade, tendo sido analisadas amostras de quitosano, de poli(HEMA) e de algumas amostras copoliméricas com diferentes rendimentos de enxerto (4,6%, 57,6% e 178,8%). A totalidade das amostras copoliméricas em estudo nesta secção, foram obtidas a partir de uma concentração inicial de HEMA de 10 % V/V e de débito de dose de 3,8 kGy⋅h-1.

Os testes de solubilidade realizados envolveram alguns dos solventes mais comuns em manipulações envolvendo quitosano e envolvendo HEMA. Assim, foram utilizados solventes como ácido acético, ácido sulfúrico e ácido fórmico, e algumas misturas de metanol/ácido acético. Para a realização destes testes, pequenas quantidades das amostras (0,01 g) foram colocadas em 10 cm3 de cada um dos solventes, tendo sido continuamente agitadas à temperatura ambiente por um período de 7 dias.

2.1-7 Ensaios microbiológicos

Com o objectivo de verificar se as propriedades antimicrobiológicas associadas ao quitosano se mantinham após este ser submetido a diferentes métodos de copolimerização, amostras de polímero base (quitosano, 500 µm <φ< 800 µm) e de copolímeros de enxerto Quitosano-g-poli(HEMA) foram incorporadas em meio sólido de cultura microbiológica, TSA (Tryptic Soy Agar).

As amostras copoliméricas foram obtidas por polimerização química (concentração de iniciador de 1% m/V) e por polimerização induzida por radiação gama (débito de dose de 3,8 kGy⋅h-1_{). Ambos os conjuntos de amostras de Quitosano-g-poli(HEMA) foram obtidos a} partir de uma concentração inicial de monómero de 10 % V/V.

O procedimento microbiológico realizado pretendeu assegurar que os grânulos constituintes das amostras ficassem completamente submersos e rodeados de meio em toda a sua extensão. Assim, prepararam-se placas de Petri com um reduzido volume de TSA esterilizado no estado líquido, o qual foi deixado solidificar. De seguida, a cada placa foi

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adicionada uma quantidade da amostra seleccionada e, por fim, completou-se o volume adicionando mais meio líquido. Depois de o meio se encontrar completamente solidificado, as placas com as amostras foram incubadas a 30 ºC durante 5 dias em atmosfera aeróbia.

2.1-8 Outras técnicas

A Ressonância Magnética Nuclear de protão (1_{H RMN) tem sido referida como um bom} método para a caracterização de polímeros [8].

No presente caso pretendia-se caracterizar o líquido sobrenadante das reacções de copolimerização de modo a quantificar a presença de HEMA sob a forma de homopolímero após exposição à radiação γ. Para isso isolou-se por filtração o líquido sobrenadante das amostras irradiadas e evaporou-se a 60 ºC para remover o solvente. A amostra residual foi dissolvida em metanol deuterado.

Para completar a caracterização das amostras copoliméricas sob a forma de grânulos tentou-se ainda determinar o peso molecular das cadeias enxertadas no sistema Quitosano/HEMA. Para isso tentou-se à espectrometria de massa tendo-se recorrido à técnica de MALDI (Matrix Assisted Laser Desorption/Ionization) para ionização da amostra.

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RESULTADOS EXPERIMENTAIS E DISCUSSÃO

2.2 RESULTADOS EXPERIMENTAIS E DISCUSSÃO

2.2-1 Modificação química do quitosano em meio heterogéneo

As modificações químicas realizadas tiveram por objectivo a introdução de novos grupos funcionais na estrutura do quitosano por forma a permitir eventuais alterações na sua solubilidade e, consequentemente, facilitar a sua manipulação. No entanro, ambos os procedimentos realizados, reacção com anidrido maleico e reacção com fenilisocianato (descritos anteriormente na secção 2.1-2), revelaram-se inconclusivos quanto a este objectivo.

A modificação do quitosano por reacção com anidrido maleico conduziu à obtenção de grânulos que, depois de secos, mantiveram a ligeira coloração amarela adquirida durante a reacção. Contudo, devido à dificuldade em se obter espectros com boas características de resolução, a análise por FTIR das partículas mostrou-se inconclusiva relativamente à introdução de ligações duplas na estrutra do quitosano (os grânulos obtidos revelaram-se extremamente rígidos o que terá dificultado uma adequada homogeneização com o KBr).

Relativamente à reacção com fenilisocianato, a adição de todos os reagentes deu origem a uma mistura heterógenea incolor que com o decorrer da reacção passou a apresentar uma coloração alaranjada. Terminado o tempo de reacção os grânulos obtidos foram filtrados, tendo-se verificado ainda a sua insolubilidade em acetona.

Tal como aconteceu no processo de derivatização, a utilização da técnica de FTIR para caracterizar os grânulos resultantes da reacção com fenilisocianato, através da presença de picos característicos do grupo vinílico e de picos característicos do anel benzénico proveniente do fenilisocianato, mostrou-se inconclusiva.

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Em consequência dos resultados pouco esclarecedores obtidos com o quitosano em meio heterogéneo, quer no que diz respeito ao comportamento do polímero em reacções características de grupos funcionais específicos supostamente introduzidos na sua estrutura, quer no que diz respeito à sua análise por espectroscopia de FTIR, optou-se por abandonar a modificação química em tais condições e explorar outras vias de trabalho.

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RESULTADOS EXPERIMENTAIS E DISCUSSÃO

2.2-2 Copolimerização de enxerto de ácido acrílico em quitosano

Um dos procedimentos efectuados no decurso deste trabalho foi a modificação de quitosano em meio heterogéneo com ácido acrílico (AAc), por copolimerização de enxerto induzida por radiação gama.

Na tentativa de melhor compreender o sistema em estudo e, consequentemente, identificar as condições experimentais de copolimerização que melhor adequam as amostras ao fim pretendido, começou-se por estudar a influência da concentração de monómero e da dose de radiação absorvida nas propriedades fisico-químicas dos materiais obtidos.

2.2-2.1 Efeito da concentração de monómero e da dose de radiação

γγγγ

No caso particular do sistema reaccional Quitosano/AAc em meio heterogéneo, as condições experimentais, em termos de concentração inicial da solução de ácido acrílico e em termos de dose total recebida, revelaram-se de particular importância.

Os resultados obtidos mostram que para soluções de concentração em AAc superiores a 0,5% V/V e para doses absorvidas superiores a 5 kGy, ocorre gelificação da solução de monómero. Este facto, que impossibilita a determinação do rendimento de enxerto (impossibilita a difusão do monómero através da solução e promove o aprisionamento dos grânulos) impede, consequentemente, a obtenção de curvas “rendimento de enxerto vs tempo” com um perfil cinético bem definido.

A sistematização dos resultados referentes à variação do rendimento de enxerto em função da concentração de monómero (AAc) e em função da dose absorvida, conduziu à representação gráfica apresentada na Figura 2.5.

Apesar das dificuldades encontradas verifica-se que, dentro dos intervalos de valores atrás referidos (concentração de AAc e dose absorvida), para a mesma concentração inicial de monómero, o rendimento de enxerto aumenta com a dose de radiação γ absorvida. No entanto, a diferença entre os valores de rendimento de enxerto registados para as diferentes doses absorvidas, diminui com o aumento da concentração inicial de AAc (4,99; 2,06 e 0,01 respectivamente para concentrações iniciais de 0,1; 0,3 e 0,5%V/V). Estes resultados sugerem que, quando em presença de uma maior quantidade inicial de AAc, i.e., em presença de uma maior quantidade inicial de monómero disponível para reacção, a dose de radiação γ absorvida promoverá não só a polimerização/reticulação do sistema reaccional,

(20)

CAPÍTULO 2-AMOSTRAS GRANULOSAS 42 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 [Ác. Acrílico] (% V/V ) R en d im en to d e e n xe rt o ( % ) 1kGy 5kGy

Figura 2.5: Influência da dose de radiação absorvida e da concentração de monómero no

rendimento de enxerto do sistema reaccional Quitosano/AAc (DD= 0,9 kGy⋅h-1).

como também um eventual aprisionamento de algumas unidades monoméricas na malha copolimérica em formação.

Paralelamente, e no que diz respeito à influência da concentração inicial de AAc, observa-se que para o mesmo valor de dose absorvida, um aumento da concentração de monómero se traduz por um aumento do rendimento de enxerto da amostra.

Relativamente aos valores observados para os ensaios em branco (sem adição de monómero), embora não correspondam a uma reacção de enxerto, traduzem o comportamento degradativo predominante do polissacarídeo quando exposto à radiação ionizante. Os valores apresentados resultaram do tratamento de dados obtidos em condições experimentais idênticas às de obtenção das amostras copoliméricas, com a excepção de a solução aquosa de ácido acrílico ter sido substituida apenas por àgua, de acordo com relação análoga à da determinação do rendimento de enxerto:

Rendimento da reacção (%) = 100 ) ( ) ( ) ( ∗ − inicial inicilal final polímero m polímero m polímero m (2.2)

O comportamento degradativo atrás referido, que no presente caso se traduziu pela diminiução da massa de quitosano após exposição à radiação, resulta da diminuição do peso molecular do polímero e da formação de pequenos fragmentos causada pela predominância de processos de cisão das cadeias poliméricas [9-11]. Verifica-se contudo que,

[Ác. Acrílico]i (% V/V) R en d im en to d e en xe rt o (% ) DD=0,9 kGy⋅h-1

(21)

RESULTADOS EXPERIMENTAIS E DISCUSSÃO contrariamente ao que se poderia pensar, no caso da amostra exposta à maior dose de radiação em estudo, 5 kGy, o decréscimo de massa não é tão acentuado como o observado para a amostra exposta apenas a 1 kGy. Este facto será devido, provavelmente, à ocorrência simultanêa de um maior número de processos de reticulação entre algumas das cadeias fragmentadas, apesar de se manter a predominância da clivagem da cadeia principal.

2.2-2.2 Análise térmica - Calorimetria diferencial de varrimento

A análise térmica por calorimetria diferencial de varrimento (DSC) conduziu à obtenção de termogramas com pico endotérmico coadunável com a temperatura de fusão das várias amostras estudadas como ilustrado, por exemplo, nas Figura 2.6 e Figura 2.7.

A análise dos termogramas obtidos permitiu determinar não só a temperatura de fusão (Tf) da amostra em estudo, como também a entalpia associada à modificação ocorrida, designada por entalpia de fusão (∆Hf), por determinação da área de cada pico após subtracção de uma linha de base adequada. Esta entalpia está relacionada com a energia necessária para quebrar as ligações intermoleculares e, deste modo, pode ser usada como uma medida da cristalinidade do material. Assim, cadeias poliméricas mais ordenadas possuem ligações intermoleculares mais fortes e, consequentemente, maiores entalpias de fusão.

Figura 2.6: Termograma de DSC de quitosano não modificado (500 µm <φ < 800 µm). Temperatura (ºC) 400 300 100 0 200 500 -2,0 -1,0 0,0 1,5 1,0 F lu x o d e c a lo r (W /g ) 0,5 -0,5 199,91 ºC 179,69 ºC 73,00 J/g Endotérmico

(22)

44

Figura 2.7: Termograma de DSC da amostra copolimérica Quitosano-g-pAAc com 0,3% de

enxerto ([AAc]i=0,1% V/V; Dabs=1 kGy; DD=0,9 kGy⋅h -1

).

Para uma melhor interpretação dos dados obtidos, procedeu-se à representação gráfica dos valores de Tf e ∆Hf em função da concentração inicial de monómero e em função da dose de radiação absorvida. Os resultados encontram-se sistematizados na Figura 2.8 e na Figura 2.9, respectivamente.

Da observação da Figura 2.8 verifica-se que, para o mesmo valor de dose absorvida (neste caso 1 kGy), a introdução de uma pequena quantidade de AAc no sistema reaccional começa por provocar uma diminuição da Tf e um aumento da ∆Hf do copolímero obtido, relativamente à temperatura e entalpia de fusão da matriz polimérica. Posteriormente, o aumento da concentração de AAc, a que corresponde um aumento do rendimento de enxerto, conduz a um aumento da Tf, até um valor ligeiramente acima do observado para o quitosano, surgindo associado a uma redução da ∆Hf.

Assim, os resultados obtidos sugerem que o enxerto de uma pequena quantidade de poli(AAc) na matriz polimérica de quitosano origina o aparecimento de algumas zonas mais ordenadas, que se manifesta pelo aumento da ∆Hf em relação ao observado apenas para quitosano irradiado em condições idênticas. No entanto, com o aumento da concentração de AAc disponível no início da reacção, a absorção de radiação γ acaba por conduzir a maiores rendimentos de enxerto com possibilidade de um maior número de reticulações, o que se traduz por um aumento da Tf dos copolímeros obtidos até um valor ligeiramente acima (185,5 ºC) do observado para o polímero base mesmo não irradiado (179,7 ºC).

Temperatura (ºC) 400 300 100 0 200 500 130,37 ºC 94,87 ºC 159,60 J/g Endotérmico -2,0 -1,0 0,0 2,0 1,0 F lu x o d e c a lo r (W /g ) Endotérmico 130,37 ºC 94,87 ºC 159,60 J/g

(23)

RESULTADOS EXPERIMENTAIS E DISCUSSÃO 0 25 50 75 100 125 150 175 200 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 [Ác. Acrílico] (% V/V ) Tf ( º C ) 0 25 50 75 100 125 150 175 200 ∆ ∆ ∆ ∆ Hf ( J .g -1 )

Figura 2.8: Variação da temperatura de fusão (Tf - ) e da entalpia de fusão (∆Hf - ) com a

concentração de ácido acrílico em amostras granulosas de copolímero Quitosano-g-pAAc.

0 25 50 75 100 125 150 175 200 0 1 2 3 4 5 6

Dose absorvida (kGy)

Tf ( º C ) 0 25 50 75 100 125 150 175 200 ∆ ∆ ∆ ∆ Hf ( J .g -1 )

Figura 2.9: Variação da temperatura de fusão (Tf - ) e da entalpia de fusão (∆Hf - ) com a

dose de radiação γ em amostras granulosas de Quitosano-g-pAAc preparadas a partir de [AAc]i=0,1% V/V (DD= 0,9 kGy⋅h

-1

).

Paralelamente, o aumento do rendimento de enxerto sobre o quitosano conduz a estruturas mais desordenadas que a estrutura inicial do quitosano motivo pelo qual se observa uma diminuição das entalpias de fusão destes copolímeros com o aumento da concentração inicial de monómero.

1 kGy

(24)

46

Relativamente à variação da temperatura de fusão e respectiva entalpia em função da dose absorvida (Figura 2.9), verifica-se que os sistemas estudados apresentam um comportamento análogo ao descrito anteriormente. Ou seja, um aumento da dose de radiação γ absorvida pelo sistema reaccional Quitosano/AAc conduz a um aumento do rendimento de enxerto devido ao maior número de radicais livres formados e consequente polimerização do AAc. Deste modo, apesar do comportamento degradativo do quitosano quando exposto isoladamente à radiação ionizante, o enxerto crescente sobre a matriz passa a funcionar como um escudo protector da mesma, de que resulta um aumento da temperatura de fusão acompanhado pela diminuição da entalpia específica do novo material, devido à perda de organização molecular.

2.2-2.3 Espectroscopia de infravermelho

Alguns dos resultados obtidos pela técnica de infravermelho com transformada de Fourier (FTIR) encontram-se resumidos na Figura 2.10. A figura mostra os espectros de FTIR de amostras de quitosano antes e após a reacção de copolimerização de enxetro por irradiação gama com ácido acrílico, nas condições experimentais em que se observou um maior rendimento de enxerto ([AAc]i=0,5% V/V; Dabs=5 kGy).

Figura 2.10: Espectro de FTIR de quitosano não irradiado e da amostra copolimérica

Quitosano-g-pAAc com 6,1% de enxerto ([AAc]i=0,5% V/V; Dabs=5 kGy).

Quitosano

Quitosano-g-pAAc

Comprimento de onda (cm-1)

4000 3000 2000 1000

(25)

RESULTADOS EXPERIMENTAIS E DISCUSSÃO Ambos os espectros apresentam bandas idênticas que correspondem às frequências de vibração características dos grupos atómicos constituintes do quitosano. O aparecimento ou desaparecimento de novas bandas indica a ocorrência de modificações estruturais resultantes da introdução de novos grupos devido à reacção de enxerto.

No espectro de quitosano pode-se observar uma forte banda de absorção a 3422 cm-1 devido à deformação axial dos grupos O–H e N–H e ao elongamento das ligações intermoleculares de hidrogénio. Exibe ainda uma banda característica na região dos 1150-980 cm-1 devido ao elongamento C–O–C da ligação glicosídica.

Comparativamente, o espectro de Quitosano-g-pAAc na região dos 3500-2940 cm-1 apresenta uma banda bastante larga característica dos poli(ácidos acrílicos) que poderá ser devida ao elongamento do hidrogénio intermolecular ligado ao grupo carboxílico. O espectro da amostra copolimérica regista ainda picos a 1600-1540 cm-1 e perto dos 1400 cm-1, indicadores da presença do grupo não protonado –COO- (modos de estiramento anti-simétrico e simétrico) [7]. Estes resultados permitem confirmar a ocorrência de enxerto de poli(ácido acrílico) sobre o quitosano, sugerindo ainda que o grupo carboxílico poderá estar parcialmente dissociado sob a forma do anião –COO-.

No que diz respeito ao sistema reaccional Quitosano/Ácido Acrílico, as dificuldades sentidas na obtenção de amostras copoliméricas por irradiação gama (devido à gelificação do AAc para doses e concentrações relativamente baixas), constituem não só um entrave à melhor compreensão dos mecanismos envolvidos, como também impossibilitam que se possa falar em condições experimentais óptimas relativas ao processo (heterogéneo) de copolimerização. Estas dificuldades levaram a que se optasse por outro sistema reaccional de base quitosano, que se passa a apresentar na secção seguinte.

(26)

48

2.2-3 Copolimerização de enxerto de metacrilato de 2-hidroxietilo em

quitosano

O trabalho experimental desenvolvido com o sistema reaccional Quitosano/HEMA em meio heterogéneo, permitiu a obtenção de amostras copoliméricas sob a forma de grânulos por aplicação de diferentes métodos.

Os resultados obtidos, tanto em termos de rendimento de enxerto como em termos de caracterização físico-química das amostras atrás referidas, encontram-se sistematizados ao longo da presente secção.

É de salientar ainda que, por forma a averiguar e a assegurar a reprodutibilidade desses mesmos resultados, nas representações relativas ao rendimento de enxerto, cada valor representado graficamente traduz a média de três ensaios efectuados independentemente. Notar também que a barra de erro associada a cada ponto corresponde ao desvio padrão obtido para cada tempo de reacção. A única excepção diz respeito à foto-polimerização, onde apenas foi realizado um ensaio para cada tempo de reacção.

2.2-3.1 Efeito do método de copolimerização

As cinéticas de copolimerização de enxerto relativas ao sistema reaccional Quitosano/HEMA (com [HEMA]i=10% V/V) obtidas pelos diferentes métodos já descritos,

encontram-se representadas na Figura 2.11. Os dados dizem respeito a uma concentração de iniciador químico de 1% m/V na copolimerização química, uma concentração de foto- -activador de 10% m/m na reacção foto-induzida e a um débito de dose de 7,4 kGy⋅h-1 para a polimerização induzida por radiação gama.

Da observação da referida figura verifica-se que o sistema modificado por exposição à radiação gama, apresenta valores de enxerto significativamente superiores aos obtidos por exposição à radiação UV e por via química (para as mesmas condições de concentração de HEMA e tempo de reacção). De salientar no entanto que, apesar da grande diferença observada entre o rendimento de enxerto obtido com a polimerização química e o obtido com a polimerização induzida por radiação γ, os valores da concentração de iniciador químico e do débito de dose aqui representados, foram seleccionados de modo a minimizar essa diferença (i.e., foi escolhida a concentração de iniciador químico que conduziu a

(27)

RESULTADOS EXPERIMENTAIS E DISCUSSÃO melhores rendimentos de enxerto na polimerização química, e o débito de dose que conduziu a rendimentos de enxerto mais baixos na polimerização induzida por radiação γ).

0 20 40 60 80 100 0 2 4 6 8 Tempo de reacção (h) R en d im en to d e E n xe rt o (% )

Polim. Química Rad. UV Rad. Gama

Figura 2.11: Variação do rendimento de enxerto com o tempo de reacção para diferentes

métodos de polimerização (iniciador químico (1% m/V), foto-iniciador (10% m/m) com UV e radiação γ (DD=7,4 kGy⋅h-1)); [HEMA]i=10% V/V.

Observa-se ainda que, para os vários métodos analisados, o rendimento de enxerto aumenta com o tempo de reacção até um valor máximo a partir do qual se atinge um patamar. No caso da polimerização química este foi atingido após 2 horas de reacção, na polimerização foto-induzida após 4 horas e na polimerização induzida por radiação gama, o patamar foi atingido após 3 horas de reacção.

Como já anteriormente mencionado, todos os três métodos de copolimerização utilizados, são métodos de polimerização radicalar. Estes métodos envolvem a formação de radicais e centros activos na matriz polimérica, que se tornam os pontos de iniciação das cadeias laterais de monómero [6, 12, 13].

No entanto, quando se utiliza a radiação gama como fonte de iniciação do processo de copolimerização de enxerto, a energia depositada por unidade de tempo é muito superior à dos restantes métodos mencionados. Para além disso, e devido à natureza da própria radiação gama, o seu poder de penetração é também muito superior. Deste modo consegue- -se obter uma activação uniforme do sistema, que se traduz por maiores rendimentos de

Tempo de reacção (h) R en d im en to d e en xe rt o (% ) [HEMA]i=10% V/V

(28)

50

enxerto mesmo a temperaturas mais baixas, constituindo assim uma vantagem relativamente aos outros métodos.

A partir dos resultados obtidos na Figura 2.11, determinou-se a variação da velocidade média da reacção de copolimerização de enxerto de HEMA sobre o quitosano, por polimerização por via química e por polimerização induzida por radiação gama. Para isso, em vez de se utilizar o rendimento de enxerto traduzido em percentagem, considerou-se o rendimento de enxerto traduzido em número de moles de monómero enxertado por unidade de volume do sistema reaccional, de acordo com a expressão:

Rendimento de enxerto (mol HEMAenxertado⋅dm-3) = ∗1000

+ x V HEMA mol monómero de solução enxertado _(2.3₎

onde x é o volume de quitosano utilizado em cada ensaio (calculado a partir da massa utilizada e da densidade do quitosano determinada experimentalmente, 0,225 g⋅cm-3_{). Esta} aproximação supõe contudo que os volumes de quitosano, solvente e HEMA podem ser tratados aditivamente [14].

A velocidade média da reacção no intervalo de tempo [a, b], foi então calculada de acordo com a relação 2.4, encontrando-se os resultados obtidos apresentados na Figura 2.12.

[ ] a b a enxerto b enxerto reacção da média Velocidade _a_b − − = ( ) ( ) , (2.4) y = 0,0769x-1,2894 R2 = 0,9415 y = 0,0046x-0,8796 R2_{= 0,9467} -0,05 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0 1 2 3 4 5 6 Tempo de reacção (h) V el o ci d ad e m éd ia ( m o l.d m -3 .h -1 )

Polim. quím. Rad. Gama

Figura 2.12: Variação da velocidade média da copolimerização de enxerto de HEMA em

quitosano induzida por radiação γ, e por polimerização química (DD=7,4 kGy⋅h-1, iniciador químico 1% m/V; [HEMA]i=10% V/V). Tempo de reacção (h) V el o ci d ad e m éd ia ( m o l⋅⋅⋅⋅d m -3 ⋅⋅⋅⋅h -1 )

(29)

RESULTADOS EXPERIMENTAIS E DISCUSSÃO A figura anterior evidencia a grande diferença existente entre as velocidades iniciais da reacção de copolimerização do sistema reaccional Quitosano/HEMA induzida por iniciador químico e as da reacção induzida por radiação gama.

É igualmente visível um período de indução inicial para a reacção induzida por radiação (com velocidades baixas) após o qual ocorre um súbito aumento seguido de um rápido decréscimo que atinge valores muito baixos a partir de 1-2 horas de reacção. Se se desprezar os pontos iniciais correpondentes ao período de indução (também observado na Figura 2.11 e relacionado com o tempo que as espécies demoram a ser activadas e sua acessibilidade), os pontos experimentais são facilmente ajustados através de uma função do tipo b

x a y= ∗ (r2=0,94; ₀_,₀₇₆₉ −1,289 ∗ = tempodereacção média

velocidade ). Esta ordem de magnitude

é consistente com o tempo necessário para se atingir o patamar (vd. Figura 2.11). Já o aparecimento de um valor de velocidade negativa tem a ver com a forma como a mesma foi calculada

(

Enxerto2 −Enxerto1

) (

t2 −t1

)

.

Nas secções seguintes analisar-se-á em maior detalhe os resultados obtidos pelos vários métodos de copolimerização.

2.2-3.2 Copolimerização por via química - Efeito da concentração do

iniciador químico

Para avaliar o efeito da concentração de iniciador químico no rendimento de enxerto da reacção de copolimerização, foram utlizadas três concentrações de nitrato de cério e amónio (IV): 0,05%, 0,25% e 1% m/V, para uma concentração inicial de HEMA de 10% V/V.

Os resultados obtidos (vd. Figura 2.13) mostram que não existe grande diferença no

comportamento das cinéticas de rendimento de enxerto com a concentração de iniciador. Verifica-se ainda que o valor máximo de enxerto varia entre 16 e 20%. Assim, para a gama de valores analisada não se encontra uma relação clara entre o rendimento de enxerto e a concentração de iniciador químico.

O ião cérico (Ce4+) é um iniciador redox forte capaz oxidar o quitosano, com a consequente formação de um radical livre no anel de piranose [12]. Assim, seria de esperar

(30)

CAPÍTULO 2-AMOSTRAS GRANULOSAS 52 0 5 10 15 20 25 0 1 2 3 4 5 Tempo de reacção(h) R en d im en to d e en xe rt o ( % ) 0,05% m/V 0,25% m/V 1% m/V

Figura 2.13: Variação do rendimento de enxerto com o tempo de reacção para diferentes

concentrações de iniciador químico ([HEMA]i=10% V/V; n=3).

que um aumento da concentração de iões Ce4+_{criasse mais centros activos no sistema em} estudo. Contudo, uma maior quantidade de Ce4+ pode também promover o aumento da reacção de homopolimerização. Deste modo, para melhor compreender o comportamento da reacção de enxerto de HEMA na base polimérica de quitosano recorrendo à iniciação química e determinar uma eventual concentração óptima de Ce 4+, seria necessário mais estudos. No entanto, como o método de copolimerização por via química não foi o que apresentou melhores rendimentos de enxerto, optou-se por não dar seguimento à realização de estudos complementares para este método, tendo sido dada então particular atenção à copolimerização induzida por radiação gama.

2.2-3.3 Copolimerização induzida por radiação γ - Efeito da concentração

inicial de monómero

O efeito da concentração de monómero no rendimento de enxerto foi avaliado para a reacção de copolimerização de HEMA em quitosano induzida por radiação γ, com as três concentrações de monómero já anteriormente mencionadas (5, 10 e 15% V/V). Este estudo

foi realizado de forma independente para dois débitos de dose (3,8 kGy⋅h-1 e 7,4 kGy⋅h-1) e Tempo de reacção (h) R en d im en to d e en xe rt o (% ) [HEMA]i=10% V/V

(31)

RESULTADOS EXPERIMENTAIS E DISCUSSÃO os resultados obtidos encontram-se representados graficamente na Figura 2.14 e na Figura 2.15. 0 40 80 120 160 0 1 2 3 4 5 6 R en d im en to d e en xe rt o ( (% )

Figura 2.14: Efeito da concentração inicial de monómero na reacção de enxerto de HEMA

em quitosano induzida por radiação γ. As duas escalas (tempo e dose) são apresentadas por forma a mostrar a equivalência entre as duas grandezas quando o débito de dose é mantido constante (DD=7,4 kGy⋅h-1; número de ensaios, n=3).

0 50 100 150 200 250 0 2 4 6 8 10 12 Tempo de reacção (h) R en d im en to E n xe rt o / %

HEMA 5% V/V HEMA 10% V/V HEMA 15% V/V

Figura 2.15: Efeito da concentração inicial de monómero na reacção de enxerto de HEMA

em quitosano induzida por radiação γ (DD= 3,8 kGy⋅h-1; n=3).

Dose absorvida (kGy) Tempo de reacção (h) R en d im en to d e en xe rt o (% ) 0 10 20 30 40 50

Dose absorvida (kGy) Tempo de irradiação (h) R en d im en to d e en xe rt o (% ) 0 10 20 30 40 50

DD= 3,8 kGy⋅h-1 DD= 7,4 kGy⋅h-1

(32)

54

Os resultados apresentados mostram que de forma geral, para um valor de débito de dose constante, o rendimento de enxerto aumenta com a concentração inicial de monómero. Porém, para a gama de valores analisados, os resultados referentes ao débito de dose mais elevado, 7,4 kGy⋅h-1, são os que evidenciam um comportamento mais acentuado nesse sentido. Relativamente à diferença de percentagens de enxerto observada entre os dois débitos de dose, esta será oportunamente discutida na secção 2.2-3.4.

Uma forma de avaliar esta situação pode ser através da análise dos valores da eficiência de enxerto das reacções de copolimerização, que está relacionada com a concentração inicial de monómero de acordo com a relação:

100 ) ( ) ( (%)= ∗ inicial enxertado monómero m monómero m enxerto de Eficiência (2.5)

No caso particular do sistema reaccional Quitosano/HEMA em estudo, os valores de eficiência de enxerto quando sujeito a diferentes débitos de dose, encontram-se resumidos na Tabela 2.2. Os valores apresentados correspondem ao valor médio dos três últimos pontos do estado estacionário observado para cada concentração e débito de dose.

Tabela 2.2: Eficiência de enxerto do sistema reaccional Quitosano/HEMA quando sujeito a

diferentes débitos de dose, partindo de diferentes valores de concentração de monómero.

Eficiência de enxerto Débito de dose

[HEMA]i =5% (V/V) [HEMA]i =10% (V/V) [HEMA]i =15% (V/V)

3,8 kGy⋅h-1 47% 45% 30%

7,4 kGy⋅h-1 _38% _23% _21%

Os valores obtidos mostram que a eficiência de enxerto diminui com o aumento da concentração de monómero, e com o aumento do débito de dose. Estes resultados sugerem assim a formação de uma maior quantidade de homopolímero e/ou maior quantidade de monómero por reagir em tais condições. No entanto, embora não se tenha quantificado nenhuma destas espécies remanescentes em solução, foi possível determinar qualitativamente a maior ou menor formação de homopolímero através de duas técnicas:

(33)

RESULTADOS EXPERIMENTAIS E DISCUSSÃO i) por FTIR – a Figura 2.16 mostra dois espectros de FTIR de soluções sobrenadantes após irradiação do sistema reaccional Quitosano/HEMA, nos quais é visível o aparecimento e contínuo aumento de um pico perto de 1740 cm-1_{(devido ao elongamento da ligação} C=O), característico dos ésteres e polímeros acrílicos, com o aumento da concentração inicial de monómero e de débito de dose;

ii) por adição de água a uma pequena quantidade da “solução sobrenadante” após irradiação – a adição de água fria a soluções de poli(HEMA) em metanol provoca a rápida precipitação deste homopolímero insolúvel em água, facilmente identificável devido ao aparecimento de turbidez branca mais ou menos intensa, consoante a maior ou menor quantidade de poli(HEMA) em solução.

A informação obtida em ambas as técnicas mostrou que a presença de homopolímero foi sobretudo maior no sistema com maior concentração de monómero, e que aumentou com a dose absorvida e com o débito de dose. Mais, estes dados encontram-se de acordo com os resultados obtidos e com a informação disponível na literatura [14].

4400,0 4000 3600 3200 2800 2400 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400,0

cm-1 %T

Figura 2.16: Espectro de FTIR do solvente metanol, do homopolímero (pHEMA) e de duas

soluções sobrenadantes obtidas após irradiação do sistema Quitosano/HEMA em diferentes condições experimentais ([HEMA]i=5% V/V ⇒ 0,8 kGy⋅h

-1

; [HEMA]i=15% V/V ⇒ 8 kGy⋅h -1

).

Ainda na Figura 2.14 e Figura 2.15, a observação de um patamar a partir de determinado tempo de irradiação para as três concentrações de HEMA pode também ser explicado em

Metanol poli(HEMA) [HEMA]i=5% V/V [HEMA]i=15% V/V 4000 2800 1800 1000 400 Comprimento de onda (cm-1) T (%)

(34)

56

termos de difusão, i.e., o poli(HEMA) formado sobre o quitosano pode, a partir de certo rendimento, impedir a difusão do próprio monómero evitando assim que a reacção de copolimerização de enxerto prossiga. Uma outra explicação para a ocorrência de um patamar poderá estar relacionada com o esgotamento de monómero disponível para enxerto, por se encontrar na sua totalidade já enxertado ou então sob a forma de homopolímero. Para confirmação destas possibilidades teria sido necessário quantificar rigorosamente monómero e homopolímero em cada reacção.

Também nestas figuras, para a concentração de HEMA mais elevada ([HEMA]i=15%

V/V), a partir das 6 horas de reacção para o débito de 7,4 kGy⋅h-1 e a partir das 8 horas de reacção para o débito de 3,8 kGy⋅h-1, é possível observar um aumento relativamente acentuado do rendimento de enxerto, em fases onde tal já não seria esperado. Estas observações parecem estar de acordo com as registadas sob o efeito de Trommsdorff- -Norrish que se caracteriza por elevados rendimentos de enxerto, os quais são resultantes da enxertia de longos radicais homopoliméricos devido ao aumento da viscosidade da mistura reacional (com consequente diminuição da mobilidade dos radicais de cadeia longa) [15, 16]. Para confirmação deste efeito seria necessário submeter o sistema reaccional Quitosano/HEMA a doses ainda mais elevadas. No entanto, como os resultados mostraram que a concentração [HEMA]i=15% V/V é a mais desfavorável em termos de eficiência de

enxerto, optou-se por não dar continuidade aos trabalhos com esta concentração inicial de monómero.

2.2-3.4 Copolimerização induzida por radiação γ - Efeito do débito de dose

Relativamente ao sistema reaccional Quitosano/HEMA em meio heterogéneo, para as três concentrações iniciais de monómero em estudo (5%, 10% e 15% V/V), foi possível avaliar o seu comportamento quando exposto a diferentes débitos de dose de radiação gama (3,8 e 7,4 kGy⋅h-1_{). A Figura 2.17 evidencia a diferença observada em termos de massa,} quando amostras idênticas são preparadas e irradiadas em igual período de tempo sob diferentes débitos de dose. A diferença de massa visível a olho nu

após irradiação, traduz a maior ou menor quantidade de enxerto ocorrida. Figura 2.17: Amostras idênticas (igual massa de quitosano e [HEMA]i=15%

V/V) irradiadas por igual período de tempo sob diferentes débitos de dose:

(A) 3,8 kGy⋅h-1

; (B) 7,4 kGy⋅h-1.

(35)

RESULTADOS EXPERIMENTAIS E DISCUSSÃO Nas figuras seguintes encontra-se representada graficamente a variação do rendimento de enxerto em função da dose absorvida, e verifica-se que todas as composições em Quitosano/HEMA apresentam um comportamento idêntico com a variação do débito de dose, embora menos pronunciado para a concentração inicial de HEMA mais elevada.

0 40 80 120 160 200 0 10 20 30 40 50

R en d im en to E n xe rt o ( % ) DD= 3,8 kGy/h DD= 7,4 kGy/h

Figura 2. 18: Variação do rendimento de enxerto para diferentes débitos de dose: (A) com a

dose de radiação γ absorvida; (B) com o tempo de exposição à radiação γ. Em ambos os casos [HEMA]i=10% V/V (n=3).

De acordo com os dados apresentados na secção anterior, o sistema reaccional com concentração inicial de HEMA de 10% V/V é o que apresenta uma melhor relação em termos de rendimento e eficiência de enxerto. Assim, apenas para esse caso é apresentada paralelamente a variação do rendimento de enxerto em função da dose de radiação γ

0 40 80 120 160 200 0 2 4 6 8 10 12 14 Tempo de irradiação (h) R en d im en to E n xe rt o ( % ) 3,8 kGy/h 7,4 kGy/h [HEMA]i=10% V/V (A) (B)

Tempo de irradiação (h) R en d im en to d e en xe rt o (% ) R en d im en to d e en xe rt o (% )

(36)

58

absorvida e em função do tempo de reacção (Figura 2. 18 (A) e (B), respectivamente), para os dois débitos de dose estudados.

0 25 50 75 100 0 10 20 30 40 50

R en d im en to d e en xe rto ( % ) 3,8 kGy/h 7,4 kGy/h

Figura 2.19: Variação do rendimento de enxerto para diferentes débitos de dose com a dose

de radiação γ absorvida; [HEMA]i=5% V/V (n=3).

0 40 80 120 160 200 0 10 20 30 40 50

R e n d im e n to d e e n x e rt o ( % ) 3,8 kGy/h 7,4 kGy/h

Figura 2.20: Variação do rendimento de enxerto para diferentes débitos de dose com a dose

de radiação γ absorvida; [HEMA]i=15% V/V (n=3).

Os resultados mostram que, para o mesmo valor de dose absorvida o sistema reaccional Quitosano/HEMA exposto ao maior débito de dose (7,4 kGy⋅h-1_{), i.e., exposto a um campo} de radiação γ mais intenso (absorvendo assim maior quantidade de energia por unidade de

R en d im en to d e en xe rt o (% )

R en d im en to d e en xe rt o (% ) [HEMA]i=5% V/V [HEMA]i=15% V/V

(37)

RESULTADOS EXPERIMENTAIS E DISCUSSÃO tempo), é o que apresenta o menor valor de enxerto. Este comportamento é igualmente observado quando a variação do rendimento de enxerto é representada em função do tempo de exposição à radiação, embora seja menos acentuado para tempos até 1 hora de irradiação. O comportamento observado para o débito de dose mais alto (7,4 kGy⋅h-1), pode ser justificado se se atender não só à maior densidade de radicais formados que favorece a recombinação e consequente terminação em vez da reacção de enxerto [17], como também às propriedades físico-químicas do quitosano (e do HEMA) quando sujeitos à acção de radiação ionizante, nomeadamente radiação gama.

Enquanto que o quitosano é um polímero do tipo degradativo, i.e., é um polímero que quando exposto à radiação ionizante sofre preferencialmente cisão das suas cadeias poliméricas (por quebra da ligação glicosídica entre o C1 e C4 [18]), em detrimento do estabelecimento de ligações para formar uma malha reticulada [11], o HEMA é um monómero muito reactivo que forma com facilidade poli(HEMA) quando irradiado.

No sistema estudado o suporte polimérico, quitosano, foi irradiado na presença do monómero HEMA. Figura 2.21: Estrutura de quitosano

desacetilado.

degradação do quitosano poderá ser menor e que paralelamente, o HEMA e/ou o poli(HEMA) formado sobre o quitosano poderá funcionar como escudo protector da matriz polimérica, conduzindo a rendimentos de enxerto mais elevados.

De acordo com Kiatkamjornwong et al e Dessouki et al [15, 17], o débito de dose afectará não só o rendimento da reaccção de copolimerização mas também o comprimento das cadeias enxertadas (visto tratar-se de um parâmetro determinante na velocidade de iniciação da polimerização), no entanto, os resultados obtidos não permitiram tirar qualquer tipo de conclusões nesse sentido.

Para além dos dados já apresentados, os resultados experimentais obtidos nos ensaios em branco (vd. Figura 2.22) parecem estar de acordo com Ulanski e Rosiak [11].

O comportamento verificado sugere assim que, para débitos de dose mais baixos, a extensão de

(38)

CAPÍTULO 2-AMOSTRAS GRANULOSAS 60 -6 -4 -2 0 2 4 0 2 4 6 8 10 Tempo de irradiação (h) R e n d im e n to d e e n x e rt o ( % ) 3,8 kGy/h 7,4 kGy/h

Figura 2.22: Variação da perda de massa de quitosano em função do tempo de exposição à

radiação γ, para diferentes débitos de dose (n=3).

Os resultados evidenciam o carácter degradativo do quitosano quando exposto à radiação γ, verificando-se uma redução de massa de quitosano mais ou menos contínua com o tempo de irradiação (ou dose absorvida). Esta redução de massa foi mais acentuada para o débito de dose mais elevado, tendo-se verificado um máximo de perda de massa de aproximadamente 2% e 5% para os débitos de dose de 3,8 kGy⋅h-1 e 7,4 kGy⋅h-1, respectivamente, após 4 horas de irradiação. De referir ainda que, apesar da variabilidade entre tempos ser elevada, para cada tempo de irradiação a barra de erro é pequena.

2.2-3.5 Testes de solubilidade

A solubilidade do quitosano, poli(HEMA) e alguns copolímeros com rendimentos de enxerto determinados foi avaliada em vários solventes. Na Figura 2.23 é possível observar o aspecto das amostras em ácido acético 1%, encontrando-se o resumo dos dados obtidos na

Tabela 2.3. Tempo de irradiação (h) P er d a d e m as sa (% )