CLAUDENETE VIEIRA LEAL
Desenvolvimento, Caracterização e Avaliação In
Vitro de Nanocompósitos de Poli (L-Ácido Lático)
e Nanotubos de Carbono de Paredes Múltiplas
Purificados
66/2015
CAMPINAS 2015
vii Dedicatória
Aos meus pais
À Letícia, que alegra todos os meus dias
Agradecimentos
Agradeço primeiramente a Deus.
À Profa. Eliana Duek, pela orientação, confiança, exemplo de dedicação e profissionalismo. Ao Prof. Oswaldo Luiz Alves, do Instituto de Química da Unicamp, e ao Diego Stéfani Teodoro Martinez, pesquisador do LNNano, pelo trabalho em parceria.
Ao Prof. Marcos Akira D’Ávila, por ter permitido utilizar seu laboratório e pelas importantes orientações e recomendações no exame de qualificação.
Ao Prof. Rubens Caram pela utilização dos equipamentos de difração de raios X e nanoindentação.
À Nathalia Veríssimo por ter realizado as análises de difração de raios X, nanoindentação e pela amizade que surgiu nesse período.
À Andréa Espósito pela realização dos testes in vitro.
À Bruna Más, pela sua dedicação e profissionalismo na conclusão dos testes in vitro. À Profa. Maria Isabel Felisberti, do Instituto de Química da Unicamp, por ter permitido o uso do microscópio ótico de luz polarizada e ao Thiago Rufino, pela paciência em acompanhar as análises.
Ao Lamult, Laboratório Multiusuário do Instituto de Física, pelas análises de microscopia de força atômica.
Aos funcionários da CPG/FEM, Denise, Marco, André, Bruna, pela simpatia e atenção. À Rosemeire Almeida pela amizade, força e incentivo.
xi
"Há um tempo em que é preciso abandonar as roupas usadas, que já tem a forma do nosso corpo e esquecer os caminhos que nos levam sempre aos mesmos lugares. É o tempo da travessia; e se não ousarmos fazê-la, teremos ficado, para sempre, à margem de nós mesmos."
Resumo
Nanocompósitos poliméricos exibem potencial para aplicações como biomateriais, pois podem melhorar as propriedades dos polímeros por meio da associação com nanoestruturas, resultando em um material com propriedades estruturais e funcionais superiores. O objetivo desse trabalho foi o desenvolvimento e posterior caracterização de nanocompósitos de poli (L-ácido lático) (PLLA) e nanotubos de carbono (NTC). Os NTC têm sido pesquisados para aplicações biomédicas devido às suas excelentes propriedades, entretanto, os NTC possuem características estruturais que podem causar toxicidade em ambiente biológico. Nesse trabalho, primeiramente foi aplicado um método para purificar os NTC por modificação química com objetivo de melhorar a dispersibilidade e diminuir os efeitos tóxicos. Posteriormente foram preparados os nanocompósitos na forma de membranas de PLLA com NTC em diferentes concentrações, utilizando o método de evaporação de solvente. Foram realizadas caracterizações morfológicas com microscopia eletrônica de varredura e microscopia de força atômica, estudo do comportamento térmico por calorimetria exploratória diferencial e microscopia ótica com luz polarizada, e ensaios mecânicos sob módulo de tração, análise dinâmico-mecânica e nanoindentação. Na última etapa foi realizado teste in vitro de cultura de células. Resultados indicaram aumento da rugosidade das amostras após a adição de NTC, o estudo do comportamento térmico revelou que o NTC atua como agente nucleante nos nanocompósitos, promovendo a formação de maior quantidade de núcleos cristalinos na matriz polimérica. As propriedades mecânicas indicaram aumento no módulo de elasticidade, alongamento e dureza nos nanocompósitos. Na análise biológica, os resultados obtidos comprovaram que, após a adição de NTC, as células foram capazes de aderir e sustentar a proliferação celular sobre as membranas, apresentando favorável citocompatibilidade.
Palavras-chave: PLLA, nanotubos de carbono, nanocompósitos, citocompatibilidade
Abstract
Polymer nanocomposites exhibit potential for applications as biomaterials because they can improve the properties of polymers by combination with nanostructures, resulting in a material with superior structural and functional properties. The purpose of this work was the development and further characterization of poly (L-lactic acid) (PLLA) and carbon nanotubes (CNT) nanocomposites. CNTs have been investigated for biomedical applications due to their excellent properties, however, pristine NTC have structural characteristics that may cause toxicity in biological environment. In this work, a method to purify the NTC by chemical modification in order to improve the dispersibility and to reduce the toxic effects was firstly applied. Subsequently, PLLA/NTC nanocomposite membranes were prepared at different concentrations by solvent casting. Samples were characterized by scanning electron microscopy, atomic force microscopy, polarized optical microscopy, differential scanning calorimetry, dynamic mechanical analysis, tensile test, nanoindentation and X ray diffraction. In the last step, in vitro cell culture assay was performed. The results indicated an increase of the roughness of the samples after the addition of NTC. Thermal behavior study showed that the NTC act as a nucleation agent in nanocomposites, promoting the formation of a larger amount of crystal nucleous in the polymer matrix. Mechanical properties indicated an increase in elastic modulus, elongation and hardness in the nanocomposites. In biological testing, the results showed that, after addition of NTC, cells were able to adhere and sustain cellular proliferation on membranes and showed a favorable cytocompatibility.
Key Words: PLLA , carbon nanotubes, nanocomposites, cytocompatibility
Lista de Ilustrações
Figura 2.1 - Representação do processo de degradação dos poliésteres ... 05
Figura 2.2 - Esquema indicando o processo de nucleação e o crescimento dos núcleos cristalinos, adaptado de Tada [2009]. ... 08
Figura 2.3 - Gráfico de cristalinidade relativa, adaptado de Canevarolo [2010]... 08
Figura 2.4 - Esferulitos formados em processo de cristalização do PLLA a partir do fundido. ... 10
Figura 2.5 - Mecanismo de formação e crescimento dos esferulitos, adaptado de Callister [2012]. ... 161
Figura 2.6 - Estereoisômeros do ácido lático e do lactide, adaptado de Raquez [2013]. ... 16
Figura 2.7 - Estrutura do diamante, adaptado de Dresselhaus [1996]. ... 18
Figura 2.8 - Estruturas do grafeno e grafite, adaptado de Kumar [2013]. ... 19
Figura 2.9 - Estrutura do fulereno C60, adaptado de Dresselhaus [1996]... 20
Figura 2.10 - Folhas enroladas de grafeno. NTCPS - nanotubos de carbono de parede simples, NTCPM - nanotubos de carbono de paredes múltiplas, adaptado de Choudhary [2011]. ... 21
Figura 2.11 - Modelo de interface de nanocompósitos, adaptado de Schadler [ 2007]... 27
Figura 3.1 - Fluxograma do processo de modificação e purificação do NTCPM. ... 34
Figura 3.2 - Fluxograma do processo de produção e caracterização dos nanocompósitos. ... 36
Figura 3.3 - Curva de calibração do Picogreen. ... 42
Figura 4.1 - Curvas de termogravimetria (A) e derivada da termogravimetria (B) para o p-NTCPM. ... 44
Figura 4.2 - Micrografias de microscopia eletrônica de emissão de campo (FEG) dos p-NTCPM. ... 44
Figura 4.3 - Micrografias de microscopia eletrônica de transmissão (TEM) dos p-NTCPM. ... 45
Figura 4.4 - Espectroscopia XPS dos p-NTCPM: (A) espectro survey e (B) espectro de alta resolução C1s. ... 46
Figura 4.5 - Foto dos filmes de PLLA e nanocompósitos com diferentes concentrações de p-NTCPM. ... 49
Figura 4.6 - Micrografias da superfície do PLLA e nanocompósitos obtidas por MEV. A e B - PLLA; C e D - NTCPM 0,25%; E e F - NTCPM 0,5%; G e H - PLLA/p-NTCPM 1,0%. ... 51
Figura 4.7 - Micrografias da superfície de fratura do PLLA e nanocompósitos obtidas por MEV. A e B - PLLA; C e D – PLLA/p-NTCPM 0,25%; E e F –PLLA/ p-NTCPM 0,5%; G e H – PLLA/p-NTCPM 1%. ... 52
Figura 4.8 - Microscopia de força atômica. A - PLLA, B - NTCPM 0,25%, C-
PLLA/p-NTCPM 0,5%, D - PLLA/p-PLLA/p-NTCPM 1,0%. ... 54
Figura 4.9 - Termogramas de DSC para o PLLA, PLLA/p-NTCPM 0,25%, PLLA/p-NTCPM 0,5% e PLLA/p-NTCPM 1%. A – primeiro aquecimento, B – segundo aquecimento, C – resfriamento. ... 56
Figura 4.10 - Termogramas de cristalização. A-PLLA, B-PLLA/0,25% p-NTCPM, C-PLLA/0,5% p-NTCPM, D-PLLA/1% p-NTCPM. ... 60
Figura 4.11 - Gráficos de cristalinidade relativa. A-PLLA, B-PLLA/0,25% p-NTCPM, C-PLLA/0,5% p-NTCPM, D-PLLA/1% p-NTCPM. ... 63
Figura 4.12 - Gráficos relativos à cristalização não isotérmica pelo método de Avrami. A-PLLA, B-PLLA/0,25%p-NTCPM, C-PLLA/0,5%p-NTCPM, D-PLLA/1%p-NTCPM. ... 64
Figura 4.13 - Gráficos da cristalinidade relativa em função da temperatura e método de Ozawa. – A1, A2-PLLA, B1, B2-PLLA/0,25%p-NTCPM, C1,C2-PLLA/0,5%p-NTCPM, D1,D2-PLLA/1%p-NTCPM. ... 67
Figura 4.14 - Micrografias de MOP de PLLA cristalizado a 2,5°C min-1. ... 70
Figura 4.15 - Micrografias de MOP de PLLA cristalizado a 10°C min-1. ... 71
Figura 4.16 - Micrografias de MOP de PLLA/p-NTCPM 0,25% cristalizado a 2,5°C min-1 ... 72
Figura 4.17 - Micrografias de MOP de PLLA/p-NTCPM 0,25% cristalizado a 10°C min-1. ... 73
Figura 4.18 - Micrografias de MOP de PLLA/p-NTCPM 0,5% cristalizado a 2,5°C min-1. ... 74
Figura 4.19 - Micrografias de MOP de PLLA/p-NTCPM 0,5% cristalizado a 10°C min-1. ... 75
Figura 4.20 Análise de DMA para PLLA e nanocompósitos. (A) Módulo de armazenamento -(E'), (B) Módulo de Perda - (E''), (C) Tan δ. ... 77
Figura 4.21 - Ensaio de Tração para PLLA e nanocompósitos. (A) Tensão máxima, (B) Tensão na ruptura, (C) Alongamento. ... 82
Figura 4.22 - Curvas de tensão-deformação obtidas no ensaio de tração para PLLA e nanocompósitos. ... 83
Figura 4.23 - Ensaio de nanoindentação para PLLA e nanocompósitos – (A) Dureza, (B) Módulo de Elasticidade. ... 86
Figura 4.24 - Curvas de nanoindentação para PLLA e nanocompósitos... 87
Figura 4.25 - Difratogramas de Raios X do PLLA e nanocompósitos. ... 89
Figura 4.26 - Micrografias de cultura de células obtidas por MEV: (A)(B)(C) PLLA após 2, 5 e 10 dias respectivamente, (D)(E)(F) PLLA/p-NTCPM 0,25% após 2, 5 e 10 dias respectivamente, (G)(H)(I) PLLA/p-NTCPM 0,5% após 2, 5 e 10 dias respectivamente. ... 91
Figura 4.27 - Viabilidade celular após 24 horas de cultivo de células Vero em membranas de PLLA. Os valores representam as médias ± desvio padrão (n=6)... 93
Figura 4.28 - Viabilidade celular após 24 horas de cultivo de células Vero em membranas de PLLA. Os valores representam as médias ± desvio padrão (n=6)... 94
Lista de Tabelas
Tabela 2.1 - Expoentes de Avrami para diferentes geometrias de crescimento de cristal, adaptado
de Mandelkern [2009]. ... 13
Tabela 2.2 - Propriedades típicas dos nanotubos de carbono [adaptado de SAHOO, 2010; IIJIMA, 1991; RAO, 2002; SMART, 2006; CHAKRABORT, 2006].. ... 22
Tabela 4.1 - Caracterização físico-química dos p-NTCPM. ... 43
Tabela 4.2 - Porcentagens atômicas dos picos presentes no espectro XPS C 1s dos p-NTCPM. . 46
Tabela 4.3 - Resultados da análise de microscopia de força atômica. ... 55
Tabela 4.4 - Parâmetros obtidos a partir das curvas de DSC para o primeiro aquecimento. Tg1 (temperatura de transição vítrea), Tm1 (temperatura de fusão), ∆Hm1 (entalpia de fusão), Tc (temperatura de cristalização), ∆Hc (entalpia de cristalização), Tcf (temperatura de cristalização à frio), ∆Hcf1 (entalpia de cristalização à frio), χc1 (grau de cristalinidade). ... 57
Tabela 4.5 - Parâmetros obtidos a partir das curvas de DSC para o resfriamento e segundo aquecimento. Tg2 (temperatura de transição vítrea), Tm2 (temperatura de fusão), ∆Hm2 (entalpia de fusão), Tc (temperatura de cristalização), ∆Hc (entalpia de cristalização), T cf2 (temperatura de cristalização à frio), ∆Hcf2 (entalpia de cristalização à frio), χc2 (grau de cristalinidade). ... 58
Tabela 4.6 - Parâmetros obtidos a partir das curvas de DSC com variação da taxa de resfriamento. Tci - temperatura inicial de cristalização, Tcp – temperatura do pico de cristalização, ∆Hc - entalpia de cristalização, t1/2 – tempo em que ocorre 50% da cristalização... 61
Tabela 4.7 - Parâmetros de Avrami obtidos do PLLA e nanocompósitos. ... 65
Tabela 4.8 - Parâmetros de Ozawa obtidos para PLLA e nanocompósitos. ... 68
Tabela 4.9 – Valores de temperatura de transição vítrea obtidos pelo módulo de perda (E”). ... 79
Tabela 4.10 - Valores de d - distância entre os planos atômicos. ... 90
Lista de Abreviaturas e Siglas
Abreviações
CVD – Deposição química a vapor
DSC – Calorimetria exploratória diferencial DRX – Difração de raios X
E’ - módulo de armazenamento E’’ - módulo de perda
EDS – Espectroscopia por energia dispersiva FCC – Carbono carboxilados
FEG – Microscopia por emissão de campo HNO3 – Ácido Nítrico
HCl – Ácido Clorídrico NaOH – Hidróxido de Sódio
MET – Microscopia eletrônica de transmissão MEV – Microscopia eletrônica de varredura MFA – Microscopia de força atômica
MOP – Microscopia óptica de luz polarizada NTC – Nanotubos de Carbono
NTCPS – Nanotubos de Carbono de Parede Simples NTCPM – Nanotubos de Carbono de Paredes Múltiplas PLA – Polilactide ou Poli (ácido lático)
PDLA – Poli (D-ácido lático) ou Poli (D-Lactide) PDLLA – Poli (D, L-lactide)
PLLA - Poli (L-ácido lático) ou Poli (L-lactide)
p-NTCPM – Nanotubos de Carbono de Paredes Múltiplas Purificados
PPF – Propileno fumarato PTFE – Politetrafluoroetileno tanFator de perda
t - tempo
T - Temperatura
Tm – Temperatura de fusão Tc– Temperatura de cristalização
Tci – Temperatura inicial de cristalização Tcp – Temperatura do pico de cristalização Tcf – Temperatura de cristalização à frio Tg – Temperatura de transição vítrea
X – Cristalinidade Relativa
χc – Grau de cristalinidade
Hc - Entalpia de cristalização
Hcf – Entalpia de cristalização a frio
Hm
-E
ntalpia de fusão...
Siglas
LQES - Laboratório de Química do Estado Sólido
SUMARIO
1 INTRODUÇÃO ... 1
1.1. Objetivos ... 3
2 REVISÃO DA LITERATURA ... 4
2.1. Polímeros Biorreabsorvíveis ... 4
2.2. Comportamento Térmico e Cristalização de Polímeros ... 6
2.2.1. Análise de Avrami modificada ... 12
2.2.2. Análise de Ozawa ... 14
2.3. Polilactide ou Poli (ácido lático) ... 15
2.4. Carbono ... 17
2.4.1. Grafeno: Grafite, Fulereno e Nanotubos de Carbono ... 18
2.4.2. Nanotubos de Carbono (NTC) ... 20
2.4.3. Métodos de Obtenção dos Nanotubos de Carbono ... 22
2.4.4. Modificação e purificação dos NTC ... 23
2.5. Nanocompósitos Poliméricos ... 25
2.5.1. Nanocompósitos Poliméricos com Nanotubos de Carbono ... 27
2.5.2. Processamento de Nanocompósitos com Nanotubos de Carbono ... 28
2.6. Aplicação de nanotubos de carbono e nanocompósitos com nanotubos de carbono na área biomédica ... 30
3 MATERIAIS E MÉTODOS ... 33
3.1. Nanotubos de Carbono de Paredes Múltiplas ... 33
3.1.1. Purificação dos Nanotubos de Carbono de Paredes Múltiplas (NTCPM) ... 33
3.1.2. Caracterização dos Nanotubos de Carbono de Paredes Múltiplas Purificados (p-NTCPM) ... 35
3.2. Preparo dos Nanocompósitos Poliméricos ... 36
3.3. Caracterização dos Nanocompósitos ... 37
3.3.1. Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) ... 37
3.3.2. Microscopia de Força Atômica (MFA) ... 37 xxiii
3.3.3. Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC) ... 38
3.3.4. Microscopia Óptica de Luz Polarizada (MOP) ... 38
3.3.5. Análise Dinâmico-Mecânica (DMA) ... 39
3.3.6. Ensaio Mecânico de Tração ... 39
3.3.7. Nanoindentação ... 39
3.3.8. Difração de Raios X ... 40
3.3.9. Ensaios in vitro de adesão e proliferação celular ... 40
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 43
4.1. Nanotubos de Carbono de Paredes Múltiplos Purificados ... 43
4.2. Membranas de nanocompósitos poliméricos ... 48
4.2.1. Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) ... 50
4.2.2. Microscopia de Força Atômica (MFA) ... 53
4.2.3. Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC) ... 55
4.2.4. Microscopia Ótica de Luz Polarizada (MOP) ... 69
4.2.5. Análise Térmica Dinâmico-Mecânica (DMA)... 76
4.2.6. Ensaio Mecânico de Tração ... 80
4.2.7. Nanoindentação ... 84
4.2.8. Difração de Raios X ... 89
4.2.9. Ensaios in vitro de adesão e proliferação celular ... 90
5 CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA PRÓXIMOS TRABALHOS ... 97
5.1 – Conclusões ... 97
5.2. Sugestões para próximos trabalhos ... 98
REFERÊNCIAS ... 99
ANEXO A - GRÁFICOS DE REGRESSÃO LINEAR OBTIDOS PARA O MODELO DE AVRAMI ... 117
ANEXO B – GRÁFICOS DE REGRESSÃO LINEAR OBTIDOS PARA O MODELO DE OZAWA ... 121
1
1 INTRODUÇÃO
A nanotecnologia tem surgido recentemente como uma nova área de pesquisa, circundada por uma ampla seleção de materiais e utilizando novas técnicas e ferramentas investigativas. Ela emprega diferentes estratégias de desenho de material, construção de novas estruturas e superfícies [SPEAR, 2008].
Nanocompósitos poliméricos são materiais promissores para aplicações na área biomédica. São formados por um nanomaterial disperso em uma matriz polimérica e podem unir as propriedades dos dois componentes resultando em um material com propriedades mecânicas e funcionais superiores [RAQUEZ, 2013].
Os nanomateriais apresentam uma grande área superficial, implicando em um volume maior de interface no nanocompósito quando comparado aos compósitos tradicionais, pois a interface de um compósito é que controla o grau de interação entre os componentes e também controla as propriedades finais do material [SCHADLER, 2007].
Entre os nanomateriais, os nanotubos de carbono (NTC) são muito pesquisados para aplicações em diversas áreas. Os NTC possuem uma estrutura incomparável, com excelentes propriedades mecânicas, magnéticas, óticas, elétricas, químicas e de superfície, e a combinação dessas características confere a eles uma extensiva aplicabilidade na área biomédica [VARDHARAJULA, 2012].
Uma das principais áreas de aplicação dos NTC é em dispositivos biomédicos, onde podem ser utilizados como reforço em materiais poliméricos existentes para melhorar propriedades mecânicas. Com a utilização de concentração adequada, os NTC podem interagir com terapias funcionais, como liberação controlada de medicamentos, arcabouços e nanocompósitos tridimensionais, engenharia tecidual, aplicações terapêuticas com células tronco, regeneração muscular e neural [SHAO, 2013].
2
Eles interagem com membranas celulares e penetram em vários tecidos biológicos, e, por essa razão, os perfis farmacológicos e toxicológicos dos NTC têm garantido muita atenção entre os pesquisadores. Os NTC têm uma superfície hidrofóbica e uma natureza não biodegradável que contribui para uma biocompatibilidade reduzida, limitando suas aplicações biológicas. Eles aglomeram devido às forças de Van der Walls, tornando-os extremamente difíceis de dispersar em meio aquoso, solventes orgânicos e em matrizes poliméricas [VARDHARAJULA, 2012].
O método mais eficiente para prevenir a agregação e melhorar a biocompatibilidade é a modificação química da estrutura dos NTC. Pela modificação química, grupos funcionais contendo oxigênio, como carboxila e hidroxila, são gerados na superfície dos NTC durante processos de oxidação utilizando ácidos inorgânicos (e.g. ácido sulfúrico, ácido nítrico, peróxido de hidrogênio e mistura destes ácidos). Estes grupos favorecem a dispersão dos nanotubos em meio aquoso, solventes e a interação com polímeros [ZHANG, 2009; SOUZA FILHO, 2007]. Adicionalmente, tratamentos químicos de nanotubos com ácidos inorgânicos favorecem a eliminação de resíduos metálicos (catalisadores), melhorando a biocompatibilidade dos NTC [ANDRADE, 2013].
As propriedades físicas e desempenho dos nanocompósitos de matriz polimérica podem ser significantemente melhorados pela adição de pequenas porcentagens de NTC. O poli (L-ácido lático) (PLLA) é um polímero consagrado como biomaterial, com destaque para sua biocompatibilidade e versatilidade [HICKEY, 2015]. Ele possui um tempo longo de degradação, acima de 24 meses [NAIR, 2007], porém, apresenta uma perda acentuada de propriedades mecânicas nas primeiras semanas de degradação, podendo comprometer seu desempenho [DUEK, 1999]. Umas das vantagens da adição dos NTC como reforço é manter a integridade mecânica do polímero por mais tempo, durante o processo de degradação e reabsorção.
A combinação sinérgica de materiais é de grande interesse, pois, no caso dos nanocompósitos é possível obter produtos com propriedades finais superiores, comparando com os sistemas de apenas um componente, podendo ter diferentes aplicações na área de biomateriais [KROUSTALLI, 2013]. Considerando o alto potencial dos NTC para aplicações biomédicas, nesse trabalho, foi realizado um tratamento químico para melhorar a dispersibilidade e eliminar máximo de contaminantes. Posteriormente, foram adicionadas concentrações variadas de NTC
3
em matriz de PLLA com objetivo principal de avaliar as propriedades mecânicas, físico-químicas e estudo in vitro.
1.1. Objetivos
O objetivo desse trabalho foi o desenvolver nanocompósitos de polímero biorreabsorvível de poli (L-ácido lático) (PLLA) com nanotubos de carbono de paredes múltiplas purificados, na forma de membranas, em três concentrações distintas, utilizando o método de evaporação de solvente.
Foram utilizados nanotubos de carbono de paredes múltiplas após processo de purificação, desenvolvido pelo Laboratório de Química do Estado Sólido (LQES) do Instituto de Química da Universidade Estadual de Campinas.
Os objetivos específicos deste trabalho foram:
Obter membranas de nanocompósitos pelo método de evaporação de solvente;
Caracterizar morfologicamente os nanocompósitos com adição de nanotubos de carbono de paredes múltiplas purificados e comparar com o PLLA sem nanotubos de carbono; Avaliar a influência dos nanotubos de carbono de paredes múltiplas purificados na matriz polimérica por meio do estudo da cristalização pelas técnicas de calorimetria exploratória diferencial (DSC) e microscopia ótica de luz polarizada (MOP);
Estudar as propriedades mecânicas dos nanocompósitos pelas análises de DMA, tração e nanoindentação;
Estudar a biocompatibilidade dos nanocompósitos e avaliar a eficiência do processo de purificação dos nanotubos de carbono.
4
2 REVISÃO DA LITERATURA
2.1. Polímeros Biorreabsorvíveis
Polímeros biorreabsorvíveis são definidos como compostos ou dispositivos que são totalmente eliminados pelo corpo humano. A eliminação pode ocorrer por rotas naturais, pelos rins após metabolismo ou pode ocorrer por bioassimilação, em que se forma uma nova biomassa e a eliminação é realizada por outras rotas [VERT, 2012].
O emprego dos polímeros biorreabsorvíveis abrange vários segmentos, sendo estudados no desenvolvimento de dispositivos terapêuticos como próteses temporárias, arcabouços porosos para engenharia tecidual e aplicações farmacológicas, como em sistema de liberação controlada de fármacos [GENTILE, 2014; LIU, 2015; RONGEN, 2014; TIAN, 2012; YU, 2012; ZHOU, 2013;]
A biorreabsorção de biomateriais poliméricos envolve a cisão de ligações hidrolíticas conduzindo a uma erosão do polímero. A maioria dos polímeros biorreabsorvíveis contém em sua estrutura ligações instáveis como ésteres, ortoésteres, anidridos, carbonatos, amidas, uretanos.
Os poliésteres contêm um grupo funcional éster na cadeia principal, instável hidroliticamente em sua estrutura e cujos derivados dos ácidos láticos e glicólicos apresentam boa biocompatibilidade e degradabilidade variável [LI, 1999]. Estes polímeros compreendem a classe mais antiga e mais extensivamente estudada de polímeros biorreabsorvíveis. Eles podem ser desenvolvidos de uma variedade de monômeros via polimerização por abertura de anel ou por condensação dependendo da unidade monomérica. Processos com bactérias também podem ser utilizados para desenvolver alguns poliésteres [LENZ, 2005].
5
Esses polímeros sofrem degradação hidrolítica, formando grupos terminais carboxila e hidroxila. A reação de degradação para esses polímeros está representada pela Figura 2.1 [MOTTA, 2007].
Figura 2.1. Representação do processo de degradação dos poliésteres.
O mecanismo de degradação e biorreabsorção é resultado de muitos fatores inter-relacionados, incluindo [MIDDLETON, 2000]:
estabilidade química das ligações do polímero. presença de catalisadores.
aditivos.
geometria do implante. localização do implante.
Os fatores que aceleram a degradação de um polímero são os seguintes [MIDDLETON, 2000]:
monômero mais hidrofílico.
polímero mais hidrofílico, com grupos finais ácidos. menor cristalinidade.
6
2.2. Comportamento Térmico e Cristalização de Polímeros
Os polímeros sólidos possuem uma estrutura que depende do modo como suas cadeias estão empacotadas, formando uma massa sólida. A estrutura pode ser desordenada, formando a fase amorfa ou ordenada, regular e repetitiva, definindo a fase cristalina. Assim, a cristalinidade em polímeros consiste no alinhamento de segmentos de cadeias em um arranjo atômico tridimensional ordenado [CANEVAROLO, 2010].
O grau de cristalinidade de um polímero pode variar de completamente amorfo até por volta de 95% cristalino. A massa específica de um polímero cristalino é maior que a de um polímero amorfo do mesmo material e com a mesma massa molar, uma vez que as cadeias estão mais densamente compactadas na estrutura [CANEVAROLO, 2010].
A fusão de um cristal polimérico corresponde à transformação de um material sólido, que contém uma estrutura ordenada de cadeias moleculares alinhadas em um líquido viscoso no qual a estrutura é altamente aleatória. Durante a fusão de um polímero, ocorrerá um rearranjo das moléculas na transformação de um estado molecular ordenado em um estado molecular desordenado. A composição química e a estrutura molecular influenciarão a habilidade das moléculas da cadeia do polímero em realizar esses rearranjos e, portanto, também afetarão a temperatura de fusão. O comportamento do processo de fusão depende do histórico da amostra, em particular, da temperatura na qual ela foi cristalizada. A espessura das lamelas com cadeias dobradas dependerá da temperatura de cristalização e quanto mais grossas forem as lamelas, maior será a temperatura de fusão [CALLISTER, 2012].
A temperatura de transição vítrea é aquela na qual se inicia o movimento de segmentos da cadeia polimérica referente à parte amorfa do polímero. A passagem do estado vítreo (mais ordenado) para o estado de borrachoso (mais flexível e menos ordenado) é uma transição de segunda ordem, portanto um processo acompanhado de variação de capacidade calorífica da amostra [CANEVAROLO, 2007]. O valor da temperatura de transição vítrea, assim como da temperatura de fusão, dependerá de características moleculares que afetam a rigidez da cadeia,
7
como a presença de grupos laterais volumosos, grupos aromáticos e ligações duplas [CALLISTER, 2012].
Durante o resfriamento de um polímero semicristalino a partir do seu estado fundido, ou seja, acima de Tm (temperatura de fusão cristalina), ele atingirá uma temperatura baixa o suficiente para que, em um dado ponto dentro da massa polimérica fundida, um grande número cadeias poliméricas se organize espacialmente de forma regular. Essa ordenação espacial permite a formação de uma estrutura cristalina (cristalito ou lamela) naquele ponto. Cadeias em outros pontos também organizarão formando novos cristais. Isso ocorre em toda massa polimérica produzindo-se cristalização da massa fundida [CANEVAROLO, 2010]. O grau de super-resfriamento, que é expresso pela diferença de 1 a 50°C entre as temperaturas iniciais (onset) de fusão e cristalização, é diretamente proporcional à taxa de resfriamento.
O processo de cristalização afeta a densidade e a cristalinidade do polímero, e, consequentemente, suas propriedades mecânicas, térmicas e ópticas. A cristalização é acompanhada da liberação de calor latente, que gera um pico exotérmico definido na curva de DSC [MACHADO, 2007].
A formação de cristais ocorre em etapas: primeiro, tem-se a nucleação ou formação dos embriões, que são os núcleos iniciais dos quais crescerá todo o cristal. Segundo, a partir dos núcleos dá-se o crescimento destes embriões, com a formação do cristal, denominada cristalização primária [CANEVAROLO, 2010]. A cristalização secundária é causada pela colisão dos esferulitos, que determina o final da cristalização, como demonstrado na Figura 2.2.
8
Inicialmente, o tamanho lateral da lamela aumenta com uma taxa constante, mas, à medida que os esferulitos começam a se tocar, a taxa de crescimento começa a diminuir. A Figura 2.3 apresenta uma curva de cristalização esquemática típica na forma sigmoidal.
Figura 2.3 - Gráfico de cristalinidade relativa, adaptado de Canevarolo [2010].
Tempo de
Cristalização
Figura 2.2 - Esquema indicando o processo de nucleação e o crescimento dos núcleos cristalinos, adaptado de Tada [2009].
9
A velocidade de nucleação expressa o número de núcleos estáveis por unidade de tempo e depende da temperatura. Assim como a cristalização como um todo, a nucleação só ocorre em uma temperatura T, onde Tg<T<Tm. Acima de Tm não há nucleação, pois o movimento térmico é muito intenso, e abaixo de Tg não há mobilidade molecular para nucleação e o crescimento.
A nucleação pode ocorrer de forma homogênea ou heterogênea. A nucleação homogênea ou espontânea é muito rara e ocorre uma agregação e orientação espontânea das moléculas na fusão, devido às flutuações de temperatura que possibilitam continuamente a formação e desaparecimento dos aglomerados moleculares. Nestes casos, a energia necessária para a nucleação é fornecida pelo super-resfriamento [ELIAS, 1997].
A nucleação heterogênea ocorre com a presença de cargas, impurezas, pigmentos, que servem como núcleos de cristalização, reduzindo a energia livre crítica para a consolidação do núcleo e acelerando o processo global de cristalização. Enquanto a nucleação homogênea é desfavorável termodinamicamente, pois precisa de grandes abaixamentos de temperatura para atingir a energia de ativação necessária, na nucleação heterogênea parte da energia necessária é fornecida pelo nucleante, necessitando um menor nível de super-resfriamento [RABELLO, 2013; ELIAS, 1997].
A cristalização pode ser realizada de forma isotérmica, quando a temperatura é rapidamente abaixada a um dado valor (Tc), estabilizada e mantida constantemente até que toda cristalização ocorra. Pode ocorrer também de forma dinâmica (não isotérmica), quando a temperatura é reduzida continuamente a uma taxa constante e a cristalização ocorre dentro de uma faixa de temperatura [CANEVAROLO, 2010].
O estudo da cristalização em condições não isotérmicas é muito mais complexo que para condições isotérmicas, uma vez que mais de uma variável, a temperatura como função do tempo deve ser levada em consideração em todas as análises teóricas. Em condições isotérmicas, cada medida é realizada em uma temperatura fixa e isso limita os problemas relacionados com a variação do parâmetro físico T(t) [LORENZO, 1999].
A principal forma morfológica dos polímeros é a formação esferulítica (Figura 2.4). Os esferulitos são formados a partir de cristalitos que crescem radialmente de um núcleo comum em
10
todas as direções e são unidos entre si (intra e inter esferuliticamente) por moléculas atadoras, que são moléculas que participam de mais de um cristalito, mantendo-os atados (Figura 2.5). Os esferulitos são de grande importância prática, pois são as formas obtidas em muitos processos de obtenção de polímeros. O número e tamanho dos esferulitos formados dependem da velocidade de nucleação, quanto maior a velocidade de nucleação, maior o número de núcleos e menor o tamanho médio dos esferulitos [RABELLO, 2013].
Figura 2.4 – Esferulitos formados em processo de cristalização do PLLA a partir do estado fundido.
11
Figura 2.5 – Mecanismo de formação e crescimento dos esferulitos, adaptado de Callister [2012].
A adição de NTC em uma matriz polimérica promove mudanças nas propriedades físicas dos polímeros, uma vez que os NTC atuam como agentes nucleantes. O efeito de agentes nucleantes pode ser relacionado com o aumento do grau de cristalinidade e com a diminuição do tamanho dos esferulitos.
Geralmente, estudos de cinética de cristalização são realizados pelo método isotérmico, em que os parâmetros como pressão e temperatura são estáveis. Em situações reais, entretanto, as condições externas mudam continuamente, que faz com que a cinética de cristalização dependa de condições instantâneas.
Em processo de cristalização não isotérmica, a cristalinidade relativa X, como função da temperatura de cristalização T, pode ser formulada como mostrado na equação 1 [KUO, 2006]:
Direção do crescimento
esferulítico Cristalito lamelar com cadeias dobradas Direção do crescimento esferulítico Material amorfo Moléculas atadoras Contorno interesferulítico Sítio de nucleação
12 (1)
Onde T0e T∞ representam as temperaturas de cristalização inicial final, respectivamente. Tc
é a temperatura de cristalização no tempo t e é o fluxo de calor. A temperatura de cristalização (T) pode ser convertida em tempo de cristalização, t, como uma relação para processos não isotérmicos, como ilustra a equação 2:
(2)
Onde T0 é a temperatura de cristalização inicial e T é a temperatura no tempo t, e é a taxa
de resfriamento.
A cristalinidade relativa ou grau de cristalização X fornece informações sobre a fração cristalina do polímero semicristalino. A cristalinidade relativa pode atingir o valor de 1 (ou 100%) quando o processo de cristalização é concluído. A curva obtida a partir da cristalinidade relativa possui forma sigmoidal e informações sobre nucleação, cristalização primária e secundária (Figura 2.3).
Entretanto, para descrever a evolução da cristalinidade durante a cristalização não isotérmica, vários modelos têm sido propostos na literatura [LORENZO, 1999; PAPAGEORGIOU, 2010]. Para esse trabalho, foram utilizadas as teorias baseadas nas equações de Avrami modificada e Ozawa.
2.2.1. Análise de Avrami modificada
A equação de Avrami foi adaptada para analisar a cinética de cristalização não isotérmica [XU, 2008; PAPAGEORGIOU, 2010; SU, 2009].
13
A análise da função cristalinidade relativa em função do tempo para cristalização não isotérmica é realizada com a equação de Avrami que pode ser escrita como mostrado na equação 3:
(3)
A equação acima pode ser rearranjada conforme a equação 4:
(4)
Na qual X(t) é a cristalinidade relativa, a constante Zt está relacionada à taxa de nucleação e crescimento dos cristais e o expoente n é o expoente de Avrami, uma constante que indica o mecanismo de cristalização dependendo do tipo de nucleação (homogênea ou heterogênea) e a dimensão do crescimento, e t é o tempo de cristalização [LIU, 2010].
De acordo com a teoria, o valor do expoente de Avrami n deve ser um número entre 1 e 4. Os valores para n para cada tipo de nucleação e as geometrias de crescimento estão apresentados na Tabela 2.1 [MANDELKERN, 2009].
Tabela 2.1 - Expoentes de Avrami para diferentes geometrias de crescimento de cristal, adaptado de Mandelkern [2009]. Forma de crescimento Nucleação homogênea Nucleação heterogênea Tridimensional 4 3≤n≤4 Bidimensional 3 2≤n≤3 Em uma dimensão 2 1≤n≤2
Devido ao processo ser não isotérmico, Jeziorny [JEZIORNY, 1978] sugeriu que o parâmetro Zt fosse corrigido com a influência da taxa de resfriamento (ϕ) do polímero.
Assumindo ϕ ser constante ou aproximadamente constante, a forma final do parâmetro caracterizando a cinética de cristalização não isotérmica é dada como mostrado na equação 5:
14
ln (5)
Se a equação 4 descreve adequadamente o comportamento de cristalização não isotérmica de um polímero, então o gráfico ln[-ln(1-X(t))] em função do tempo, t, deveria ser uma linha reta e seria capaz de obter os valores de n e Zt, dos coeficientes angular e linear, respectivamente [XU, 2008].
2.2.2. Análise de Ozawa
Ozawa modificou a equação de Avrami para cristalização isotérmica aplicando-a em condições não isotérmicas. Para essa teoria, a cristalização ocorre a uma velocidade de resfriamento constante a partir do estado fundido e a variável tempo na teoria de Avrami é substituída pela taxa de resfriamento [SPINACÉ, 2000].
De acordo com a teoria de Ozawa, o processo de cristalização não isotérmica é resultado de um número infitesimal de pequenos passos de cristalização isotérmica e o grau de conversão ou cristalinidade relativa X(T) em uma temperatura T, pode ser calculado como [OZAWA, 1971], mostrado na equação 6:
(6)
Onde m é o expoente de Ozawa, que depende das dimensões do crescimento dos cristais e
K(T) é uma função da taxa de resfriamento e indica a velocidade em que a cristalização ocorre. A
equação pode ser reformulada de acordo com a equação 7:
(7)
Quando o método de Ozawa é válido, o gráfico ln[-ln(1-X(t))] em função da ϕ (taxa de resfriamento) a uma dada temperatura deve ser uma linha reta, e os parâmetros cinéticos K(T) e
15
m podem ser obtidos pelos coeficientes linear e angular, respectivamente [OZAWA, 1971;
LORENZO, 1999].
2.3. Polilactide ou Poli (ácido lático)
O poli (ácido lático), PLA, também conhecido como poli (lactide), dependendo do monômero de partida empregado na síntese, tem sido estudado com muito interesse nas últimas décadas. O PLA pode ser obtido na forma semicristalina utilizando como monômero de partida o ácido lático, ou ácido 2-hidroxi-propanóico [Motta, 2007].
O ácido lático é bifuncional, possui uma função álcool e uma função ácido carboxílico e pode ser convertido em polímero por vários caminhos. Para obter mais alto grau de polimerização deve-se usar como monômero de partida o dímero cíclico do ácido lático, denominado lactide (Figura 2.6). Os dois monômeros que são utilizados como partida na síntese do poli (ácido lático), ácido lático e lactide, apresentam quiralidade, sendo que o ácido lático apresenta duas formas estereoisoméricas, o L- e o D-ácido lático. Já o lactide, o diéster dicíclico do ácido lático, apresenta quatro isômeros diferentes: L-lactide, D-lactide, a mistura racêmica D,L-lactide e o meso lactide, que é oticamente inativo e contém uma unidade L e uma unidade D no anel, porém sua obtenção é difícil (Figura 2.6).
O nome do polímero pode ser baseado em sua origem, desta forma quando se parte de um monômero do ácido lático, o polímero é denominado poli (ácido lático), porém se o monômero de partida for a lactide, o polímero obtido será a poli (lactide). O poli (L-ácido lático) e o poli(L-lactide) apresentam a mesma fórmula estrutural [MOTTA, 2007].
16
Figura 2.6 - Estereoisômeros do ácido lático e do lactide, adaptado de Raquez [2013].
O polímero formado é nomeado de acordo com o isomerismo correspondente ao seu dímero cíclico, dessa forma, poli (D-lactide) é formado a partir do monômero D-lactide (PDLA); poli (L-lactide) a partir do monômero L-lactide (PLLA); poli (D,L lactide) a partir do monômero D,L lactide (PDLLA). As duas formas mais comuns de poli (lactide) são as seguintes: poli (L-lactide), de sigla PLLA e poli (D,L lactide) de sigla PDLLA [MOTTA, 2007].
A configuração L do PLA (PLLA) é a ocorrência mais natural do isômero. O PLLA apresenta uma estrutura semicristalina (apresenta uma cristalinidade de aproximadamente 37%), e um tempo de degradação maior que 24 meses. O grau de cristalinidade depende da massa molar e dos parâmetros de processamento do polímero. Tem um módulo de elasticidade de aproximadamente 2 GPa. Possui uma temperatura de fusão e de transição vítrea de cerca de 180 e 55°C, respectivamente.
PLLA é um polímero de baixa taxa de degradação, devido ao seu caráter hidrofóbico. A taxa de degradação depende do grau de cristalinidade do polímero e também da porosidade da matriz. Possui aplicações comerciais como biomaterial em dispositivos de fixação para fraturas como parafusos, é utilizado em suturas e em reparo de menisco [NAIR, 2007]. Há no mercado vários dispositivos de fixação ortopédica compostos por PLLA: Phantom Soft Thread Soft Tissue
17
Fixation Screwc®, Phantom Suture Anchor® (De Puy), Full Thread Bio Interference Screw ®(Arthex), BioScrew®, Bio-Anchor®, Meniscal Stinger® (Linvatec) e o ClearFix Meniscal Dart® (Innovasive Devices).
O PLLA pode também formar fibras de alta resistência mecânica e é utilizado como sutura denominada Dexon®. Uma forma injetável de PLLA (Sculptra®) foi aprovada para a restauração de gordura facial em pessoas com vírus de imunodeficiência [NAIR, 2007].
Polilactides sofrem degradação hidrolítica via mecanismo de degradação em massa pela cisão aleatória das ligações éster. Degrada em ácido lático no ciclo metabólico humano, que é quebrado em água e dióxido de carbono via ciclo do ácido cítrico.
A localização do implante pode desempenhar um papel importante na taxa de degradação das lactides. Dispositivos grandes em áreas pobres de vascularização podem degradar e diminuir a capacidade do organismo de reabsorção. Isso conduz ao aumento de produtos ácidos. Um ambiente ácido irá catalisar o processo de degradação e causar a redução do pH. A redução local do pH pode ser responsável por reações adversas nos tecidos. Implantes sob tensão também degradam mais rápido, pois podem formar microtrincas e aumentam a área da superfície exposta à água [MIDDLETON, 2000].
2.4. Carbono
O carbono é o elemento mais presente na natureza e possui três formas alotrópicas naturais, o diamante, o grafite e o carbono amorfo. Com a descoberta dos fulerenos por Kroto [KROTO, 1985], iniciou-se a era sintética dos alótropos de carbono [HIRSCH, 2010; BALADIN, 2011].
A principal diferença entre os alótropos do carbono está relacionada às diferentes possibilidades de estados eletrônicos que o átomo de carbono pode assumir. Cada átomo de carbono possui 06 elétrons, distribuídos nos orbitais 1s2, 2s2 e 2p2. O orbital 1s2 possui dois elétrons fortemente ligados ao núcleo do átomo, enquanto os quatro elétrons restantes
encontram-18
se mais fracamente ligados nos orbitais 2s2 e 2p2 (elétrons de valência). Devido à diferença de energia entre os orbitais 2s e 2p ser relativamente pequena e ser ainda da ordem da energia das ligações, as funções de onda eletrônica que definem esses dois últimos orbitais atômicos combinam-se. Devido a essas combinações, conhecidas como hibridização, é possível obter até três diferentes estados eletrônicos para o átomo de carbono, sp1, sp2 e sp3 para a formação de ligações químicas [MAIA, 2007].
No diamante, os átomos de carbono encontram-se hibridizados na forma sp3, formando espacialmente uma estrutura tetraédrica entre seus átomos, organizados na forma cúbica ou hexagonal, ambas altamente densas e estáveis. Cada átomo de carbono é ligado covalentemente a outros quatro átomos de carbono por ligações simples, não havendo elétrons livres, o que caracteriza um material isolante (Figura 2.7) [MAIA, 2007].
Figura 2.7 - Estrutura do diamante, adaptado de Dresselhaus [1996].
2.4.1. Grafeno: Grafite, Fulereno e Nanotubos de Carbono
O grafeno consiste em uma folha planar de átomos de carbono densamente compactados em uma grade de duas dimensões. É um componente para materiais de grafite de outras dimensões, como fulerenos e nanotubos. O grafeno é uma folha plana de átomos
19
de carbono em ligação sp2, reunidos em uma estrutura cristalina hexagonal (Figura 2.8A) [HARRIS, 2009].
O grafite é constituído por milhares de folhas (camadas) de grafeno (Figura 2.8B). Possui átomos de carbono hibridizados na forma sp2, formando um arranjo trigonal planar entre seus átomos e, espacialmente, uma rede hexagonal bidimensional. Cada átomo de carbono é ligado covalentemente a outros três átomos de carbono. Os elétrons livres dos orbitais 2p não envolvidos na formação dos orbitais híbridos também se ligam entre si, formando ligações do tipo π. Devido à sua estrutura, o grafite é um material altamente anisotrópico, sendo considerado um material condutor ao longo do eixo hexagonal [KUMAR, 2013].
Figura 2.8 - Estruturas do grafeno e grafite, adaptado de Kumar [2013].
Os fulerenos são uma forma alotrópica do carbono, a terceira mais estável após o diamante e o grafite, dispostos nos vértices de um icosaedro truncado.
A estrutura dos fulerenos é formada pela ligação das bordas de uma folha de grafeno. Desse modo, os carbonos continuam unidos por fortes ligações sp2, como no grafeno, entretanto a curvatura trigonal das ligações leva a formação de uma estrutura pseudo sp³. Esta apresenta a forma de uma bola de futebol formada por hexágonos interligados por pentágonos, sendo estes últimos responsáveis pela curvatura da molécula e, consequentemente, por sua forma
20
tridimensional (Figura 2.9). O representante mais conhecido e estável da família dos fulerenos é o C60: 60 átomos de carbono dispostos na forma de um icosaedro truncado, com um diâmetro de
aproximadamente 01 nanômetro. Além do C60, outras formas de fulerenos também são
encontradas como o C70, o C76, o C84, o C92 e o C540 [HARRIS, 2009].
Figura 2.9 - Estrutura do fulereno C60, adaptado de Dresselhaus [1996].
2.4.2. Nanotubos de Carbono (NTC)
O primeiro relato de possível formação de filamentos de carbono a partir da decomposição térmica do metano foi em 1889. Porém, a comprovação se tornou difícil devido às limitações da microscopia na época. Após o desenvolvimento da microscopia eletrônica de transmissão, nos anos 30, houve um progresso na área de caracterização morfológica de materiais, incluindo os filamentos de carbono. Várias pesquisas foram realizadas desde essa época e a primeira evidência de filamentos de carbono em escala nanométrica foi descrita por pesquisadores russos em 1952. Após esse feito, outros trabalhos sobre nanotubos de carbono foram publicados. Porém, o maior impacto foi causado após a publicação do trabalho de Iijima [IIJIMA, 1991; MONTHIOUX, 2006].
21
Os nanotubos de carbono (NTC) são formados por arranjos hexagonais de carbono que originam pequenos cilindros. Geralmente possuem uma faixa de diâmetros de poucos ângstrons a dezenas de nanômetros e podem ter comprimento em centímetros [IIJIMA, 1991]. Podem ser divididos em nanotubos de parede simples (NTCPS), que são caracterizados como uma única folha de grafeno enrolada sobre si mesma formando um tubo cilíndrico e nanotubos de parede múltipla (NTCPM), que consiste de duas ou mais camadas cilíndricas concêntricas de folhas de grafeno arranjadas coaxialmente ao redor de um furo central com força de Van der Walls entre as camadas adjacentes (Figura 2.10) [HARRIS, 2009].
Figura 2.10 - Folhas enroladas de grafeno. NTCPS - nanotubos de carbono de parede simples, NTCPM - nanotubos de carbono de paredes múltiplas, adaptado de Choudhary [2011].
Os nanotubos de parede simples possuem diâmetros de 0,5 a 2nm e os de camada múltipla variam de 2 a 50nm para camada mais interna e um adicional em espessura por volta de 0,7nm para cada camada externa. As propriedades dos NTC dependem do arranjo atômico (de como as folhas estão enroladas), do diâmetro e comprimento dos tubos e da morfologia. [AJAYAN, 2007]. Os NTC podem ser semicondutores ou metálicos e possuem alta razão de aspecto (relação comprimento/diâmetro) e a Tabela 2.2 mostra suas principais propriedades.
22
Tabela 2.2 - Propriedades típicas dos nanotubos de carbono [adaptado de SAHOO, 2010; IIJIMA, 1991; RAO, 2002; SMART, 2006; CHAKRABORT, 2006].
Propriedade NTCPS NTCPM
Resistência Tração (GPa) 50-500 10-60
Módulo de Elasticidade (TPa) ∾1 0,3-1
Alongamento (%) 5.8 -
Densidade (g.cm-3) 1,3-1,5 1,8-2,0
Condutividade Elétrica (S.m-1) ∾106 ∾106
Estabilidade Térmica >700ºC (ar) >700ºC (ar)
Diâmetro Típico (nm) 0,5-2 2-50
Área superficial (m2.g-1) >200 >200
2.4.3. Métodos de Obtenção dos Nanotubos de Carbono
Os NTC são, geralmente, preparados por três métodos: descarga a arco, ablação a laser e deposição química a vapor.
A técnica de descarga a arco consiste no uso de dois eletrodos de grafite de alta pureza como ânodo e cátodo. Os eletrodos são aproximados em uma câmara com atmosfera inerte e uma voltagem é aplicada até que um arco estável é obtido. O ânodo é consumido e ocorre o crescimento de NTC no cátodo [THOSTENSON, 2001; SAIFUDDIN, 2012]
Na ablação a laser, um laser é utilizado para vaporizar um alvo de grafite em um forno com atmosfera controlada em temperatura próxima a 1200ºC. Essas duas técnicas são limitadas quanto ao pequeno volume de material obtido em relação ao utilizado. Excelentes condições de vácuo e substituição do grafite são dificuldades para obtenção em grande escala.
A deposição química a vapor (CVD) envolve a decomposição de um composto de carbono volátil ou gasoso (hidrocarboneto, monóxido de carbono ou acetileno) catalisado por
23
partículas metálicas em temperaturas abaixo de 1200ºC. É o método com menor custo e mais fácil de produzir em grande escala [HARRIS, 2009].
2.4.4. Modificação e purificação dos NTC
Os NTC geralmente aglomeram devido às forças de Van der Walls, tornando-os extremamente difíceis de dispersar na maioria dos solventes e na matriz polimérica. Um grande desafio no desenvolvimento de compósitos de polímero/NTC é introduzir os NTC em uma matriz polimérica alcançando a melhor dispersão e interações interfaciais fortes, melhorando a transferência de carga na interface matriz polimérica/NTC. A modificação dos NTC é uma forma efetiva de prevenir a agregação dos nanotubos, ajudando a melhorar a dispersão e a estabilização dos NTC na matriz polimérica. Foram desenvolvidos vários métodos de modificação, os principais são a covalente e a não covalente [SAHOO, 2010; VOLDER, 2013].
O processo de modificação não covalente não altera as propriedades físicas dos NTC, mas melhora a dispersibilidade e processabilidade. Esse tipo de modificação envolve, principalmente, a utilização de surfactantes e biomacromoléculas com polímeros [JEON, 2011]. Os nanotubos podem ser dispersos em água utilizando surfactantes aniônicos, catiônicos e não iônicos. A interação entre o surfactante e os NTC depende da natureza dos surfactantes, tais como comprimento da cadeia alquil, tamanho do grupo principal e carga [ERNEST, 2013].
Uma das principais vantagens da modificação não covalente é que as estruturas eletrônicas dos nanotubos são mantidas porque a estrutura sp2 e a conjugação dos átomos de carbono no tubo não se alteram, permanecendo intactas. [SOUZA FILHO, 2007]. A desvantagem é que as forças entre o polímero e o NTC são muito fracas, podendo a carga não ser transferida eficientemente da matriz polimérica aos NTC.
No caso de modificação covalente, a simetria das ligações é quebrada pela mudança dos átomos de carbono sp2 em sp3, dessa forma propriedades dos NTC como eletrônica e transporte são influenciadas. Mas a modificação pode melhorar a dispersão dos NTC em solventes e
24
polímeros. Uma forma de realizar a modificação covalente ocorre por meio da alteração química da superfície com ligações de grupos carboxílicos nos nanotubos ou pela reação direta nas paredes laterais [NIYOGI, 2002].
Geralmente, grupos funcionais contendo oxigênio como –COOH e –OH são criados nos NTC durante processo de oxidação por oxigênio, ar, ácido sulfúrico concentrado, ácido nítrico concentrado, peróxido de hidrogênio e mistura de ácidos [ZHANG, 2008; SOUZA FILHO, 2002]. A presença de grupos que contém oxigênio é mais conveniente que outros devido à variedade de reações químicas que podem ser realizadas com esses grupos. A modificação covalente pode também incluir flúor, radicais, grupos aminas. A natureza do grupo funcional na superfície do NTC possui função determinante no mecanismo de interação com as células [ARMENTANO, 2010].
A obtenção de NTC pelo método de CVD, amplamente utilizado, pode manter resíduos metálicos em sua superfície oriundos do processo de produção (ferro, níquel, ítrio, molibdênio, cobalto), modificando suas características e podendo torná-los tóxicos em ambiente biológico [SHIRAZI, 2011]. Os processos de oxidação utilizados para modificação da estrutura podem também retirar com sucesso grande parte das impurezas aderidas. Vários trabalhos relatam a aplicação do processo de oxidação para purificar nanotubos de carbono [SHIRAZI, 2011; PORRO, 2007; SU, 2008].
Todavia, após o processo de oxidação, carbonos carboxilados (FCCs ou oxidation debris) podem ser gerados como consequência da degradação dos nanotubos [ANDRADE, 2013]. Os efeitos dos resíduos carbonáceos em ambiente biológico ainda não são conclusivos, porém, estudos estão sendo realizados para esclarecer sua possível toxicidade. Em pesquisa de Stéfani [STÉFANI, 2011] os resíduos carbonáceos não produziram efeitos citotóxicos em cultura de fibroblastos e queratinócitos, entretanto, sua influência e implicações quando adsorvidos na superfície dos NTCPM não devem ser ignorados, principalmente em ambiente biológico. Em outro estudo, foi realizado ensaio de citotoxicidade em 9 amostras de NTCPS, usando proliferação de células de rim de rato. A citotoxicidade foi comparada antes e após a remoção dos resíduos carbonáceos e os resultados indicaram que a citotoxicidade está diretamente relacionada com a presença dos resíduos carbonáceos [WANG, 2011].
25
Segundo Mundra [MUNDRA, 2014], a natureza não biodegradável dos NTC pode limitar seu uso clínico devido aos estudos em relação à citotoxicidade, entretanto, técnicas de funcionalização e purificação da superfície podem minimizar essas restrições, aproveitando o potencial dos NTC para o desenvolvimento de uma próxima geração de biomateriais.
2.5. Nanocompósitos Poliméricos
Compósitos poliméricos consistem de cargas incorporadas em matrizes poliméricas, incluindo termoplásticos, termofixos e elastômeros e são considerados um importante grupo de materiais para muitas aplicações em engenharia.
Segundo Rabello [RABELLO, 2013], cargas podem ser definidas como materiais sólidos, não solúveis que são adicionados aos polímeros em quantidades suficientes para diminuir os custos e/ou alterar suas propriedades físicas. Cargas, como os nanotubos de carbono, são caracterizados pela alta razão de aspecto, definida como a razão entre o comprimento e o diâmetro para fibras e tubos, ou a razão entre o diâmetro e a espessura para placas e lascas [RABELLO, 2013; THOMAS, 2010].
Diferente dos compósitos poliméricos tradicionais, os nanocompósitos poliméricos são constituídos de uma matriz polimérica e uma carga de tamanho menor que 100nm pelo menos em uma direção. Pequenos tamanhos significam que as partículas não criam grande concentração de tensão e não comprometem a ductilidade do polímero, além de conduzir a uma excepcional área interfacial nos compósitos [AJAYAN, 2003].
A natureza utiliza nanocompósitos para grande parte de seus materiais rígidos. São estruturas complexas que consistem de fibras contínuas e descontínuas ou materiais particulados embebidos em uma matriz orgânica que age como uma cola. Por exemplo, a madeira é um compósito de fibras de celulose embebido em lignina e o osso é um compósito de colágeno e outras proteínas em uma matriz de cristais de fosfato de cálcio [WEINKAMER, 2011].
26
Em geral, os parâmetros que afetam as propriedades dos nanocompósitos poliméricos são as propriedades da carga (propriedades inerentes, tamanho, forma), a composição, a interação entre os componentes e o método de fabricação [THOMAS, 2010].
Uma das características dos nanomateriais é a grande área superficial. Uma grande área de superfície significa uma grande área de interface presente entre a carga e a matriz. A interface de um nanocompósito controla o grau de interação entre a carga e o polímero e também controla as propriedades. Uma definição clássica de interface em compósitos é uma superfície formada pelo limite comum das cargas e da matriz que está em contato e mantém a ligação entre eles para a transferência de carga. É definida como a região com propriedades químicas alteradas, mobilidade da cadeia polimérica alterada, grau de cura alterado e cristalinidade alterada. O tamanho da interface de compósito de matriz polimérica e NTC tem sido relatado em torno de 500nm de acordo com o tamanho e dimensão das cargas [AJAYAN, 2003].
A Figura 2.11 apresenta uma comparação das regiões interfaciais em função do tamanho da partícula. As partículas de reforço são da cor vermelha, a região de interface da cor azul e a matriz polimérica em azul claro. A Figura 2.11A, com partículas grandes, apresenta um pequeno raio de curvatura. A Figura 2.11B, com mesmo volume, mas em nanopartículas, produz um raio de curvatura mais alto, e, consequentemente, mais polímero na região de interface [SCHADLER, 2007].
27
Figura 2.11 - Modelo de interface de nanocompósitos, adaptado de Schadler [2007].
Além do efeito do tamanho da carga, a natureza física das partículas também possui um importante papel no processo de dispersão da carga na matriz polimérica [THOSTENSON, 2001; AJAYAN, 2003]. Os processos de modificações químicas também apresentam resultados na melhora da região de interface. Segundo Ma e colaboradores [MA, 2013], o processo de modificação pode favorecer uma dispersão mais uniforme e maior grau de transferência de tensão para a interface, conduzindo a uma melhora em propriedades como tenacidade à fratura e condutividade elétrica.
2.5.1. Nanocompósitos Poliméricos com Nanotubos de Carbono
Uma das condições essenciais dos biomateriais utilizados na regeneração tecidual são superfícies biocompatíveis e propriedades mecânicas favoráveis. Materiais poliméricos com um componente geralmente não satisfazem essas exigências. Embora, vários materiais poliméricos estejam disponíveis e sejam frequentemente investigados para uso em engenharia tecidual, dificilmente polímeros biorreabsorvíveis em um sistema único apresentarão todos os requisitos necessários, sendo que os sistemas poliméricos multicomponentes representam uma estratégia viável no desenvolvimento de novos biomateriais multifuncionais [ARMENTANO, 2010].
28
Os NTC possuem um potencial muito grande de aplicações, principalmente como carga em nanocompósitos poliméricos. Porém, sua principal limitação é a dificuldade de dispersão dos NTC, causando aglomeração e uma pobre interação interfacial com o polímero. O problema de dispersão é diferente de outras cargas convencionais como partículas esféricas e fibras de carbono, devido aos NTC possuírem características de pequenos diâmetros em escala nanométrica com alta razão de aspecto e, deste modo, apresentarem área superficial extremamente alta [HANA, 2011; THOSTENSON, 2001].
2.5.2. Processamento de Nanocompósitos com Nanotubos de Carbono
Com objetivo de maximizar as vantagens dos NTC como agente de reforço com melhores propriedades mecânicas, a distribuição dos NTC deve ser o mais homogênea possível, evitando a formação de agregados. Quanto melhor a distribuição dos NTC, melhor será a interação interfacial com a matriz.
Para minimizar os problemas de dispersão e garantir melhor distribuição dos nanotubos, podem ser utilizados métodos de dispersão mecânica [MA, 2010]:
1 – Ultrassom
É a ação de aplicar energia de ultrassom para agitar partículas em uma solução para vários propósitos. Em laboratório, geralmente, é utilizado o banho de ultrassom ou um ultrassom de ponta ou sonicador. É o método mais eficiente de dispersão de NTC em líquidos de baixa viscosidade, como água, etanol, clorofórmio [MA, 2010].
2 – Calandra
Calandra é uma máquina que emprega força de cisalhamento criada por cilindros para misturar, dispersar ou homogeneizar materiais viscosos. Em nanocompósitos com NTC, alguns trabalhos utilizaram esse método para dispersão com bons resultados [MA, 2010; GOJNY, 2004; THOSTENSON, 2006].
29 3– Moinho de bolas
Moinho de bolas é um método para moer materiais em um pó extremamente fino. Durante a moagem, uma pressão alta é gerada devido às colisões entre as pequenas bolas rígidas dentro de um recipiente, reduzindo o material a um pó fino. Bolas de moagem de alta qualidade podem moer partículas até tamanhos de 100nm [MA, 2010].
4 – Extrusão
Extrusão é uma técnica para dispersar NTC em um polímero sólido, como a maioria dos termoplásticos, em que grânulos do polímero misturados ao NTC são alimentados em uma extrusora. A rotação de parafusos em alta velocidade cria um fluxo de cisalhamento, resultando na dispersão dos NTC e misturando-os ao polímero fundido. É uma técnica útil para produção de polímeros com altas concentrações de reforço [MA, 2010; VILLMOW, 2008].
Há na literatura vários métodos disponíveis para fabricação de nanocompósitos com NTC, para polímeros termoplásticos e termofixos. Porém, as técnicas mais utilizadas são: evaporação de solvente, mistura no estado fundido e polimerização in situ [ARMENTANO, 2010; SPITALSKYA, 2010].
Evaporação de solvente é uma da técnica muito utilizada para a produção de nanocompósitos de matriz polimérica. Ela geralmente envolve 03 passos importantes: dispersão dos nanotubos em solvente apropriado, mistura com um polímero em solução, evaporação do solvente para formação do filme. Vários pesquisadores têm produzido nanocompósitos com polímeros biorreabsorvíveis por evaporação de solvente, pois é um método rápido, acessível e efetivo para produção de amostras pequenas [MONIRUZZAMAN, 2006; DOTTORI, 2010]. É amplamente usado na fabricação de filmes poliméricos, utilizando um solvente em que o polímero é solúvel.
A polimerização in situ envolve a dispersão de NTC em um monômero líquido ou solução do monômero, seguido pela polimerização. A principal vantagem desse método, é que ele produz polímeros grafitizados com nanotubos, misturados com as cadeias poliméricas livres.
30
A mistura no estado fundido utiliza altas temperaturas e altas forças de cisalhamento para dispersar nanotubos em uma matriz de polímero termoplástico. Dependendo da forma e morfologia final dos nanocompósitos, as amostras podem ser processadas por várias técnicas, como extrusão. Esse método é útil para polímeros que não podem ser processados por técnicas em solução devido à sua insolubilidade em solventes comuns [ARMENTANO, 2010; SPITALSKYA, 2010].
2.6. Aplicação de nanotubos de carbono e nanocompósitos com nanotubos de carbono na área biomédica
Nanocompósitos poliméricos com nanotubos de carbono como carga são materiais promissores para a área biomédica. Há um grande interesse em usar as propriedades dos NTC em aplicações biológicas. Os NTC geram expectativas pela introdução como reforço em arcabouços para engenharia tecidual. Recentemente, um grande número de investigações tem sido conduzido sobre os NTC recentemente, em diferentes concentrações, purificação e funcionalização, e na forma de nanocompósitos, usando vários tipos de células [SERRANO, 2014; SHI, 2008; LIZUNDIA, 2012]. Os resultados relatados propõem grande diferença de conclusões, enfatizando em muitos casos o efeito positivo da funcionalização dos NTC, que induz uma adequada dispersão em ambiente biológico [DUMORTIER, 2006].
As características dos NTC, como alta resistência mecânica e condutividade elétrica, faz com que os nanocompósitos adquiram novas propriedades que podem ser aplicadas em engenharia tecidual, sensores, liberação controlada de fármacos, medicina regenerativa e dispositivos como pinos e parafusos [TRAN, 2009].
A próxima geração de biomateriais será interativa e programável, e capaz de uma comunicação com os tecidos vizinhos. Especificamente, há uma necessidade dos materiais incorporarem propriedades estimuladoras [FORTUNATI, 2011]. Como um exemplo, campos elétricos têm sido utilizados para estimular a cicatrização do osso, cartilagem, pele e tecido conjuntivo, nervos do crânio, espinha e nervos periféricos [CIOMBOR, 1993; GOLDMAN,
