NATALIA LORENA PARADA HERNÁNDEZ
Síntese de Biopolímeros a partir de Óleo de Mamona para
Aplicações Médicas
CAMPINAS
2015
iii
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
FACULDADE DE ENGENHARIA QUÍMICA
NATALIA LORENA PARADA HERNÁNDEZ
Síntese de Biopolímeros a partir de Óleo de Mamona para
Aplicações Médicas
Orientadora: Profa. Dra. Maria Regina Wolf Maciel
ESTE EXEMPLAR CORRESPONDE À VERSÃO FINAL DA TESE DEFENDIDA PELA ALUNA NATALIA LORENA PARADA HERNÁNDEZ, E ORIENTADA PELA PORFA. DRA. MARIA REGINA WOLF MACIEL
Campinas 2015
Tese apresentada à Faculdade de Engenharia Química da Universidade Estadual de Campinas como parte dos requisitos exigidos para a obtenção do título de Doutora em Engenharia Química.
Biblioteca da Área de Engenharia e Arquitetura Elizangela Aparecida dos Santos Souza - CRB 8/8098
Parada Hernández, Natalia Lorena,
P211s ParSíntese de biopolímeros a partir de óleo de mamona para aplicações médicas / Natalia Lorena Parada Hernández. – Campinas, SP : [s.n.], 2015.
ParOrientador: Maria Regina Wolf Maciel.
ParTese (doutorado) – Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química.
Par1. Óleo de mamona. 2. Poliésteres. 3. Resinas epóxicas. 4. Reticulação. 5. Ácido cítrico. I. Wolf Maciel, Maria Regina,1955-. II. Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia Química. III. Título.
Informações para Biblioteca Digital
Título em outro idioma: Biopolymers synthesis from castor oil for medical applications Palavras-chave em inglês: Castor oil Polyesters Epoxy resins Crosslinking Citric acid
Área de concentração: Engenharia Química Titulação: Doutora em Engenharia Química Banca examinadora:
Maria Regina Wolf Maciel [Orientador] Rodrigo Alvarenga Rezende
Melina Savioli Lopes
Viktor Oswaldo Cardenas Concha Cecilia Amelia de Carvalho Zavaglia Data de defesa: 15-04-2015
Programa de Pós-Graduação: Engenharia Química
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Tese de Doutorado defendida por Natalia Lorena Parada Hernández e aprovada em 15 de Abril de 2015 pela banca examinadora constituída pelos doutores:
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RESUMO
O objetivo desta pesquisa é sintetizar um biopolímero a partir do óleo de mamona usando um processo não tóxico, tanto na síntese da resina epoxídica quanto no processo da sua cura, visando obter assim um biomaterial com características adequadas para uso na área médica. Para isso, foi necessária a funcionalização do óleo de mamona, por meio do processo de epoxidação, para posterior utilização como monômero na síntese do biopolímero. O processo de epoxidação foi realizado utilizando um sistema catalítico verde (H2O2/Al2O3/acetato de etila). Inicialmente, foi realizada a epoxidação do ricinoleato de metila (componente modelo), para a avaliação da eficiência do processo de epoxidação. Neste estudo foi utilizada a metodologia de planejamento de experimentos, a qual possibilitou definir as variáveis significativas do processo de epoxidação. A epoxidação do componente modelo foi monitorada por meio de Cromatografia Gasosa acoplada a um Detector de Ionização de Chama (GC-FID). Os resultados mostraram alta conversão (99%), em poucas horas de reação (2h), e ausência de subprodutos (99% de seletividade). Com esses resultados, procedeu-se com a epoxidação do óleo de mamona, cuja eficiência do processo foi avaliada por meio de Espectroscopia no Infravermelho por Transformada de Fourier (FTIR) e Espectroscopia Raman e Ressonância Magnética Nuclear de Prótons (1HNMR). Após epoxidação do óleo de mamona, foi avaliada a reação de polimerização do óleo de mamona epoxidado (ECO) usando ácidos carboxílicos (ácido cítrico) como comonômero, utilizando a técnica de Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC), FTIR, Análise Termogravimétrica (TGA) e testes de capacidade de inchamento. Os resultados obtidos indicam que o processo de polimerização estudado é viável, obtendo-se um poliéster reticulado. Visando a possível aplicação do poliéster obtido na engenharia de tecidos e área médica, foi realizada a análise de citotoxicidade do polímero obtido, usando células Vero (fibroblastos). O resultado da análise de citotoxicidade mostrou a não toxicidade do polímero sintetizado em células Vero (fibroblastos).
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ABSTRACT
The target of this research is to synthesize a biopolymer from castor oil using a nontoxic process, both in the synthesis of epoxy resin as in its curing process, aiming to obtain a biomaterial with suitable characteristics for medical applications. With this purpose, castor oil was functionalized using an epoxidation process in order to be used as monomer in the biopolymer synthesis. Epoxidation process was performed using a green catalytic system (H2O2/Al2O3/ethyl acetate). Initially, it was carried out the epoxidation of methyl ricinoleate (model compound) for evaluating the epoxidation process efficacy by using experimental design methodology, allowing in this way to define the significant epoxidation process variables. Model compound epoxidation was monitored by gas chromatography equipped with a flame ionization detector (GC-FID). The evaluation of the results showed high conversion (99%) in a few hours (around 2hs) without byproduct formation (99% selectivity). Taking into account these results, it was performed the castor oil epoxidation, and the process efficacy was evaluated by Fourier transform infrared (FTIR), Raman Spectroscopy and 1HNMR. After castor oil epoxidation, epoxidized castor oil (ECO) polymerization using carboxylic acids (citric acid) as comonomer was evaluated by Differential Scanning Calorimetry (DSC), FTIR, Thermogravimetric Analyses (TGA) and swelling tests. The obtained results showed that polymerization process is viable and it was obtained a cross-linked polyester. In order to evaluate the potential application of the obtained polymer in the medical field, it was performed a cytotoxicity assay using Vero cells (fibroblast type). Cytotoxicity results showed nontoxic effect of synthesized polyester on Vero cells.
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SUMÁRIO
CAPÍTULO 1: INTRODUÇÃO, JUSTIFICATIVA E OBJETIVOS 1
1.1 INTRODUÇÃO 2
1.2 ORGANIZAÇÃO DA TESE 4
1.3 JUSTIFICATIVA 4
1.4 OBJETIVO GERAL 5
1.5 OBJETIVOS ESPECÍFICOS 5
1.6 PRINCIPAIS CONTRIBUIÇÕES DESTE TRABALHO 5
CAPÍTULO 2: REVISÃO DA LITERATURA 7
2.1 ÓLEOS VEGETAIS 8
2.1.1 ÓLEO DE MAMONA 9
2.2 EPOXIDAÇÃO DE ÓLEOS VEGETAIS 9
2.2.1 EPOXIDAÇÃO COM ALUMINA 11
2.3 REAÇÕES DE POLIMERIZAÇÃO DE COMPONENTES EPOXÍDICOS 11
2.3.1 CURA DE ÓLEOS EPOXIDADOS 13
2.4 POLIMERIZAÇÃO DE COMPONENTES EPOXÍDICOS COM ÁCIDOS CARBOXÍLICOS 16
2.4.1 MECANISMO DE REAÇÃO 17
2.5 POLÍMEROS PARA APLICAÇÕES MÉDICAS 19
2.5.1 POLÍMEROS DERIVADOS DO ÓLEO DE MAMONA NA ÁREA MÉDICA 20
2.6 TESTES DE BIOCOMPATIBILIDADE 22
2.7 CONSIDERAÇÕES 22
CAPÍTULO 3: METODOLOGIA EXPERIMENTAL 23
3.1 EPOXIDAÇÃO DO RICINOLEATO DE METILA 25
3.1.1 MATERIAIS 25
3.1.2 REAÇÃO DE EPOXIDAÇÃO DO RICINOLEATO DE METILA 25
3.1.3 AVALIAÇÃO DO PROCESSO DE EPOXIDAÇÃO DO RICINOLEATO DE METILA 26
3.2 EPOXIDAÇÃODOÓLEODEMAMONA 28
3.2.1 MATERIAIS 28
3.2.2 REAÇÃO DE EPOXIDAÇÃO DO ÓLEO DE MAMONA 28
3.2.3 AVALIAÇÃO DO PROCESSO DE EPOXIDAÇÃO DO ÓLEO DE MAMONA 31
3.3 REAÇÃODECURADOÓLEODEMAMONAEPOXIDADO 35
3.3.1 REAÇÃO DE CURA DO ECO COM ÁCIDO CÍTRICO VIA CALORIMETRIA EXPLORATÓRIA
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3.3.2 TESTES PRELIMINARES DE TOXICIDADE 36
3.3.3 POLIMERIZAÇÃO (CURA) DO ECO E ÁCIDO CÍTRICO 39
3.3.4 CARACTERIZAÇÃO DOS POLÍMEROS SINTETIZADOS 41
CAPÍTULO 4: RESULTADOS E DISCUSSÃO 43
4.1 SÍNTESEDOMONÔMEROEPOXÍDICO 44
4.1.1 EXPERIMENTO DE LIXIVIAÇÃO 44
4.1.2 IDENTIFICAÇÃO DO EPÓXIDO DO RICINOLEATO DE METILA 45
4.1.3 PLANEJAMENTO FATORIAL 48
4.1.4 EPOXIDAÇÃO DO ECO EM BANCADA 54
4.1.5 EPOXIDAÇÃO DO ECO EM ESCALA PILOTO 59
4.1.6 CONCLUSÕES REFERENTES À ETAPA DE SÍNTESE DO MONÔMERO EPOXÍDICO 63
4.2 REAÇÃODECURADOÓLEODEMAMONAEPOXIDADO 65
4.2.1 AVALIAÇÃO DA REAÇÃO DE CURA POR DSC 65
4.2.2 AVALIAÇÃO PRÉVIA DO POTENCIAL DE TOXICIDADE DO POLÍMERO E ADESÃO CELULAR 69
4.2.3 POLIMERIZAÇÃO (CURA) DO ECO/ÁCIDO CÍTRICO 72 4.2.4 POLIMERIZAÇÃO DO ECO/ÁCIDO CÍTRICO EM DIFERENTES TEMPOS 76
4.2.5 ANÁLISES TERMOGRAVIMÉTRICAS 78
4.2.6 RESISTÊNCIA QUÍMICA DOS POLÍMEROS 81
4.2.7 CAPACIDADE DE ABSORÇÃO E FRAÇÃO GEL 82
4.2.8 CONCLUSÕES REFERENTES À ETAPA DE REAÇÃO DE POLIMERIZAÇÃO (CURA) DO ÓLEO DE
MAMONA EPOXIDADO 85
CAPÍTULO 5: CONCLUSÕES GERAIS E SUGESTÕES PARA TRABALHOS
FUTUROS 87
SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS 89
REFERÊNCIAS 90
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Dedico este trabajo con mucho cariño a una mujer ejemplar, fuerte y cariñosa, mi mamita…el loro!!
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AGRADECIMENTOS
Agradeço a Deus por permitir-me chegar ao final deste projeto com saúde e dar-me fortaleza nos momentos mais difíceis.
Agradeço a minha mãe, Marina, pelo apoio incondicional que sempre me tem dado, especialmente, durante estes oito anos vividos no Brasil; pelo amor, companhia, sabedoria de suas palavras, que me ajudaram a seguir em frente, não somente com meu projeto de doutorado, mas também com cada decisão importante durante minha vida. Ao meu irmão “Mito”, que na distancia sempre me fez companhia e me fazia rir e esquecer os problemas, com suas peculiaridades: Gracias “Mito”, por ser um Hermano tan especial!
Agradeço aos Professores Rubens e Maria Regina pelo constante apoio, compreensão e a confiança depositada ao permitir-me realizar este projeto, foram oito anos de muitos desafios e aprendizagem, vou estar sempre agradecida pela oportunidade de fazer parte dessa grande família “LOPCA/LDPS”.
Porque não é necessário um documento que ateste quem vai ser o co-orientador, o que importa são as ações! E ai que você entra Ingrid! Não tenho palavras para te agradecer por ter estado presente durante o desenvolvimento deste projeto, suas sugestões e contribuições, foram muito valiosas e permitiram direcionar este projeto pelo melhor caminho, o caminho do sucesso! Você não foi só minha co-orientadora, você foi uma AMIGA, seus conselhos e suas palavras, me deram força quando mais precisava. Ingrid, sem sua ajuda, eu não seria Doutora hoje... MUCHIIISIMAS GRACIAS!
Bele e Viktor, obrigada pela amizade, pelas contribuições ao meu trabalho e por confiar nesta colombiana, sem a ajuda de vocês, eu não teria casinha onde morar hoje. Foi um grande prazer conhecer um casal tão especial como vocês.
André, obrigada pelo apoio, contribuições e interesse por me ajudar, espero ter retribuído um pouco toda essa ajuda recebida com meus trabalhos de doutorado.
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Luchi, Anderson e Ma, meus amigos inseparáveis! Quero que saibam que vocês ocupam um lugar muito especial em meu coração. Obrigada pela amizade, a companhia, os momentos vividos com vocês são inesquecíveis. Ma, a menina que sabe tudo de polímeros! Nossas discussões me ajudaram a resolver muitos problemas do meu projeto, sua ajuda foi muito valiosa. Amigo! Sem você, eu não teria uma patente hoje, que sorte ter um amigo tão inteligente e gatinho como você. Pelu, passamos muitas coisas juntas, embora tenha havido períodos de tensão, a amizade foi mais forte, obrigada por estar comigo todos estes anos, la quiero um monton, usted sabe!!! Meninos espero contar com sua amizade sempre, adoro vocês!
Marcianito, obrigada por me aguentar durantes esses anos de convivência. Imagino como deve ser difícil morar com uma menina que parece estar de TPM o tempo inteiro (risos)! Obrigada pela sua amizade, seu carinho e por estar sempre atento. Foi um grande prazer ter um “roommate” tão especial como você!
Joselito carnaval! Obrigada pela amizade de todos esses anos. Você voltou na hora certa! Obrigada por estar ao meu lado e me ajudar a manter a tranquilidade nesta última etapa do doutorado, lo quiero mucho!
Oscar, você não precisa estar aqui para sentir que conto com você, obrigada por estar preocupado comigo, lo quiero mucho amiguis.
Pablito! Você é uma pessoa que transmite muita tranquilidade, isso me ajudou muito neste período de tanto estresse. Obrigada pela amizade, sua preocupação e por me fazer rir. Você é uma figura, Pablito!
Agradeço aos meus amigos e colegas do LOPCA e da FEQ, Laurinha, Kiny, Jaiver, Paulinha, Yurani, Mari, Lamia, Henderson, pela companhia e conselhos recebidos durante minha estadia nesta universidade. Primis! Obrigada pela amizade, palavras de animo e pelos papos durante o cafezinho, muito bons! Thiago, muito obrigada pela sua ajuda, foi muito importante.
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LISTA DE FIGURAS
Figura 1. R1, R2 e R3 são cadeias de ácidos graxos[24]. ... 8
Figura 2. Versatilidades químicas da molécula do ácido ricinoléico[31]. ... 9
Figura 3. Epoxidação do ácido ricinoléico. ...10
Figura 4. Mecanismo proposto para epoxidação de olefinas [35]. ...11
Figura 5. Representação esquemática do processo de cura de um termofixo[42]apud[19]. ...12
Figura 6. a) Imagem de Kryptonite sólida. b) Imagem inversa mostrando os poros dentro da Kryptonite[64]. ...20
Figura 7. Metodologia Experimental usada para o desenvolvimento do projeto. ...24
Figura 8. Montagem usada para a epoxidação do ricinoleato de metila ...26
Figura 9. Curva de calibração usada para quantificação do ricinoleato de metila. ...27
Figura 10. Etapas seguidas para a epoxidação do óleo de mamona em bancada. ...29
Figura 11. Reator usado na síntese do óleo de mamona epoxidado (Fonte: Autor). ...30
Figura 12. (a) Decomposição do H2O2 e (b) filtração do MnO2 e do catalisador. ...31
Figura 13 Fragmento do triacilglicerol especificado na Eq. 1 com massa molar de 173,1. ...32
Figura 14. Mudança de cor no ponto de equivalência da titulação. ...34
Figura 15. Amostras após esterilização. ...37
Figura 16. Moldes de silicone usados para curar o ECO (Fonte: Autor). ...40
Figura 17. Estufa a vácuo usada para fornecer a temperatura da reação de cura (Fonte: Autor). ..41
Figura 18. Epoxidação do RM (1) com peróxido de hidrogênio catalisado com alumina leva a formação do epóxido do ricinoleato de metila (2). ...44
Figura 19. Conversão do RM (0,057 mmol) na presença (curva 1) do catalisador (0,06 g), peróxido de hidrogênio (2,124 mmol) em acetato de etila, volume total 2,5 mL; 80º C. Experimento de lixiviação (curva 2): catalisador foi removido depois de 23 min a alta temperatura. ...45
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Figura 20. Espectro de Massas (impacto de elétrons) do RM. ...46
Figura 21. Caminho de Fragmentação do RM. ...47
Figura 22. Diagrama de Pareto para a resposta conversão. ...50
Figura 23. Superfícies de resposta (%) em função das quantidades de Alumina (g) e RM (mmol) (a), das quantidades de H2O2 (mmol) e RM (mmol) (b), e quantidades de Alumina (g) e H2O2 (mmol) (c). ...52
Figura 24. Conversão do Ricinoleato de Metila. ...53
Figura 25. Espectro de FTIR e Raman do CO e ECO. ...54
Figura 26. Espectro de 1HMRN do ECO (a) e CO (b). ...56
Figura 27. Espectro de 1HMRN do ECO sintetizado no balão usando menor volume de solvente. ...58
Figura 28. Espectro de FTIR e Raman dos monômeros epoxídicos sintetizados em escala piloto (reator de 5 L). ...59
Figura 29. Espectro de 1HMRN ECO1. ...60
Figura 30. Curvas TG para o ECO e CO...62
Figura 31. Perfil de curvas dinâmicas obtidas para diferentes proporções de ECO/ácido cítrico a taxa de aquecimento de 2° C/min. ...66
Figura 32. Possível mecanismo de abertura do anel oxirano. ...67
Figura 33. Curvas dinâmicas obtidas para diferentes proporções de ECO/ácidos cítrico a taxa de aquecimento 8° C/min. ...68
Figura 34. Teste de citotoxicidade nas amostras dos polímeros sintetizado nas proporções R=0,8 e R=0,6 e tempos de cura de 1,3 e 2h após 24h de cultivo. Os valores representam a média ± desvio padrão (n=3). ...70
Figura 35. A) Microscopia eletrônica de varredura da superfície do polímero sintetizado PS3. B) Microscopia eletrônica de varredura dos fibroblastos sobre o polímero PS3 após 24h de cultivo. ...71
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Figura 37. a) FTIR para os polímeros sintetizados em duas horas de reação a diferentes
proporções e b) FTIR do ECO. ...73 Figura 38. FTIR indicando diminuição da banda de absorção do grupo oxirano. ...74 Figura 39. Tg dos polímeros. ...75 Figura 40. FTIR dos polímeros sintetizados em diferentes proporções R e tempo de
polimerização de: a) 2h, b) 6h, c) 12h, d) 24h. ...77 Figura 41. Curvas de TGA para diferentes proporções R em tempos de cura de: a) 2h, b) 6h, c) 12h, d) 24h. ...78 Figura 42. DTG para diferentes proporções R em tempos de polimerização de: a) 2h, b) 6h, c) 12h, d) 24h. ...79 Figura 43. Comparação da estabilidade térmica dos polímeros obtidos com tempo de
polimerização de 2 e 24h para as diferentes proporções. ...80 Figura 44. Aparência dos polímeros após secagem do solvente em estufa a vácuo por 24h. ...82 Figura 45. Fração gel obtida após secagem dos polímeros sintetizados usando diferentes
proporções R e tempos de polimerização de 2, 6, 12 e 24h. ...84 Figura 46. a) Amostras de polímeros imersos em solvente e b) Amostras de polímeros após secagem. ...85
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LISTA DE TABELAS
Tabela 1. Reagentes usados na etapa de epoxidação do RM ...25
Tabela 2. Reagentes usados na etapa de epoxidação do óleo de mamona ...28
Tabela 3. Condições de Polimerização para os testes de citotoxicidade e morfologia celular ...36
Tabela 4. Nomenclatura usada para identificação dos polímeros ...40
Tabela 5. Níveis das variáveis do Planejamento Experimental ...48
Tabela 6. Conversão do RM para cada alíquota tomada durante um período de 6h de reação...49
Tabela 7. Análise de variância ...51
Tabela 8. Parâmetros calculados para as Eq1 a Eq7. ...57
Tabela 9. Peso equivalente em epóxi dos monômeros epoxídicos sintetizados ...61
Tabela 10. Entalpias de reação calculadas a partir das curvas dinâmicas obtidas para as diferentes proporções do ácido cítrico/ECO a taxa de aquecimento de 2° C/min ...67
Tabela 11. Tg para os polímeros sintetizados com ECO1 ...75
Tabela 12. Temperaturas iniciais de decomposição para os dois patamares observados na decomposição dos polímeros ...80
Tabela 13. Perda de massa para o primeiro patamar e perda de massa na temperatura de pico da derivada ...81
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LISTA DE SÍMBOLOS %O: Porcentagem de oxigênio de oxirano
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HRMN: Ressonância Magnética Nuclear de Prótons BPH: N-benzyl pyrazinium hexafluoroantimonate CNT: Controle Negativo de Toxicicidade
CPT: Controle Positivo de Toxicicidade DMA: Análise Dinâmico Mecânica
DSC: Calorimetria Exploratória Diferencial E: Porcentagem em peso de epóxido
ECO: Óleo de mamona epoxidado (do inglês – Epoxidized Castor Oil) ELO: Óleo de linhaça epoxidado (do inglês – Epoxidized Linseed Oil) ESO: Óleo de soja epoxidado (do inglês – Epoxidized Soybean Oil)
FID: Detector de ionização de chama (do inglês – flame ionization detector) FN: Fator de normalização
FTIR: Espectroscopia no infravermelho por transformada de Fourier GC: Cromatografia gasosa
GC-MS: Cromatografia gasosa acoplada à espectrometria de massas IV: Índice de iodo
M: Massa molar média
ND: Número de ligações duplas
PEHA: Partes em peso de agente de cura por 99 partes de óleo epoxidado PMMA: Polimetilmetacrilato
PVC: Policloreto de vinila
R: Relação grupos carboxílicos/grupos epoxídicos RM: Ricinoleato de metila
Tcura: Temperatura de Cura
Tg: Temperatura de Transição vítrea THF: Tetrahidrofurano
TID: Temperatura incial de decomposição WEEW: Peso equivalente em epóxi da resina
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CAPÍTULO 1: INTRODUÇÃO, JUSTIFICATIVA E OBJETIVOS
Neste capitulo são apresentadas a introdução referente ao tema estudado, a justificativa e os objetivos definidos para esta Tese de Doutorado, a organização do documento e as principais contribuições deste trabalho.
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1.1 Introdução
O grande espectro de propriedades físicas, químicas e mecânicas que os polímeros podem oferecer tem incentivado sua pesquisa, desenvolvimento e aplicação como biomateriais, podendo ser encontrados em diferentes áreas biomédicas como: engenharia de tecidos, implantes de dispositivos médicos e órgãos artificiais, próteses, oftalmologia, odontologia, reparação de ossos, entre outras aplicações [1, 2]. Quando estes materiais são usados em contato direto com células vivas do corpo, ou seja, como biomateriais [3, 4], devem cumprir especificações de biocompatibilidade e biofuncionalidade, sendo a primeira referente à reação do organismo hospedeiro, e a segunda, referente à habilidade do material para cumprir as tarefas para as quais foi desenvolvido [5].
Em outras palavras, o biomaterial não deve induzir uma resposta adversa do corpo, ou seja, deve ser atóxico, não carcinogênico, não antigênico, não mutagênico [5]. O biomaterial também deve possuir propriedades mecânicas e físicas adequadas, de acordo com a aplicação final, entre as quais deve se ressaltar: fácil manipulação, podendo ser moldado em diferentes formas; ter baixo custo; apresentar estabilidade quando armazenado; ser esterilizável e estar amplamente disponível [3, 5]. Além da biocompatibilidade e, dependendo da aplicação, é necessário que o polímero seja biodegradável, e os produtos resultantes de sua biodegradação não podem ser nocivos [1].
Os óleos vegetais são uma excelente opção como material de partida para obtenção de biopolímeros, já que oferece a possibilidade de várias modificações estruturais [6], baixa toxicidade, baixo custo de produção e processamento [7], e muitos dos produtos derivados de óleos vegetais podem se tornar biodegradáveis em condições apropriadas [8]. Adicionalmente, o fato de que os óleos vegetais possam ser metabolizados pelo corpo, faz com que os polímeros derivados deles sejam potencialmente biocompatíveis podendo ser ampliado, assim, seu uso para área médica [9].
Embora os óleos possam ser polimerizados diretamente, é mais interessante separar e funcionalizar os triacilgliceróis para obter monômeros e polímeros bem definidos [10]. A epoxidação é uma das reações de funcionalização mais importantes das ligações duplas dos
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carbonos [11]; os óleos vegetais epoxidados se apresentam como promissores e econômicos materiais para aplicações industriais, os quais compartilham muitas das características das resinas epoxídicas convencionais [12].
Tem-se mostrado que alumina (Al2O3) pode ser usada na epoxidação de olefinas usando peróxido de hidrogênio como oxidante [13-15]. Este sistema apresenta diferentes vantagens; a alumina por se tratar de um catalisador heterogêneo, é de fácil recuperação e pode ser reciclada várias vezes [16]. No que se refere ao oxidante, o peróxido de oxigênio (H2O2), é de baixo custo e gera como subproduto água, o que representa uma grande economia ao se tratar os efluentes [17, 18]. Estas características fazem com que este sistema seja apropriado para o propósito deste estudo, já que aumenta as probabilidades de se obter um monômero com as especificações desejadas referentes à não toxicidade.
O interesse deste projeto em estudar as resinas epoxídicas origina-se na versatilidade oferecida por estes materiais. Dependendo das propriedades físicas e químicas dos agentes de cura (ou endurecedores) e das condições em que a cura é alcançada, é possível obter um material final com propriedades variáveis quanto à resistência química, mecânica, térmica, dentre outras.
Embora as aminas sejam o agente de cura mais amplamente usado na formulação de resinas epoxídicas comerciais (representa aproximadamente 50% dos agentes de cura usados em resinas epoxídicas [19]), este tipo de endurecedores não foi usado neste estudo, devido principalmente, à sua toxicidade e também à baixa reatividade apresentada na presença de óleos epoxidados [20-22]. Em substituição ao uso de aminas, ácidos carboxílicos (ácido cítrico) foram selecionados para serem utilizados como comonômeros (agente de cura) na síntese dos biopolímeros desejados. Além de ser um composto amigável ao corpo humano, não há relato na literatura do uso do ácido cítrico como comonômero na polimerização (cura) com óleo de mamona epoxidado (ECO). Esta observação sugere contribuições relevantes à síntese de biopolímeros a partir de óleos epoxidados.
Baseado no descrito anteriormente, o intuito deste trabalho é obter um polímero a partir do óleo de mamona que atenda aos requisitos de um biomaterial para ser usado na área médica.
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Para aumentar as probabilidades de biocompatibilidade, foi evitado o uso de reagentes tóxicos tanto na síntese da resina epoxídica (óleo de mamona epoxidado) quanto no processo de cura.
1.2 Organização da Tese
O trabalho encontra-se dividido em cinco capítulos. O Capítulo 1 apresenta a introdução, justificativa e objetivos do projeto. No Capítulo 2 encontra-se a revisão da literatura referente a polímeros provenientes de óleos vegetais (especificamente do óleo de mamona), síntese, caracterização e seu uso na área médica. No Capítulo 3 são descritos os materiais e metodologia empregados para o desenvolvimento deste projeto. O Capítulo 4 apresenta os resultados obtidos neste trabalho e encontra-se subdividido em três grandes seções: a primeira seção faz referência à síntese do monômero epoxídico e sua caracterização; na segunda seção são apresentados os resultados referentes à cura do monômero sintetizado e caracterização dos polímeros obtidos, e; finalmente, na terceira seção são apresentados os resultados de citotoxicidade dos polímeros sintetizados. O Capítulo 5 apresenta as conclusões gerais e sugestões para trabalhos futuros.
1.3 Justificativa
As resinas epoxidícas são materiais versáteis, com excelentes propriedades químicas e mecânicas, após a cura. Pretende-se com este projeto aproveitar as características inerentes destes materiais e a vantagem apresentada ao se usar fontes renováveis como matéria-prima para se obter um novo biomaterial a partir do óleo de mamona. Por outra parte, toxicidade inerente das matérias-primas e produtos de degradação, aditivos residuais como iniciadores, catalisadores e solventes, pode incrementar a toxicidade potencial dos polímeros sintetizados, fator muito importante a ser evitado quando se pretende usar estes polímeros como biomateriais. Levando isso em consideração, a epoxidação do óleo de mamona foi realizada usando um processo livre de solventes e catalisadores tóxicos, garantido assim um histórico limpo do monômero epoxídico. Este fato, somado à natureza não tóxica do agente de cura, assim como à ausência de iniciadores e/ou catalisadores na formulação, faz do processo apresentado neste trabalho uma excelente opção para obtenção de biopolímeros com alto potencial de biocompatibilidade no referente à toxicidade.
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1.4 Objetivo Geral
O objetivo principal desta pesquisa é a obtenção de um material polimérico a partir do óleo de mamona epoxidado com potencial de aplicação na área medica.
1.5 Objetivos Específicos
1. Estudar e otimizar a reação de epoxidação usando como componente modelo ricinoleato de metila (RM), avaliando a eficiência do sistema catalítico verde estudado (H2O2/Al2O3/acetato de etila).
2. Sintetizar e caracterizar a resina epoxídica a partir de óleo de mamona;
3. Determinar as condições de polimerização do óleo de mamona epoxidado (ECO) e o agente de cura;
4. Avaliar as propriedades térmicas e estruturais do biopolímero obtido e;
5. Determinar as características de biocompatibilidade e citotoxicidade, por meio de ensaios biológicos.
1.6 Principais Contribuições deste Trabalho
Os resultados obtidos neste trabalho permitiram:
Comprovar a eficiência do sistema catalítico, H2O2/alumina/acetato de etila, na epoxidação do óleo de mamona, disponibilizando, assim, uma rota alternativa, econômica e não tóxica para a obtenção de monômeros epoxídicos. Patente BR 10 2014 017842 2, depositada pelo grupo de Pesquisa do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia em Biofabricação (BIOFABRIS) em colaboração com a Universidade Federal do ABC, intitulada: “Processo de epoxidação verde de composto insaturado”, autores: Rubens Maciel Filho, Anderson de Jesus Bonon, Maria Ingrid Rocha Barbosa Schiavon, Natalia Lorena Parada Hernandez, Dalmo Mandelli.
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Obtenção de um polímero elastomérico, não apresentado na literatura, via um processo de polimerização que não envolve agentes de cura tóxicos, catalisadores ou iniciadores para conduzir a reação. Esta é uma das contribuições inéditas desta pesquisa. Patente BR 10 2015 006751 8, depositada por este Grupo de Pesquisa do BIOFABRIS, intitulada: “Processo de obtenção de poliéster reticulado utilizando processo livre de reagentes
tóxicos, poliéster reticulado e uso”, autores: Rubens Maciel Filho, Maria Regina Wolf
Maciel, Anderson de Jesus Bonon, Natalia Lorena Parada Hernandez, Maria Ingrid Rocha Barbosa Schiavon, Andre Luiz Jardini Munhoz.
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CAPÍTULO 2: REVISÃO DA LITERATURA
Neste capítulo encontra-se a revisão da literatura referente ao processo de epoxidação, polímeros provenientes de óleos vegetais (especificamente do óleo de mamona), síntese e seu uso na área médica.
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2.1 Óleos Vegetais
Os óleos vegetais são constituídos de uma mistura de triacilgliceróis, produtos da esterificação do glicerol com três ácidos graxos (Figura 1). A estrutura dos triacilgliceróis apresenta diferentes resíduos de ácidos graxos que variam em termos de comprimento, entre 14 e 22 carbonos, e funcionalidades químicas, contendo principalmente cadeias alifáticas lineares saturadas e insaturadas e, em poucas exceções, podem conter grupos funcionais como hidroxila, carboxila e epoxídico [23-25]. As propriedades físicas e químicas dos óleos são fortemente influenciadas pelo número e posição das duplas ligações, assim como também pelo comprimento da cadeia dos ácidos graxos. Não obstante, o parâmetro que mais afeta as propriedades do óleo é o grau de insaturação o qual é medido pelo índice de iodo, que significa, a quantidade de iodo (mg) que pode reagir com as ligações duplas em 100 g de uma amostra sob condições específicas [24-26].
Figura 1. R1, R2 e R3 são cadeias de ácidos graxos[24].
Como citado anteriormente, os óleos vegetais são uma excelente opção como material de partida para obtenção de biopolímeros, pois possibilitam várias modificações estruturais [6], apresentam baixa toxicidade, baixo custo de produção e processamento [7], e muitos dos produtos derivados de óleos vegetais podem se tornar biodegradáveis em condições apropriadas [8]. Além disso, constituem uma alternativa atrativa e sustentável na produção de materiais poliméricos e resinas que poderiam substituir parcialmente e, em certo grau, totalmente, os tradicionais polímeros à base de petróleo [26, 27].
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2.1.1 Óleo de Mamona
O óleo de mamona é um triacilglicerol vegetal econômico e ambientalmente favorável extraído das sementes do Ricinus communis. Este óleo se caracteriza pelo seu alto conteúdo de ácido ricinoléico (aproximadamente 90% dos ácidos graxos do óleo de mamona). Este particular ácido graxo apresenta 18 carbonos na sua estrutura, com uma insaturação cis no carbono 9 e uma hidroxila no carbono 12. A versatilidade química oferecida pelo ácido ricinoléico diferencia o óleo de mamona da maioria dos óleos vegetais, já que este apresenta na sua estrutura três sítios suscetíveis a modificações químicas (Figura 2): a hidroxila, a dupla ligação e a carboxila [28-30]. Esta natureza trifuncional do óleo confere tenacidade à estrutura, e as longas cadeias de ácidos graxos lhe conferem flexibilidade [8].
Figura 2. Versatilidades químicas da molécula do ácido ricinoléico[31].
Outra característica deste óleo é a sua alta viscosidade, incomum nos óleos vegetais, a qual é conferida pelas ligações de hidrogênio de seus grupos hidroxilas. As propriedades físicas e químicas do óleo variam segundo o método de extração; o óleo de mamona prensado a frio tem baixo valor de ácido, baixo valor de iodo e um valor levemente mais alto de saponificação do que o óleo extraído com solvente [30].
2.2 Epoxidação de Óleos Vegetais
Embora os óleos possam ser polimerizados diretamente, é mais interessante separar e funcionalizar os triacilgliceróis para obter monômeros e polímeros bem definidos [10]. A
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epoxidação é uma das reações de funcionalização mais importantes das ligações duplas dos carbonos[11], além de um processo chave tanto na produção industrial de diferentes commodities, assim como na síntese de diversos intermediários, produtos químicos finos e farmacêuticos [32].
Ácidos graxos insaturados e seus ésteres podem ser convertidos a derivados epóxi por oxidação química. Esta reação ocorre nas ligações duplas nas cadeias dos ácidos graxos (Figura 3), geralmente com perácidos orgânicos ou peróxido de hidrogênio (H2O2) [25].
Figura 3. Epoxidação do ácido ricinoléico.
Na epoxidação de óleos vegetais, o método mais usado atualmente na indústria é a epoxidação in situ com perácidos (reação de Prilezhaev) [26, 33], a qual é uma reação lenta [13] e pouco seletiva (abertura do anel oxirano) [26], além de ter um alto impacto ambiental, já que por cada molécula de epóxido produzido é produzida a mesma quantidade de ácido carboxílico como subproduto [17, 18]. Com o intuito de tentar resolver este problema, têm-se estudado diferentes catalisadores, incluindo complexos de metal de transição, resinas de troca iônica, catalisador de venturello, éteres de coroa e enzimas [26]. Dentro deste grupo, cabe ressaltar o alto rendimento e conversão obtidos com sistemas que usam catalisadores metálicos e enzimáticos [34], porém estes sistemas catalíticos não são interessantes para o objetivo deste estudo devido ao uso de solventes tóxicos (tolueno) no caso dos catalisadores enzimáticos ou altos preços dos catalisadores metálicos, sendo em sua maioria metais de transição tóxicos [35].
Comercialmente, óleos epoxidados são usados como plastificantes para PVC e diluentes reativos para a cura térmica de outros monômeros epoxídicos [36]. Quando usados como precursores de outro tipo de funções passíveis para síntese de polímeros, o grupo oxirano contido nos óleos epoxidados é modificado quimicamente. Destaca-se a sua transformação em: grupos hidroxila e assim usar estes polióis resultantes na síntese de poliuretanos; e a sua
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transesterificação para produzir acrilatos, maleatos, entre outros, adequados para homo e copolimerizações por radicais livres [23, 37].
2.2.1 Epoxidação com Alumina
Tem-se mostrado que Al2O3 pode ser usada na epoxidação de olefinas usando H2O2 como oxidante [13-15]. Este sistema apresenta diferentes vantagens: Al2O3, por se tratar de um catalisador heterogêneo, é de fácil recuperação e pode ser reciclado várias vezes [16], além de estar livre de metais tóxicos como Mn, W, Re. No que se refere ao oxidante, o H2O2, é de baixo custo e gera como subproduto água, o que representa uma grande economia ao se tratar os efluentes [17, 18]. Estas características fazem deste um sistema apropriado para o propósito deste trabalho, já que aumenta as probabilidades de se obter um biomaterial com as especificações desejadas referentes à toxicidade.
Acredita-se que os epóxidos formados sigam o mecanismo proposto na Figura 4, no qual as espécies Al-OOH são as responsáveis pela transferência do oxigênio à olefina [18].
Figura 4. Mecanismo proposto para epoxidação de olefinas [35].
2.3 Reações de Polimerização de Componentes Epoxídicos
As resinas termofixas são monômeros de baixa massa molar ou oligômeros que contêm grupos funcionais para reações de reticulação [38]. As resinas mais conhecidas e usadas desta família de termofixos são as resinas epoxidícas derivadas de glicidil éter de bisfenol A devido às excelentes propriedades mecânicas, térmicas e resistência química que apresenta este polímero quando curado [39]. No processo de polimerização destas resinas (reação de cura) há uma
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mudança no estado de uma mistura líquida de baixa massa molar para uma rede tridimensional altamente reticulada [38, 40]; para que esta rede seja formada, uma condição necessária, porém não suficiente, é que pelo menos um dos monômeros envolvidos na reação tenha uma funcionalidade maior do que dois, sendo a funcionalidade do monômero epoxidíco definida pelo número de sítios de ligação que participam na formação da rede polimérica [40, 41].
Uma representação esquemática do processo de cura é apresentada na Figura 5 [42]apud[19], no qual participam correagentes trifuncionais e outro difuncional (Figura 5a). O processo de cura começa com o crescimento linear e ramificado simultâneo das cadeias chegando a um estado do material que se encontra abaixo do ponto de gel (Figura 5b), no qual é possível observar um aumento na viscosidade; o processo continua com a formação de uma rede reticulada incompleta ou gel de massa molar infinita (Figura 5c), até chegar a um estado do material completamente curado (Figura 5d).
Figura 5. Representação esquemática do processo de cura de um termofixo[42]apud[19].
A vitrificação é um fenômeno que pode-se apresentar no processo de cura e ocorre quando a temperatura de transição vítrea (Tg) aumenta (como consequência do avanço da reação de cura) até igualar a temperatura de cura (Tcura) [43]apud[19]. Neste estado a reação começa a
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ser controlada pela mobilidade (difusão) dos reagentes, o que leva a uma diminuição significativa da taxa de reação. Por isso, é importante selecionar uma combinação epóxido-agente de cura que resulte em uma Tg final que permita, no possível, uma reação completa na temperatura encontrada quando for aplicada a formulação; um aumento da Tg de 40-50° C acima da temperatura de reação resulta em grupos funcionais sem reagir, e como consequência as propriedades mecânicas e a resistência a solventes são afetados [44].
A alta reatividade do anel oxirano das resinas epoxídicas torna possível a sua abertura por diferentes agentes de cura (nucleófilos e eletrófilos). O agente de cura pode atuar como um iniciador na homopolimerização da resina epoxídica (agente de cura catalítico) ou como comonômero no processo de polimerização (agente de cura correativo) [38]. Entre os agentes de cura mais usados na formulação de resinas epoxídicas, agentes correativos, se encontram as substâncias com hidrogênios ativos como aminas primárias e secundárias, fenóis, tióis, ácidos carboxílicos e anidridos [39, 45, 46].
2.3.1 Cura de Óleos Epoxidados
A polimerização de resinas epoxídicas provenientes de óleos vegetais, geralmente leva à formação de géis, os quais, dependendo dos níveis de funcionalização dos triacilgliceróis, do grau de polimerização e tipo de comonômero, podem chegar a ser duros ou macios [47]. Entre os agentes de cura já conhecidos para reticular as resinas epoxídicas convencionais, são os anidridos que têm recebido mais atenção para a cura dos óleos epoxidados. Não obstante, também é possível encontrar alguns trabalhos de cura com aminas e ácidos carboxílicos. Além da cura térmica, tem-se usado satisfatoriamente a cura dos óleos usando outro tipo de técnica, como a polimerização catiônica, seja iniciada por UV ou catalisadores latentes. Alguns destes trabalhos são descritos a seguir.
2.3.1.1 Cura com Anidridos
Port e colaboradores [48] descreveram na sua patente a reação de resinas de epóxidos não terminais (como os encontrados em óleos e ésteres epoxidados) com anidridos cíclicos. Eles
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mostraram que sem a presença de aminas terciárias como catalisadores, os únicos produtos obtidos eram géis friáveis ou líquidos viscosos com baixo módulo de elasticidade, resistência à tração e temperatura de amolecimento. Já na presença de aminas terciárias obtiveram polímeros mais duros, rígidos ou flexíveis dependendo do óleo usado, com maiores módulos de elasticidade e temperatura de distorção, os quais aumentam com o aumento da quantidade de anidrido usado até uma relação estequiométrica (relação ótima).
Boquillon e Fingant [49] obtiveram polímeros pela reação de cura de óleo de linhaça epoxidado (ELO) usando anidridos como endurecedores e aminas terciárias e imidazóis como catalisadores. As propriedades termomecânicas dos polímeros obtidos foram analisadas usando as técnicas de DSC e Análise Dinâmico Mecânica (DMA). Amostras preparadas com imidazol mostraram maior resistência mecânica comparadas com aquelas preparadas com aminas. Referente à concentração usada no sistema, observou-se que um aumento na concentração do catalisador (imidazol) diminui o módulo de armazenamento e Tg. A quantidade de anidrido também influencia as propriedades finais do material; o aumento na quantidade de anidrido até a proporção estequiométrica leva a materiais com maior Tg e dureza.
Gerbase e colaboradores [50] obtiveram materiais com caraterísticas da família dos termorrígidos na reação de cura do óleo de soja epoxidado (ESO) com diferentes anidridos cíclicos em presença de aminas terciárias. Os materiais curados apresentaram Tg entre -16 até 65° C dependendo do tipo de anidrido usado e do grau de epoxidação do óleo de soja e a relação molar entre o anidrido/epóxido. Materiais com maiores Tg foram obtidos quando: i) os anidridos com estruturas mais rígidas foram usados; ii) aumenta a relação molar anidrido/epóxido e; iii) há um maior conteúdo epoxídico no óleo.
Samper e colaboradores [51] usaram um sistema composto por: ELO, ESO e diferentes proporções dos dois óleos; como agente de cura foi usado uma mistura dos anidridos maléico e ftálico; etilenoglicol foi usado como iniciador e benzil dimetil amina como catalisador. A proporção de 80% ELO/20% ESO proporcionou a formação de um polímero com as melhores propriedades mecânicas podendo ser usado como matriz para compósitos verdes.
15 2.3.1.2 Cura com Aminas
Gringerbg e colaboradores [52] usaram óleo de vernólia, o qual já contém grupos epóxidos na sua estrutura, na polimerização com diaminas aromáticas usando como catalisador ácido esteárico. O polímero obtido foi uma borracha elastomérica reticulada com melhor termorresistência quando comparada com outros polímeros amplamente usados como PVC, PP e PE.
Em outro estudo, Lopez e colaboradores [53]apud[23] curaram ELO com diaminas e triaminas, em duas etapas: na primeira o ELO foi submetido à aminólise parcial para posteriormente, na segunda etapa, serem curados termicamente.
2.3.1.3 Cura com Ácidos carboxílicos
Carter e colaboradores [54] sintetizaram um diácido, a partir de dipropilenoglicol e anidrido maléico, o qual foi usado para curar o ELO, para posterior aplicação em recobrimento de pisos. Embora as propriedades mecânicas do biopolímero sintetizado terem se mostrado bem inferiores às apresentadas pelo PVC, os testes específicos realizados para recobrimento de piso mostraram que o biopolímero obtido é adequado e competitivo em desempenho quando comparado com o PVC.
Altuna e colaboradores [55] sintetizaram polímeros reticulados a partir de óleo de soja epoxidado e ácido cítrico diluído em água, sem uso de catalisadores. Eles mostraram que os polímeros têm capacidade de autocura na ausência de catalizadores devido a um rearranjo molecular produzido pelas reações de transesterificação dos grupos β-hidroxiesteres gerados na polimerização, fato que foi evidenciado com análises de FTIR. As reações de transesterificação permitiriam a reciclagem do material por moagem seguido de moldagem por compressão a 160° C.
2.3.1.4 Polimerização catiônica
Crivelo e Narayan [36] polimerizaram diferentes óleos epoxidados usando a técnica de polimerização catiônica iniciada por UV em presença de sais de onium (fotoiniciadores). Os
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filmes poliméricos curados mostraram diferentes propriedades, dependendo do conteúdo epoxídicoco do óleo; quanto mais alto o conteúdo epoxídicoco, maior é o grau de reticulação, obtendo, assim, polímeros mais rígidos e frágeis. Adicionalmente, estes filmes apresentaram boa adesão e propriedades mecânicas.
Park e colaboradores [56] estudaram a polimerização catiônica do ESO e ECO usando o catalisador latente BPH (N-benzyl pyrazinium hexafluoroantimonate); comparado com o sistema ECO/BPH, o sistema ESO/BPH obteve uma maior energia de ativação, uma maior estabilidade térmica e menor Tg. Kim e colaboradores [57] complementaram o trabalho feito por Park ao curar uma série de óleos epoxidados com BPH, encontrando como esperado, as melhores propriedades mecânicas e estabilidade térmica para o óleo com maior conteúdo epoxídico, nesse caso, o ELO.
Baseado nas pesquisas encontradas na literatura é evidente o grande interesse dos óleos epoxidados para serem usados como resinas epoxídicas alternativas na produção de biopolímeros, os quais apresentam boas propriedades mecânicas e estabilidade térmica. Embora a maioria das pesquisas que envolvem a cura de óleos epoxidados vise à obtenção de polímeros mais rígidos, com propriedades mecânicas similares às já conhecidas resinas epoxídicas de glicidil éter, com o intuito de serem empregados nas diferentes áreas industriais, pouco se encontra sobre o uso desses biopolímeros na área médica. Porém, estes biopolímeros são interessantes para uso na área médica, na qual, o uso de géis é amplamente conhecido, os quais podem ser obtidos a partir da reação de cura de óleos vegetais epoxidados.
2.4 Polimerização de Componentes Epoxídicos com Ácidos Carboxílicos
Embora as aminas sejam o agente de cura mais amplamente usado na formulação de resinas epoxídicas comerciais (representa aproximadamente 50% dos agentes de cura usados em resinas epoxídicas [19]), este tipo de endurecedores não foi usado neste estudo devido à sua toxicidade e à baixa reatividade apresentada na presença de óleos epoxidados. Esta baixa reatividade pode ser explicada por dois fatores: i) ausência da ligação éter próxima do grupo epoxidíco (característica das resinas tipo glicidil éter) [20] e ii) ausência de epóxidos externos ou
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terminais; a epoxidação de óleos vegetais leva à formação de epóxidos internos, os quais são menos reativos [21, 22].
Com o intuito de obter um biopolímero livre de reagentes tóxicos, o ácido cítrico foi escolhido como comonômero (agente de cura) na polimerização do ECO por ser um monômero polifuncional, além de ser um produto metabólico do corpo, não tóxico, facilmente disponível e econômico [58]. Na literatura são poucas as pesquisas encontradas na qual o agente de cura sejam ácidos carboxílicos. A preferência ao uso dos anidridos sobre os ácidos é devido a que estes últimos produzem maior quantidade de água e, geralmente, são menos solúveis nas resinas [20]. Para esta pesquisa, este fato não tem relevância significativa, uma vez que água é o constituinte principal do corpo humano.
2.4.1 Mecanismo de Reação
A reação entre epóxidos e ácidos carboxílicos resulta em um hidroxiéster. Esta reação é catalisada por aminas terciárias, sais quaternários de amônio, complexos de metal de Cr, Co, Fe, Zn, etc [40]. As propriedades finais do polímero obtido dependerão não somente de parâmetros relacionados com a mistura da reação, como relação molar dos reagentes, funcionalidade, etc, a estrutura da rede, a qual depende do mecanismo de reação, também tem uma grande influência [59, 60].
Schecter e colaboradores mostraram que na reação de resinas epoxídicas e ácidos carboxílicos em um sistema não catalisado podem acontecer as seguintes reações [61]:
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Assumindo que a água é removida assim que é formada, as reações 1 a 3 acontecem a uma taxa de 2:1:1. Os autores também mostraram que quando a reação é catalisada por uma base, esta se torna mais seletiva, favorecendo a reação do ácido carboxílico com o epóxido, como apresentado nas reações 5 a 7 [61].
Matejka e colaboradores [59] estudaram a polimerização entre ácidos carboxílicos e epóxidos, usando fenilglicidil éter e ácido capróico como sistema modelo e trietilamina como catalisador. Eles mostraram que independentemente da relação molar dos reagentes, a reação 1 ou esterificação por adição, é a única reação que acontece na etapa inicial da polimerização; a esterificação por condensação (reação 2) e a eterificação (reação 3) só acontecem quando o ácido ou epóxido é consumido completamente. Adicionalmente, as reações propostas por Shechter
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[61], mostraram que pode acontecer o desproporcionamento do monoéster formado na reação 1 para produzir diéster mais glicol (reação 8), o que pode causar heterogeneidade na rede de um sistema polifuncional como consequência do rompimento das cadeias e formação de novos entrecruzamentos.
Resultados obtidos por estes mesmos autores [60] na reação catalisada por aminas terciárias de diepóxidos com diácidos carboxílicos, mostram que a reação acontece por um mecanismo por etapas e a gelificação acontece pela reação de transesterificação [62]apud[60]; embora a média de número de ligações por fragmento continua sendo a mesma, a redistribuição do número de ligações torna possível a gelificação e formação da rede tridimensional [40].
2.5 Polímeros para Aplicações Médicas
Materiais usualmente empregados na engenharia como, polímeros, metais, cerâmicos, compósitos, são amplamente usados com sucesso na área médica, dentro deste grupo, cabe ressaltar a grande versatilidade quanto a propriedades e processabilidade oferecidas pelos polímeros [63].
Como mencionado no Capítulo 1, quando usados como biomateriais, isto é, em contato direto com células vivas do corpo [3, 4], devem cumprir com especificações de biocompatibilidade e biofuncionalidade [5]. Portanto, o biomaterial não deve induzir uma resposta adversa do corpo, ou seja, deve ser atóxico, não carcinogênico, não antigênico, não mutagênico [5]. Além disso, deve possuir propriedades mecânicas e físicas adequadas, de acordo com a aplicação final, como: possibilidade de moldagem em diferentes formas; baixo custo; deve ser estável quando armazenado; ser esterilizável e amplamente disponível [3, 5]. Outra característica frequentemente necessária para os biomateriais poliméricos, dependendo da
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aplicação, é a biodegradabilidade, e os produtos resultantes de sua biodegradação não podem ser nocivos [1].
Dependendo da origem, estes biomateriais poliméricos podem ser classificados como naturais ou sintéticos, sendo estes últimos os estudados neste trabalho. A vantagem de usar materiais de origem natural é a similaridade a materiais com os quais o corpo humano está familiarizado e usualmente não apresentam problemas de toxicidade [3]. Contudo, os biomateriais sintéticos oferecem maior versatilidade para modificar as propriedades, de acordo com o uso final desejado.
2.5.1 Polímeros Derivados do Óleo de Mamona na Área Médica
O fato de que os óleos vegetais podem ser metabolizados pelo corpo, faz com que os polímeros derivados deles sejam potencialmente biocompatíveis, podendo ser ampliado, assim, seu uso para área médica em diversas aplicações, como selantes e colas cirúrgicas, adesivos farmacológicos, dispositivos para cicatrização de feridas, liberação de drogas e scaffolds para Engenharia de Tecidos [9].
Este é o caso do cimento ósseo Kryptonite, polímero biocompatível derivado do óleo de mamona que, diferentemente do polimetilmetacrilato (PMMA), termoplástico não adesivo e frágil usado a mais de 60 anos por cirurgiões, não se contrai no processo de cura, não causa necrose nos tecidos vizinhos e polimeriza como um scaffold com poros fechados (Figura 6), fornecendo rigidez e força semelhante às existentes nos ossos [64].
Figura 6. a) Imagem de Kryptonite sólida. b) Imagem inversa mostrando os poros dentro da Kryptonite[64].
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Fedak e colaboradores [65] compararam a técnica convencional de sutura em uma esternotomia (abertura cirúrgica do esterno) usando fios de cerclagem com o cimento ósseo kryptonite. Os resultados mostraram que o uso do adesivo ósseo permite a fixação rápida do esterno (24 horas) e elimina completamente o deslocamento patológico do esterno em condições de carga fisiológica; estas inovações apresentadas pelo uso deste cimento poderiam levar a uma redução da dor pós-operatória e a melhorar a respiração, mobilidade e recuperação funcional do paciente mais rapidamente.
O laboratório do professor Domb (Institute for Drug Research, The Hebrew University of Jersusalem) tem apresentado uma ampla pesquisa usando o ácido ricinoléico como precursor na síntese de polianidridos [66, 67] e poli(éster anidridos) [68], os quais têm sido usados com sucesso na área médica. Comparado com outros ácidos graxos, a natureza bifuncional do ácido ricinoléico é uma vantagem, já que permite a sua incorporação no polianidrido via uma ligação éster. Estes biopolímeros mostram propriedades físico-químicas e mecânicas desejáveis para seu uso como sistemas para liberação controlada de drogas, os quais, dependendo do agente bioativo adicionado ao biopolímero, podem auxiliar no tratamento de osteomielite [69] ou ser usados como agentes anticancerígenos no tratamento de tumores [70], entre outras aplicações.
Os biomateriais sintetizados pelo laboratório de Domb não são limitados a biopolímeros com estruturas lineares. Domb descreve, em um dos procedimentos da sua patente [71], a síntese de polímeros reticulados e ramificados usando como precursores: óleo de mamona e ácido cítrico. Uma vez sintetizados, estes polímeros são misturados para formar, assim, um gel que pode ser administrado por meio de seringas para injeção. Dependo da composição dos polímeros a ser misturada para formar o gel, a estrutura do polímero ramificado pode ser modificada adicionando cadeias de poliésteres ou usar um agente reticulante diferente (por exemplo, ácido sebácico). O biopolímero pode ser usado com fins terapêuticos, cosméticos ou como sistemas de liberação de drogas.
Recentemente, Liu e colaboradores [72] sintetizaram elastômeros biocompatíveis e biodegradáveis ao curar óleos vegetais epoxidados com óleo de mamona fosforilado. Os testes in vivo e in vitro destes biomateriais mostraram grande potencial para serem aplicados como
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elastômeros biodegradáveis em Engenharia de Tecidos e sistemas implantáveis para liberação de drogas.
2.6 Testes de Biocompatibilidade
A avaliação biológica de um biomaterial, dispositivo médico, ou prótese visa predizer quando este pode causar um dano potencial ao paciente ou usuário, avaliando as condições que simulam seu uso clínico [73]. Várias técnicas de avaliação da adequação de um novo material para aplicações biomédicas têm sido desenvolvidas para estudo e simulação do desempenho do material após sua implantação no corpo humano. Essas técnicas compreendem testes in vitro e testes in vivo. Para testes in vitro, são utilizados normalmente testes de bioatividade em líquido corporal simulado e estudos em cultura de células. Os estudos em cultura de células normalmente compreendem testes de citotoxicidade, medições bioquímicas de atividade celular, avaliação de proliferação, crescimento e morfologia celular. Estes tipos de ensaio permitem a obtenção de informações do comportamento biológico em, relativamente, curto período de tempo sem sacrificar os animais de experimentação [74, 75].
2.7 Considerações
Avaliando o exposto neste capítulo, a partir dos dados disponíveis na literatura, observa-se que, embora o estudo de óleos vegetais epoxidados observa-seja extenso, a avaliação da reação de cura do ECO com ácido cítrico, bem como a sua aplicação como biopolímero para a área médica, não é conhecido, o que mostra o ineditismo desta pesquisa.
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CAPÍTULO 3: Metodologia Experimental
Neste capítulo são apresentados os materiais e métodos usados para o desenvolvimento deste projeto.
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Levando em consideração os objetivos estabelecidos no Capítulo 1, foi adotada seguinte metodologia para o desenvolvimento do projeto (Figura 7).
Figura 7. Metodologia Experimental usada para o desenvolvimento do projeto.
Me to dolo gia Experim enta l Síntese do Monômero Epoxídico Epoxidação do Ricinoleato de Metila Otimização das condições de epoxidação Planejamento Experimental CG-FID e CG-Massas Epoxidação do Óleo de Mamona Síntese em bancada FTIR e FT-Raman 1HRMN
Síntese em escala maior
FTIR e FT-Raman
1HRMN
TGA
Reação de
Polimerização Avaliação da reação porDSC Polimerização em estufa
FTIR DSC (Tg) TGA Capacidade de absorção e Fração gel Testes de citotoxicidade
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3.1 Epoxidação do Ricinoleato de Metila
Os métodos e materiais descritos a seguir fazem referência à etapa de síntese do monômero epoxídico como descrito na Figura 7.
3.1.1 Materiais
Nesta etapa da pesquisa, foram utilizados os seguintes reagentes (Tabela 1), onde também se apresenta a função de cada reagente no sistema de epoxidação do ricinoleato de metila (RM).
Tabela 1. Reagentes usados na etapa de epoxidação do RM
Reagente Pureza Fornecedor Função no sistema
Ricinoleato de metila
(RM) Grau GC,99% Sigma-Aldrich Substrato
Alumina (Al2O3) Sigma-Aldrich Catalisador
Hexadecano anidrido 99% Sigma-Aldrich Padrão interno para cromatografia gasosa
Óxido de manganês (MnO2)
85% Sigma-Aldrich Terminador da reação
Peróxido de hidrogênio (H2O2)
Solução aquosa, 70%
Peróxidos do
Brasil Agente oxidante
Acetato de etila Grau GC, 99,5% Merck Solvente
Nesse estudo, a alumina foi aquecida até a temperatura de 450° C, durante 14h antes de ser adicionada ao sistema catalítico, para sua ativação, e os demais reagentes foram utilizados sem tratamento/purificação prévios.
3.1.2 Reação de Epoxidação do Ricinoleato de Metila
As reações de epoxidação do ricinoleato de metila foram feitas em balões de duas bocas aquecidos com um banho de glicerina a 80° C e acoplados a um condensador (Figura 8).
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Figura 8. Montagem usada para a epoxidação do ricinoleato de metila
A mistura de ricinoleato de metila, H2O2, acetato de etila e hexadecano (padrão interno para cromatografia gasosa) foram aquecidas sob agitação magnética, usando chapa de aquecimento, até ser atingido um leve refluxo. Antes da adição do catalisador ao sistema, uma alíquota foi coletada da mistura de reação para análise em GC-FID (tempo zero). Dá-se início à reação adicionando Al2O3. O curso da reação foi monitorado coletando alíquotas da mistura de reação em diferentes tempos, durante 6h. A reação foi interrompida pela adição de óxido de manganês (MnO2) e acetato de etila para diluir as concentrações dos reagentes.
3.1.3 Avaliação do Processo de Epoxidação do Ricinoleato de Metila
A eficiência do processo de epoxidação do ricinoleato de metila foi verificada por meio das técnicas de cromatografia gasosa, como descritos a seguir.
3.1.3.1 Cromatografia Gasosa (CG)
As amostras coletadas durante a reação de epoxidação do ricinoleato de metila foram filtradas e analisadas usando um cromatógrafo gasoso da Agilent 6850, equipado com uma coluna BP 25 SGE (25 m × 0,32 mm × 25 µm de espessura de filme) e um detector de ionização de chama (FID). Os produtos foram quantificados usando curvas de calibração (Figura 9) com
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padronização interna obtidas com soluções padrões, com o objetivo de acompanhar a reação de epoxidação.
Figura 9. Curva de calibração usada para quantificação do ricinoleato de metila.
3.1.3.2 Cromatografia Gasosa Acoplada a Espectrometria de Massas (CG-MS)
O produto da reação de epoxidação do ricinoleato de metila foi identificado usando cromatografia gasosa acoplada a massas (GC-MS), usando um cromatógrafo Agilent 5975C equipado com uma coluna stabilwas (30m×0.25mm×0.25µm).
3.1.3.3 Teste de Lixiviação
Com o objetivo de conhecer se existem espécies cataliticamente ativas lixiviando na reação, foi realizado o seguinte experimento: a mistura de reação de RM, peróxido de hidrogênio e acetato de etila, foi agitada vigorosamente a 80° C por 23 minutos na presença do catalisador alumina. Em seguida, a mistura foi filtrada e transferida para um segundo reator pré-aquecido usando um filtro de HPLC (PTFE 0,45 µm). Permitiu-se reagir o filtrado na ausência da alumina por um período de 6h. 0,0 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 A re a (A P /A PI ) Quantidade (gP/gPI) P: Ricinoleato de metila PI: Hexadecano Equaçao y = a + b* R2 0,9996
Valor Erro padrao
Area a -0,0074 0,014
28 3.1.3.4 Tratamento Estatístico
A otimização das condições de epoxidação do RM foi realizado usando o software STATISTICA 7, com o módulo DOE (planejamento de experimentos).
3.2 EPOXIDAÇÃO DO ÓLEO DE MAMONA
3.2.1 Materiais
Os materiais utilizados na etapa de epoxidação do óleo de mamona são apresentados na Tabela 2
Tabela 2. Reagentes usados na etapa de epoxidação do óleo de mamona
Reagente Pureza Fornecedor Função no
sistema
Óleo de Mamona Campestre Ind. E Com. De Óleos
Vegetais Ltd Substrato
Alumina (Al2O3) Sigma-Aldrich Catalisador
Óxido de manganês (MnO2) 90,5% Dinâmica Terminador da reação Peróxido de hidrogênio (H2O2) Solução aquosa,
70% Peróxidos do Brasil Agente oxidante
Acetato de etila Grau GC, 99,5% Synth Solvente
3.2.2 Reação de Epoxidação do Óleo de Mamona
A reação de epoxidação do óleo de mamona foi realizada usando um sistema em bancada e em escala piloto. Para a síntese em bancada foi empregado o sistema apresentado na Figura 10. A mistura do óleo de mamona, H2O2 (70% em H2O) e acetato de etila foi aquecida sob agitação magnética até atingir um leve refluxo, permanecendo sob agitação durante 6h. As reações foram iniciadas com a adição de Al2O3 ao sistema. Após o tempo de reação, o produto foi filtrado para remoção do catalisador e óxido de manganês foi adicionado para interromper a reação (decompor
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o H2O2 remanescente). Após esta etapa, o produto foi novamente filtrado e finalmente purificado em evaporador rotativo a 240 mbar.
Figura 10. Etapas seguidas para a epoxidação do óleo de mamona em bancada.
A epoxidação em escala piloto foi realizada como apresentado na Figura 11. A reação foi feita em reator com capacidade volumétrica de 5 L (Figura 11), com camisa de aquecimento (T = 95° C), acondicionado com dois condensadores para refluxo do solvente. O sistema foi submetido à agitação mecânica, a uma velocidade de 150 rpm, seguindo a metodologia descrita na patente desenvolvida por este grupo de pesquisa [76]. O reator utilizado nesta etapa da pesquisa está disponível no Laboratório de Desenvolvimento de Processos de Separação (LDPS), Departamento de Desenvolvimento de Processos e Produtos (DDPP), da Faculdade de Engenharia Química (FEQ), da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP). Dentro do
Alumina T= 80°C Remoção do catalisador e MnO2 H2O2 Destilação a Vácuo Filtração Remoção do solvente Acetato de etila Óleo de Mamona Reação Síntese
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contexto de produção de materiais para a área médica, o processo utilizado neste trabalho, com o reator de 5 L, pode ser considerado processo piloto.
Figura 11. Reator usado na síntese do óleo de mamona epoxidado (Fonte: Autor).
O óleo de mamona, peróxido de oxigênio e o acetato de etila foram transferidos para o reator. Uma vez que o sistema racional atingiu a temperatura de 70° C, foi adicionado o catalisador Al2O3 para dar início à reação de epoxidação. Após 6h de reação, o produto foi filtrado para remoção do catalisador.
Óxido de manganês foi adicionado para decompor o peróxido de hidrogênio remanescente na solução (Figura 12a) e posteriormente filtrado (Figura 12b). Finalmente, o produto foi purificado em evaporador rotativo, marca IKA, modelo RV 10 control, a 240 mbar.
